谷朊粉对小米淀粉理化性质的影响

李颖，李娟

（黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319）

小米作为我国主要的经济食粮，具有价格低廉、抗旱能力强及对储存环境要求简单等特点，由于小米的营养素含量较多且丰富，容易被人体所吸收，因此无论是小米饭、小米粥等总会受到广大消费者的关注，随着社会经济条件及日常生活品质的加强，消费者逐渐增加对方便食品的营养吸收及保健功能的重视，而小米便利产品仅停留在试验阶段，没有投入到生产链，因此具备很大的发展前景。

小米中主要的营养成分为淀粉，其含量可以高达55%～60%，因此小米淀粉含量、分子结构及直链淀粉与支链淀粉的比例是决定小米制品品质的关键性因素[1]。研究表明淀粉的老化回生过程中的水分再分布会使相关产品的食用品质及感官特性变差、缩短产品货架期并造成一定的粮食损失及经济浪费[2]。因此延缓及控制淀粉的老化速率或过程是当前小米制品工业化生产的研究重点及难点。目前研究学者主要通过谷物自身蛋白质、蛋白质水解物以及胶体等来预防淀粉制品的老化速率[3]。

谷朊粉作为一种高含量蛋白质的面筋蛋白，其蛋白质含量最高为85%，并由多种氨基酸组成，钙、磷、铁等矿物质含量较高，更作为一种天然配料或者食品添加剂广泛应用于食品行业中[4]，因此是一种安全无公害的纯植物蛋白，而目前关于外源性蛋白质对淀粉分子的理化性质、营养特性以及淀粉消化率等影响研究主要集中在玉米[5]、小麦[6]及大米[7]等，对于小米研究较少，且小米作为我国主要粮食经济作物，因其高营养已消化等特点而受到广大消费者的欢迎，淀粉作为小米中主要营养素，其理化性质直接影响到小米方便食品的营养及经济价值，因此实验以谷朊粉为蛋白质添加来源，研讨多种含量谷朊粉对小米淀粉糊化、老化、溶解度、膨胀力及消化品质等影响，通过红外光谱进一步探讨谷朊粉与小米淀粉之间的相互作用分子机制，为不同含量谷朊粉生产小米制品的加工适用性提供数据参考及理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

谷朊粉，宿州市皖神面制品有限公司；红谷小米，黑龙江省大庆肇州托古小米厂；淀粉葡萄糖苷酶（活力100 000 U·mL-1）、胃蛋白酶（活力15 000 U·g-1）、胰蛋白酶（活力100 000 U·g-1），北京北化精细化学品有限公司；葡萄糖试剂盒，南京建成生物工程研究所。

1.2 仪器与设备

DHG-9420A 型鼓风干燥箱 北京普析通用仪器有限责任公司；MJ-10A 型磨粉机 湖南湘仪试验室仪器开发有限公司；RVA4500 型快速黏度分析仪美国瓦里安技术有限公司；Nicolet 6700 傅里叶变换红外光谱仪 美国T hermo Fis her 公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品的制备

1.3.1.1 小米淀粉的制备

利用蒸馏水进行水洗小米2～3 次，并于鼓风干燥箱中过夜设置温度条件为40 ℃，加工干燥后的小米通过磨粉机处理得到小米粉，并过80 目筛，称取过筛后的小米粉10 g，相应比例加入浓度为0.3 g·mL-1的氢氧化钠溶液30 mL，混匀后充分浸泡3 h。通过设置转数3 500 rpm 进行离心，时间设置为10 min，收集白色沉淀物质，进行水洗离心4 次，利用1 moL·L-1的盐酸溶液调节pH 值为7，再次离心后干燥箱中进行30 ℃条件过夜干燥，粉碎过80目筛备用[8]。

1.3.1.2 小米复配淀粉的制备

称取等质量30 g 小米淀粉6 份，依次加入谷朊粉0、1、3、5、7、9 g 进行混匀后装袋标记好备用。

1.3.2 小米淀粉及谷朊粉基本成分分析

1.3.2.1 小米淀粉及谷朊粉粗蛋白含量的检测

粗蛋白含量的测定按照国家标准GB 5009.5-2016[9]执行。

1.3.2.2 小米淀粉及谷朊粉粗脂肪含量的测定

称取小米淀粉或谷朊粉2 g 于准备好的滤纸筒中，并将已经称重的抽提瓶安装到冷凝器上，加入石油醚，打开冷凝管，并将水浴温度设置成65 ℃，蒸馏6 h 后，将抽提瓶取出于105 ℃干燥箱中烘干，设置时间为1 h，结束后称重。

