大米谷蛋白对大米淀粉凝胶化及凝胶特性的影响

豁银强 袁佰华 汤尚文 于 博 张宾佳 赵思明

(湖北文理学院1，襄阳 441053)(华中农业大学2，武汉 430070)

淀粉和蛋白质是大米的主要成分，分别占大米干物质重的85%～90%[1-2]和4.5%～10%[3]。由于能够形成凝胶，淀粉和蛋白质在食品加工中发挥着重要的作用。凝胶特性对米糊、米面包、米发糕及米粉等众多米制品品质有重要影响。凝胶的形成本质上是分散系从溶胶态转化为具有三维网络结构凝胶态的过程。凝胶的特性受蛋白质和淀粉等组分含量与特性、及蛋白质与淀粉相互作用的影响[4，5]。淀粉和蛋白质复合物的凝胶结构取决于蛋白质与淀粉的相对含量及其相互作用[3，6]。蛋白含量通常与米制品黏性呈负相关，与硬度呈正相关[7,8]。稻米醇溶蛋白、谷蛋白、球蛋白及白蛋白对大米淀粉糊化特性及淀粉凝胶特性的影响不同[9-11]，可能与不同类型米蛋白的分子结果与特性及其与大米淀粉间的相互作用等不同有关。

大米谷蛋白作为大米的主要储藏蛋白，占大米蛋白总量的70%以上。谷蛋白的含量不仅影响米制品的营养品质，对大米产品的凝胶特性也有重要的影响。为探究大米谷蛋白对大米淀粉凝胶形成及凝胶特性的影响，本实验研究大米谷蛋白对籼米淀粉的流变特性、热特性、凝胶质构及凝集形貌的影响，以期为以大米为主要成分的产品开发与利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

原料水稻产自湖北黄冈，品种为籼稻桂朝13，实验当年收获，精选、晾晒至含水量12%左右，使用前用砻谷机加工成糙米，然后用碾米机碾成大米，碾米时间约60 s，大米粉碎后过60目筛，密封后置于干燥器中室温保存备用。

JNMJ3检验碾米机；TDL-5-A台式离心机；AR-2000动态流变仪；TA-2000差示扫描量热仪；TA-XT Plus质构仪；JSM-6390扫描电镜。

1.2 方法

1.2.1 大米谷蛋白和淀粉的制备

大米谷蛋白制备：米粉脱脂后晾干，经5%的NaCl以10∶1的液料比室温搅拌提取2 h，3 200 g离心20 min，弃上清，残渣用10倍蒸馏水室温搅拌0.5 h，3 200 g离心20 min，弃上清，反复洗涤3次；残渣用10倍 0.4%的NaOH室温下提取2 h，3 200 g离心20 min，上清液用0.6 mol/L盐酸调pH至4.8，室温静置0.5 h使谷蛋白沉淀，3 200 g离心20 min，所得沉淀物冷冻干燥，粉碎过60目筛，即得大米谷蛋白，干燥器室温保存备用。

米淀粉的制备：米粉经脱脂晾干后，用10倍100%异丙醇搅拌提取1 h，3 200 g离心5 min, 弃上清；残渣用10倍0.4%的NaOH溶液搅拌提取1 h，3 200 g离心5 min，弃上清，此操作重复2次；加10倍蒸馏水于沉淀，用0.6 mol/L的HCl调pH至中性，3 200 g离心10 min，弃上清，沉淀水洗、离心后弃上清，水洗重复3次。每次碱液提取离心后，刮去沉淀表层的黄棕色胶状物。残渣于45 ℃烘箱干燥24 h，粉碎过60目筛得米淀粉，于干燥器保存备用。

1.2.2 流变特性测定

大米谷蛋白按0%、4%、8%、10%、12%和14%的比例添加到大米淀粉中，混合均匀，配制成20% (w/w)的悬浮液，用动态流变仪测其温度变化时的黏弹模量。测试条件为：平板直径40 mm，平衡时间1 min，振荡模式，测试频率1 Hz，温度扫描范围20～100 ℃，升温速率5 ℃/min，以5 ℃/min的降温速率从 100 ℃降至30 ℃，控制变量为应变率2%。

