蛋白含量對早秈米粉的微觀結構和功能特性的影響

徐晶冰,王　韌,于秋生,馮　偉,王　莉,羅小虎,李亞男,張名位,陳正行,*

(1.江南大學食品學院糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室,江蘇無錫 214122;2.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所,廣東廣州 510610)

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蛋白含量對早秈米粉的微觀結構和功能特性的影響

徐晶冰1,王韌1,于秋生1,馮偉1,王莉1,羅小虎1,李亞男1,張名位2,陳正行1,*

(1.江南大學食品學院糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室,江蘇無錫 214122;2.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所,廣東廣州 510610)

本文采用數學方程擬合的方法制備出了不同蛋白含量的早秈米粉,并研究蛋白含量對秈米粉的糊化、長期回生性質、微觀結構、結晶結構和凝膠強度的影響。結果表明:蛋白含量越低,秈米粉表面越光滑,糊化后的凝膠網絡結構聚合也越緊密。隨著蛋白含量減少,早秈米粉長期回生后的熱焓值逐漸降低,表明蛋白含量減少可延緩回生。秈米粉的凝膠強度也發生改變,回復力、咀嚼性和硬度都增大,而膠粘性減小。并且,不同蛋白含量秈米粉樣品的X-射線衍射圖均顯示為A型結晶,在15.17°有一個峰,在17.17°和18.14°處為一個雙峰,在23.32°處又有一個單峰;結晶度也相差不大,分別為24.26%、21.79%、19.91%、21.45%、18.73%和21.74%,可見,蛋白含量對該秈米粉的結晶結構影響不顯著(p>0.05)。從以上結果分析可推測,蛋白含量和秈米粉原料的相關性能性質確實存在密切的聯系。

秈米,蛋白,微觀結構,凝膠強度,結晶結構

水稻作為我國的重要糧食作物[1],品種繁多,品質差異也較大。其中的秈稻廣泛地種植于我國南方。隨著社會經濟發展,我國的糧食消費格局正在發生變化,早秈米被直接做口糧食用的比重大大降低,逐漸被制作成傳統米制品如米線、米粉、米糕等,因此研究原料秈米粉的相關功能性質對秈稻的加工增值意義重大。

由于品種、生長環境、收獲時間、生產工藝等外部條件的不同,所生產出秈米粉的相關品質和功能特性均會存在差異[2-5],但除去外部條件的影響,蛋白質作為秈米粉的第二大組成成分,雖占比不高,但能包裹在淀粉外形成網絡結構[6],對秈米粉的相關結構、性質也存在顯著影響[7]。目前,國外已有一些研究蛋白與秈米或秈米粉相互作用的報道,Likitwattanasade等人[8]研究發現,蛋白組分會影響米飯的微觀結構,Renzetti等[9]用酶法將蛋白水解來增加米粉中淀粉組分的連續性,但關于蛋白含量對秈米粉相關性質的具體影響很少涉及。本文以早秈米為研究對象,利用蛋白酶去除秈米中部分蛋白,并采用數學模型擬合酶反應進程的方法制備出不同蛋白含量的秈米粉,分析并研究了不同蛋白含量秈米粉的微觀結構、凝膠強度和結晶結構,旨在為秈米粉的優質加工提供理論依據。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

早秈米(K優66品種)江西華達昌食品有限公司;酸性蛋白酶(活力:50000 U/g,密度1.23 g/mL)無錫雪梅酶制劑公司;濃硫酸、乳酸國藥集團化學試劑有限公司。

LXJ-IIB低速大容量多管離心機上海安亭科學儀器廠;HYP-314消化爐上海纖檢儀器有限公司;pH計瑞士梅特勒-托利多集團;PL2002電子天平瑞士梅特勒-托利多集團;HR2168攪拌機飛利浦家庭電器有限公司;GZX-9246 MBE數顯鼓風干燥箱上海博訊醫療設備廠;TJM-L50膠體磨溫州市龍灣華威機械廠;MP-501A超級恒溫循環槽上海一恒科學儀器有限公司;Q2000型差示掃描量熱儀美國TA公司;Quanta-200型掃描電子顯微鏡荷蘭FEI公司;X-射線衍射儀(D8型)德國布魯克AXS有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1不同蛋白含量秈米粉的制備方法秈米浸泡1 h后濕法粉碎,過膠體磨,調漿濃度為20%,用乳酸調至特定pH后加入酸性蛋白酶,置于酶反應器中在特定溫度下反應,反應結束后水洗離心3次,除去上層蛋白,干燥、粉碎、過100目篩后制得秈米粉。

