鱼肌动球蛋白与不同来源天然淀粉共混面团的流变特性

王甜，密更，劳敏军，励建荣，李学鹏，谢晶

（1 渤海大学食品科学与工程学院 辽宁省食品安全重点实验室生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心 辽宁锦州121013 2 广西民族师范学院化学与生物工程学院 广西崇左532200 3 浙江兴业集团有限公司 浙江舟山316120 4 上海海洋大学食品学院 上海 201306）

以天然淀粉制作而成的凝胶食品具有种类多样，制作方便，口感爽弹等优点，是人们餐桌上常见的传统食品之一。较多的研究表明，摄入过多的纯淀粉凝胶食品有增加糖尿病、过度肥胖等疾病的风险[1-2]。添加其它物质作为辅料来强化纯淀粉食品的营养结构和降低相对摄入量是改善以上问题的有效方法。现有研究中最常见的添加物是水胶体、壳聚糖、硬脂酸甘油酯等化合物[3-5]。消费者普遍对这些物质不太了解，认为是非天然物质，接受度较差。天然蛋白是另一类较为理想的选择，近年的相关研究多集中在大豆蛋白、蛋清蛋白和乳清蛋白等几个种类上[6-8]。鱼盐溶性蛋白有着独特的成胶能力和营养价值，相关研究多集中在以鱼糜制品为代表，以蛋白为凝胶主体、以淀粉为添加物的体系，而以淀粉为凝胶主体、以鱼糜蛋白为添加物的体系研究较少，相关理论尚欠缺。由于它们的凝胶机制完全不同，这就导致这两种体系的凝胶主体网络结构不同，在微观结构和性质上也有本质区别。

对于淀粉基共混物，相关研究多基于简单的蛋白-淀粉两相混合模型[9-10]，虽便于分析，但实际生产应用相对较弱。实际传统淀粉食品，尤其是粉丝制作过程中，加入黏合剂（binder）是一道重要工序，其所起的重要作用：一方面使共混物形成类似小麦面团的黏弹性体系，另一方面极大地改善面团的流变特征。在粉丝生产工艺中，最常见的有3种方法：挤出法（extruding）、切条法（cutting）和滴漏法（dropping），其中滴漏法是最常用的，也是目前商业生产的主要方法[11]。滴漏法对于共混物的流动特征和触变性等流变特性有着特殊的要求，深入研究淀粉基蛋白共混物的流变学特性有着其特殊的现实意义。添加蛋白后的共混物面团更贴近于一种由淀粉颗粒-黏合剂-蛋白组成的3 相体系，而目前有关这3 相体系的流变特性研究较少。不同来源的淀粉颗粒有着不同的晶型，一般来说，禾谷淀粉为A 型，薯类淀粉为B 型，而豆类淀粉为C型[12]。淀粉的晶型对淀粉流变有较大影响[13-16]。本研究采用传统的淀粉面团中的制芡工艺，选择3 类晶型共6 种不同来源的天然淀粉，添加带鱼肌动球蛋白后复配为共混物，对共混物面团流动特性做深入探讨，以期为淀粉强化粉丝生产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

带鱼（Trichiurus lepturus）购于当地水产市场。6 种天然淀粉购于本地淀粉公司，均不含蛋白和脂质，经过碘结合比色法[17]分别测定了其直链淀粉含量（amylose content，AC）。薯类源淀粉：马铃薯淀粉，AC=27.4%，红薯淀粉，AC=28.5%；豆类源淀粉：绿豆淀粉，AC=33.1%，豌豆淀粉，AC=32.8%；禾谷源淀粉：小麦淀粉AC=27.7%，玉米淀粉，AC=19.5%。所有试剂均为分析纯，所用水为去离子水。

1.2 仪器与设备

Sorvall Stratos 冷冻高速离心机，美国Thermo公司；UV-2550 紫外可见光分光光度计，岛津仪器（苏州）有限公司；DHR-1 旋转流变仪，美国TA 仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 肌动球蛋白的提取 根据Panpipat等[18]的方法提取肌动球蛋白。用双缩脲法测定肌动球蛋白的质量浓度，为（43.61±3.22）mg/mL。所提取蛋白置于4 ℃冰箱内并于2 d 内用完。

