均质及大米蛋白对大米淀粉糊化和质构特性的影响

刘军平 禹凯博 孙悦芳 田雨晴 周鼎晟 钟业俊 周 磊

(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，南昌 330047)

淀粉是常见的碳水化合物之一，为人类提供了超过35%的能量[1]，其中大部分来自于稻米的贡献。大米淀粉(rice starch, RS)约占大米干基质量的90%，其含量及与大米中其他成分的相互作用对大米的理化性质影响较大[2,3]。纯化后的大米淀粉也广泛应用于食品加工中，如糊化后其组织细腻柔软，稠度适中，是奶油的良好替代品[4]；消化率可达98%以上，且与蛋白结合具有非致敏性，可应用于婴幼儿食品等特殊食品中[4,5]。在加工中，大米淀粉易受到温度、pH值、大米蛋白(rice protein, RP)等其他成分的影响，性质不稳定，使得其在食品工业中的应用受到限制。因此，人们常使用化学或物理方法处理大米淀粉以获得能满足加工需求的改性淀粉[6]并将其应用于食品工业中，其中化学改性方法主要有酸解、交联、酯化等，物理改性方法主要有温度、湿度、压力处理等[3]。

大米淀粉的糊化性质和质构特性与产品品质关系密切[7]。淀粉的糊化特性会影响食品的加工性能和口感等，淀粉的质构特性如硬度、黏着性、弹性和内聚性等对产品的回生老化有重大影响[8,9]。因此，常利用淀粉的糊化性质和质构特性评价淀粉改性后的效果。而在一般生产中，大米蛋白与大米淀粉会紧密结合，对大米淀粉的加工性能产生影响。本研究在20～100 MPa压力下利用均质机处理大米淀粉，测定处理前后大米淀粉的理化性质、糊化性质和质构特性，对比添加大米蛋白前后均质处理对大米淀粉的影响，为大米淀粉基样品在均质处理及其他成分对其加工的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米蛋白(RP)和大米淀粉(RS)：江西金农生物科技有限公司。

M-7125 Microfluidic高压均质机；DGG-9240AD电热恒温鼓风干燥箱；TDA-40B台式离心机；UV2450紫外-可见分光光度计；TechMaster RVA测试仪；TAXT2质构仪。

1.2 方法

1.2.1 均质处理大米淀粉

将大米淀粉配制成质量浓度为10%的浆液，分别在20、60、80和100 MPa下对其进行均质处理，得到的浆液经抽滤后放入45 ℃烘箱中48 h，烘干后粉碎处理过200目筛，处理后的大米淀粉分别简写为RS20、RS60、RS80、RS100，原淀粉用RS表示。在大米淀粉溶液中添加大米蛋白使其终浓度为7%，简写为RP-RS，在60 MPa下处理该样品，简写为RP-RS60。

1.2.2 大米淀粉溶解度、膨胀力的测定

参照涂宗财等[10]的方法，称取一定质量的淀粉，配制成质量浓度为2%的淀粉乳。取50 mL淀粉溶液于30 ℃下搅拌30 min，3 000 r/min离心20 min后，取出上清液，将其置于水浴中蒸干，再放入烘箱中烘至恒重并称质量，所得质量即为被溶解淀粉量，记为m(g)，离心管中膨胀淀粉质量表示为M(g)，按公式计算其溶解度(S)和膨胀率(B)：

式中：G为淀粉样品质量/g，以干基计。

1.2.3 大米淀粉凝沉性的测定

参照尹沾合等[11]的方法，配制1%的淀粉乳于沸水浴中加热糊化并保温30 min，取出冷却至室温，取25 mL糊化液移入带刻度的具塞试管中，静置，每隔12 h记录上层清液的体积。

1.2.4 大米淀粉透明度的测定

参照Sandhum等[12]的方法，通过测定糊化淀粉的透光率来表征其透明度。配制10%的淀粉乳，沸水浴中保温30 min，取出冷至室温，以蒸馏水作空白，用紫外分光光度计在640 nm处测量淀粉糊的透光率。

