乳清蛋白-大米淀粉混合體系動態流變學特性研究

湯曉智 尹方平 扈戰強 郭金萍 李琳娜 沈雨琴

(南京財經大學食品科學與工程學院/江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心/江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室，南京 210023)

乳清蛋白-大米淀粉混合體系動態流變學特性研究

湯曉智 尹方平 扈戰強 郭金萍 李琳娜 沈雨琴

(南京財經大學食品科學與工程學院/江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心/江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室，南京 210023)

乳清蛋白和淀粉因其較好的凝膠形成特性而被廣泛用于食品配料。通過動態流變儀研究乳清蛋白-大米淀粉混合體系的動態流變性，并同時考慮了離子及離子強度對流變特性的影響。結果表明，在淀粉比例低于50%時，乳清蛋白-大米淀粉混合體系升溫過程的儲能模量(G’) 和損耗模量(G”)明顯低于乳清蛋白，而當淀粉比例升至50%時，最終的G’和G”已經遠遠超過乳清蛋白；此外，降溫過程中混合體系的最終G’和G”也遠高于乳清蛋白，表明蛋白質淀粉分子間的相互作用的增強對混合凝膠的特性有一定的協效性，強化了形成的凝膠網絡。隨著鹽離子濃度的提高，混合體系的G’和G”均持續降低，表明鹽離子和蛋白質分子間的相互作用一定程度上阻礙了淀粉與蛋白質分子間的相互作用，弱化了形成的凝膠網絡。

乳清蛋白 大米淀粉 凝膠化 動態流變性

乳清蛋白因其較好的凝膠形成特性而引起人們的普遍重視。乳清蛋白通過加熱至高于它的變性溫度而形成黏彈性的凝膠。在這個過程中，蛋白質受熱后變性展開；展開的蛋白質不斷聚集而形成蛋白微粒相互連接的網絡結構[1]。乳清蛋白凝膠的形成是分子間電荷吸引力和排斥力相平衡的結果[2]，受蛋白濃度、溫度、加熱方式(加熱/冷卻的速率)、環境條件 (pH、離子強度)和與其他食物組分(鹽，糖、葡萄糖)的相互作用的影響[3-7]。

淀粉以及變性淀粉已經被廣泛用于膠凝劑和增稠劑。淀粉加熱糊化后通過冷卻形成凝膠。淀粉的糊化以及之后淀粉凝膠的流變性能也取決于淀粉的濃度、淀粉的種類、加熱的溫度、以及一些添加劑如糖類和脂類[8]。乳清蛋白和淀粉都可以通過熱誘導形成凝膠的共性表明通過加熱乳清蛋白和淀粉的混合物有獲得獨特的混合凝膠的可能性。

流變學研究內容包括彈性力學和黏性流體力學，主要研究物質在力的作用下的變形和流動[9]。流變特性分為靜態流變性和動態流變性。動態流變是觀察蛋白淀粉膠凝動態過程的一種方法。反映動態流變性的指標主要有G’(儲能模量)，G”(損耗模量)。G’也稱之為彈性模量，代表能量貯存而可恢復的彈性性質；G”也稱之為黏性模量，代表能量消散的黏性性質。當頻率不變時，G’、G”是溫度的函數，在熱誘導凝膠的動態研究中，一般頻率固定，溫度變化[10]。

盡管乳清蛋白-淀粉混合體系的凝膠化已經有所研究[2,8]，但對于乳清蛋白和淀粉混和體系加熱和冷卻形成凝膠過程中的動態流變特性研究很少。因此本研究的主要目標是通過動態流變儀研究乳清蛋白-大米淀粉混合體系的動態流變性，同時考慮離子強度對流變特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

乳清濃縮蛋白(蛋白質質量分數81.92%，干基): 比利時BHA公司；大米淀粉 (直鏈淀粉質量分數 29.90%)：蕪湖好亦快食品有限公司。

1.2 儀器與設備

Anton Paar MCR 302動態流變儀：奧地利安東帕有限公司。

1.3 樣品制備

總固體質量分數保持在15%，制得乳清蛋白(WP) 與大米淀粉(RS)不同比率的混合溶液(WP/RS = 15/0; WP/RS = 12.5/2.5; WP/RS = 10/5; WP/RS = 7.5/7.5)。并將pH調至7。

離子強度的影響：在不同濃度的NaCl 或 CaCl2溶液中制備上述混合液。NaCl濃度分別選擇0、50、100、200 mmol/L，CaCl2濃度分別選擇0、25、50、100 mmol/L。

1.4 動態流變學特性測定

將混合樣品取少量置于流變儀測試臺上，降下平板，用礦物質油密封防止水分蒸發。流變性測試條件為：50 mm圓形平板檢測探頭，夾縫0.5 mm，應變2%，頻率0.1 Hz。測試程序升溫范圍30～95 ℃，升溫速率2 ℃/min；降溫范圍為95～20 ℃，降溫速率5 ℃/min。

