玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠特性的影響

于嘉淇，王啟明，李薇雨，徐洪峰，雷小娟,2，趙吉春,2，雷琳,2，明建,2*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

麥醇溶蛋白是一種天然植物性蛋白，富含疏水性氨基酸，不溶于水，由于較強的疏水性和自身良好的延展性能交聯聚合，并與其他物質(如多糖、多酚)形成復合凝膠。復合凝膠因生物相容性好，無毒性，是一種優良緩釋載體，但產物易被降解。增強凝膠的穩定性和提高凝膠功能特性，成為研究熱點。

玉米含有大量的淀粉，主要成分是直鏈淀粉和支鏈淀粉。玉米淀粉顆粒大小適中，且價格便宜，加工過程中具有凝膠、糊化、流變等特性，能改善蛋白凝膠的流變學特性、保水性等，具備賦形劑和填充劑的功能[1-3]。楊明等[4]研究發現隨著馬鈴薯淀粉的添加量由1%增加到4%時，鯉魚肌原纖維蛋白凝膠硬度和彈性增加，白度下降，持水性上升。栗俊廣等[5]研究發現木薯淀粉能填充豬肉鹽溶蛋白網絡，使凝膠體系的凝膠成型溫度提高。此外，有研究發現反復凍融(如冷鏈流通過程中)對麥醇溶蛋白和玉米淀粉的性質有影響。潘治利等[6]發現麥醇溶蛋白經反復凍融處理后，維持蛋白二級結構的氫鍵被破壞，蛋白溶解性降低，表面疏水性增加。寧吉英等[7]研究發現玉米淀粉凝膠經反復凍融處理后，保水率下降，回生率與冰晶熔化焓增大。

本文將不同質量分數的淀粉添加到麥醇溶蛋白中加熱制成凝膠，通過對復合凝膠持水性、質構特性、流變特性和微觀結構等進行分析，闡述淀粉對麥醇溶蛋白凝膠特性的影響，為淀粉在面團制品中的應用和復合凝膠在新型生物相容高分子藥物載體運用上提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥醇溶蛋白、玉米淀粉，美國Sigma公司；無水乙醇、溴化鉀，成都科龍化工試劑公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

TGL-18MS高速冷凍離心機，上海盧湘儀儀器有限公司；MiLLi-Qbiocel超純水機，美國密理博公司；LGJ-10真空冷凍干燥機，北京松原華興科技有限公司；Spectrum100傅里葉紅外光譜儀，美國Perkin-Elmer公司；85-2A數顯恒溫磁力攪拌器、85-2A pH計，金壇市科析儀器有限公司；HH-6數顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司；MCR302流變儀，奧地利安東帕公司；SYNERGYH1MG全波長酶標儀，美國基因公司；MX-S漩渦混合器，美國SCILOGEX公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，荷蘭Phenom Pro公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 凝膠制備

將麥醇溶蛋白溶于乙酸緩沖液(0.1 mol/L CH3COOH，pH 4.0)，蛋白質量濃度調整到60 mg/mL，磁力攪拌至充分溶解，加入麥醇溶蛋白溶液總量的6%、9%、12%、15%、18%(質量分數)的玉米淀粉(預實驗表明6%以下的淀粉添加量，樣品不能形成復合凝膠)。待混合均勻后，置于封有保鮮膜的燒杯中，在磁力攪拌水浴鍋中，以2 ℃/min的速率加熱，90 ℃ 保溫30 min，取出后立即冷卻并置于4 ℃冰箱過夜。在測量凝膠特性前，將凝膠樣品在室溫(25±1) ℃下平衡30 min。

1.3.2 化學作用力測定

1.3.3 反復凍融處理

參考潘治利等[6]的方法，略作修改。將凝膠置于-18 ℃冰箱凍藏24 h取出，室溫下解凍，反復凍融3次，每次待樣品融化后，用濾紙擦去表面水分，立即測定復合凝膠保水性、白度、質構指標。

