綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化和流變特性的影響

修 琳，張 淼，許秀穎，鄭明珠，劉景圣*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林 長春 130118）

蕎麥屬蓼科雙子葉植物，由于其能適應(yīng)各種環(huán)境，現(xiàn)已在全球范圍生長[1]。淀粉是蕎麥的主要成分，其含量高達70%[2]。蕎麥淀粉由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成，其直鏈淀粉含量是影響其質(zhì)量的最重要特性之一[3]。與小麥淀粉相比，蕎麥淀粉的直鏈淀粉含量更高（20%～28%）[4]，更易老化，這一不足限制了蕎麥淀粉在加工中的應(yīng)用。隨著消費者對食品安全的擔憂和動物性蛋白質(zhì)成本的上升，人們對植物蛋白質(zhì)的興趣不斷增加。綠豆屬于一種豆科植物，具有排毒、降血脂、抗腫瘤等生物學(xué)功能[5]。綠豆蛋白質(zhì)含量是小麥的2.3 倍、玉米的3 倍、大米的3.2 倍[6]，綠豆蛋白在綠豆中的含量（25%～28%）僅次于淀粉[7]，其氨基酸種類多樣，尤其是賴氨酸含量接近雞蛋[8]，是一種潛在的優(yōu)質(zhì)植物蛋白質(zhì)資源。在亞洲，從綠豆中提取的成分主要是淀粉，而蛋白質(zhì)在提取淀粉的過程中作為副產(chǎn)物被丟棄[9]，導(dǎo)致蛋白質(zhì)資源的浪費。

目前，國內(nèi)外較多文獻報道了蛋白質(zhì)與淀粉相互作用的研究，如張敏等[10]研究發(fā)現(xiàn)大米蛋白會使小麥淀粉凝膠的儲能模量和損耗模量均降低，這可能是由于大米蛋白的加入使得小麥淀粉溶液電負性減弱，淀粉鏈之間的排斥作用減弱所致；豁銀強等[11]研究了大米谷蛋白對大米淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，表明通過調(diào)控米淀粉中大米谷蛋白含量能夠得到具有不同凝膠特性的米制品；Wu Mangang等[12]研究了肌原纖維蛋白-淀粉復(fù)合凝膠的流變學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)，表明淀粉顆粒的物理狀態(tài)極大地影響了肌原纖維蛋白凝膠強度、保水性及微觀結(jié)構(gòu)，與天然淀粉相比較，改性淀粉改善了肌原纖維蛋白凝膠的性能。但目前綠豆蛋白與蕎麥淀粉復(fù)配的研究鮮見報道。

本研究將不同比例綠豆蛋白與蕎麥淀粉復(fù)配，研究綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化特性、流變特性、凝膠質(zhì)構(gòu)特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響，以期為蕎麥淀粉在食品加工中的應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕎麥米 遼寧省朝陽市建平縣辛氏米業(yè)加工廠；綠豆蛋白 蘭州沃特萊斯生物科技有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

ALPHA1-4LD plus冷凍干燥機 德國Christ公司；RVA-Tec MasterTM快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA） 澳大利亞Perten公司；MCR302流變儀 奧地利安東帕（中國）有限公司；TA.XT.Plus食品物性測試儀英國Stable Micro System公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡 復(fù)納科學(xué)儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蕎麥淀粉-綠豆蛋白復(fù)合凝膠的制備

蕎麥淀粉的制備：參考周小理等[13]的方法并加以改動。稱取清理后的蕎麥籽粒500 g，蕎麥籽粒與浸泡液質(zhì)量比為1∶2.5，加入無水亞硫酸氫鈉2.5 g，室溫浸泡18 h后換水磨漿3 次，先后用篩孔為0.149、0.088 mm的分樣篩進行篩慮，把麩皮、細纖維等物質(zhì)分離出來，所得細漿乳用10%氫氧化鈉溶液調(diào)pH值至10，4 500 r/min離心10 min，棄上清液并除去頂部黃色蛋白質(zhì)層，反復(fù)加蒸餾水洗滌離心3 次，將沉淀溶于蒸餾水調(diào)pH值至7，離心，分離出的淀粉在40 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥12 h至質(zhì)量恒定，粉碎過篩孔為0.149 mm分樣篩，即得蕎麥淀粉。

