淀粉-乳清蛋白復合條件對體系潤滑特性的影響

趙 杰，宋曉燕，馬兵團，金 鈺，馬常云，陳 慧，孫曉薇，林順順,*，李夢琴,*

（1.河南農業大學食品科學技術學院，河南 鄭州 450002；2.河南同昌實業有限公司，河南 鄭州 450000；3.河南省林業科學研究院，河南 鄭州 450008）

食品的質感是影響消費者對食品的偏愛和接受程度最重要的品質屬性之一。現代人類更傾向于從食物消費中獲得最大程度的感官愉悅，對潤滑度的感官感知通常是享樂性食物備受喜好的主要因素，即使牛奶這樣處于可吞咽狀態的食品，在飲食過程中也需要經過復雜的口腔加工。口腔潤滑感是口腔加工的重要組成部分。Selway等研究表明低脂半固態食品，如酸奶、蛋羹、奶油奶酪其黏度與全脂食品相似。口腔潤滑與口腔內唾液膜的厚度、食物自身的性質、食團與唾液的相互作用以及口腔內環境的變化息息相關。許多研究表明，流變學不足以用來表征食物在口腔加工中的感官潤滑屬性，如口感、平滑度、乳脂感、奶油感。目前，摩擦學已經被證明可以用來解釋食物在口腔和口腔表面的潤滑狀態。Chen Jianshe等結合流變學和摩擦學數據驗證了在速率為50 s時多糖蛋白溶液感知之間的關系且發現了口腔潤滑度與摩擦系數呈負相關，與食團的黏度、平滑度、潤滑膜厚度呈正相關。其結果表明，摩擦學可以用于反映食物在口腔加工中的潤滑行為，與潤滑感知屬性相聯系。

淀粉和蛋白質是人類膳食的主要營養成分和能量來源。食物在加工和烹飪時，蛋白質和淀粉進行相互作用，如淀粉與蛋白質進行交纏，形成凝膠體系改變食品的質地和口感；另外，蛋白質可覆蓋于淀粉表面，限制淀粉酶降解淀粉，從而減緩進餐之后血糖上升的速率。因此，控制蛋白質和淀粉這2 種大分子的相互作用是開發新型、高潛力的脂肪替代品的關鍵。Noisuwan等利用激光共聚焦顯微鏡觀察到酪蛋白酸鈉和乳清分離蛋白可吸附在普通和蠟質大米淀粉顆粒表面。Xu Xingfeng等利用色譜法和分子模擬研究發現，大米蛋白和直鏈淀粉可自發地結合，且主要驅動力為疏水相互作用。淀粉顆粒在加熱膨脹過程中，表面吸附的蛋白分子一方面限制水分子進入顆粒內部，另一方面是蛋白分子與淀粉顆粒糊化過程中游離的直鏈淀粉分子競爭水分或發生相互作用，從而改變淀粉的糊化和回生性質。劉曉明研究發現酸奶中的酪蛋白可通過靜電作用吸附于羥丙基二淀粉磷酸酯表面，形成表面帶正電荷的大聚集體，該聚集體可與酪蛋白聚集體通過靜電排斥作用維持酸奶體系的穩定。實際上，羧甲基淀粉、辛烯基琥珀酸淀粉酯、淀粉磷酸酯和乙酰化二淀粉己二酸等帶電荷的變性淀粉分子，均可通過靜電力、氫鍵和范德華力的共同作用與蛋白分子相互纏連，形成穩定的凝膠體系，從而改善產品的凍融穩定性和流變學特性。天然的淀粉分子與蛋白分子間主要通過與氫鍵作用形成不穩定凝膠體系。蛋白與天然淀粉分子間的相互作用會影響淀粉分子鏈的重排，改變淀粉的回生性質。Dang等在研究乳清蛋白和天然蠟質玉米淀粉混合物過程中觀察到的蛋白質聚集體直接證實了相分離現象的存在。變性淀粉通常可通過靜電相互作用與牛乳蛋白形成穩定的凝膠，但在不合適的加工和貯藏條件下，凝膠的穩定性會降低，亦可能發生相分離。

