大米蛋白对小麦淀粉理化特性的影响

张 敏,徐 燕,周裔彬,王乃富

(安徽农业大学茶与食品科技学院,安徽合肥 230036)

我国大米蛋白资源丰富,可通过对碎米、米糠等稻米加工副产物深加工而获得[1]。大米蛋白富含人体所必需的氨基酸,尤其赖氨酸含量高于其他谷类,其营养价值高于小麦蛋白质而接近于理想蛋白质。同时,与小麦蛋白、大豆蛋白等相比,大米蛋白的过敏性低,适用于更广泛的人群食用[2]。因此,将大米蛋白添加到面包、面条、馒头等面制食品中,将会显著提高上述食品的营养价值。

面包等面制食品的主要原料为谷物面粉。在谷物面粉中,淀粉的含量占到70%以上。淀粉的糊化、老化等特性会显著影响到面制食品的食用品质,如保水能力下降，使食品变得坚韧、坚硬和碎裂以及透明度变弱等[3]。目前,国内外关于添加外源物质对淀粉特性影响的研究多集中在一些多糖、多酚等生物活性物质上,包括淀粉的老化、糊化、流变、凝胶特性和颗粒形态等[4-5]。大多数研究结果表明多糖和多酚类物质能与淀粉发生相互作用,并在一定程度上对小麦淀粉的老化具有抑制作用[6-9]。

关于蛋白质对淀粉理化特性的影响,国内外也有少量报道。有研究表明,大豆分离蛋白可以增加小麦淀粉的黏度[10]。还有研究发现玉米淀粉和浓缩大豆蛋白在加热条件形成的复合物的储能模量低于原玉米淀粉的,而糊化温度比原玉米淀粉的要高[11]。刘桃英等[12]研究发现大米蛋白对大米淀粉的糊化起着抑制作用。目前国内外对大米蛋白对小麦淀粉理化特性的研究尚未见报道,因此,本实验以小麦淀粉为研究对象,添加不同比例大米蛋白,借助差示扫描量热仪、快速黏度分析仪、流变仪和X-射线衍射等,探讨大米蛋白与小麦淀粉之间的相互作用,阐明大米蛋白对小麦淀粉糊化、老化等理化特性的影响,为大米蛋白在面包、面条等面制食品中应用,以及大米蛋白新产品的开发提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦淀粉 Sigma公司;大米蛋白 西安优硕生物科技有限公司。

Pyris-1差示扫描量热仪 美国PE公司;RVA-Super-3快速黏度分析仪 澳大利亚Newport Scientific Pty公司;DHR-3旋转流变仪 美国TA有限公司;BECKMAN-Allegra高速冷冻离心机 美国BECKMAN科技公司;HH数显恒温水浴锅 金坛市金城国胜实验仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 热力学特性的测定 采用Luo等[4]的方法进行热力学分析。准确称取3 mg分别添加0、2%、4%、6%、8%、10%大米蛋白的小麦淀粉与3倍去离子水混合,于铝坩埚中密封压盖后放入4 ℃冰箱中平衡12 h,同时以空的铝坩埚作为参比。采用差式扫描量热仪进行测定,扫描的温度范围为30～120 ℃,升温速度为10 ℃/min。从热力学特性曲线可知糊化初始温度(T0)、糊化峰值温度(Tp)、糊化最终温度(Tc)、糊化焓值(ΔH)。

1.2.2 糊化特性的测定 准确称取3.5 g分别添加0、2%、4%、6%、8%、10%大米蛋白的小麦淀粉,与25 mL去离子水混合均匀,用快速黏度分析仪(RVA)根据AACC Approved Method 61-02(2000)[13]对小麦淀粉糊化特性进行测定。

1.2.3 X-射线衍射 准确称取2.0 g分别添加0、2%、4%、6%、8%、10%大米蛋白的小麦淀粉(0、2%、4%、6%、8%、10%),与18 mL去离子水混合均匀,得浓度为10%的悬浮液。在95 ℃加热搅拌20 min,室温冷却后于-25 ℃冰箱储存24 h后进行真空冷冻干燥,将干燥样品研磨成细粉,过100目的筛孔。在X射线分析之前,将样品在25 ℃、100% RH的环境下平衡24 h。X射线衍射仪在40 kV和40 mA下具有CuKα辐射(λ=0.154 nm)操作。将样品粉末紧密包装在矩形玻璃池中,并在25 ℃以2°/min的速率在5～50° 2θ角范围内扫描。