1.3.2 共混物的制备 共混物的制备参考了Sandhu等[19]的方法并结合了中国传统粉丝制芡生产工艺。将10 g 干淀粉加入90 mL 蒸馏水搅拌预混合2 min，加入100 ℃的水并不停搅拌1 min 制成黏合剂（芡糊，binder）。取黏合剂与生淀粉以1∶1（质量比）混合均匀，然后添加淀粉总量30%（质量比）的肌动球蛋白在搅拌机中混合5 min。依次将豌豆、绿豆、马铃薯、红薯、小麦、玉米纯淀粉与肌动球蛋白形成的共混物标记为BS-AP、MS-AP、PS-AP、SS-AP、WS-AP 和CS-AP。所有的共混物均现用现配，并置于常温密封针筒内待用。

1.3.3 稳态剪切测试 流变仪夹具为Φ=40 mm的平行板，间隙400 μm。测试前共混物在室温（25℃）下平衡2 min，带有加热程序的扫描，在间隙周围涂硅油以防蒸发。其它流变测试中均与该设置相同。

稳态测试参考了Chen等[20]的方法并略有改动。温度设定为40 ℃，剪切速率从0.01 s-1增加至300 s-1（上行曲线），之后立即从300 s-1下降至0.01 s-1（下行曲线）。扫描过程中采集剪切应力（τ）和剪切速率（γ）。共混物的屈服应力（τ0，Pa）、流动行为指数（n）和稳定性系数（K，Pa·sn）使用Herschel-Bulkley 模型（方程1）进行拟合计算。

1.3.4 动态应变扫描 在应变范围为0.01%～1000%内进行扫描测试，温度25 ℃，角频率10 s-1。扫描期间采集存储模量（G′）和损耗模量（G″）的相应数据。

1.3.5 动态频率扫描 参考了Feng等[21]的方法并略有改动。在应变为0.15%和25 ℃的温度下，从0.1 到100 rad/s 进行频率扫描，采集G′和G″随角频率ω 的变化曲线。采用幂律模型（公式2）进行曲线拟合计算。式中Z′代表分子间相互作用力类型，K 代表共混物强度。

A：一般情况下，可能比较大众化的看法是，设备一定是有寿命的，但我认为设备一定没有寿命，有寿命意味着我们没有做好。如果有人说他的设备做得最好，那一定是在吹牛，因为设备永远做不到最好，只能说努力往更好的方向去做。至于我们的核心竞争力，我认为就是天地盖纸盒设备，可以自豪地讲，在世界范围内，将天地盖纸盒设备做得最系统化的，只有中科。

1.3.6 蠕变-回复试验 参考Fu等[22]的方法进行蠕变回复测试。温度25 ℃，剪切应力20 Pa，蠕变时间300 s，之后撤去应力回复300 s。将蠕变回复曲线使用Burgers 模型进行拟合，公式3 用于蠕变阶段，公式4 用于回复阶段。式中：J 表示柔量，可以通过J（t）=γ/σ 进行计算，γ 为应变（γ），σ 为应力（σ）。Jmax表示最大蠕变柔量（Pa-1），η0表示零剪切黏度（Pa·s），λ 表示迟滞时间（s）。

1.3.7 温度扫描 温度扫描中，频率设定为1 Hz，应变0.10%，从25 ℃到90 ℃以5 ℃/min 的加热速率进行，记录过程中记录G′、G″和损耗因子（tanδ）随温度变化的曲线。

1.4 统计分析

所有结果均用平均值±std（标准差）表示。统计分析使用统计软件包（SPSS 19.0）进行。拟合计算采用Orgin 2018 进行。采用单因素方差分析、平均多重比较检验和邓肯多重极差检验对数据进行统计学意义分析，显著性水平为P<0.05。所有试验至少重复3 次。

2 结果与分析

2.1 共混物面团的流动特性

在传统的粉条生产工艺中，滴漏法是一个重要的生产方法，生产时，将面团放入底部有孔洞的漏勺内，之后在容器周围拍打振动，使面条开始流动，进而流入开水锅内熟化制成粉条。对共混物的静态剪切实则模拟了该工艺过程中的拍打动作。共混物面团的静态剪切曲线如图1 所示，图中的实心点代表上行曲线，模拟从慢至快的拍打过程；空心点代表下行曲线，模拟从快到慢的拍打过程。从图中可以看出，所有样品的上行曲线应力变化都较为平稳，而下行曲线中的应力变化均较为剧烈，说明其流动性变化较大，且变得越来越容易流动了。上行、下行曲线不同的流动行为说明了这些共混物面团在实际生产中，较为理想的拍打方式为由快到慢。