1.3.2.3 小米淀粉及谷朊粉水分含量的测定

水分含量的测定按照国家标准GB/T 20264-2006[10]执行。

1.3.2.4 小米淀粉及谷朊粉灰分含量的测定

灰分含量的测定按照国家标准GB 5009.4-2016[11]执行。

1.3.2.5 小米淀粉及谷朊粉总淀粉含量的测定

总淀粉含量的测定按照国家标准GB/T2019.4-2006 执行。

1.3.2.6 小米淀粉及谷朊粉直链淀粉含量的测定

直链淀粉含量的测量按照国家标准GB/T 15683-2008 执行。

1.3.3 谷朊粉添加量对小米淀粉消化性的影响

称取一定质量小米复配淀粉分散于15 mL 去离子水中，加入3 mL 酶活7 mg·mL-1的胃蛋白酶溶液，于37 ℃下恒温水浴搅拌60 min 后沸水浴灭酶。加入2 mL 酶活8 mg·mL-1胰蛋白酶溶液，0.065 mL 酶活260 U·mL-1的淀粉葡萄糖苷酶，37 ℃条件下进行水浴搅拌，在消化时间0、20、120 min 进行取样0.2 mL，加无水乙醇1.8 mL 充分摇匀，离心后利用试剂盒检测皮葡萄糖含量[12]。

式中，小米淀粉经谷朊粉复配后的质量为“S”g

1.3.4 谷朊粉添加量对小米淀粉膨胀力和溶解度的影响

称取A g 重量的复配后的小米淀粉配置成2%浓度的淀粉乳，在95 ℃条件下搅拌15 min，离心后移取上清液进行烘干后称重，称重为W g[13]，样品膨胀后的重量称重为P g。计算公式如下：

1.3.5 谷朊粉添加量对小米淀粉糊化特性的影响

称取3.0 mg 小米复配淀粉于坩埚中，加入蒸馏水体积为7 μL，利用压片机反复压片直到坩埚密封完全。放置坩埚于室温条件下12 h，设置差示扫描量热仪（DSC）条件N2的流速为150 mL·min-1、压力值100 Pa、程序温度由每分钟5 ℃上升到100 ℃[14]。

1.3.6 谷朊粉添加量对小米淀粉老化的影响

称取3.5 g（干基）小米复配淀粉于铝筒中，加入蒸馏水的体积为25 mL，设置速黏度分析仪（RVA）条件为35 ℃条件下维持3 min，以每分钟上升6 ℃的速率加热到95 ℃，维持5 min，以每分钟下降6 ℃速的率降温到50 ℃[15]。

1.3.7 谷朊粉添加量对小米淀粉官能团的影响

称取小米复配淀粉2 mg，再加入KBr 粉末150 mg，使两者经研磨充分混匀，利用压片机进行压片成型，设置傅里叶红外光谱仪（FTIR）条件扫描范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，得淀粉混合物的红外光谱图[16]。

1.3.8 数据统计与分析

文中所有实验数据重复3 次，数据以平均值和标准差来表示，所欲统计分析均使用Spss 进行，利用AVOVA 和Duncan's 进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 小米淀粉及谷朊粉基本成分分析

通过国家标准及参考他人文献进行小米淀粉及谷朊粉基本成分的含量进行测定，结果如表1 所示。实验所用的小米淀粉含有86.44%的淀粉，其中29.73%为直链淀粉，并且含有微量的蛋白质和脂肪。实验室所有的谷朊粉所含的蛋白质含量高达83.29%，含有少量淀粉、脂肪及灰分。

表1 小米淀粉及谷朊粉基本成分的分析Table 1 Analysis of the basic components of starch and gluten powder in millet