1.2.5 大米淀粉糊化特性的测定

1.2.5.1 测定均质压力对大米淀粉糊化性质的影响

采用快速黏度测定仪(RVA)测定糊化特性。称取3 g淀粉放入铝盒中，加入25 mL蒸馏水，升温至50 ℃保持1 min，再以12 ℃/min的速率升温至95 ℃，在95 ℃下保温2.5 min，然后以12 ℃/min速率降温至50 ℃，在50 ℃下保温2 min，搅拌器在起始10 s内转动速率为960 r/min，之后保持在160r/min[13]。按操作步骤分别测定RS、RS20、RS40、RS60、RS80的糊化特性。

1.2.5.2 测定氯化钠对大米淀粉糊化特性的影响

分别用质量分数为1%、3%、5%的氯化钠(NaCl)溶液将原淀粉和60 MPa处理过的淀粉配制成12%的淀粉悬浮液，分别简记为1% NaCl-RS、3% NaCl-RS、5% NaCl-RS和1% NaCl-RS60、3% NaCl-RS60、5% NaCl-RS60，按1.2.5.1的方法测定添加了NaCl的样品糊化特性。

1.2.6 大米淀粉质构特性的测定

称取20 g样品，用去离子水配制成12%的淀粉悬浮液，在95 ℃恒温水浴锅内加热糊化，利用质构仪采用TPA分析获得大米淀粉凝胶的硬度、弹性等质构特性数据[9]。测试用P/50探头，设置参数为：预测试速度1.0 mm/s，测试速度0.5 mm/s，返回速度0.5 mm/s，2次压缩间隔5.0 s，触发力5.0 g。

1.2.7 实验数据处理

采用Origin8.0软件作图，数据用SPSS软件进行分析，采用ANOVA方法进行显著性分析，P<0.05表示有显著差异，每个实验重复3次。

2 结果与讨论

2.1 均质对大米淀粉理化性质的影响

2.1.1 均质对大米淀粉溶解度、膨胀率的影响

溶解度和膨胀率的测定结果如图1所示。从图1可以看出大米淀粉的溶解度经过20 MPa处理后几乎没有变化，而后随着处理压力升高而不断提升，在100 MPa下达到最高，为2.88%；添加大米蛋白后降低了大米淀粉的溶解度。大米淀粉的膨胀率随着处理压力的增加而增大，其中在20～40 MPa内增幅最大，从3.37%升至4.56%，在60 MPa以上的压力下其膨胀率差别不大；而添加大米蛋白后，大米淀粉的膨胀率在同一压力处理下均下降，但其随着压力升高而上升的趋势不变(图1)。涂宗财等[10]采用动态高压微射流在40～120 MPa内处理大米淀粉，结果表明，随着压力的增加淀粉的溶解度和膨胀率也上升，其最高溶解度和膨胀率分别低于1.2%和2.7%；当处理糯米淀粉时，溶解度和膨胀率随着压力的增加有明显的提升[14]。Liu等[15]研究120～600 MPa的超高压处理对荞麦淀粉的影响，结果表明，在50～60 ℃淀粉的溶解度和膨胀率随着压力的增加而增加，而在70～90 ℃淀粉的溶解度和膨胀率随压力的增加而降低。

膨胀率和溶解度表示了淀粉链在无定形区和结晶区内相互作用的强度[16]。在高压均质处理后，淀粉颗粒变小，水分子与淀粉颗粒有更大的接触面积，使大米淀粉链相互作用加大，从而增加了溶解度和膨胀率。大米蛋白易与淀粉结合，妨碍大米淀粉与水分子的充分接触，这可能是添加蛋白质后淀粉膨胀率和溶解度下降的原因。