1.3.4 保水性測定

將凝膠樣品置于離心管中并離心(8 000×g，20 min)，棄離心液體并計算前后樣品質量差。按公式(1)計算凝膠保水性：

(1)

式中：m為離心管質量，g；m1為離心前凝膠和離心管總質量，g；m2為離心后凝膠和離心管總質量，g。

1.3.5 白度測定

采用色度測定儀測定凝膠樣品的色差。參考PARK[9]的方法，計算如公式(2)所示：

(2)

式中：L*為亮度值；a*為紅度值；b*為黃度值。

1.3.6 凝膠質構測定

將樣品切成直徑30 mm，高20 mm的圓柱體，置于質構儀載物板上進行全質構分析。質構儀參數如下：探頭型號：P/0.5，測試前速度：2.0 mm/s；測試速度：0.5 mm/s；測試后速度：2.0 mm/s；試樣變型：50%；觸發力：5 g；2次壓縮中停頓 5 s，每個測試進行3個重復。得到凝膠的硬度、彈性和咀嚼性。

1.3.7 流變測定

對樣品進行凝膠溫度掃描，首先將樣品用小刀切成2 mm高的圓柱體，置于直徑為25 mm的平板夾具間，兩平板間隔為0.106 mm。操作參數設置如下：從20 ℃開始以2 ℃/min的升溫速率升溫至90 ℃，頻率為0.1 Hz，應變2%，測定指標為儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和tanδ值。

1.3.8 溶脹測定

參考王燕[10]的方法，略作修改。稱取適量干燥凝膠加入乙酸緩沖液中，浸泡48 h。水中取出后，用濾紙擦去表面水分，稱重。凝膠的平衡溶脹率計算如公式(3)所示：

(3)

式中：ms是溶脹平衡后水凝膠的質量，g；md為凝膠干重，g。

1.3.9 紅外光譜分析

參考王啟明[11]的方法，略作修改。稱取干燥樣品和干燥KBr在瑪瑙研缽中研磨成粉，再壓片成膜。操作參數設置為：掃描次數32次，分辨率4 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1。數據經基線校正、平滑、標準化處理后，使用Origin繪制一級結構圖，Peakfit 4.12進行蛋白質酞胺I帶(1 600～1 700 cm-1)二階導數擬合，根據各子峰面積得到各個二級結構占的比例。

1.3.10 掃描電鏡分析

取干燥樣品在瑪瑙研缽中研磨成粉，經過噴金處理在10 kV加速電壓條件下，觀察被測樣品的微觀結構差異，放大倍數為5 000倍。

2 結果與分析

2.1 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠化學作用力的影響

麥醇溶蛋白凝膠網絡的形成是蛋白質間、蛋白質與溶劑之間作用力相互平衡的結果，離子鍵、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵等是形成和維持凝膠的主要作用力[12]。用不同試劑處理凝膠后，凝膠中作用力間的平衡被破壞。如圖1所示，隨著玉米淀粉量的增加，麥醇溶蛋白-淀粉復合凝膠中離子鍵、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵含量均呈顯著先增加后減小趨勢(P<0.05)。玉米淀粉添加量為9%和12%時，形成和維持凝膠的化學作用力較大，且凝膠穩定構象的化學作用力主要為疏水相互作用，這可能與麥醇溶蛋白中疏水氨基酸較多，蛋白分子頭部纏繞和尾部聚集使疏水氨基酸暴露有關，與IWAMI等[13]研究一致。

a-離子鍵；b-氫鍵；c-疏水相互作用；d-二硫鍵圖1 玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白-淀粉凝膠體系的化學作用力的影響Fig.1 Effect of corn starch content on the chemical force of gliadin starch gel system注：不同大寫字母表示不同淀粉添加量之間差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 玉米淀粉對麥醇溶蛋白保水性的影響

