蛋清蛋白对豌豆淀粉凝胶化及凝胶特性的影响

甘爱园 豁银强 刘松继 陈江平 何 萌 汤尚文

(湖北文理学院，襄阳 441053)

凝胶类食品主要是蛋白质和/或淀粉凝胶化形成特定的三维空间网络结构。凝胶的特性与蛋白质和淀粉特性及含量有关，也受蛋白质与淀粉相互作用的影响。蛋白质与淀粉相互作用对食品特性的影响越来越受人们的重视。因为具有丰富的营养、显著的生物活性及多重功能特性，蛋白质和淀粉已作为主要原料应用于焙烤食品、婴幼儿食品、甜点及快餐等系列食品的开发[1]。不同来源的蛋白质和淀粉的结构及特性不同，其形成凝胶的能力及其相互作用也存在较大差异。肌纤维蛋白与木薯淀粉通过协同作用增强体系的黏弹性[2]。在马铃薯淀粉和蛋白质体系中，随着蛋白质含量增加，体系的黏性模量逐渐降低[3]。有关蛋白质与淀粉相互作用的特征有待进一步研究，以便改善或开发新型凝胶食品。

豌豆淀粉为加工豌豆蛋白产生的副产物，由于直链淀粉含量高、易回生，豌豆淀粉在食品领域的应用比较有限，因此常采用物理、化学及酶法对其进行改性[4]，但这些改性方法均存在一定的局限性。蛋白质与淀粉通过协同作用能有效改善体系的物化及功能特性，增加其在食品及非食品领域的应用潜力[5]。蛋清蛋白来源丰富、储运方便、具有较好的凝胶特性[6]。目前有关蛋清蛋白与淀粉相互作用的研究鲜见报道。为改善豌豆淀粉凝胶类产品的品质，本实验研究蛋清蛋白对豌豆淀粉凝胶化及凝胶特性的影响，以期为蛋清蛋白在淀粉类凝胶食品的开发与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

豌豆淀粉、鸡蛋：市售。

AR-2000动态流变仪，TA-2000差示扫描量热仪，TechMaster快速黏度仪，NMI20-025V-I核磁共振成像仪，TA. XT. Plus质构仪，B-290小型喷雾干燥仪。

1.2 方法

1.2.1 蛋清蛋白粉的制备

蛋清蛋白粉制备参考文献[7]稍作修改。新鲜鸡蛋经清洗、分离蛋黄、脱糖、高压均质后，采用小型气流式喷雾干燥机对鸡蛋清进行干燥，蛋清液质量浓度30%、进料液速度450 mL/h、进口温度135 ℃，所得蛋清蛋白粉密封后于干燥器中室温保存备用。

1.2.2 糊化特性测定

分别向豌豆淀粉中加入0%、3%、6%、9%、12%的蛋清蛋白粉，混合均匀，每份样品精确称取3 g置于预先加入25 g蒸馏水的RVA测量铝桶内，用搅拌器上下分散均匀后，迅速上机测试。RVA测试程序如下：960 r/min搅拌10 s，随后维持转速160 r/min至实验结束，在50 ℃条件下保持10 s，随后以12℃/min的速度匀速升温至95 ℃，在95 ℃保持150 s，以12 ℃/min匀速降温至50 ℃，在50 ℃维持2 min。利用仪器自带软件获得糊化温度、峰值黏度、崩解值、回生值、最终黏度等参数。

1.2.3 热特性分析

按1.2.2方法将蛋清蛋白和豌豆淀粉混合均匀。每份称取5 mg左右于差示扫描量热仪专用铝盒中，加2倍体积蒸馏水，密封，4 ℃过夜促进完全水化。以空铝盒作参照，进行DSC测试。吹扫氮气50 mL/min，升温速率5 ℃/min，温度扫描范围30～120 ℃。用universal analysis 2000软件分析获得相变起始温度(To)、峰值温度(Tp)及焓值(ΔH)。

1.2.4 流变行为分析

按1.2.2方法将蛋清蛋白和豌豆淀粉混合均匀。取0.3 g样品于密封瓶内，加5 ml蒸馏水，磁力搅拌2 h，45 ℃搅拌30 min，90 ℃糊化30 min，于37 ℃水浴冷却30 min后用于流变测试。测试夹具：40 mm平行板，间距1 000 μm。