1.2.4 动态流变学特性的测定 样品制备同1.2.3,将糊化后的样品冷却至室温。采用DHR-3旋转流变仪对样品的动态流变特性进行测定。测量使用平板直径为40 mm的平板,狭缝间隙1 mm,在25 ℃、1%的应变力下,在频率0.1～10 Hz进行扫描,得到储能模量(G′)和损耗模量(G″)随频率变化的图谱。

1.2.5 冻融稳定性的测定 准确称取2.0 g添加不同比例大米蛋白的小麦淀粉,与18 mL去离子水混合均匀,得浓度为10%的悬浮液。在95 ℃加热搅拌20 min,室温冷却后于-25 ℃冰箱中冷冻24 h,取出后与30 ℃水浴锅中水浴融化2 h,再在4000 r/min的条件下离心15 min,弃去上清液,用滤纸按压吸取沉淀物的水分,最后称取沉淀物质量,冻融循环操作重复5次,计算析水率。

式中:m1为离心管的质量(g);m2为冷冻前离心管与淀粉糊的总质量(g);m3为解冻、离心,倒出上清夜后离心管与淀粉糊的总质量(g)。

1.3 数据处理

2 结果与讨论

2.1 大米蛋白对小麦淀粉热力学特性的影响

由表1可知,与对照组相比,在小麦淀粉中添加大米蛋白,其糊化初始温度、峰值温度和终止温度都增大,并且随着添加比例的增加而继续增大。而糊化焓值随着添加比例的增加逐渐降低,这与Pablo等[10]的研究结果相一致。上述结果说明加入大米蛋白后,会抑制小麦淀粉的糊化,并且大米蛋白的添加量越大,糊化越来越困难,需要更高的糊化温度破坏淀粉颗粒。在糊化过程中大米蛋白分布于小麦淀粉颗粒周围,能在淀粉颗粒周围形成薄膜,限制淀粉颗粒的膨胀和溶解[14]。随着大米蛋白添加量的增加,糊化焓值降低,可能是由于大米蛋白取代了部分的小麦淀粉,小麦淀粉的浓度降低,所以糊化过程中的需要破坏淀粉颗粒的能量越少。

表1 大米蛋白对小麦淀粉热力学特性影响Table 1 Effect of rice protein on the thermodynamic properties of wheat starch

2.2 大米蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响

从表2中可以看出,随着大米蛋白添加量的增加,小麦淀粉的峰值黏度、低谷黏度、崩解值、终值黏度和回生值呈现不断降低,而糊化温度呈不断增加的趋势。这与Li等[15]、Jeong等[16]和卢薇等[17]的报道相类似,这可能主要是由于大米蛋白的添加对小麦淀粉浓度的稀释效应所致。随着大米蛋白添加量的增加,小麦淀粉的崩解值逐渐下降,说明大米蛋白的加入使得淀粉的热稳定性增加。回生值反映淀粉糊化之后分子重新结晶的程度,在初期老化过程中,回生值的大小主要与直链淀粉分子的重结晶相关[18-19]。随着大米蛋白添加量的逐渐增加,回生值降低,说明添加蛋白可能会抑制或延缓淀粉的凝沉,提高淀粉的储藏稳定性。添加大米蛋白后,小麦淀粉的糊化温度也会提高。Likitwattanasade等[20]认为主要是在糊化过程中蛋白质会围绕在淀粉颗粒周围,抑制其膨胀，提高其高温剪切耐受性。这与DSC结果是一致的。通过RVA的数据可见,在糊化过程中,添加大米蛋白后,对淀粉的颗粒结构具有保护作用,主要是由于颗粒内部蛋白质的交联作用[21]。

表2 大米蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响Table 2 Effect of rice protein on pasting property of wheat starch