图1 共混物的稳态剪切流动曲线Fig.1 The steady shear flow curve of blends

为了进一步探究不同淀粉-肌动球蛋白流动性的差异，对图1 中下行曲线进行了Herschel–Bulkley 模型拟合计算，结果见表1。需要说明的是，上行曲线存在较多的波动区，无法进行拟合，这一点和已有的相关研究情况一致[23]。从结果来看，所有样品的拟合相关系数R2均大于0.99，证实了Herschel-Bulkley 模型在拟合当前数据中的适用性。屈服应力τ0可代表稳态剪切测试中破坏共混物结构所需的力，该值越大，表示共混物振荡后越难流动，反之亦然。从结果可以看出，τ0值呈现如下规律：WS-AP>CS-AP=BS-AP>MS-AP>PSAP=SS-AP。这些结果说明薯类源共混物面团的流动性较强，而禾谷源面团的流动性则较差。因此时淀粉面团是非热体系，并未形成凝胶，内部的网络结构仅仅由较弱的黏合剂维持，因此推测原因除了直链淀粉含量以及晶型等关系外，主要可能和面团组分的质壁滑移（wall slip）有较大关系。Wang等[23]也报道了此类体系中存在质壁滑移现象，他们认为在剪切中，binder 形成的连续相会形成类似薄膜的结构滑动于淀粉粒以及蛋白形成的分散相上，从而使共混物发生流动。由此来看，薯类源共混物的黏合剂可能更容易形成结构完整的薄膜相，从而更易发生流动。

表1 共混物的Herschel-Bulkley 参数和触变性Table 1 Herschel-Bulkley and thixotropy parameters of blends

K 值代表共混物面团的刚度且与之呈正比关系。从结果来看，豆类源面团相对较高，其中BSAP 共混物的K 值最大，达到17.23，而薯类源面团较低，其中PS-AP 该值最低，只有4.02。另外从结果可以看出，所有共混物的流动行为指数（n）均低于1，说明共混物是假塑性流体，会发生剪切稀化的情况，这和已有的相关研究结果一致[24]。

2.2 共混物面团的触变性

6 种淀粉源共混物的黏度-剪切速率曲线如图2 所示。从顺时针方向的滞后环可以看出，所有共混物均有明显的剪切变稀的特性，与前一节结果一致。另外，不同淀粉源共混物在不同剪切速率下的黏度下降情况有明显不同，豆类淀粉源共混物面团在0～100 s-1范围内出现急剧下降，之后出现明显的振荡区，这表明共混物面团的结构被严重破坏，推测面团内部可能出现了裂缝。而禾谷源共混物则在0～50 s-1的剪切速率范围内出现急剧下降，之后变得相对平缓，且未出现明显振荡区，这表明共混物内部虽然有微观上的结构破坏，但宏观上仍有保持均相的能力。

图2 共混物的滞后环Fig.2 The hysteresis loops of blends

触变性是凝胶体在振荡、压迫等机械力的作用下发生的可逆溶胶现象，是淀粉面团采用滴漏法生产的重要依据。触变性的大小可以通过对滞后环的面积来表示，为了方便比较，取非振荡区域（0～123 s-1）的面积进行积分计算，结果如表1 中Dt 值所示。从结果中来看，豆类源共混物面团的Dt 值较高，这表明他们更加适合采用滴漏法进行生产制备共混物面条。薯类源的对应值相对较低，其与豆类源的明显不同可能和直链淀粉含量的不同有较大关系[25]。由此来看，豆类淀粉-鱼肌动球蛋白共混物面团更适合采用滴漏法进行生产。而薯类淀粉源共混物面团则适合采用挤出法进行生产。