蕎麥淀粉-綠豆蛋白復(fù)合凝膠的制備：選擇蕎麥淀粉-綠豆蛋白復(fù)配體系（質(zhì)量比10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0），準確稱量蕎麥淀粉及綠豆蛋白質(zhì)量，置于燒杯中加入去離子水混合，配成質(zhì)量分數(shù)為10%的懸浮液（以干基計），攪拌均勻后在沸水浴中加熱糊化30 min。

1.3.2 糊化特性的測定

參考劉敏等[14]的方法，將5 種不同質(zhì)量比的蕎麥淀粉-綠豆蛋白復(fù)配體系（10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0）準確稱量后于RVA鋁盒中加入去離子水，配成質(zhì)量分數(shù)為10%的懸浮液，按照美國谷物化學(xué)協(xié)會規(guī)定方法Standard 2在RVA中進行測定。程序如下：50 ℃保溫1 min ，以6 ℃/min的速率升溫至95 ℃，保溫5 min，再以6 ℃/min的速率降溫至95 ℃，保溫2 min。前10 s內(nèi)攪拌速率為960 r/min，而后以160 r/min攪拌速率進行測定。

1.3.3 流變特性的測定

參考Liu Dan等[15]的方法并加以改動，取1.3.1節(jié)制得的樣品，采用PP25平板測量系統(tǒng)（直徑25 mm，設(shè)置間隙1.025 mm）。每次測試均需更換樣品。

靜態(tài)流變特性：溫度25 ℃，剪切速率0～300 s－1遞增，再300～0 s－1遞減。本實驗采用冪定律模型對靜態(tài)剪切數(shù)據(jù)點進行回歸擬合，如式（1）所示：

式中：τ為剪切應(yīng)力/Pa；γ為剪切速率/s－1；n為流體指數(shù)；K為稠度系數(shù)/（Pa·sn）。

動態(tài)黏彈性測定：在溫度25 ℃、應(yīng)變力1%的條件下測定振蕩頻率在0.1～10 Hz內(nèi)儲能模量（G’）、損耗模量（G”）、損耗角正切值tanδ隨角頻率變化的情況，測定樣品的黏彈性。樣品用硅油覆蓋以防止水分蒸發(fā)。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性的測定

將1.3.1節(jié)糊化完成的樣品在室溫條件下冷卻，密封，4 ℃條件下冷藏24 h，用于質(zhì)構(gòu)測定。測試條件：TPA模式，P 0.5探頭，測試前速率1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率1.0 mm/s；壓縮程度40%；觸發(fā)力5 g。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察

參考Ma Shuping等[16]的方法，采用掃描電子顯微鏡進行微觀結(jié)構(gòu)的觀察。將RVA制得的樣品在平皿中均勻涂膜，涼至室溫后在－80 ℃冰箱中預(yù)冷凍24 h，再進行冷凍干燥。將干燥好的樣品橫切成薄片固定于樣品臺上，經(jīng)離子濺射儀噴金后，使用掃描電子顯微鏡在10 kV加速電壓下對樣品進行觀察并拍攝其凝膠基質(zhì)剖面顯微結(jié)構(gòu)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化特性的影響

表1 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)配體系糊化特征值Table 1 Gelatinization characteristics of buckwheat starch and mung bean protein blends at different mixing ratios