淀粉和蛋白復合體系廣泛被人們關注，但大多都集中于分子間相互作用、體系穩定性等方向，而極少關注蛋白和淀粉復合體系的摩擦學性能。因此，本研究采用3 種不同植物源的淀粉（小麥淀粉、馬鈴薯淀粉、豌豆淀粉）與濃縮乳清蛋白（whey protein concentrate，WPC）通過2 種不同的糊化方式制備復合物體系，分析不同淀粉種類、相互作用方式、蛋白的質量分數等因素對淀粉-WPC復合體系摩擦學特性的影響。該研究為提升淀粉蛋白質基質食品的質地口感提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉、豌豆淀粉、小麥淀粉 新鄉良潤全谷物食品有限公司；WPC（蛋白≥80%） 天津益健元生物科技有限公司；人工唾液（ISO/TR1027，中性） 北京沃凱生物科技有限公司；碘、碘化鉀（分析純） 國藥集團化學試劑有限公司；直鏈淀粉（A0512）、支鏈淀粉（A8515）標準品（土豆來源） 美國Sigma-Aldrich公司；所用其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DF-101S集熱式恒溫磁力攪拌器 鄭州長城商貿有限公司；DM-2旋轉式真空泵 上海捷昂儀器有限公司；DC184 PDMS模塊膠 道康寧（上海）有限公司；101-2AB型電熱鼓風干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司；108孔圓底細胞培養板 上海阿拉丁生化科技有限公司；球/銷盤式摩擦磨損試驗機（TRB） 安東帕（上海）商貿有限公司；UV-2000型紫外分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 直/支鏈淀粉含量的測定

參照劉襄河等方法，用雙波長法測定樣品中直/支鏈淀粉含量，直鏈淀粉測定波長=632 nm，參比波長=463 nm，支鏈淀粉測定波長=560 nm，參比波長=735 nm。

直/支鏈淀粉標準曲線的繪制：使用直/支鏈淀粉標準品配制標準溶液，在、、兩波長下分別測定A、A、A、A，以直/支鏈淀粉質量濃度（μg/mL）為橫坐標，ΔΔ為縱坐標，繪制直/支鏈淀粉標準曲線。其回歸方程分別為=203.66＋3.768和=591.16－1.375 3，相關系數分別為0.999 2和0.999 3。

1.3.2 淀粉-WPC復合體系的制備

WPC參與淀粉糊化過程：準確稱取淀粉樣品（14.00f0.05）g，用適量的蒸餾水配制質量分數為7%淀粉懸濁液放入500 mL的燒杯中；稱取適量WPC（WPC相對于淀粉質量分數分別為0%、1%、3%、5%、7%）置于燒杯中，用磁力攪拌器充分攪拌，然后將燒杯置于90 ℃水浴中攪拌加熱30 min，冷卻至50 ℃迅速倒入2 cm高度的培養皿中，置于4 ℃冰箱24 h，形成淀粉-乳清蛋白復合體系。

WPC不參與淀粉糊化過程：準確稱取淀粉樣品（14.00f0.05）g，用適量的蒸餾水配制質量分數為7%淀粉懸濁液放入500 mL的燒杯中，將燒杯置于90 ℃水浴中攪拌加熱30 min，冷卻至（50f3）℃時，加入適量WPC（WPC相對于淀粉質量分數分別為0%、1%、3%、5%、7%）于燒杯中，并在（50f3）℃溫度下，用磁力攪拌器充分攪拌10 min，稍靜置后迅速倒入2 cm高度的培養皿中，置于4 ℃冰箱24 h，形成淀粉-乳清蛋白復合體系。

1.3.3 模擬體外口腔摩擦學分析

為了模擬口腔加工過程，將復合體系與人工唾液按比例（2∶1，/）放入機械攪拌器中，低速勻漿15 s（速率1 r/s）。然后再加入人工唾液進行研磨混合（使最終樣本中復合物與唾液質量比為4∶3），混合物靜置30 min后備用。