2.2 谷朊粉添加量对小米淀粉消化性的影响

将小米和谷朊粉按照一定比例混匀后，通过Englyst 等[17]构建的模拟体内消化系统实验来检测样品经过胃-小肠消化后生成的葡萄糖含量，以此来表征不同含量的谷朊粉添加量对小米淀粉消化速率的影响。实验结果如表2 所示，小米淀粉在无谷朊粉的影响下，其RDS 含量较高，SDS 含量次之，而在谷朊粉的干预下，小米淀粉RDS 最高降低10.39%，RS 最高增加量为12.14%，即谷朊粉能够显著抑制小米淀粉的消化速率，其发生原因可能是谷朊粉作为高蛋白物质，能够成为一种抵制淀粉酶发挥作用的屏障，将淀粉颗粒充分包围，减少了淀粉颗粒的吸水膨胀，使其酶解速率受到限制，而随着谷朊粉添加量的增加，其经胃蛋白酶等酶解液水解产生游离脂肪酸及小分子多肽的含量增加，进而增加短链多肽、脂肪酸与淀粉分子的相互作用的几率，进一步延缓小米淀粉的水解。实验结果进一步验证了Smith 等[18]对于蛋白水解物对比原蛋白分子能够更有效的降低淀粉反应速率。

2.3 谷朊粉添加量对小米淀粉膨胀力和溶解度的影响

淀粉溶解及膨胀的发生主要是由于淀粉中直链、支链淀粉的溶出及扩散，其反应了淀粉颗粒内部的相互水合能力及持水能力，其数值大小主要受淀粉颗粒大小，颗粒形态、分子量大小和他成分如蛋白质、脂类以及酸碱度的影响[19]。相关研究表明小米淀粉的糊化温度为60 ℃左右，为了进一步探究在高于及低于糊化温度一定温度条件下不同含量的谷朊粉对小米淀粉与水互作能力的影响，选取80 ℃及40 ℃条件下加热复配后的淀粉乳。实验结果由图1 所示，小米淀粉在无谷朊粉添加的影响下，淀粉悬浊液能够充分吸水膨胀，而经过80 ℃高温作用后，不溶解淀粉颗粒会进一步吸水崩解，溶解度高达32%，当加热温度为40 ℃时，小米淀粉溶解度较低，约为15%，说明较高的糊化温度能够促进直链淀粉的溶出，使溶解度增加。而在不同比例谷朊粉的添加下，小米复合淀粉的高温条件下的溶解度有显著变化，并随着谷朊粉的减小而减小。其发生原因主要是谷朊粉作为蛋白质能够形成一种保护膜将淀粉颗粒充分包围，使其溶解受到限制。淀粉分子的膨胀力主要指不溶性淀粉分子即支链淀粉分子之间会发生氢键作用，使淀粉分子难溶于水，但部分支链淀粉分子会与水分子结合，从而使支链淀粉分子具有一定膨胀系数，在40 ℃条件下谷朊粉的添加对膨胀力和溶解度几乎无影响，而在高温条件下小米复合淀粉的膨胀力随着谷朊粉的添加量的增加而降低。

2.4 谷朊粉添加量对小米淀粉糊化特性的影响

淀粉分子在湿热条件下其内部颗粒氢键会遭到破坏，结晶结构打开，淀粉分子会从有规则的晶体结构转换成无规则的散乱状态，经冷却后淀粉分子的双螺旋结构会重新缔结形成新的有序结构[20]，而通过差示扫描量热仪（DSC）得到的热特征值能够见解或者直接推断出淀粉结构变化，因此，实验通过DSC实验来检测在不同含量谷朊粉添加条件下小米淀粉热力学特征的变化趋势。实验结果如表3 所示，未添加谷朊粉的小米淀粉的糊化温度为61.02 ℃，峰值温度为67.79 ℃，终止温度为80.14 ℃，热焓值为13.14 J·g-1。谷朊粉的糊化温度为107.02 ℃，峰值温度113.42 ℃，终止温度123.21 ℃，热焓值为9.54 J·g-1。其中热焓值代表着直链淀粉的双螺旋损失及晶体数量的下降程度[21]，而通过谷朊粉的添加，小米淀粉的热焓值呈下降趋势，即谷朊粉蛋白的添加使重组小米淀粉热焓值从13.14 J·g-1降低到9.47 J·g-1，表明谷朊粉可以妨碍直链淀粉双螺旋解旋，防止淀粉晶体结构遭到破坏。与此同时，当谷朊粉含量呈现梯度增加时，小米复合淀粉的糊化温度及峰值温度均增加但仍显著低于纯谷朊粉，表明蛋白质的糊化温度显著高于淀粉糊化温度，而终止温度呈现下降趋势，其发生原因主要在于蛋白质的糊化温度要显著高于淀粉分子的糊化温度，因此，复合淀粉分子的热吸收峰会随着谷朊粉的添加量而更向蛋白质的吸收峰靠近[22]。

表3 谷朊粉添加量对小米淀粉糊化特性的影响Table 3 Effects of gluon starch addition on starch paste properties of millet