静态流变：在37 ℃条件下观察体系的剪切应力随剪切速率的变化, 剪切速率范围0.1～100 s-1。

动态流变：37 ℃条件下观察体系的弹性模量(G′)、黏性模量(G″)及损耗因子(Tanδ)随频率变化, 频率扫描范围0.1～100 rad/s。

1.2.5 水分子状态分析

将1.2.2测试后样品用保鲜膜密封，4 ℃冷藏12 h，取出后室温放置30 min，取适量样品用低场核磁进行分析测试。测试参数：以Q-FID程序进行校正，以CPMG序列采集样品信号，采样点数(TD)为139 994，RFD为0.002，RG1为10.0，DRG为3，PRG为1，重复扫描次数(NS)为4。对指数衰减曲线进行反演后得到T2弛豫图谱。

1.2.6 凝胶质构分析

将1.2.2形成的凝胶样品于4 ℃储藏12 h，切成厚1.5 cm、直径5 cm的圆柱状，置于测试探头(P/0.5型号)正下方，进行穿刺测试。测试参数如下：测前速率1 mm/s，测试速率1 mm/s，测后速率1 mm/s，压缩距离7 mm，触发力5 g。以压缩距离7 mm时的受力表征凝胶强度(g)，以破裂时压深距离的受力表征凝胶可塑性(mm)。

1.3 数据统计分析

每个实验做3个重复，结果以平均值±标准差表示。利用SAS 8.0进行方差分析，根据Duncan多重比较分析样品间的差异，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 糊化特性

添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉的糊化曲线如图1所示。所有样品的RVA曲线变化趋势整体类似，但添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊化曲线整体下移，下移幅度随蛋清蛋白添加量增加而加剧。

图1 蛋清蛋白对豌豆淀粉RVA曲线的影响

表1为添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉的糊化特性参数。添加蛋清蛋白使豌豆淀粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、最终黏度及回生值均降低，而糊化温度随蛋清蛋白添加量增加而不断升高。Sun等[6]在研究花生蛋白分离物对豌豆淀粉糊化特性的影响时得到类似的结果。糊化特性与水结合力有关[8]，添加蛋白限制了淀粉颗粒的膨胀和持水力，进而引起糊化温度升高及相关黏度参数降低。

表1 蛋清蛋白对豌豆淀粉糊化特性参数的影响

蛋白添加量及蛋白类型等因素均会影响淀粉糊化相关的参数。黏度主要与淀粉颗粒膨胀及渗出的淀粉(主要是直链淀粉)分子发生聚集有关，添加蛋清蛋白形成的空间位阻减少了渗出的直链淀粉分子间的通过氢键相互交联形成有序的网络结构，以蛋白替代淀粉降低了体系直链淀粉的有效浓度，进而使体系糊化过程中的黏度参数降低。在用酪蛋白或酪蛋白水解物替代玉米淀粉的研究中出现类似的结果[9]。崩解值主要反映淀粉颗粒在高温和高剪切力作用下的耐受力，崩解值随蛋清蛋白添加量增加而降低，表明蛋清蛋白抑制了淀粉颗粒的崩解，其可能是由于蛋白吸收了淀粉颗粒内部的水分，因而减小了淀粉颗粒最初的膨胀[10]。回生值常用来表征凝胶类食品冷藏中的稳定性，蛋清蛋白替代淀粉导致回生值下降，其可能是因为蛋清蛋白阻碍了直链淀粉通过氢键排列有序的凝胶结构及降低了直链淀粉有效含量[11]。

2.2 热特性

图2为不同比例蛋清蛋白替代豌豆淀粉样品的 DSC 曲线。所有样品的 DSC 曲线总体类似，在 60～70 ℃均出现一个明显吸热峰。

图2 蛋清蛋白对豌豆淀粉DSC曲线的影响

如表2所示，添加蛋清蛋白并未引起相变起始温度(To)和峰值温度(Tp)发生显著的变化，但相转变焓值(ΔH)随着蛋清蛋白添加量增加而降低。

表2 蛋清蛋白对豌豆淀粉热特性参数的影响

在一定含水量下加热，淀粉颗粒吸水膨胀，维持淀粉分子有序排列的氢键断裂，结晶区有序排列的淀粉分子转变为无序态，伴随着能量变化。添加蛋清蛋白对体系中豌豆淀粉产生了稀释作用，降低了体系中淀粉颗粒的有效浓度，进而使相转变吸热焓值减小。淀粉的相转变温度通常受体系可利用水分子的量影响，可利用水分子越多，相转变温度越低。蛋清蛋白对豌豆淀粉相变温度影响比较小，可能是由于体系中有充分的水供淀粉颗粒发生相转变时利用，也可能是蛋清蛋白对水分子的结合力与豌豆淀粉相似。由于添加的蛋清蛋白量相对较低，本实验中仅观察到一个相转变吸热峰，其主要是淀粉发生凝胶化的吸热峰，没有表现出所添加蛋白质变性的吸热峰，可能是由于蛋白质的添加量不足。马铃薯淀粉和马铃薯蛋白混合物的热特性共混实验表明，只有当蛋白质质量分数高于20%时，才能观察到蛋白质变性和淀粉向转变两个分开的吸热峰[3]。