運用最適反應溫度和pH分別為50 ℃和4.5的酸性蛋白酶(無錫雪梅),參照周建新等人[10]的方法,采用數學模型擬合酶反應進程制備出不同蛋白含量(0.5%、1.0%、3.0%和5.0%)的秈米粉。蛋白含量為6.0%的秈米粉可以采用濕磨粉碎后過膠體磨,直接離心水洗的方法制得。

1.2.2蛋白含量的測定蛋白含量采用凱氏定氮法進行測定(GB/T5009.5-2003,換算系數5.95)。

1.2.3不同蛋白含量秈米粉凝膠的制備取秈米粉,加蒸餾水配制成20%(干基)的懸浮液,將懸浮液于80 ℃水浴中攪拌加熱糊化20 min,然后用玻璃棒攪拌轉入培養皿中,放入蒸籠中蒸制15 min,取出冷卻至室溫,切成統一的圓柱形大小,在4 ℃下靜置1 d。

1.2.4掃描電鏡觀察秈米粉顆粒和凝膠將按照1.2.3方法制得的秈米粉凝膠進行冷凍干燥,參照劉穎華[11]的方法,采用Quanta-200掃描電子顯微鏡觀察不同蛋白含量秈米粉和秈米粉凝膠的表面形態。將樣品固定在直徑為1 cm的樣品臺上,然后用離子濺射儀噴金,分別于2400和80倍的放大倍數下進行觀察。

1.2.5結晶度的測定室溫下,采用德國布魯克AXS公司的D8 Advance型X射線衍射儀對樣品進行檢測。銅靶CuKα(λ=0.15406 nm),功率1600 W(40 kV×40 mA),NaI晶體閃爍計數器測量X射線強度,取適量樣品粉末置于圓形孔槽中(直徑約3 cm),保持樣品表面平滑,測試條件為:管壓3 kV,管流20 mA,掃描速度4°/min,掃描區域為5°～40°,采樣步寬0.02°,掃描方式為連續,得到的結果用張本山[12],Hernan[13]等人的研究方法,通過MDI Jade軟件計算出樣品的結晶度。

1.2.6熱力學和長期回生特性的測定精確稱取2.0 mg的樣品于鋁制耐高壓坩堝中,加5.0 μL蒸餾水,密封壓蓋后于室溫下隔夜放置平衡;采用差示掃描量熱儀測定不同蛋白含量秈米粉的糊化熱特性,測試程序如下:以10 ℃/min的速度升溫,溫度掃描范圍為25～95 ℃,再以10 ℃/min的速度降至室溫;糊化后的樣品在4 ℃下貯藏14 d后按照相同程序再次掃描進行回生特性的測定,測定程序與糊化熱特性的測定測序相同。

1.2.7不同蛋白含量早秈米粉的凝膠強度的測定按1.2.3的方法制得秈米粉凝膠樣品,用物性分析儀選擇TPA模式,測試參數設定如下:選用平底圓柱形探頭P/36R;測試前速度5 mm/s;測試速度2 mm/s;測試后速度5 mm/s;應變位移30%;觸及壓力5.0 g。

1.2.8數據處理方法實驗數據采用SPSS 17.0分析軟件進行統計分析,計算標準偏差并采用Duncan檢驗進行顯著性分析(p<0.05)。采用Origin 8.5對數據作圖,各實驗均重復三次。

2　結果與討論

2.1不同蛋白含量秈米粉的制備

通過實驗研究發現,酶活條件對酶反應進程的影響十分顯著,在反應初始階段(0～0.5 h),蛋白含量急劇降低,不利于反應的精確控制,因此本文不研究此階段的反應進程。如圖1所示,同一加酶量條件下,隨著反應時間的延長,蛋白含量的降低速度逐漸放緩。利用Origin8.5軟件中的多項式模型對不同酶活條件下的反應進程進行非線性擬合得到回歸方程(見圖1),校正R2介于0.973～0.993之間,表明這些回歸方程能很好地模擬各自酶活條件下的反應進程。

制備不同蛋白含量(0.5%～6.0%)的秈米粉可通過不同酶活條件下的反應來實現。

表1　制備不同蛋白含量秈米粉的理論反應條件與實際蛋白含量

圖1　不同加酶量下反應進程的數學擬合Fig.1　Mathematical simulation of the process of enzymatic reaction under different amounts of enzyme dosage