參考Liu Xiao等的方法采用摩擦機進行摩擦實驗，使用彈性體聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）作為半球銷（直徑為6 mm）。PDMS由硅彈性體試劑盒（Sylgard184 silicone elastomer, base and curing agents, Dow corning, Midland, MI, USA）制備。在制備半球端PDMS摩擦副時，采用直徑為6 mm的圓孔聚苯乙烯96 孔細胞培養板為模板。將Sylgard184彈性體試劑盒的基材和固化劑按10∶1（/）的比例混合。去除氣泡后在溫和真空下將混合物轉移到模板中，在80 ℃烘箱中培養2 h，然后用乙醇濕潤細胞培養板，取出PDMS半球銷。將PDMS表面接觸物在人工唾液中浸泡2 h以上，形成黏液膜，以模擬口腔環境。將以上制備的混合物均勻放置在PDMS表面進行測試。測試條件：頻率1 Hz，載荷2 N，循環60 個。

1.3.4 淀粉粒徑的測定

采用激光粒度分析儀法測定樣品粒徑。測試條件：超聲時間30 s；攪拌速率30 r/min；循環速率30 r/min；分散體系為蒸餾水。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 3 種原淀粉結構參數及凝膠體系潤滑特性分析

對3 種來源淀粉的結構組分分析結果（表1）顯示，淀粉粒徑：小麥淀粉粒徑最小，馬鈴薯淀粉粒徑最大，從數據上分析其粒徑值大約是小麥淀粉粒徑的3.5 倍，豌豆淀粉粒徑的2.5 倍，3 種淀粉的粒徑存在顯著差異（＜0.05）。淀粉組成方面：小麥淀粉與馬鈴薯淀粉中直鏈淀粉質量分數分別為23.93%和22.79%，顯著低于豌豆淀粉中直鏈淀粉質量分數48.97%（＜0.05）。

表1 淀粉的結構參數Table 1 Structural parameters of starch

體系的潤滑特性可以用摩擦學進行表達，摩擦系數越小，表明該體系潤滑特性越好。對3 種來源淀粉凝膠體系進行模擬口腔摩擦學分析，其潤滑性能的分析結果（圖1）顯示，隨著摩擦時間的延長，3 種淀粉凝膠體系的摩擦系數在5 s內迅速升高并趨于穩定，說明3 種體系潤滑性能均比較穩定；豌豆淀粉體系的摩擦系數最大，馬鈴薯淀粉體系次之，小麥淀粉體系摩擦系數最小，其差異顯著，說明3 種淀粉凝膠體系的潤滑性能為小麥淀粉體系＞馬鈴薯淀粉體系＞豌豆淀粉體系，差異均達到顯著水平（＜0.05），即小麥淀粉體系潤滑性能最好，豌豆淀粉體系潤滑性能最差。結合3 種原淀粉結構上的差異，分析淀粉凝膠體系潤滑性能的差異，與淀粉的粒徑、直鏈淀粉含量等因素都有關系。

圖1 3 種原淀粉凝膠體系摩擦系數分析Fig.1 Friction coefficients of three starch gels

2.2 淀粉來源對淀粉-WPC復合體系潤滑特性的影響

圖23 種淀粉-WPC復合凝膠體系摩擦系數分析Fig.2 Friction coefficients of mixed gels of potato, pea or wheat starch and WPC

為考察淀粉來源對淀粉-WPC復合體系潤滑特性的影響，對3 種淀粉-WPC（質量分數3%）復合體系進行模擬口腔摩擦學分析。由圖2可知，隨著摩擦的進行，小麥和馬鈴薯淀粉-WPC復合體系的摩擦系數在5 s內迅速升高并趨于穩定。但發現，豌豆淀粉-WPC復合體系的摩擦系數隨摩擦時間延長有緩慢增加的趨勢，而豌豆原淀粉凝膠體系（圖1）的摩擦系數并無緩慢增加趨勢，說明豌豆復合體系的潤滑特性與單獨淀粉凝膠體系存在差異，分析這種差異很可能源于乳清蛋白與淀粉分子形成了不穩定的凝膠，之后蛋白質分子聚集與淀粉分子間發生相分離，致使在口腔加工過程中摩擦系數有增大趨勢。

