蛋白含量对早籼米粉的微观结构和功能特性的影响

徐晶冰,王　韧,于秋生,冯　伟,王　莉,罗小虎,李亚男,张名位,陈正行,*

(1.江南大学食品学院粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江苏无锡 214122;2.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,广东广州 510610)



蛋白含量对早籼米粉的微观结构和功能特性的影响

徐晶冰1,王韧1,于秋生1,冯伟1,王莉1,罗小虎1,李亚男1,张名位2,陈正行1,*

(1.江南大学食品学院粮食发酵工艺与技术国家工程实验室,江苏无锡 214122;2.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,广东广州 510610)

本文采用数学方程拟合的方法制备出了不同蛋白含量的早籼米粉,并研究蛋白含量对籼米粉的糊化、长期回生性质、微观结构、结晶结构和凝胶强度的影响。结果表明:蛋白含量越低,籼米粉表面越光滑,糊化后的凝胶网络结构聚合也越紧密。随着蛋白含量减少,早籼米粉长期回生后的热焓值逐渐降低,表明蛋白含量减少可延缓回生。籼米粉的凝胶强度也发生改变,回复力、咀嚼性和硬度都增大,而胶粘性减小。并且,不同蛋白含量籼米粉样品的X-射线衍射图均显示为A型结晶,在15.17°有一个峰,在17.17°和18.14°处为一个双峰,在23.32°处又有一个单峰;结晶度也相差不大,分别为24.26%、21.79%、19.91%、21.45%、18.73%和21.74%,可见,蛋白含量对该籼米粉的结晶结构影响不显著(p>0.05)。从以上结果分析可推测,蛋白含量和籼米粉原料的相关性能性质确实存在密切的联系。

籼米,蛋白,微观结构,凝胶强度,结晶结构

水稻作为我国的重要粮食作物[1],品种繁多,品质差异也较大。其中的籼稻广泛地种植于我国南方。随着社会经济发展,我国的粮食消费格局正在发生变化,早籼米被直接做口粮食用的比重大大降低,逐渐被制作成传统米制品如米线、米粉、米糕等,因此研究原料籼米粉的相关功能性质对籼稻的加工增值意义重大。

由于品种、生长环境、收获时间、生产工艺等外部条件的不同,所生产出籼米粉的相关品质和功能特性均会存在差异[2-5],但除去外部条件的影响,蛋白质作为籼米粉的第二大组成成分,虽占比不高,但能包裹在淀粉外形成网络结构[6],对籼米粉的相关结构、性质也存在显著影响[7]。目前,国外已有一些研究蛋白与籼米或籼米粉相互作用的报道,Likitwattanasade等人[8]研究发现,蛋白组分会影响米饭的微观结构,Renzetti等[9]用酶法将蛋白水解来增加米粉中淀粉组分的连续性,但关于蛋白含量对籼米粉相关性质的具体影响很少涉及。本文以早籼米为研究对象,利用蛋白酶去除籼米中部分蛋白,并采用数学模型拟合酶反应进程的方法制备出不同蛋白含量的籼米粉,分析并研究了不同蛋白含量籼米粉的微观结构、凝胶强度和结晶结构,旨在为籼米粉的优质加工提供理论依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

早籼米(K优66品种)江西华达昌食品有限公司;酸性蛋白酶(活力:50000 U/g,密度1.23 g/mL)无锡雪梅酶制剂公司;浓硫酸、乳酸国药集团化学试剂有限公司。

LXJ-IIB低速大容量多管离心机上海安亭科学仪器厂;HYP-314消化炉上海纤检仪器有限公司;pH计瑞士梅特勒-托利多集团;PL2002电子天平瑞士梅特勒-托利多集团;HR2168搅拌机飞利浦家庭电器有限公司;GZX-9246 MBE数显鼓风干燥箱上海博讯医疗设备厂;TJM-L50胶体磨温州市龙湾华威机械厂;MP-501A超级恒温循环槽上海一恒科学仪器有限公司;Q2000型差示扫描量热仪美国TA公司;Quanta-200型扫描电子显微镜荷兰FEI公司;X-射线衍射仪(D8型)德国布鲁克AXS有限公司。

1.2实验方法

1.2.1不同蛋白含量籼米粉的制备方法籼米浸泡1 h后湿法粉碎,过胶体磨,调浆浓度为20%,用乳酸调至特定pH后加入酸性蛋白酶,置于酶反应器中在特定温度下反应,反应结束后水洗离心3次,除去上层蛋白,干燥、粉碎、过100目筛后制得籼米粉。

运用最适反应温度和pH分别为50 ℃和4.5的酸性蛋白酶(无锡雪梅),参照周建新等人[10]的方法,采用数学模型拟合酶反应进程制备出不同蛋白含量(0.5%、1.0%、3.0%和5.0%)的籼米粉。蛋白含量为6.0%的籼米粉可以采用湿磨粉碎后过胶体磨,直接离心水洗的方法制得。