保水性是評價凝膠品質的重要指標。如圖2所示，復合凝膠保水性隨著淀粉添加量的增大呈先增加后平緩的趨勢(P>0.05)。玉米淀粉添加量達15%時，淀粉-蛋白復合物保水性趨于穩定；玉米淀粉添加量為18%時，保水性達到最大(99.515%)。結果表明，添加玉米淀粉可顯著提高麥醇溶蛋白的保水性，但添加量超過15%對保水性無顯著促進作用。主要原因是玉米淀粉達到糊化溫度(75.3±0.3) ℃時，蛋白已經形成網絡結構，玉米淀粉顆粒糊化吸收水分膨脹；淀粉添加量越大，吸收的水分越大，對蛋白網絡結構的填充效應越好，使結構越來越緊密，增強了與水結合的能力，使保水性增加[14]。KONG等[15]指出相同條件下淀粉顆粒的溶脹程度遠遠高于在凝膠體系中，由此他假設“充填效應”：蛋白先形成凝膠網絡，糊化的淀粉顆粒吸水膨脹支撐蛋白的網絡體系。但是隨著添加量的增大，可供玉米淀粉顆粒糊化吸收的水分減少，從而導致保水性的增加趨于平緩。

圖2 凍融次數及玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白保水性的影響Fig.2 Effects of freeze-thaw times and corn starch addition on water holding capacity of gliadin注：不同大寫字母表示同一凍融次數不同淀粉添加量之間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一淀粉添加量不同凍融次數之間差異顯著(P<0.05)(下同)

反復凍融的復合凝膠，隨著玉米淀粉的添加，保水性增大，且呈一定的線性關系。原因可能是凍融處理使凝膠內部結構在凍藏和解凍因冰晶生長破壞，淀粉顆粒與水結合的能力變弱，形成的凝膠結構不緊密，水分易流失。添加量為18%時，凝膠結構緊密，抗破壞能力強。

隨著反復凍融次數的增加，同一淀粉添加量的復合凝膠保水性總體出現下降-下降-上升的趨勢。主要原因可能是不斷凍融使得水分不斷結晶與遷移，破壞了麥醇溶蛋白的網絡結構，蛋白質-蛋白質相互作用小于蛋白質-水相互作用，蛋白網絡展開，疏水性氨基酸暴露，結構穩定性變差，保水能力變弱。劉國琴等[16]發現凍藏時間的延長會使面筋蛋白表面的疏水性增加。凍融后保水性增強，原因可能是凍融過程使凝膠結構改變，伸展的蛋白質分子間相互作用形成了較為穩定的三維網絡結構[6]。

2.3 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠白度的影響

白度是表示物質表面白色的程度，反射率越高，白度越高。如圖3所示，隨著玉米淀粉添加量增加，復合凝膠白度值顯著降低(P>0.05)。玉米淀粉添加量為12%、15%、18%的凝膠與6%的凝膠相比，白度值分別降低了3.47、4.28、4.75。楊明等[4]發現馬鈴薯淀粉的添加使淀粉-蛋白復合凝膠白度值降低(P>0.05)。這可能是淀粉顆粒糊化時吸水膨脹，減小了對光的反射率。此外，蛋白質變性交聯作用形成的網絡結構，由于不同淀粉量的“填充效應”造成結構的緊密度不同，對光反射也會有影響。因此淀粉糊化和蛋白網絡結構共同造成白度降低。

如圖3所示，凍融次數相同的復合凝膠，隨著玉米淀粉的添加，白度呈現先增大后降低。原因可能是不同添加量形成的凝膠結構致密性不同，抗水分結晶和水分遷移的破壞能力不同[17]。

圖3 凍融次數及玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白白度的影響Fig.3 Effects of freeze-thaw times and corn starch addition on whiteness of gliadin