3 種淀粉-WPC復合體系潤滑性能結果顯示，小麥-WPC體系＞＞豌豆-WPC體系＞馬鈴薯-WPC體系，且均達到顯著水平（＜0.05）。該結果說明：一方面，淀粉的來源/種類對淀粉-WPC復合體系的潤滑特性影響顯著（＜0.05），3 種淀粉-WPC復合體系相比，小麥淀粉-WPC復合體系的潤滑特性最好；另一方面，與2.1節中原淀粉凝膠體系潤滑性能結果馬鈴薯淀粉凝膠體系＞豌豆淀粉凝膠體系，相比發現，經與WPC復合后，復合體系的潤滑性能發生顯著改變，即豌豆-WPC體系＞馬鈴薯-WPC體系，說明復合體系的潤滑性能與原淀粉凝膠體系相比差異顯著（＜0.05），不同來源淀粉對復合體系的潤滑性能具有顯著影響（＜0.05）。

2.3 淀粉與WPC復合方式對復合體系潤滑特性的影響

為了考察WPC是否參與淀粉糊化，對淀粉-WPC復合體系潤滑度的影響，本研究比較2 種復合方式對復合體系潤滑特性的影響。由圖3a可知，對于小麥-WPC（3%）復合體系，2 種復合體系的摩擦系數差異很小。另外，研究發現，WPC分別以質量分數1%、5%和7%與小麥淀粉復合時，對所得到的復合體系進行模擬口腔摩擦學分析，結果發現，參與淀粉糊化得到的復合體系，其摩擦系數均顯著小于未參與糊化的復合體系（＜0.05），這一結果說明：對于小麥-WPC復合體系，制備過程中WPC是否參與淀粉糊化，對所得到的小麥淀粉-WPC復合體系的潤滑性能具有顯著影響（＜0.05），且WPC參與淀粉糊化的復合體系，其潤滑性能更好，更有利于潤滑口感質地的產生。

圖3 不同復合方式對淀粉-WPC復合體系摩擦系數的影響Fig.3 Effects of involvement of WPC in starch gelatinization on friction coefficients of starch-WPC mixed gels

對于豌豆-WPC復合體系（圖3b），體系摩擦系數均隨摩擦時間延長而緩慢增大，其中相比于WPC參與淀粉糊化得到的復合體系，未參與糊化的復合體系其摩擦系數隨時間延長而增大的趨勢較為迅速，因而使在口腔加工的前段時間（0～30 s），WPC參與和不參與淀粉糊化得到的2 種復合體系的潤滑性能差異顯著（＜0.05）；而隨著口腔加工的進行（30～60 s），其差異逐漸減小。另外，研究發現，WPC分別以其他質量分數（1%、5%、7%）與淀粉復合時，所得到的結果與之一致。總體來講，在口腔加工的（0～60 s）時間段內，WPC參與豌豆淀粉糊化得到的復合體系其潤滑性能小于WPC未參與糊化的復合體系。

對于馬鈴薯-WPC復合體系（圖3c），WPC參與糊化的復合體系的摩擦系數10 s后趨于穩定，而未參與糊化體系的摩擦系數（在0～60 s內）隨著口腔加工時間的延長而增大，這與豌豆-WPC（未參與糊化）復合體系的變化趨勢一致。另外，WPC分別以其他質量分數（1%、5%、7%）與馬鈴薯淀粉復合時，所得到的結果與之一致。總之，在口腔加工的（0～60 s）時間段內，WPC參與馬鈴薯淀粉糊化得到的復合體系其潤滑性能顯著小于WPC未參與糊化的復合體系（＜0.05）。