2.3 共混物面团的线性黏弹性

动态应变扫描提供了面团内部结区（junction zone）的相对强度（用G′表示），以及面团对流动的相对阻力（用G″表示）。通过动态应变扫描来测定共混物面团的线性黏弹性区间（Linear viscoelastic range，LVR），结果如图3 所示。首先，从结果中可以看出，所有共混物面团的LVR 上限均小于0.1%，说明在此形变范围以内共混物能保持其结构的稳定性。超出此范围，可以看到所有共混物的黏弹性均出现急剧下降。其次，已有的研究表明，普通小麦面团的LVR 均在0.1%～0.25%范围内[26]，大多数要高于淀粉和肌动球蛋白形成的共混物的LVR 水平。这可能是因为小麦面团由强劲而稳定的面筋网络构成，而共混物中起主要作用的是脆弱的由直链淀粉糊化形成的多糖网络。另外，从组间来看，豆类源面团的黏弹性区间较小，而薯类源面团的LVR 则明显升高，尤其是在SS-AP 中，这一情况更加显著，推测是薯类源共混物中支链淀粉的较大黏度使得共混物的微结构不易被破坏所致。

图3 共混物的动态应变扫描曲线Fig.3 Dynamic strain sweep curve of blends

2.4 共混物面团中分子相互作用强度分析

幂律模型中Z′表示G′和G″对频率的依赖程度，可以反映共混物中分子间相互作用的类型，Z′=0 为共价键连接，Z′>0，则表示存在物理键连接[27]。从表2 的结果来看，所有共混物的G′和G″的Z′值均大于0，这说明所有共混物中蛋白和天然淀粉之间均不存在共价键，而是以物理键例如氢键进行连接的。从组间来看，CS-AP 的Z′值最大，说明该共混物的分子间相互作用最弱。而BSAP 的Z′值最小，在G′和G″分别为0.14 和0.10，说明其内部肌动球蛋白和binder 中的淀粉分子相互作用较强。K 值表示共混物的刚度，K 值越高表示共混物的刚度越大。豆类源面团具有较高的K值，其中BS-AP 共混物在G′和G″中具有最大的K 值，分别为5.85 和5.24。薯类共混物的K 值均较小，且SS-AP 和PS-AP 之间差别不显著。

表2 共混物在动态频率扫描中幂律模型拟合参数Table 2 The power-law parameters of the blends in dynamic frequency sweep

2.5 共混物面团的蠕变回复特性

对共混物面团在蠕变阶段的曲线进行分段拟合，得到的流变学参数如表3 所示。J0、Jm和Jmax分别表示蠕变阶段的瞬时柔量、高弹柔量和最大蠕变柔量，它们分别和瞬时形变、延迟形变和塑性形变期间共混物面团的刚度呈反比关系[28]。从结果可以看出，不同淀粉来源共混物面团的3 个柔量值存在明显的不同，豆类淀粉源共混物具有最低的柔量，而薯类源共混物的柔量相对较高。这表明豆类源面团更为坚实，而薯类源面团则相对比较稀软。零剪切黏度（η0）是用来表征应力去除时，共混物的流动难易程度。从表3 中的结果可知，BSAP 和MS-AP 共混物的η0值较高，说明共混物保持原有形状的阻力较大。而PS-AP 和SS-AP 共混物的η0值最小，说明薯类淀粉和肌动球蛋白形成的共混物在加工过程中难以维持其形状。Zhang等[29]在5 种不同来源的植物淀粉对淀粉-谷蛋白面团影响的研究中也有类似的发现。

表3 共混物在蠕变回复测试中的流变学参数Table 3 Rheological parameters of blends in creep-recovery test

共混物回复测试可以用来模拟并表征面团在用手或器械施加压力后其回复原有形状的能力。回复能力越强，说明共混物形成的结构越稳定。由此我们分析了最大柔量Jmax中黏性部分Jv 和弹性部分Je的占比，结果如图4 所示。发现豆类源共混物面团的Je/Jmax显著高于其它组，其中BS-AP 共混物的Je/Jmax值最大，达到了71.14%，显著高于MS-AP 共混物（64.45%），说明其具有更好的回弹能力。薯类源共混物面团SS-AP 和PS-AP 之间没有显著差别。禾谷源中，WS-AP 的值明显高于薯类源和同组的玉米源，推测原因可能和其直链淀粉较高有一定的关系。