1.2.2蛋白含量的测定蛋白含量采用凯氏定氮法进行测定(GB/T5009.5-2003,换算系数5.95)。

1.2.3不同蛋白含量籼米粉凝胶的制备取籼米粉,加蒸馏水配制成20%(干基)的悬浮液,将悬浮液于80 ℃水浴中搅拌加热糊化20 min,然后用玻璃棒搅拌转入培养皿中,放入蒸笼中蒸制15 min,取出冷却至室温,切成统一的圆柱形大小,在4 ℃下静置1 d。

1.2.4扫描电镜观察籼米粉颗粒和凝胶将按照1.2.3方法制得的籼米粉凝胶进行冷冻干燥,参照刘颖华[11]的方法,采用Quanta-200扫描电子显微镜观察不同蛋白含量籼米粉和籼米粉凝胶的表面形态。将样品固定在直径为1 cm的样品台上,然后用离子溅射仪喷金,分别于2400和80倍的放大倍数下进行观察。

1.2.5结晶度的测定室温下,采用德国布鲁克AXS公司的D8 Advance型X射线衍射仪对样品进行检测。铜靶CuKα(λ=0.15406 nm),功率1600 W(40 kV×40 mA),NaI晶体闪烁计数器测量X射线强度,取适量样品粉末置于圆形孔槽中(直径约3 cm),保持样品表面平滑,测试条件为:管压3 kV,管流20 mA,扫描速度4°/min,扫描区域为5°～40°,采样步宽0.02°,扫描方式为连续,得到的结果用张本山[12],Hernan[13]等人的研究方法,通过MDI Jade软件计算出样品的结晶度。

1.2.6热力学和长期回生特性的测定精确称取2.0 mg的样品于铝制耐高压坩埚中,加5.0 μL蒸馏水,密封压盖后于室温下隔夜放置平衡;采用差示扫描量热仪测定不同蛋白含量籼米粉的糊化热特性,测试程序如下:以10 ℃/min的速度升温,温度扫描范围为25～95 ℃,再以10 ℃/min的速度降至室温;糊化后的样品在4 ℃下贮藏14 d后按照相同程序再次扫描进行回生特性的测定,测定程序与糊化热特性的测定测序相同。

1.2.7不同蛋白含量早籼米粉的凝胶强度的测定按1.2.3的方法制得籼米粉凝胶样品,用物性分析仪选择TPA模式,测试参数设定如下:选用平底圆柱形探头P/36R;测试前速度5 mm/s;测试速度2 mm/s;测试后速度5 mm/s;应变位移30%;触及压力5.0 g。

1.2.8数据处理方法实验数据采用SPSS 17.0分析软件进行统计分析,计算标准偏差并采用Duncan检验进行显著性分析(p<0.05)。采用Origin 8.5对数据作图,各实验均重复三次。

2　结果与讨论

2.1不同蛋白含量籼米粉的制备

通过实验研究发现,酶活条件对酶反应进程的影响十分显著,在反应初始阶段(0～0.5 h),蛋白含量急剧降低,不利于反应的精确控制,因此本文不研究此阶段的反应进程。如图1所示,同一加酶量条件下,随着反应时间的延长,蛋白含量的降低速度逐渐放缓。利用Origin8.5软件中的多项式模型对不同酶活条件下的反应进程进行非线性拟合得到回归方程(见图1),校正R2介于0.973～0.993之间,表明这些回归方程能很好地模拟各自酶活条件下的反应进程。

制备不同蛋白含量(0.5%～6.0%)的籼米粉可通过不同酶活条件下的反应来实现。

表1　制备不同蛋白含量籼米粉的理论反应条件与实际蛋白含量

图1　不同加酶量下反应进程的数学拟合Fig.1　Mathematical simulation of the process of enzymatic reaction under different amounts of enzyme dosage

根据图1中回归方程,分别计算出制备不同蛋白含量(5.0%、3.0%、1.0%和0.5%)籼米粉所需的理论反应时间,再按照理论反应时间进行酶反应制备出籼米粉,并测定出其实际蛋白含量,结果列于表1中。如表1所示,实测的蛋白含量与目标值较为接近,进一步证实了上述回归方程对酶反应进程拟合的准确性。

2.2蛋白含量对籼米粉颗粒和凝胶微观形态的影响

图2　不同蛋白含量籼米粉颗粒的扫描电镜图Fig.2　Scanning electron micrograph of indica rice flour with different protein contents

由图2可知,蛋白含量越低,在相同放大倍数下,籼米粉颗粒表面越光滑。这是由于大米淀粉是以复粒形式紧紧包含在蛋白质网络中,两者之间结合得非常紧密,当蛋白质被部分去除后,剩余淀粉的表面就会变光滑。图3是籼米粉凝胶的微观结构,从图中可以看出,各种蛋白含量的籼米粉凝胶均呈现出网状结构。图3a是蛋白含量为7.64%的籼米粉样品的凝胶微观结构图,淀粉分子的网状结构较粗糙松散,但随着籼米粉样品蛋白含量减小,糊化后的淀粉分子结合更加紧密,淀粉分子在水分子间的分布也更加均匀,对比图3b～图3f可知,相同放大倍数下,形成的凝胶三维网络结构也越明显。由Jeng-June等人[14]的研究结果可知,糊化时,淀粉渗出后吸附在蛋白质网络的孔洞中,最终形成凝胶,这也解释了本研究中蛋白含量减少后凝胶微观结构会发生变化的现象。