綜合以上分析可知，在口腔加工的0～60 s時間范圍，WPC是否參與淀粉糊化，對所得到的淀粉-WPC復合體系潤滑性能具有顯著影響（＜0.05）；對于小麥淀粉，WPC參與淀粉糊化的復合體系，其潤滑性能更好；而豌豆和馬鈴薯淀粉與之相反，WPC未參與淀粉糊化的復合體系，其潤滑性能更好，更有利于潤滑口感質地的產生。2.4 WPC質量分數對淀粉-WPC復合體系潤滑特性的影響

由表2可知，對于小麥淀粉-WPC復合體系，對于WPC參與淀粉糊化的體系，不同WPC復合質量分數體系摩擦系數顯著性差異表現為：1% WPC體系＞3% WPC體系＞5% WPC體系＞7% WPC，即隨著WPC復合質量分數的增加，復合體系的摩擦系數顯著降低，說明體系潤滑性能顯著提升（＜0.05）。當WPC復合質量分數為1%和3%時，復合體系潤滑特性變化分別提升了10.4%和13.8%，當WPC復合質量分數為5%和7%時，體系潤滑性能分別提升了20.6%和21.1%，以上結果說明，WPC復合質量分數對體系的潤滑性能提升具有正的顯著影響（＜0.05），且WPC以較高質量分數范圍復合時，體系潤滑性能提升極顯著（＜0.01）。對于WPC未參與淀粉糊化的復合體系，在WPC復合質量分數1%～7%范圍內，其潤滑性能變化趨勢與參與糊化體系一致，對應體系的潤滑性能提升了6.80%～16.33%，且隨著WPC質量分數的增大，體系潤滑特性均顯著提升（＜0.05）。

表23 種淀粉-WPC復合體系的摩擦系數分析Table 2 Analysis of friction coefficients of starch-WPC mixed gel systems as a function of WPC concentration

對于豌豆淀粉-WPC復合體系，表2結果顯示，WPC參與糊化時，在WPC復合質量分數為1%～7%范圍內，體系潤滑性能提升了20.05%～22.45%，且不同WPC復合質量分數體系摩擦系數差異顯著（＜0.05）表現為：1% WPC體系，3% WPC體系＞5% WPC體系＞7%WPC體系。WPC未參與糊化時，體系潤滑性能提升了20.53%～27.34%，且不同WPC復合質量分數體系摩擦系數顯著差異（＜0.05）表現為：1% WPC體系，5%WPC體系＞3% WPC體系＞7% WPC。這一結果說明，不論WPC是否參與淀粉糊化過程，WPC的復合都極大提升了豌豆-WPC復合體系的潤滑特性；不同質量分數WPC對復合體系的摩擦性質具有顯著影響（＜0.05），且WPC復合質量分數與摩擦系數變化呈非線性關系，分析這是源于淀粉與蛋白相互作用形成體系的不穩定性所致。

由表2可知，與小麥-WPC和豌豆-WPC復合體系相比，馬鈴薯淀粉-WPC復合體系潤滑性能提升范圍相對較小，即在WPC復合質量分數1%～7%范圍內，WPC參與糊化和未參與糊化，對應復合體系潤滑性能分別提升了0.30%～2.70%和1.17%～4.00%，同時，WPC復合質量分數與摩擦系數變化也呈非線性關系，但是，不同WPC復合質量分數體系間，其潤滑性仍能存在顯著差異（＜0.05）。

綜合以上結果可知，不論WPC是否參與淀粉糊化過程，WPC的復合可顯著提升淀粉-WPC復合體系的潤滑特性，且其復合質量分數對復合體系潤滑特性提升具有顯著正影響（＜0.05），同時WPC復合質量分數與潤滑性能變化呈非線性關系；對于不同來源淀粉體系，其潤滑性能提升幅度存在顯著差異（＜0.05）。