图4 共混物在回复阶段的最大蠕变柔量的相对弹性和黏性部分占比Fig.4 The relative elastic（Je）and viscous（Jv）part of the maximum creep compliance（Jmax）of the blends in the recovery test

2.6 共混物在加热过程中的黏弹性变化

通过温度扫描测定了共混物形成凝胶过程中的黏弹性变化，结果如图5a、5b 所示。6 种共混物的G′和G″均在65 ℃时开始增加，在70～80 ℃范围内分别达到最大值，然后快速下降。不同淀粉来源共混物的模量最大值对应的温度均不同，初步推断这些峰可能是不同淀粉的糊化峰，而这些温度则对应糊化温度。为了进一步验证这一推测，将tanδ 对温度作图，结果如图5c。

图5 共混物的动态温度扫描曲线Fig.5 Dynamic temperature sweep curve of blends

从结果来看所有共混物的tanδ 值在加热过程除了之前出现的峰，在左边均出现了或弱或强的两个峰，这两个峰分别在40 ℃和56 ℃出现。推测这两个峰很可能是肌动球蛋白在加热过程中肌动球蛋白头部和尾部变性解旋所致。实际上，一些其它鱼类盐溶蛋白的变性温度研究也证实了这一推测，例如Liu等[30]在鲢鱼肌动蛋白热诱导凝胶研究中也发现对应肌球蛋白头部和尾部的解旋温度分别是40 ℃和55 ℃。另外，从图中可以看出所有共混物中这两个峰的位置除了小麦淀粉源均在同一温度位置出现。结合它们相隔出现且温度距离较远，这里可以推测共混物中蛋白和淀粉的相互作用是较弱的，蛋白和淀粉的网络形成相对较为独立。一些已有的相关研究也发现了类似的结果，证实了该推论[31-33]。WS-AP 中的第2 个蛋白峰很弱且明显向低温区移动，其原因还有待进一步研究揭示。

整体来看，所有共混物在热处理过程中，其tanδ 值均小于1，在接近90 ℃附近时，均迅速下降至0.05～0.15 附近，这表明所有共混物在热处理后均表现出更多的固体黏弹性特征[34]，即形成了一定弹性的凝胶体。从组间来看，薯类淀粉源共混物的黏性较大，而禾谷源共混物的黏性较小。

3 结论

本研究评估了3 种晶型共6 种不同来源天然淀粉和肌动球蛋白形成的共混物面团的流变特性。研究发现所有共混物均有剪切变稀的特性。剪切过程中面团流动性方面的测试结果显示，薯类淀粉源共混物面团的流动性较强，而禾谷源面团的流动性则较差。BS-AP 共混物刚度最大，为17.23，而PS-AP 值最低，为4.02。共混物的触变大小呈现如下趋势：豆类源>禾谷源>薯类源。动态应变扫描的结果显示所有共混物的LVR 值均小于0.1%，小于大部分普通小麦面团的对应值。从组间来看，豆类源面团的LVR 较小，而薯类源面团对应值有明显增加。共混物中分子相互作用强度的结果显示肌动球蛋白和淀粉之间不存在共价键连接，只存在物理键连接。蠕变回复特性是面团的一种重要流变特性，柔量分析结果和静态剪切分析结果一致。另外研究发现，豆类源共混物面团的Je/Jmax显著高于其它组，其中BS-AP 共混物的Je/Jmax值最大，达到了71.14%，显著高于MS-AP 共混物（64.45%），说明其具有更好的回弹能力。温度扫描测试结果显示，共混物面团在加热过程中，均可形成弹性较好的凝胶。整体来看，共混物加热过程中除了凝胶峰出现了另外两个独立的峰，依据已有研究推测球蛋白和淀粉在共混物凝胶过程中相互作用较弱，凝胶网络的形成也是独立的。综合来看，豆类淀粉-鱼肌动球蛋白共混物面团更适合用滴漏法进行生产。

本研究尚可在以下几方面深入探讨：①共混物中肌动球蛋白和淀粉在面团和凝胶中的相互作用。②进一步观察共混物面团中蛋白和淀粉的微结构，验证相关推测，阐述流变特征中机理。③共混物中蛋白和淀粉均为高分子物质，极有可能因热力学不相容发生相分离。可进一步对共混物的相结构和相行为进行深入研究和探讨。