2.5 谷朊粉添加量对小米淀粉老化的影响

小米淀粉在添加不同含量谷朊粉的条件下研究其RVA 特征值的变化趋势，实验结果如表4 所示。当谷朊粉含量从0 g 逐渐添加到9 g 时，样品的峰值黏度和最终黏度分别从2 574±47.13 mPa·s 和27.14±28.95 mPa·s 降低到874±33.64 mPa·s 和1 033±74.03 mPa·s，且衰减值和谷值黏度也呈现相同变化趋势。其中谷朊粉的峰值粘度、谷值黏度及衰减值显著高于复配前后的淀粉乳峰值粘度，而回生值显著低于复配淀粉乳。衰减值的大小表明，淀粉分子在高速率剪切条件下继续保持分子内部平衡的能力，其数值越小表明淀粉分子结构越稳定，而谷朊粉作为一种高蛋白大分子物质能够进入淀粉分子颗粒之间，从而缩小淀粉分子之间的缝隙，抑制重组淀粉分子的破碎。回生值的大小能够充分说明淀粉分子经升温又降温即糊化后冷却的老化趋势，而当谷朊粉含量呈现梯度增加时，回生值指标却减小，其发生原因主要在于谷朊粉能够增加淀粉分子之间空间限制，使其发生交联概率降低，抑制淀粉分子水分的迁移，提高淀粉凝胶的持水能力，从而限制了复合淀粉乳的回生[23]。谷朊粉可以显著降低重组淀粉分子体系的黏度，则进一步证实蛋白质分子能够保留淀粉分子的水分，从而减少淀粉分子颗粒的初始膨胀，降低黏度系数。

表4 谷朊粉添加量对小米淀粉老化的影响Table 4 Effects of gluten powder addition on the aging of millet starch

2.6 谷朊粉添加量对小米淀粉官能团的影响

不同含量谷朊粉的添加对小米淀粉分子官能团的影响如图2 所示。通过红外光谱图可以观察到在谷朊粉的影响下小米淀粉的吸收峰发生一定程度的位移，但不同添加量谷朊粉的红外光谱图基本一致，其中3 000～3 600 cm-1为O-H 官能团的吸收峰，2 950 cm-1为C-H 官能团的吸收峰，1 640 cm-1为C=C 伸缩吸收峰，也可能为样品中水分子的官能团的吸收峰。而1 200～800 cm-1为淀粉分子的指纹图谱区域、1 655、1 540 cm-1为蛋白质的特殊吸收峰，对比小米纯淀粉的吸收图谱添加谷朊粉的吸收图谱没有新的吸收峰的产生，表明淀粉分子与蛋白质之间没有产生新的共价键[24]。随着谷朊粉含量的增加，与小米原淀粉相比，小米复合淀粉分子图谱中O-H 伸缩振动峰发生一定程度的位移，即吸收峰的强度降低，表明体系内部的分子间氢键作用力减弱，说明谷朊粉的加入会抑制淀粉分子间形成氢键，发生聚集，使复合淀粉乳的回生进程收到限制[25]。此研究结果与谷朊粉对小米淀粉老化的影响结果相符，进一步说明谷朊粉的添加能够抑制淀粉的回生。

图2 谷朊粉添加量对小米淀粉官能团的影响Fig.2 Effects of gluten powder addition on the functional group of millet starch

3 结论

实验研究了不同添加量的谷朊粉对小米淀粉消化特性、溶解度、膨胀力、糊化特性、回生性质等影响，即谷朊粉能够降低小米淀粉的溶解度、膨胀力同时降低小米淀粉的消化率，抑制其的回生过程，其发生原因主要在于谷朊粉作为一种大分子蛋白质对小米淀粉存在一定的物理屏障作用如发生缠绕或者形成氢键，使淀粉分子充分包埋于谷朊粉中，使淀粉复配体系对葡萄糖苷酶等存在抑制作用。通过谷朊粉的添加使淀粉分子与蛋白质之间的非极性相互作用的概率增加，淀粉溶解度降低，通过糊化及老化实验结果进一步证明谷元粉作为蛋白质会有效抑制复合小米淀粉在回生过程中水分的迁移，降低淀粉分子之间发生交联的概率，限制有序结构的构成，降低其热焓值及抑制老化过程。研究能够为后续探究谷朊粉影响小米淀粉理化性质的分子机制提供理论基础与数据支持，更能够进一步扩大小米淀粉的应用范围即生产高抗性淀粉产品。