經反復凍融后，同一淀粉添加量的復合凝膠白度出現上升-上升-下降的趨勢。凍融初期，蛋白網絡破壞，麥醇溶蛋白中的氨基酸暴露在表面，使得光反射增大，因此白度上升。淀粉作為蛋白網絡的內含物，促進蛋白網絡結構破壞。反復凍融后期，伸展的蛋白質分子間相互作用又形成了較為穩定的三維網絡結構，使得光反射減小，白度下降[7]。

2.4 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠強度的影響

如圖4所示，隨著玉米淀粉添加量增加，復合凝膠硬度和咀嚼度顯著增加(P>0.05)，當添加量為18%時，硬度達到最大值473.2 g，但彈性沒有顯著影響。結果表明，玉米淀粉可增加復合凝膠硬度和咀嚼度，麥醇溶蛋白中的一些反應基團如—NH2、—OH和—SH與淀粉交聯反應，起到很好的膠黏效果，使得淀粉-蛋白復合物在外界壓力下不會輕易破裂[18]。有研究表明，淀粉粒在純水中的吸水膨脹度比在凝膠復合物中大，推測淀粉顆粒受到凝膠網絡的束縛，束縛與抗束縛使凝膠強度提升[19]。

a-硬度；b-咀嚼度；c-彈性圖4 凍融次數及玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白凝膠強度的影響Fig.4 Effects of freeze-thaw cycles and corn starch addition on gel strength of Gliadin

凍融能顯著提升凝膠的硬度和咀嚼度(P>0.05)，凍融3次后的凝膠強度為：66.20、255.91、418.3、675.8、936.3 g，比沒有凍融提高了35.12、1.57、1.37、1.87、1.97倍。與施帥等[20]的研究一致。

2.5 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠流變特性的影響

如圖5-a所示，隨著玉米淀粉添加量增加，體系的G′呈現先增加后減小趨勢，當淀粉添加量為15%時，體系的G′最大。隨著溫度的升高，凝膠的G′增加，這與蛋白變性、淀粉糊化和淀粉與蛋白相互作用有關[21]。

通過測定試樣G″能反映凝膠體的黏彈性變化，由圖5-b可知，添加量為6%、9%的凝膠G″隨溫度升高持續增加，添加量為12%的凝膠G″先增加再趨于平穩，添加量為15%和18%的凝膠G″先穩步減小再增加。各凝膠G″分別于68、62、56、50和48 ℃時開始上升，表明玉米淀粉添加量的增加將麥醇溶蛋白的變性溫度提前，這與ANDREA等[22]研究一致。蛋白變性時形成連續的、三維的蛋白網絡結構，G″持續增加[18]。溫度超過70 ℃時，淀粉的糊化，水分被淀粉顆粒吸收，造成G″不再增加。結果表明，添加適當淀粉可以提高G″，但添加量超過15%時，體系的G″減小，這與淀粉量過多造成可吸的水量變少有關[23]。

黏性流體的tanδ值大于1，凝膠的tanδ值小于1。如圖5-c所示，tanδ始終小于1，并且在35～55 ℃呈上升趨勢，從55 ℃后逐步開始下降，但添加量為6%、9%、18%時，在65 ℃之后持續上升并趨于平緩。淀粉添加量越大，tanδ變化溫度越低，這說明添加淀粉的麥醇溶蛋白在55 ℃之前隨著溫度的升高蛋白結構膨脹使tanδ上升，在55～65 ℃蛋白質加速彈性網絡的形成使tanδ下降，當溫度超過65 ℃時，蛋白與淀粉作用，tanδ再次上升。

a-G′；b-G″；c-tanδ圖5 玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白凝膠流變特性的影響Fig.5 Effect of corn starch on rheological properties of gliadin gel

a-溶脹前；b-溶脹后圖6 溶脹前后的復合凝膠Fig.6 Pictures of composite gel before and after swelling

2.6 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠溶脹的影響

溶脹是高分子溶解時溶劑分子滲透進入高分子材料內部，使其體積增大。如圖7所示，隨著玉米淀粉添加，凝膠的溶脹率變小(P>0.05)。玉米淀粉添加量為18%時，溶脹率最小(4.24倍)。原因是淀粉添加量低的復合凝膠結構強度弱，結合得不緊密，溶劑分子更容易滲透到凝膠內部。王燕[10]制備的玉米醇溶蛋白基高分子復合凝膠，吸水溶脹作用較弱，利于藥物的持續釋放。因此，玉米淀粉添加量為18%的復合凝膠能夠運用于藥物緩釋載體。