由表1可以看出，與蕎麥淀粉相比，添加綠豆蛋白后，蕎麥淀粉的峰值時間、糊化溫度均顯著增加（P＜0.05），隨著綠豆蛋白添加比例的增大，蕎麥淀粉的峰值黏度、崩解值顯著降低，終值黏度、回生值呈先升高后降低趨勢。在糊化過程中，蛋白質(zhì)會圍繞在淀粉顆粒周圍，此外，淀粉與蛋白質(zhì)帶相反電荷，通過靜電作用或誘導(dǎo)淀粉、蛋白質(zhì)顆粒相互吸引，從而降低了淀粉的吸水速度，抑制淀粉顆粒的分解[17]，使得淀粉糊化的過程變緩，峰值時間延長，糊化溫度升高。回生值反映淀粉糊化后分子重新結(jié)晶的程度，在初期老化過程中，回生值的大小主要與直鏈淀粉分子的重結(jié)晶相關(guān)[18-19]，回生值越大說明越容易老化。與蕎麥淀粉相比，蕎麥淀粉-綠豆蛋白質(zhì)量比為9.5∶0.5時回生值升高，隨著綠豆蛋白添加比例的增加，回生值顯著降低，說明綠豆蛋白阻礙了直鏈淀粉與氫鍵結(jié)合，減弱了淀粉分子的聚集程度，抑制了淀粉分子移動重排，從而降低回生值，抑制短期回生。這一結(jié)果與代蕾等[20]的研究相反，說明綠豆蛋白可防止蕎麥淀粉老化。崩解值越大，耐剪切性越差，峰值時間越短，表明糊化越容易。隨著綠豆蛋白添加比例的增大，崩解值顯著降低，這是由于淀粉顆粒周圍包裹著的蛋白質(zhì)分子增大了空間位阻排斥，使得淀粉糊化的熱穩(wěn)定性增加，從而降低了蕎麥淀粉的崩解值，這一結(jié)果與Villanueva等[21]研究相似。峰值黏度隨著綠豆蛋白添加比例的增加而顯著降低（P＜0.05），這可能是由于綠豆蛋白對蕎麥淀粉濃度的稀釋效應(yīng)所致。

2.2 綠豆蛋白對蕎麥淀粉流變特性的影響

2.2.1 靜態(tài)流變特性

蛋白與淀粉復(fù)合體系的靜態(tài)剪切特征如圖1所示，通過冪定律（R2＞0.98）對流變參數(shù)進行回歸擬合，所得參數(shù)見表2。隨著剪切速率的增大，體系所需的剪切應(yīng)力逐漸增大，隨著蛋白添加比例的增大，體系所需的剪切應(yīng)力逐漸減小。當剪切速率降低時，體系結(jié)構(gòu)不能短時間恢復(fù)，導(dǎo)致黏性變化曲線不能與原曲線重合而形成滯后環(huán)，出現(xiàn)觸變性。觸變環(huán)的面積越小表明體系黏性保持效果越好，因此觸變環(huán)面積可以表示淀粉結(jié)構(gòu)被破壞所需要的能量[22]。圖1中下行線的剪切應(yīng)力低于上行線，因此每個樣品均呈現(xiàn)順時針環(huán)狀[23]。隨著蛋白質(zhì)添加比例的增大，觸變環(huán)的面積變小，說明蛋白質(zhì)與淀粉相互作用增強使得凝膠網(wǎng)絡(luò)受剪切應(yīng)變的破壞較小。

圖1 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)配體系靜態(tài)流變曲線Fig. 1 Static rheological curves of buckwheat starch and mung bean protein blends at different mixing ratios

表2 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)配體系冪律模型參數(shù)Table 2 Power-Law model parameters of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios

由表2可知，相關(guān)系數(shù)R2在0.987 8～0.998 5范圍內(nèi)，表明冪定律對流變特征曲線的擬合度較高。K與增稠能力有關(guān)，K值越大增稠效果越好[24]。隨著蛋白添加比例的增大K值降低，說明體系稠度降低，這也證實了RVA得出的復(fù)合凝膠黏度降低得到結(jié)論。流體指數(shù)n的大小反映了與牛頓流體的接近程度，n=1時為牛頓流體。較低的n值表明流體具有較高程度的假塑性。表中所有的流體指數(shù)n（0.003 8～0.011 9）均小于1.0，表明體系為假塑性流體，存在剪切稀化現(xiàn)象。

2.2.2 動態(tài)流變特性

圖2 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)配體系動態(tài)模量（AA、BB）及ttaannδ（C）隨角頻率變化曲線Fig. 2 Dynamic modulus and tanδ of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios as a function of angle frequency