2.3 大米蛋白对小麦淀粉结晶度的影响

从图1中可以看出,天然小麦淀粉在15.08°和22.96°下有较强的衍射峰,在17.06°和18.04°有未解析双峰,说明本试验所用小麦淀粉为典型A型结晶。糊化淀粉已不具有原淀粉的颗粒结构,它的X射线衍射图谱呈弥散状态[22]。随着大米蛋白添加比例的增加,在20°附近逐渐呈现出较强的衍射峰。说明大米蛋白的添加抑制了小麦淀粉结晶的溶解,添加量越大,结晶越多。因此,大米蛋白抑制了小麦淀粉的糊化,这与DSC和RVA糊化温度增加结果的相一致。

图1 小麦淀粉和小麦淀粉-大米蛋白混合物XRD衍射图谱Fig.1 XRD diffraction patterns of wheat starch and wheat starch with different contents of rice protein注:1:未糊化的小麦淀粉;2～7分别代表将0、2%、4%、6%、8%和10%大米蛋白分别添加到小麦淀粉中糊化后的图谱。

2.4 大米蛋白对小麦淀粉动态流变学特性的影响

添加不同比例大米蛋白对小麦淀粉流变学特性影响的结果见图2,储能模量(G′)表示物料在形变过程中储存的能量,反映物料形变后恢复原状的能力,储存模量越大,恢复能力越强;损耗模量(G″)表示在形变过程中,物料为了抵抗黏性阻力而损失的能量,反映物料抵抗流动的能力,损耗模量越大,抵抗流动能力越强[23]。从图2中可以看出,在测试频率范围内,储能模量(G′)均高于损耗模量(G″),即tanδ值小于1,表明添加大米蛋白的小麦淀粉糊是一种典型的弱凝胶[24]。小麦淀粉凝胶的G′和G″ 随着扫描频率的增加而增加,这与Qiu等[25]的报道相一致。与原小麦淀粉相比,在相同频率下，添加大米蛋白使小麦淀粉凝胶的G′和G″均降低,凝胶强度降低。这可能是由于大米蛋白的加入,小麦淀粉溶液电负性减弱,淀粉链之间的排斥作用减弱,进而使得淀粉凝胶的结构致密性、有序性降低[26]。其次,由于大米蛋白具有难溶于水的特性,可能与小麦淀粉中的直链淀粉或支链淀粉通过疏水作用结合到螺旋内腔中,导致淀粉链之间交联缠绕的机会减少。另外,分散在水中的大米蛋白也会吸附在小麦淀粉表面进而抑制糊化过程中水分子进入淀粉螺旋分子内部[27],从而导致淀粉凝胶网络强度降低。

图2 大米蛋白对小麦淀粉动态流变扫描结果Fig.2 Results of dynamic rheological scan of rice protein on wheat starch

2.5 大米蛋白对小麦淀粉冻融稳定性的影响

由图3可知,在5次冻融循环中,大米蛋白添加比例为0～4%的小麦淀粉凝胶没有析出水,添加比例为6%的小麦淀粉凝胶在第5次冻融循环中析出3.65%的水,而添加量为8%和10%的小麦淀粉在第2次冻融循环中已开始析出水。冻融处理过程中,析水率的大小与淀粉形成凝胶网络结构有关[28]。直链淀粉在初期冷冻过程中链段发生重排,即短期回生形成,水分被排挤出来形成冰晶,融化后析水;当继续进行冻融循环时,支链淀粉逐步开始重新结晶形成双螺旋,胶束中束缚的水分也逐渐排出[29]。本实验数据表明随着大米蛋白添加量的增加,析水率逐渐增加,说明大米蛋白促进了淀粉凝胶体系中水分子的析出,可能是由于大米蛋白能够与直链淀粉相互作用,且部分蛋白也能够与支链淀粉作用,使淀粉发生重结晶。

图3 大米蛋白对小麦淀粉冻融稳定性的影响Fig.3 Effect of rice protein on freeze-thawing stability of wheat starch

3 结论

在小麦淀粉中添加大米蛋白后,其峰值黏度、低谷黏度、崩解值、终值黏度、回生值和糊化焓值逐渐降低,而糊化温度逐渐增加,说明大米蛋白的添加会抑制小麦淀粉的糊化。大米蛋白的添加还会显著降低小麦淀粉的储能模量和损耗模量(p<0.05),使淀粉凝胶强度降低。且大米蛋白会增加淀粉凝胶析水率,降低小麦淀粉凝胶冻融稳定性,表明大米蛋白的添加促进了凝胶储存过程中淀粉的老化,不利于食品的长期储存。