图3　不同蛋白含量籼米粉凝胶的扫描电镜图Fig.3　Scanning electron micrograph of indica rice gel with different protein contents

2.3蛋白含量对籼米粉结晶度的影响

图4和表2为不同蛋白含量籼米粉样品的X-射线衍射图谱及其相应的结晶参数。不同蛋白含量籼米粉的X-射线衍射图谱均显示为典型的A型峰,基本都在2θ接近15.17°、17.17°、18.14°和23.32°处时能观察到强峰。并且结晶度也相差不大,如表2所示,分别为24.26%,21.79%,19.91%,21.45%,18.73%和21.74%。因此,蛋白含量对该籼米粉的结晶结构无显著影响(p>0.05)。而King等人[15]的研究发现,氨基酸却会对大米淀粉的结晶性质造成影响。因此,本研究中结晶度变化不大可能是因为被去除的蛋白质是大分子蛋白,还未被降解到氨基酸小分子。

表3　不同蛋白含量籼米粉的糊化温度和热焓值

表4　不同蛋白含量籼米粉在4 ℃长期回生后的糊化温度和回生焓值

图4　不同蛋白含量籼米粉的X-射线衍射图谱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%。

样品号蛋白含量(%)结晶度(%)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:同列上标不同小写字母表示差异显著(p<0.05),表3～表5同。

2.4蛋白含量对籼米粉热特性和长期回生特性的影响

表3是通过DSC测量得到的淀粉糊化过程中结晶区损失所引起的热焓变化,糊化过程中,结晶区破坏比颗粒膨胀发生的时间更早。并且支链淀粉侧链的双螺旋束状结构是淀粉结晶区的主要组成部分[16],温度升高,淀粉从蛋白网络内部逐渐渗出,刚开始受到破坏的是支链淀粉的双螺旋结构,温度进一步升高后,淀粉逐渐吸附在蛋白网络的孔洞中,最终无任何完整的淀粉颗粒,即完成糊化过程。

糊化后的籼米粉在低温下长期贮藏时,由于温度的降低,分子运动减慢,淀粉分子结构重新排列,分子链之间以氢键形式相互作用,形成有序的结晶结构,即淀粉发生长期回生。淀粉的回生可以采用DSC进行表征,回生后的淀粉在DSC图谱中表现为向上的吸热曲线,吸热峰的大小与淀粉回生程度呈正相关,可以通过晶体融化所需要的热焓ΔH表示[17]。不同蛋白含量籼米粉的长期回生特性见表4。由表4可知,随着蛋白含量的减少,早籼米粉回生的热焓值逐渐降低,表明蛋白含量降低可延缓长期回生[18]。这是由于糊化后的淀粉大分子在蛋白网络的包围下,分子链之间更易相互接触进而发生有序排列;而当蛋白去除后,没有了外部的网络结构,无序排列的淀粉大分子就不易再回归有序,因此长期回生延缓。

2.5蛋白含量对籼米粉凝胶强度的影响

由表5可知,蛋白含量减小,淀粉含量增加,回复性、咀嚼性、硬度增加,胶粘性减小。可见,蛋白含量与咀嚼性、回复力、硬度呈负相关,而与胶粘性呈正相关。其中咀嚼性定义为硬度、弹性和胶粘性的乘积,表示咀嚼食品需要的能量。蛋白质在大米粉体系中能够与部分直链淀粉相互缠绕形成网络结构,蛋白含量减少[19],更多的直链淀粉能够相互重新聚集排列,分子间的缠绕程度增强,使籼米粉内部联结更紧密,因此,硬度更大、咀嚼性与回复性也越大。前人有研究表明[7],高温下淀粉会发生互相分离,单纯由直链和支链淀粉形成的连续性组分粘度很小,这与本文得出的结论一致。并且,将不同蛋白含量籼米粉凝胶的微观结构,与相同条件的凝胶强度对应,也可以发现两者具有密切的关系[20]。

表5　蛋白含量对大米粉凝胶强度特性的影响

3　结论

本研究采用数学模型拟合酶反应进程制备出不同蛋白含量的籼米粉,并且实验表明蛋白含量会影响籼米粉的微观结构和凝胶强度,但对结晶结构的影响不显著。蛋白含量越小,籼米粉表面越光滑,糊化后的凝胶体系聚合越紧密。同时,蛋白含量降低可延缓长期回生。籼米粉的籼米粉的凝胶强度也发生改变,随着蛋白含量减小,回复力、咀嚼性和硬度都增大,而胶粘性减小。

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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，硕士研究生，从事粮食精深加工研究，E-mail：grace911229@163.com。

陈正行(1960-)，男，博士，教授，从事粮食精深加工研究，E-mail：zxchen_2008@126.com。

国家自然科学基金(31201381，31471616)；公益性行业(农业)科研专项(201303071、201203037、201303069)。

TS213.3

A

1002-0306(2016)17-0059-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.003