如圖2所示，添加綠豆蛋白改變了G’和G’’。G’和G’’的大小與角頻率相關(guān)，并且在測量的頻率范圍內(nèi)（0.1～10 Hz）兩模量之間沒有交叉。此外，G’和G’’均隨著角頻率的增大而增大，且G’遠大于G’’，表明蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)合凝膠屬于典型的弱凝膠動態(tài)流變學(xué)體系[24]，這一結(jié)果與Chen Haiming等[25]研究類似。動態(tài)流變性質(zhì)的差異與直鏈淀粉的含量有關(guān)[26]。復(fù)合凝膠的G’和G’’均隨著綠豆蛋白添加比例的增大而降低，且復(fù)合凝膠的G’和G’’均低于蕎麥淀粉凝膠，這是由于綠豆蛋白包圍淀粉顆粒并抑制其膨脹，阻礙直鏈淀粉釋放，直鏈淀粉無法重排從而不能形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進而削弱了蕎麥淀粉的凝膠網(wǎng)絡(luò)，使彈性凝膠的形成受到抑制[27-28]。這一結(jié)果與Niu Liya等[29]的研究類似，也證實了硬度降低的結(jié)論。損耗角正切值tanδ為G’’和G’的比值，tanδ越大，體系流動性越強，tanδ越小，固體特性越強。添加綠豆蛋白后體系的tanδ增大，表明體系的固體特性減弱，綠豆蛋白的加入使體系流動性增強，隨著綠豆蛋白添加比例的增大，體系的黏彈性從固體狀轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀。

2.3 綠豆蛋白對蕎麥淀粉凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響

表3 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)配體系質(zhì)構(gòu)參數(shù)Table 3 Texture parameters of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios

由表3可知，添加綠豆蛋白使蕎麥淀粉凝膠發(fā)生了顯著變化（P＜0.05），隨著綠豆蛋白添加比例的增大，蕎麥淀粉凝膠的硬度、膠黏性、咀嚼性降低。不同添加比例的綠豆蛋白對蕎麥淀粉凝膠的彈性和內(nèi)聚性無明顯影響。淀粉凝膠的硬度與直鏈淀粉含量密切相關(guān)，直鏈淀粉含量越大，分子間相互交聯(lián)和纏繞的程度越高，因此淀粉凝膠的硬度越大。綠豆蛋白的添加阻礙了直鏈淀粉分子間聚集重排，削弱了直鏈淀粉分子間作用力，使得復(fù)合物硬度降低，凝膠更為柔軟。

2.4 綠豆蛋白對蕎麥淀粉凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖3 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig. 3 SEM images of microstructure of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios

由圖3A可以看出，未添加綠豆蛋白的蕎麥淀粉凝膠呈現(xiàn)出均勻多孔的結(jié)構(gòu)，類似于蜂巢狀。孔隙是貯存期間水分布的地方，較大的孔隙和較厚的壁表示淀粉碎片之間的纏結(jié)力增強，從而引起排斥力使水從均勻的凝膠相中分離出來[30]。凝膠經(jīng)冷凍干燥后其結(jié)構(gòu)中大量冰晶升華導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似蜂巢。在凝膠結(jié)構(gòu)中沒有看到殘余的蕎麥淀粉顆粒。觀察圖3B～E可以發(fā)現(xiàn)凝膠網(wǎng)絡(luò)孔隙逐漸變大，孔壁變薄，這是由于隨著蛋白添加比例的增大，淀粉含量降低，導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏散；此外，淀粉顆粒周圍包裹著的蛋白質(zhì)分子增大了空間位阻排斥，從而使凝膠中存在大量的水，使得凝膠孔隙變大。這與Joshi等[31]的研究結(jié)果類似。

3 結(jié) 論

向蕎麥淀粉中添加綠豆蛋白后，復(fù)合凝膠的黏度、終值黏度、崩解值和回生值均顯著降低（P＜0.05），且隨著綠豆蛋白添加比例的增大而減小；綠豆蛋白的添加降低了復(fù)合凝膠的硬度、膠黏性和咀嚼性，使凝膠質(zhì)地更為柔軟。

綠豆蛋白與蕎麥淀粉復(fù)合凝膠是典型的假塑性流體。復(fù)合凝膠假塑性特性隨著綠豆蛋白添加比例的增大而增強，剪切變稀現(xiàn)象更明顯；微觀結(jié)構(gòu)顯示，添加綠豆蛋白后，體系孔隙變大，孔壁變薄，且隨著綠豆蛋白添加比例增大現(xiàn)象更為明顯，形成了松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黏度降低。