图1 均质对RS和RP-RS溶解度和膨胀率的影响

2.1.2 均质对大米淀粉凝沉性的影响

糊化的淀粉在放置一定时间后，分散的淀粉分子会逐渐聚集产生凝沉现象而分层，测量分层后的上清液体积即可分析淀粉的凝沉性，上清液体积越大凝沉性越强。从图2可以看出随着时间的增加同一样品凝沉性有不同程度的上升，其中凝沉性最强的是原大米淀粉，在72 h后上清液体积达到14.5 mL；同一时间下，20、60 MPa处理后大米淀粉凝沉性均有所下降，80 MPa处理的淀粉凝沉性则显著下降，但100 MPa下凝沉性几乎没有继续变化；添加大米蛋白后，80、100 MPa下的大米淀粉凝沉性上升。凝沉性的降低说明糊化后的淀粉均匀程度更高，凝胶性能更低。凝沉性的降低可能是在均质处理后较大程度破坏了大米淀粉的原有结构，使淀粉分子与水分子接触面积增大，结合力增强，从而抑制了淀粉的沉降。加入蛋白质后，蛋白质与淀粉结合，可能是由于带电性质改变会发生部分聚集而加大沉降速度。

图2 均质处理对RS和RP-RS凝沉性的影响

2.1.3 均质对大米淀粉透明度的影响

透明度通过测量糊化后样品的透光率表示，透光率越好则透明度越高。从图3可以看出，随着处理压力的增加透光率不断增大，但其增加幅度不同，在0～60 MPa内增幅较大，而60 MPa后增幅不明显，几乎持平。这可能是由于经过均质处理后淀粉颗粒变小，与其他分子接触面积增大，使糊化后淀粉体系更加均匀，从而增加了透光率。添加蛋白质后其透光性与原淀粉相当，在80、100 MPa下稍有升高，这可能是由于蛋白质经过均质后透明度比淀粉更高而引起的。

图3 均质处理和大米蛋白对大米淀粉糊透明度的影响

2.2 均质对大米淀粉糊化特性的影响

利用RVA测定大米淀粉的糊化特性，比较不同均质压力处理对大米淀粉糊化特性的影响，在此基础上进一步分析了常见无机盐(氯化钠)对大米淀粉的影响。由RVA谱图可得到的特征参数包括糊化温度、峰值黏度、最终黏度、降落值和回生值等[15]。其中降落值反映了样品的热稳定性强度，其值越大，热稳定性越差；回生值反映了样品的老化作用，其值越大，老化程度越强[8, 17]。

由表1可知，经过均质处理后大米淀粉的糊化温度没有明显区别，均在80 ℃左右，但其最终黏度、峰值黏度、降落值和回生值则有显著下降，说明均质处理后的样品黏度降低、热稳定性增加、老化程度减弱。随着压力的增加样品的糊化特性变化不明显，说明20～100 MPa之间的均质处理对大米淀粉糊化性质的影响较小，这可能是因为低压段压力处理后，淀粉颗粒的变化并不明显。Ahmed等[18]研究了400～600 MPa压力下对扁豆淀粉性质的影响，结果表明随着压力的增加，淀粉的黏度、降落值和回生值均有明显的下降。Liu等[19]报道高压对高粱淀粉糊化特性的影响表明在120～480 MPa内处理的样品其最终黏度、峰值黏度、降落值和回生值变化不大，但在600 MPa处理的样品数值均有明显的降低。Liu等[15]报道在120～600 MPa压力下处理小麦淀粉，结果表明随着处理压力的增加，小麦淀粉的降落值、回生值和黏度均有较大幅度的下降。