2.3 静态流变相

图3为不同比例蛋清蛋白代替豌豆淀粉糊的静态流变曲线。所有样品剪切应力随剪切速率增加而变大，且前期上升迅速，后逐渐趋于平缓，表明样品均为假塑性非牛顿流体。添加不同量蛋白粉淀粉的流变曲线差异明显，随着蛋白粉添加量增加，相同剪切速率对应的剪切应力呈逐渐下降的趋势，表明添加蛋清蛋白使豌豆淀粉形成的网络结构对剪切的抗性降低。淀粉糊的黏度与淀粉颗粒的膨胀及渗出的直链淀粉量成正比[12]，添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的黏度降低，可能是由于蛋清蛋白抑制了淀粉颗粒受热膨胀及体系中直链淀粉的有效浓度降低，蛋清蛋白阻碍从淀粉颗粒中渗出的直链淀粉分子通过氢键结合成有序的网络结构也会引起体系的黏度降低。

图3 蛋清蛋白-豌豆淀粉静态流变曲线

在理论研究及实际应用中，Herchel-Bulkley模型常用于表征非牛顿流体的流动行为。利用该模型对添加不同蛋清蛋白豌豆淀粉糊的静态流变行为进行拟合，结果见表3。添加蛋清蛋白使屈服应力以浓度依赖的方式显著降低。所有样品的决定系数均高于0.99，表明该模型能很好地拟合样品的流变行为。

图4 蛋清蛋白-豌豆淀粉频率扫描曲线

所有样品的流体行为指数均小于1，表明样品均是剪切稀释型假塑性流体，不同样品的n值差异不显著。稠度指数常用来表征体系的黏度大小，K值越高样品的黏度越大，添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的K值呈降低的趋势，表明添加蛋清蛋白降低了豌豆淀粉糊的黏度，该结果与糊化特性结果一致。其他蛋白-淀粉体系的研究中也得到类似的结果，推测可能是蛋白质-淀粉分子间的作用力较弱，进而降低了体系的K值[13,14]。

表3 蛋清蛋白对豌豆淀粉静态流变参数的影响

2.4 动态流变行为

图4为添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉糊的动态流变曲线。样品的储能模量(G′)和耗能模量(G″)均随频率增大而增加，黏弹性表现为频率依赖性，表明样品形成的弱凝胶产生了松弛现象[14]。添加蛋清蛋白使样品的G′整体呈下降趋势，且随蛋清蛋白添加量增加而加剧。添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的G″曲线也呈整体下降趋势，但不同添加量样品间的差异不明显。蛋白对淀粉糊动态流变的影响与直链淀粉含量有关，添加乳清蛋白降低了普通玉米淀粉和高直链玉米淀粉糊的弹性模量，但对糯玉米淀粉糊的影响不显著[16]。在高直链淀粉样品中，添加的蛋白质作为惰性填充剂抑制直链淀粉重排而减弱凝胶强度；对于低直链淀粉样品，蛋白质作为一种活性填充介质增加弹性模量[17]。豌豆淀粉的直链淀粉含量较高，由于减弱了直链淀粉重排形成有序网络结构的能力，添加蛋清蛋白降低了体系的黏弹性。

图4c为样品损耗因子随角频率变化的曲线图。所有样品的损耗因子均随角频率增加而增大，但均小于1，添加蛋清蛋白样品的损耗因子曲线整体上升，表明添加蛋清蛋白使豌豆淀粉糊的黏性属性降低而弹性属性增强。随着蛋清蛋白含量增加，淀粉糊由黏性体向弹性体转变。

2.5 水分子状态

质子自旋弛豫时间(T2)能够提供氢原子弛豫和迁移的信息，可用来评价凝胶体系中不同状态水分子的运动性[18,19]。由图5可见，所有样品的T2经反演拟合后均呈现3个峰，位于0～1 ms之间的T21为与食品基质紧密结合的水，弛豫时间1～10 ms之间的T22为凝胶网络束缚的不可流动水，在10～100 ms之间的T23为自由水的弛豫信号。T23的信号最强，表明样品体系中的水主要是可自由流动的自由水。