根據圖1中回歸方程,分別計算出制備不同蛋白含量(5.0%、3.0%、1.0%和0.5%)秈米粉所需的理論反應時間,再按照理論反應時間進行酶反應制備出秈米粉,并測定出其實際蛋白含量,結果列于表1中。如表1所示,實測的蛋白含量與目標值較為接近,進一步證實了上述回歸方程對酶反應進程擬合的準確性。

2.2蛋白含量對秈米粉顆粒和凝膠微觀形態的影響

圖2　不同蛋白含量秈米粉顆粒的掃描電鏡圖Fig.2　Scanning electron micrograph of indica rice flour with different protein contents

由圖2可知,蛋白含量越低,在相同放大倍數下,秈米粉顆粒表面越光滑。這是由于大米淀粉是以復粒形式緊緊包含在蛋白質網絡中,兩者之間結合得非常緊密,當蛋白質被部分去除后,剩余淀粉的表面就會變光滑。圖3是秈米粉凝膠的微觀結構,從圖中可以看出,各種蛋白含量的秈米粉凝膠均呈現出網狀結構。圖3a是蛋白含量為7.64%的秈米粉樣品的凝膠微觀結構圖,淀粉分子的網狀結構較粗糙松散,但隨著秈米粉樣品蛋白含量減小,糊化后的淀粉分子結合更加緊密,淀粉分子在水分子間的分布也更加均勻,對比圖3b～圖3f可知,相同放大倍數下,形成的凝膠三維網絡結構也越明顯。由Jeng-June等人[14]的研究結果可知,糊化時,淀粉滲出后吸附在蛋白質網絡的孔洞中,最終形成凝膠,這也解釋了本研究中蛋白含量減少后凝膠微觀結構會發生變化的現象。

圖3　不同蛋白含量秈米粉凝膠的掃描電鏡圖Fig.3　Scanning electron micrograph of indica rice gel with different protein contents

2.3蛋白含量對秈米粉結晶度的影響

圖4和表2為不同蛋白含量秈米粉樣品的X-射線衍射圖譜及其相應的結晶參數。不同蛋白含量秈米粉的X-射線衍射圖譜均顯示為典型的A型峰,基本都在2θ接近15.17°、17.17°、18.14°和23.32°處時能觀察到強峰。并且結晶度也相差不大,如表2所示,分別為24.26%,21.79%,19.91%,21.45%,18.73%和21.74%。因此,蛋白含量對該秈米粉的結晶結構無顯著影響(p>0.05)。而King等人[15]的研究發現,氨基酸卻會對大米淀粉的結晶性質造成影響。因此,本研究中結晶度變化不大可能是因為被去除的蛋白質是大分子蛋白,還未被降解到氨基酸小分子。

表3　不同蛋白含量秈米粉的糊化溫度和熱焓值

表4　不同蛋白含量秈米粉在4 ℃長期回生后的糊化溫度和回生焓值

圖4　不同蛋白含量秈米粉的X-射線衍射圖譜Fig.4　X-ray diffraction of indica rice flour with different protein contents注：a：7.64%、b：6.0%、c：5.0%、d：3.0%、e：1.0%、f：0.5%。

樣品號蛋白含量(%)結晶度(%)17.64±0.213524.26±0.64a25.98±0.056621.79±0.37b35.02±0.020519.91±0.92b42.94±0.023221.45±0.21b51.00±0.012018.73±0.43c60.56±0.001921.74±0.62b

注:同列上標不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05),表3～表5同。

2.4蛋白含量對秈米粉熱特性和長期回生特性的影響

表3是通過DSC測量得到的淀粉糊化過程中結晶區損失所引起的熱焓變化,糊化過程中,結晶區破壞比顆粒膨脹發生的時間更早。并且支鏈淀粉側鏈的雙螺旋束狀結構是淀粉結晶區的主要組成部分[16],溫度升高,淀粉從蛋白網絡內部逐漸滲出,剛開始受到破壞的是支鏈淀粉的雙螺旋結構,溫度進一步升高后,淀粉逐漸吸附在蛋白網絡的孔洞中,最終無任何完整的淀粉顆粒,即完成糊化過程。