1.2.3 热特性分析

不同量的大米谷蛋白与大米淀粉混合均匀，称混合物3 mg左右于差示扫描量热仪专用铝盒中，添加2倍重量的蒸馏水后密封，4 ℃过夜以促进水化。以空铝盒作参照，进行DSC测试。试验过程为氮气气氛，升温速率为5 ℃/min，吹扫氮气为40 mL/min，温度扫描范围为30～120 ℃。

1.2.4 凝胶质构测定

将不同大米谷蛋白添加量的淀粉配成20%(m/m)悬浮液，搅拌混合均匀后，取20 mL于50 mL 烧杯内，用保鲜膜封口后，95 ℃水浴20 min，冷却至室温后4 ℃静止24 h。用质构仪测定凝胶的质构特性。采用两次压缩(TPA，Texture Profile Analysis)模式进行测定。测试探头：p/36R；探头测试前下压速度、测试速度和测试后的上升速度均为1 mm/s；测试压力为5 g；探头感受到压力后下压50%。

1.2.5 凝胶的扫描电镜观察

利用扫描电镜分析凝胶的表观形貌。添加不同量大米谷蛋白的淀粉配制成20%(m/m)的悬浮液，装入直径20 mm肠衣中，95 ℃水浴20 min，用自来水快速冷却，4 ℃静止24 h。切成厚度2 mm左右的薄片。于0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(pH 7.2)配制的2.5%戊二醛和4%甲醛(1∶1V/V)混合液中固定2 h，再经0.1 mol/L磷酸盐缓冲液(pH7.2)浸泡漂洗30 min，重复3次，然后放入用0.1 mol/L(pH7.2)磷酸盐缓冲液配制的1%四氧化锇溶液中固定1 h，随后用蒸馏水清洗3次。样品分别经浓度为30%、50%、70%、90%和100%乙醇梯度脱水，最后用醋酸异戊酯脱乙醇，在HCP-2临界点干燥仪上采用临界点干燥法进行干燥，离子溅射仪喷金后，最后用扫描电镜进行扫描观察。

2 结果与分析

2.1 米谷蛋白对米淀粉流变特性的影响

图1 不同米谷蛋白添加量米淀粉的动态流变温扫图谱

表1 不同米谷蛋白添加量米淀粉动态流变温扫特定参数

注：同一行不同字母间有显著差异(P<0.05),余同。

降温过程中，弹性模量G′和黏性模量G″随温度降低而升高。随着温度降低，从淀粉颗粒中渗析出来的直链淀粉分子通过氢键交联形成稳定的网络结构。凝胶体系的黏性和弹性随温度降低逐渐增大，导致弹性模量G′和黏性模量G″不断升高。表明凝胶网络在此温度范围快速形成，体系的黏弹性增加而流动性降低[16]。

2.2 米谷蛋白对米淀粉热特性的影响

淀粉是典型的多晶体系，支链淀粉侧链形成的微晶束组成了淀粉颗粒的骨架，直链淀粉穿插在支链淀粉的链间。淀粉颗粒分散于水中并加热，当温度从30 ℃升至100 ℃过程中，淀粉颗粒内部分子间氢键断裂，进而淀粉分子与水分子之间形成氢键，颗粒吸水膨胀，淀粉糊黏度逐渐上升最终形成黏稠的淀粉糊，此过程伴随着能量变化，在DSC图谱中出现吸热峰。如图2所示，所研究样品均出现两个明显的吸热峰，且随着谷蛋白添加量增加，吸热峰的强度逐渐减弱。不同植物来源的淀粉颗粒在加热过程中均会产生双吸热峰[17]，人们通常将其命名为G和M1吸热峰。在含水量有限的体系中，峰G和峰M1可能分别与淀粉晶体的凝胶化和熔融有关[18]。在过量水分的体系中，峰G和峰M1可能分别与淀粉聚合物的吸水膨胀和溶解有关[19-20]。