图5 蛋清蛋白豌豆淀粉凝胶水分状态的影响

分别以A21、A22、A23表示T21、T22、T23对应弛豫谱的峰面积所占百分比，以表征相应状态水分子的含量比。由表4可见，添加蛋清蛋白引起结合水的含量增加、不可流动水的含量降低，而对自由水的含量的影响不显著。由于蛋清蛋白分子表面含有较多的氨基和羧基等带电基团能够与水分子紧密结合，蛋清蛋白比淀粉分子具有更强的持水力，添加蛋清蛋白引起结合水含量增加。同时，由于阻碍了淀粉分子通过氢键形成的凝胶网络结构，添加蛋清蛋白对豌豆淀粉凝胶网络结构产生一定的破坏，使凝胶网络束缚水的量减少，进而表现为不可流动束缚水含量降低。添加米蛋白也减少了大米淀粉凝胶不可流动水，可能是米蛋白对凝胶网络结构产生了一定的破坏[20]。

表4 蛋清蛋白对豌豆淀粉凝胶A21、A22和A23的影响

2.6 凝胶质构

添加不同量蛋清蛋白豌豆淀粉凝胶穿刺结果如图6所示。所有样品压缩力随压缩距离增加而近似线性增加。当蛋清蛋白添加量低于6%时，压缩力随时间增加的幅度与对照差异不明显，当蛋清蛋白添加质量分数为9%和12%时，压缩力随时间增加的幅度与对照相比明显减小。该结果表明添加少量的蛋清蛋白对豌豆淀粉凝胶硬度影响不大，高浓度蛋清蛋白使豌豆淀粉凝胶的硬度显著降低。

图6 蛋清蛋白对豌豆淀粉凝胶穿曲线的影响

不同含量蛋清蛋白对豌豆淀粉凝强度及可塑性的影响结果见表5。添加蛋清蛋使豌豆淀粉凝胶的强度和可塑性均降低，降低幅度具有蛋清蛋白浓度依赖性。

凝胶的硬度、强度和可塑性主要与凝胶化时淀粉颗粒的膨胀及渗出的直链淀粉形成的三维网络结构有关。凝胶硬度和强度与直链淀粉含量呈正相关[21]，蛋清蛋白替代豌豆淀粉降低了体系中直链淀粉的有效浓度，蛋清蛋白也可能阻碍了渗出的直链淀粉分子间发生有序的重排作用，进而对直链淀粉形成凝胶网络结构产生不利的影响，从而减弱了凝胶的强度、硬度及可塑性[22]。同时，蛋清蛋白吸附在淀粉颗粒表面包裹着淀粉颗粒，抑制了凝胶化时淀粉颗粒的膨胀，也一定程度上降低了凝胶的硬度、强度和可塑性。Sun等[5]发现花生蛋白分离物也显著降低了豌豆淀粉凝胶的弹性、硬度和可塑性等物理特性。

表5 蛋清蛋白对豌豆淀粉质构特性参数的影响

3 结论

添加的蛋清蛋白包裹在淀粉颗粒表面，抑制了淀粉颗粒受热膨胀度及直链淀粉的渗出量，同时阻碍了直链淀粉分子通过氢键形成有序的网络结构，进而引起淀粉糊化相关的峰值黏度、低谷黏度、崩解值、回生值、最终黏度均以浓度依赖的方式不断降低，而糊化温度和糊化时间不断增加。由于稀释了体系中淀粉颗粒有效浓度，体系的凝胶化焓值随蛋清蛋白添加量增加而不断减小。添加不同量蛋清蛋白的豌豆淀粉糊均为非牛顿流体，表现出剪切稀释型假塑性流体特征，由于对直链淀粉的稀释作用及对淀粉颗粒膨胀的抑制作用，体系的稠度指数和流动指数均随蛋清蛋白添加量增加而不断降低。添加的蛋清蛋白对淀粉凝胶三维网络结构形成的破坏及对直链淀粉浓度造成的稀释，凝胶的强度、硬度及可塑性均随蛋清蛋白添加量增加而不断降低。由于蛋白质表面的羧基和氨基等基团对水分子有较强的作用力，添加蛋清蛋白使豌豆淀粉凝胶中的结合水含量增加，而由于对凝胶网络结构产生了一定的破坏，添加蛋清蛋白引起凝胶中的不可流动束缚水含量有所减少。