糊化后的秈米粉在低溫下長期貯藏時,由于溫度的降低,分子運動減慢,淀粉分子結構重新排列,分子鏈之間以氫鍵形式相互作用,形成有序的結晶結構,即淀粉發生長期回生。淀粉的回生可以采用DSC進行表征,回生后的淀粉在DSC圖譜中表現為向上的吸熱曲線,吸熱峰的大小與淀粉回生程度呈正相關,可以通過晶體融化所需要的熱焓ΔH表示[17]。不同蛋白含量秈米粉的長期回生特性見表4。由表4可知,隨著蛋白含量的減少,早秈米粉回生的熱焓值逐漸降低,表明蛋白含量降低可延緩長期回生[18]。這是由于糊化后的淀粉大分子在蛋白網絡的包圍下,分子鏈之間更易相互接觸進而發生有序排列;而當蛋白去除后,沒有了外部的網絡結構,無序排列的淀粉大分子就不易再回歸有序,因此長期回生延緩。

2.5蛋白含量對秈米粉凝膠強度的影響

由表5可知,蛋白含量減小,淀粉含量增加,回復性、咀嚼性、硬度增加,膠粘性減小。可見,蛋白含量與咀嚼性、回復力、硬度呈負相關,而與膠粘性呈正相關。其中咀嚼性定義為硬度、彈性和膠粘性的乘積,表示咀嚼食品需要的能量。蛋白質在大米粉體系中能夠與部分直鏈淀粉相互纏繞形成網絡結構,蛋白含量減少[19],更多的直鏈淀粉能夠相互重新聚集排列,分子間的纏繞程度增強,使秈米粉內部聯結更緊密,因此,硬度更大、咀嚼性與回復性也越大。前人有研究表明[7],高溫下淀粉會發生互相分離,單純由直鏈和支鏈淀粉形成的連續性組分粘度很小,這與本文得出的結論一致。并且,將不同蛋白含量秈米粉凝膠的微觀結構,與相同條件的凝膠強度對應,也可以發現兩者具有密切的關系[20]。

表5　蛋白含量對大米粉凝膠強度特性的影響

3　結論

本研究采用數學模型擬合酶反應進程制備出不同蛋白含量的秈米粉,并且實驗表明蛋白含量會影響秈米粉的微觀結構和凝膠強度,但對結晶結構的影響不顯著。蛋白含量越小,秈米粉表面越光滑,糊化后的凝膠體系聚合越緊密。同時,蛋白含量降低可延緩長期回生。秈米粉的秈米粉的凝膠強度也發生改變,隨著蛋白含量減小,回復力、咀嚼性和硬度都增大,而膠粘性減小。

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Effect of protein content on the microstructure and functional properties of indica rice flour

XU Jing-bing1,WANG Ren1,YU Qiu-sheng1,FENG Wei1,WANG Li1,LUO Xiao-hu1, LI Ya-nan1,ZHANG Ming-wei2,CHEN Zheng-xing1,*

(1.National Engineering Laboratory of Cereal Fermentation Technology,Food College,Jiangnan University,Wuxi 214122,China； 2.Sericultural & Agri-Food Research Institute Guangdong Academy of Agricultural Sciences,Guangzhou 510610,China)

The method of mathematical equations’ simulation was used to prepare early indica rice flour with different protein contents(0.5%,1.0%,3.0%,5.0% and 6.0%),and then the effect of protein content on gelatinization,the long-term retrogradation properties,microstructure,gel strength and crystallinity of early indica rice flour were investigated. The results showed that as the protein content was decreased,flour surface became smoother and microstructure of rice gel were tighter. The enthalpy value after long-term retrogradation was gradually reduced with the decrease of protein content,which indicated that low protein content could delay retrogradation. The indica rice gel strength also changed,when protein content was decreased,restoring force and chewiness force were increased,adhesiveness was decreased,and hardness was increased. The X-ray diffraction patterns of these six rice flours showed similarly a peak centered on 2θ=15.17°,a doublet on 17.17° and 18.14°,and another single peak at 23.32°. And the crystallinity were 24.26%,21.79%,19.91%,21.45%,18.73% and 21.74% respectively. Consequently,protein content had little impact on the indica rice’s crystallinity. All the results indicated that protein content interacted closely with related properties of indica rice.

indica rice;protein;microstructure;gel strength;crystallinity

2016-02-01

徐晶冰(1991-)，女，碩士研究生，從事糧食精深加工研究，E-mail：grace911229@163.com。

陳正行(1960-)，男，博士，教授，從事糧食精深加工研究，E-mail：zxchen_2008@126.com。

國家自然科學基金(31201381，31471616)；公益性行業(農業)科研專項(201303071、201203037、201303069)。

TS213.3

A

1002-0306(2016)17-0059-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.003