2 結果與分析

2.1 蛋白淀粉比例對乳清蛋白-淀粉混和體系加熱和冷卻形成凝膠過程中的動態流變特性影響

圖1為不同蛋白淀粉比例對乳清蛋白-淀粉混和體系加熱過程動態流變特性的影響，由圖1可見在形成凝膠前，G’和G”均很小，但隨著溫度的升高，乳清蛋白(WP/RS = 15/0)首先發生變化，溫度為67 ℃時，G’、G”開始迅速增加，主要是由于乳清蛋白變性，蛋白質分子開始展開成盤卷狀，發生分子間交聯，表明乳清蛋白在加熱過程中開始形成熱誘導凝膠，使樣品的彈性，黏性急劇增加[11]。當溫度升至85～88 ℃時，乳清蛋白凝膠的G’和G”達到最大值，分別為111 kPa和26.7 kPa。相對乳清蛋白，其他樣品(WP/RS=12.5/2.5、 WP：RS=10/5、 WP/RS=7.5/7.5)轉變溫度明顯滯后，轉變溫度分別為70、71和72 ℃，表明淀粉的添加一定程度上阻礙了乳清蛋白的變性。隨著溫度升高，在淀粉比例低于50%時，蛋白淀粉混合體系升溫過程的G’和G”明顯低于乳清蛋白，表明在加熱階段樣品成膠主要是依靠乳清蛋白的熱誘導作用，而淀粉的存在干擾了蛋白質的聚集，使乳清蛋白凝膠弱化[12]。而隨著淀粉濃度的增加，混合凝膠的G’和G”有很大程度的提高，在樣品(WPI/RS = 7.5/7.5)中，最終的G’和G”已經遠遠超過乳清蛋白。其可能的原因是，淀粉糊化后，蛋白質淀粉分子間的相互作用的增強對混合凝膠的特性有一定的協效性，從而彌補了乳清蛋白自身的凝膠弱化現象。Shim等[8]也報道了玉米淀粉-乳清蛋白混合凝膠在玉米淀粉質量分數為25%和50%、pH = 9時能形成相容性較好的凝膠網絡結構。

圖2為蛋白淀粉比例對乳清蛋白和淀粉混和體系降溫過程動態流變特性的影響。由圖2可見，降溫過程對混合凝膠的影響非常大。首先乳清蛋白凝膠在降溫過程中G’和G”均呈現先上升后下降的趨勢，在溫度低于60 ℃時有個跳躍式的下降。其原因可能為，乳清蛋白在熱誘導條件下，使其分子中的疏水基團暴露，形成的蛋白質凝聚物依靠彼此之間的靜電排斥力作用，形成穩定的分散體系[13]。在冷卻過程中，急速的冷卻可能對乳清蛋白分子間作用力有一定的破壞，溫度越低，疏水量級越低，分子間作用力越低，從而導致G’和G”的迅速下降。相比較乳清蛋白，乳清蛋白-淀粉混合體系G’和G”雖然在溫度低于45 ℃時也有小幅下降，但總體下降幅度不大，而且隨著溫度的進一步降低，G’和G”均出現回升，最終的G’和G”遠高于乳清蛋白。這可能是因為，降溫過程中，直鏈淀粉的淀粉分子相互纏繞并趨于有序化，鏈和鏈之間的氫鍵進一步形成，淀粉凝膠體系的強度和剛性逐步增加[14]。并且蛋白質淀粉分子間也可能通過氫鍵力相互結合，強化了形成的凝膠網絡。

圖2 蛋白淀粉比例對乳清蛋白和淀粉混和體系降溫

2.2 離子強度對乳清蛋白-淀粉混和體系加熱和冷卻形成凝膠過程中的動態流變特性影響

圖3為升溫過程不同離子及離子強度對乳清蛋白以及乳清蛋白-淀粉混合體系動態流變特性的影響。由圖3可見，加熱過程中，鈣離子和鈉離子的加入均明顯降低了凝膠的G’和G”。在乳清蛋白加熱形成凝膠過程中，鈣離子可以明顯地降低乳清蛋白的轉變溫度，而鈉離子均不同程度地提高了轉變溫度(圖3a、圖3b)。從離子強度上看，鈣離子在50 mmol/L，鈉離子在100 mmol/L時有較高的G’和G”，當繼續提高鹽離子濃度時，G’和G”下降。 這是因為鹽離子的加入，通常可以屏蔽蛋白質分子間靜電作用從而導致G’和G”的降低。相比鈉離子，鈣離子有較高的價態，通過與蛋白質凝聚物所帶的負離子基團作用，在蛋白質之間通過鈣離子形成鹽橋，進而形成穩定的凝膠體系[13]。相比乳清蛋白，乳清蛋白-淀粉混合體系中，鹽離子對G’和G”的影響截然不同(圖3c、圖3d)。首先隨著鹽離子濃度的提高，G’和G”均持續降低。其次，鈣離子存在條件下，轉變溫度只是略有降低，并且最終形成的凝膠G’和G”遠遠低于不添加鹽離子的混合凝膠的G’和G”，也低于鈉離子存在條件下形成凝膠的G’和G”。可見，乳清蛋白淀粉混合體系中，鹽離子和蛋白質分子間的相互作用一定程度上阻礙了蛋白質淀粉分子間的相互作用，降低了體系的G’和G”。