表1 均质和NaCl浓度对大米淀粉糊化特性的影响

注：同列数据右上角字母相同表示差异不显著(P>0.05)，不同表示差异显著(P<0.05)。

大米蛋白对大米淀粉的黏度、崩解值和回生值产生影响，在80、100 MPa下添加大米蛋白使得大米淀粉的峰值黏度、最低黏度、最终黏度降低及崩解值降低，而回生值升高，糊化温度变化不明显，这可能是由于蛋白质分子能分散于淀粉颗粒周围，形成一层屏障抑制淀粉的膨胀。NaCl对大米淀粉的糊化特性影响较大(表1)。随着NaCl浓度的升高，降落值和回生值降低，而黏度下降的幅度并不明显；经过60 MPa处理的大米淀粉在添加NaCl后糊化特性变化趋势与原淀粉类似，但在同一NaCl浓度条件下，经过60 MPa处理后的样品其黏度、降落值和回生值均比原淀粉的低。添加NaCl后能降低大米淀粉的黏度，提高其热稳定性和抗老化能力，结合60 MPa处理后其热稳定性和抗老化能力更为显著。这将为均质处理过程中大米淀粉基产品的生产工艺优化提供参考。

2.3 均质对大米淀粉质构特性的影响

图4表示不同均质压力处理下的质构特性，淀粉凝胶的硬度随着处理压力的增加而降低，在60～80 MPa之间下降幅度最大，80 MPa处理后，其硬度最低为1 398 g，较原淀粉硬度(1 743 g)下降了20%；大米淀粉凝胶的弹性随着处理压力的增加整体趋势向上，但其值变化不大，如原淀粉和80 MPa下处理的样品的弹性分别为0.82和0.90。在添加了大米蛋白后其硬度下降，而弹性上升。Liu等[15]研究120～600 MPa高压下处理荞麦淀粉的性质，发现样品的硬度随处理的压力的增加而显著下降，600 MPa高压处理的淀粉硬度比原淀粉下降幅度达90%以上，其弹性则没有明显变化，均在0.95左右。

淀粉凝胶的结构主要与膨胀淀粉颗粒的数量有关[15]，因此较高的膨胀度会降低淀粉凝胶强度，从而使硬度减弱，这也与图1结果相一致。凝胶的硬度与淀粉中直链淀粉的含量也密切相关[20]。在均质处理过程中，直链淀粉由于呈现直链状更易受到均质压力的影响而使其结构被破坏，压力越大，破坏程度越高，硬度就越低。蛋白质会与淀粉结合，分布于淀粉颗粒周边，其软韧性促使淀粉硬度下降而弹性上升。研究表明，水分子与淀粉分子以及淀粉分子之间的相互作用均对淀粉凝胶的质构产生影响[21]。均质处理后淀粉颗粒变小，蛋白质与淀粉结合强度受到影响，这些相互作用均会发生改变，从而引起了大米淀粉质构的变化。

图4 均质处理对对RS和RP-RS硬度和弹性的影响

3 结论

在20～100 MPa条件下均质处理大米淀粉，在添加或不添加大米蛋白情况下其理化、糊化质构性能均表现出显著的变化。大米淀粉的溶解度、膨胀率和透明度随处理压力的增加而升高，100 MPa处理达最大值，分别为2.88%、5.38%、14.17%；凝沉性随着处理压力的升高而降低，随着静置时间的延长而升高，常压下升高幅度较大，上清液体积从静置12 h的5.6 mL上升至72 h的14.5 mL。大米蛋白引起了大米淀粉溶解度、膨胀率和透明度不同程度的下降，而凝沉性有所上升。均质后样品糊化温度均在80 ℃左右，而最终黏度、峰值黏度、崩解值和回生值从3 662、2 745、809、1 726分别下降到3 060、2 412、617、1 366；添加大米蛋白后同一压力下淀粉黏度下降，回生值上升；添加NaCl后同一压力下淀粉糊化温度上升，最高达90.95 ℃，降落值和回生值下降。随处理压力增加样品硬度从1 743 g下降到1 398 g，弹性均在0.8～0.9之间，大米蛋白使淀粉的硬度下降而弹性升高。均质处理以及蛋白质和NaCl存在的条件下均对大米淀粉特性产生影响，多种因素综合作用下表现出更为复杂的效应，在大米淀粉改性以及精深加工方面需重点关注这些影响因素。