圖7 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠溶脹的影響Fig.7 Effect of corn starch on swelling of gliadin gel

2.7 紅外光譜分析

圖8 不同玉米淀粉添加量下蛋白-淀粉復合凝膠紅外光譜Fig.8 IR spectra of protein starch composite gel with different corn starch content

a-淀粉添加量6%的酰胺I帶擬合圖；b-淀粉添加量9%的酰胺I帶擬合圖；c-淀粉添加量12%的酰胺I帶擬合圖；d-淀粉添加量15%的酰胺I帶擬合圖；e-淀粉添加量18%的酰胺I帶擬合圖；f-二級結構百分比圖9 不同玉米淀粉添加量條件下麥醇溶蛋白-淀粉復合物的酰胺I帶擬合圖及二級結構的百分比Fig.9 Amide I-band fitting diagram and percentage of secondary structure of gliadin starch complex with different corn starch content

2.8 微觀結構分析

經冷凍干燥后的麥醇溶蛋白樣品會產生氣孔和裂紋。如圖10所示，添加6%淀粉的復合凝膠表面呈現致密多孔的蜂窩狀結構，網絡結構平整均勻，可能是玉米淀粉添加量少，散落在網絡結構中，未得到很好的填充效果。添加9%和12%淀粉的復合凝膠，表面空隙變少，淀粉吸水膨脹，填補了蛋白之間的空隙。結構間存在斥力和支撐作用，促進蛋白與淀粉、蛋白與蛋白直接黏結，形成復雜的三維立體凝膠網絡[5]。添加15%和18%淀粉的復合凝膠，表面觀察不到較大孔洞，淀粉填補和埋藏蛋白網絡結構，使其表面結構緊密有序。栗俊廣等[5]發現添加木薯淀粉，使蛋白不均勻的三維立體網絡結構更緊密。結果表明添加玉米淀粉改善了麥醇溶蛋白的凝膠網絡結構。

a-淀粉添加量6%的電鏡掃描圖；b-淀粉添加量9%的電鏡掃描圖；c-淀粉添加量12%的電鏡掃描圖；d-淀粉添加量15%的電鏡掃描圖；e-淀粉添加量18%的電鏡掃描圖圖10 不同玉米淀粉添加量條件下麥醇溶蛋白-淀粉復合物的電鏡掃描圖(×5 000倍)Fig.10 Scanning electron microscopy of gliadin starch complex with different corn starch content(×5 000)

3 結論

本文通過向麥醇溶蛋白溶液中添加玉米淀粉形成復合凝膠，發現蛋白先變性形成連續的三維網絡結構，淀粉后糊化吸水作為對蛋白網絡進行填充。反復凍融過程初期，水分不斷結晶與遷移，破壞麥醇溶蛋白的網絡結構，蛋白網絡展開，疏水性氨基酸暴露，結構穩定性變差；后期伸展的蛋白質分子間相互作用又形成了較為穩定的三維網絡結構。添加淀粉可以減小反復凍融保水率的損失和增大白度、硬度等凝膠特性。

玉米淀粉能提高麥醇溶蛋白凝膠特性，但支撐具有飽和性。添加18%的淀粉比15%的淀粉，凝膠保水性、白度、硬度、溶脹率變化不大，流變特性反而變差。因此，淀粉添加量在面團制品和凝膠藥物載體運用應不超過20%。