圖4為降溫過程不同離子及離子強度對乳清蛋白以及乳清蛋白淀粉混合體系動態流變特性的影響。由圖4a和圖4b可見，鹽離子的存在對乳清蛋白凝膠體系的穩定性有一定的幫助，隨著溫度的降低，G’和G”在顯著下降后均出現回升，最終的G’值(20 ℃)均大于乳清蛋白凝膠的G’值。崔旭海等[15]報道了鹽離子誘導乳清蛋白凝膠形成中，鈣鹽起到“鈣橋”的作用形成立體網狀結構，結構疏松，鈉鹽凝膠空隙較小比較致密。從而最終鈉鹽凝膠表現出的硬度較大、彈性較好，鈣鹽相對較小。從本試驗也可看出，相同離子強度下，鈉鹽凝膠最終的 G’和G”均高于鈣鹽凝膠。從鹽離子及離子強度對乳清蛋白-淀粉混合體系動態流變特性的影響來看(圖4c和圖4d)，鹽離子對于混合凝膠體系存在著一定的負面響，鹽離子的加入均不同程度地降低了混合凝膠體系的G’。其主要原因在于鹽離子和蛋白質分子間的相互作用一定程度上阻礙了蛋白質淀粉分子間通過氫鍵力相互結合，從而弱化了形成的凝膠網絡。

圖3 離子強度對乳清蛋白和淀粉混和體系升溫過程動態流變特性的影響

3 結論

3.1 在淀粉比例低于50%時，乳清蛋白-大米淀粉混合體系升溫過程的G’和G”明顯低于乳清蛋白，表明淀粉的存在干擾了蛋白質的聚集，使乳清蛋白凝膠弱化。而當淀粉比例升至50%時，最終的G’和G”已經遠遠超過乳清蛋白，表明蛋白質淀粉分子間的相互作用的增強對混合凝膠的特性有一定的協效性，從而彌補了乳清蛋白自身的凝膠弱化現象。

3.2 乳清蛋白-淀粉混合體系降溫過程的最終G’和G” 遠高于乳清蛋白，表明降溫過程中，直鏈淀粉分子通過氫鍵相連，并且蛋白質淀粉分子間也可能通過氫鍵力相互結合，強化了形成的凝膠網絡。

3.3 隨著鹽離子濃度的提高，混合體系升溫過程的G’和G”均持續降低，表明鹽離子和蛋白質分子間的相互作用一定程度上阻礙了蛋白質淀粉分子間的相互作用，降低了體系的G’和G”。

3.4 鹽離子的加入均不同程度地降低了混合凝膠體系的G’，表明鹽離子的存在對于乳清蛋白-大米淀粉混合凝膠體系有一定的負面影響。

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Study on Dynamic Rheological Properties of Whey Protein-Rice Starch Hybrid System

Tang Xiaozhi Yin Fangping Hu Zhanqiang Guo Jinping Li Linna Shen Yuqin

(College of Food Science and Engineering/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety/Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing,Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210023)

Whey protein and starches have been widely used as food ingredients owing to their good gelation properties. Dynamic rheological properties of whey protein - rice starch hybrid system were investigated in this study using dynamic rheometer, and meanwhile the effects of different ions and ionic strength on rheological properties are also considered. The results showed that when starch concentration was lower than 50%, both storage modulus (G’) and loss modulus (G”) of mixed gel during heating were lower than those of whey protein. However, when starch concentration reached 50%, the final G’ and G” values were much higher than those of whey protein. Furthermore, the final G’ and G” values of all mixed gels during cooling process are also much higher than those of whey protein. It is indicated that the enhanced interactions between protein and starch molecules has certain synergistic effects on characteristics of mixed gel, and strengthens the formed gel network. With the increase of salt concentration, both G’ and G” of hybrid gel were continuously decreased, suggesting that the interactions between salt ions and protein molecules hinder the interactions between starch and protein molecules, and thus weaken the formed gel network.

whey protein, rice starch, gelation, dynamic rheological properties

TS202.1

A

1003-0174(2016)02-0028-05

江蘇省高校自然科學研究重大項目(12KJA550002)，江蘇高校優秀科技創新團隊(蘇教科[2013]10號)，江蘇高校優勢學科建設工程資助(蘇政辦發[2014]37號)

2014-07-06

湯曉智，男，1977年出生，教授，糧油食品深加工