图2 不同米谷蛋白添加量米淀粉的DSC图谱

峰G的起始温度(T1o)、峰值温度(T1p)和焓值(ΔH1)及峰M1的起始温度(T2o)、峰值温度(T2p)和焓值(ΔH2)如表2所示。随着米谷蛋白添加量增加，体系峰G和峰M1的起始温度和峰值温度均没有出现显著的变化，而峰G与峰M1的焓值均随着谷蛋白添加量增加而呈现出降低的趋势。该结果表面，所添加的谷蛋白对淀粉颗粒的相变没有产生显著的影响，所添加的谷蛋白在加热过程中也没有产生明显的吸热信号，其可能是由于碱法制备导致谷蛋白变性而没有表现出明显的热信号，也可能是由于谷蛋白在体系中的含量较低而没有出现明显的热转变信号。当蛋白质含量高于20%时，蛋白质和淀粉混合物加热时会分别出现淀粉凝胶化和蛋白质变性的峰，当蛋白质浓度低于20%时，蛋白质和淀粉混合物受热时仅表现出淀粉的吸热信号[21]。本研究中的蛋白质含量均低于20%，因此大米粉中的蛋白变性可能没有产生独立的吸热峰。

2.3 大米谷蛋白对米淀粉凝胶质构特性的影响

淀粉与蛋白质除营养特性外，两者都可以作为胶凝剂、增稠剂及稳定剂等，其特性极大地影响着食品的食用品质及其质构特性。本研究利用质构仪TPA模式测定大米谷蛋白添加量对淀粉凝胶质构特性的影响，比较了大米谷蛋白添加量对淀粉凝胶的硬度、黏聚性、回弹性和黏结性等的影响。

表2 不同米谷蛋白添加量米淀粉的热特性参数

不同大米谷蛋白添加量籼米淀粉凝胶的特定参数与表3所示。淀粉凝胶硬度随米谷蛋白添加量增加而增大，其可能是由于谷蛋白分子的刚性比淀粉分子大，谷蛋白在淀粉凝胶化之前发生了凝胶化，凝胶化的蛋白包裹了淀粉颗粒进而提高了淀粉凝胶的硬度。Baxter等[10]发现非糯性稻米淀粉凝胶硬度随米蛋白添加量增加呈线性上升。籼米淀粉凝胶的黏结性随谷蛋白添加量增加总体呈升高趋势。随米蛋白添加量增加，淀粉凝胶的黏结性表现为先减小后增大，当达到一定值时又出现降低的趋势，淀粉凝胶黏结性随蛋白添加量增加的整体变化趋势类似于S型[11]。兵豆蛋白与兵豆淀粉混合物质构特性也表现出类似的特征，当兵豆蛋白占30%和40%时，混合物的黏结性最高[19]。籼米淀粉凝胶质构的黏聚性随米谷蛋白添加量增加而升高。这与Baxter等[11]报道的结果相一致，即非糯性稻米淀粉凝胶黏聚性随谷蛋白添加量增加呈线性升高。籼米淀粉凝胶的回弹性随米谷蛋白添加量增加先增加后趋于平稳。兵豆淀粉和蛋白混合物凝胶的回弹性随兵豆蛋白含量增加而升高。

表3 不同米谷蛋白添加量米淀粉凝胶质构特征参数

2.4 大米谷蛋白对米淀粉凝胶形貌的影响

图3 不同米谷蛋白添加量米淀粉凝胶扫描电镜图

图3是大米谷蛋白添加对籼米淀粉凝胶的扫描电镜图。由图3可见，添加大米谷蛋白与未添加谷蛋白米淀粉网络结构明显不同，未添加大米谷蛋白米淀粉凝胶的网络结构较为致密紧凑，出现一些较浅的凹槽。添加大米谷蛋白淀粉凝胶呈蜂窝状，表面凸凹不平，有许多大小不一的孔洞及蜂窝结构。随着谷蛋白添加量增加，孔洞直径增大、变深增加，凝胶结构变得越来越松散。花生蛋白添加对豌豆淀粉凝胶形貌影响也出现类似的现象[22]。产生这种现象可能是由于蛋白的凝胶能力不如淀粉。蛋白表现出的刚性结构限制了聚合物网状结构的形成[23]。

3 结论