3 討 論

對3 種植物源淀粉凝膠體系的潤滑性能進行比較發現，小麥凝膠體系＞＞馬鈴薯凝膠體系＞豌豆凝膠體系，差異均達到顯著水平（＜0.05）；分析這是源于淀粉顆粒結構、直/支鏈淀粉含量、粒徑等差異的影響。該研究結果與文獻[29]中發現稻米谷蛋白的表面疏水性隨直鏈淀粉濃度的增加而降低的結果一致。

與原淀粉凝膠體系潤滑性能相比發現，經與WPC復合后，復合體系的潤滑性能發生了顯著改變，即小麥-WPC體系＞＞豌豆-WPC體系＞馬鈴薯-WPC體系，其差異均達到顯著水平（＜0.05），表明WPC的加入顯著改變了原淀粉凝膠體系的潤滑性能。這是因為蛋白質和淀粉在加熱過程中相互作用影響其加熱過程中的動態行為，使復合體系具有復雜的結構，從而改變了復合體系的摩擦學行為，影響其復合體系的潤滑特性。

本研究關于復合體系制備過程中，WPC 2 種不同的復合方式，對應復合體系表現出顯著差異的摩擦學行為。在口腔加工的0～60 s時間范圍，WPC是否參與淀粉糊化，對所得到的淀粉-WPC復合體系的潤滑性能具有顯著差異（＜0.05），且在不同植物源淀粉凝膠體系間也存在顯著差異（＜0.05）。即對于小麥淀粉體系，WPC參與淀粉糊化時體系潤滑性能更好；而豌豆和馬鈴薯淀粉體系與之相反，WPC未參與糊化時，體系潤滑性能更好，更有利于潤滑口感質地的產生。Mine研究表明蛋白質在較高溫度下與淀粉分子發生強烈的相互作用，會改變其凝膠強度，分析這可能是導致不同WPC復合方式體系表現出的摩擦學差異的原因。目前對這方面的研究資料極其有限，有待進一步的探索和驗證。

本研究中關于WPC復合質量分數對體系潤滑性能的影響結果顯示，在WPC復合質量分數為1%～7%范圍內，不論WPC是否參與淀粉糊化過程，WPC的復合可顯著提升了淀粉-WPC復合體系的潤滑特性，且其復合質量分數對復合體系潤滑特性提升具有顯著正影響（＜0.05），同時WPC復合質量分數與潤滑性能變化呈非線性關系。Noisuwan等研究認為，在淀粉糊化后期，隨著淀粉顆粒的破裂，直鏈淀粉逐漸溶出，牛乳蛋白首先與淀粉分子相互纏結，形成不穩定的凝膠，之后隨著溫度的降低，蛋白質分子聚集，與淀粉分子間會發生相分離。相關文獻研究也認為，當-乳球蛋白質量分數為6%時，馬鈴薯支鏈淀粉質量分數超過0.75%后，蛋白和淀粉凝膠網絡會發生相分離。結合本研究中關于WPC復合質量分數與潤滑性能變化呈非線性關系問題，分析這應該是淀粉與蛋白相互作用形成體系的不穩定性所致。

4 結 論

3 種植物源淀粉凝膠體系的潤滑性能進行比較發現，小麥凝膠體系＞＞馬鈴薯凝膠體系＞豌豆凝膠體系。與原淀粉凝膠體系潤滑性能結果相比發現，與WPC復合后的復合體系潤滑性能發生了顯著變化，即小麥-WPC體系＞＞豌豆-WPC體系＞馬鈴薯-WPC體系，WPC 2 種不同的復合方式，對應復合體系表現出顯著差異的摩擦學行為。

有研究表明，人們對食物的選擇和對食物的看法實際上和社會經濟的發展息息相關。未來人類追求食物所帶來的享受性口感。因此，關于食品潤滑口感的研究也是未來食品必須面對的挑戰。目前，很多方法都在研究中。本研究為提升淀粉蛋白質基質食品的潤滑口感提供理論參考。