辛烯基琥珀酸淀粉酯与玉米醇溶蛋白复合物的制备及特性研究

刘亚伟，周雪滢，王海洋，刘 洁

河南工业大学 粮油食品学院，小麦和玉米深加工国家工程实验室，河南 郑州 450001

近年来淀粉-蛋白质复合物在食品、医药、材料、化工等行业应用广泛，特别是改性后的淀粉-蛋白质复合物由于具有天然、绿色、可降解等特点，开拓了食品发展的新领域[1]。

玉米醇溶蛋白(zein)是一种源于玉米的贮藏蛋白，在玉米蛋白中占比达到50%～55%，具有抗氧化性，在油脂、食品中应用广泛[2-3]。zein具有良好的成膜、耐油和疏水性，喷涂到食品表面可以起到防潮、防油、减少水分散失、避免食品氧化以及延长食品的保质期等作用。经过改性后的zein形成类似面筋一样的网络结构，可以应用到无面筋的食品中改善组织结构，使面团中气泡分布更均匀[4]。zein还可以用来生产交联纤维、脂肪替代品、金属和木材的胶黏剂等[5]。

我国木薯资源丰富，木薯淀粉具有蛋白质和灰分含量低、糊化温度低(52～64 ℃)、黏度高、成膜性好、渗透性强等优良的理化和加工特性[6]，特别适用于生产淀粉衍生物。辛烯基琥珀酸淀粉酯(SSOS)是一种常见的酯化变性淀粉，由于具有亲水和亲油性，常被当作一种比较安全的乳化增稠剂。天然及酸水解糯玉米淀粉通过辛烯基琥珀酸酐(OSA)酯化改性后，其黏度、冻融稳定性相比原淀粉均有所提高[7-8]。SSOS不仅具有淀粉的糊液透明、黏度高的特点，而且具有优良的乳化性能、较好的抗冷冻性等特点。

有研究将zein添加到淀粉凝胶中，发现zein的加入可以延缓凝胶的老化，降低体系的热焓值，且随着zein的增加，淀粉的糊化温度升高，糊化焓增加[9-10]。也有研究将不同比例的玉米原淀粉、酯化玉米淀粉、酯化木薯淀粉加入肌原纤维蛋白中，发现改性淀粉的加入使复合物的凝胶强度和保水性增强，其中酯化木薯淀粉与肌红蛋白复合物体系的储能模量(G′)增大，并且酯化木薯淀粉对体系G′的影响大于酯化玉米淀粉和玉米原淀粉[11-12]。

目前关于淀粉-蛋白质复合物的研究多限于天然淀粉、谷物类淀粉和一些水溶性蛋白，制得的复合物保水性较强但在持油性或黏附性上有所欠缺。zein分子结构中疏水基团和亲水基团的分区明显，有独特的自组装特性、成膜性、黏结性、抗油性、防水性和防潮性。作者将木薯淀粉经OSA酯化引入亲脂基团后与zein复合，利用反溶剂沉淀法制备SSOS-zein复合物，提高复合物的持油性、成膜性以及黏附性，使其在油炸、亲油或亲脂食品中的应用更具优势。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

木薯淀粉：河南省恒瑞淀粉科技股份有限公司；玉米蛋白湿饼：河南飞天农业开发股份有限公司；盐酸、氢氧化钠：洛阳昊华化学试剂有限公司；无水乙醇：天津市天力化学试剂有限公司；辛烯基琥珀酸酐：国药集团化学试剂有限公司；玉米醇溶蛋白：实验室自制(使用乙醇从晾干的玉米蛋白湿饼中提取后干燥得到)；辛烯基琥珀酸淀粉酯：实验室自制(木薯淀粉与以淀粉干基计3%的辛烯基琥珀酸酐发生酯化反应制得，DS=0.019)。

1.2 主要仪器与设备

HAAK MARS-60流变仪：Thermo Scientific公司；Seven Multi pH计：瑞士METTLER-TOLEDO公司；5081R离心机：德国EPPENDORF公司；快速黏度仪：瑞典PERTEN公司；旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；TA-XT plus物性测定仪：英国SMS公司；FA25高剪切分散乳化机：FLUKO公司；TA Q20差示扫描量热仪：美国TA公司；SALD-301V激光粒度仪：日本岛津公司；QUANTA扫描电子显微镜：美国FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 SSOS-zein复合物的制备

用80%乙醇溶液将SSOS淀粉配制成料液比为1∶ 6、1∶ 8、1∶ 10、1∶ 12、1∶ 14(g/mL)的淀粉乳，40 ℃恒温水浴，缓慢加入不同体积100 g/L的玉米醇溶蛋白乙醇溶液，得到SSOS和zein质量比分别为10∶ 0、19∶ 1、9∶ 1、17∶ 3、8∶ 2的混合液，调pH值为7，恒温(-20、4、20、40、60 ℃)混合30 min后，悬蒸回收乙醇，40 ℃烘干，过100目筛，得到SSOS和zein不同质量比的复合物。

1.3.2 SSOS-zein复合物的特性测定

1.3.2.1 平均粒径和蛋白质含量测定

参考Liu[13]的方法将样品用去离子水配成2 g/L的乳状液，利用激光粒度仪测定样品的平均粒径分布情况。测定条件：分散剂为蒸馏水；折射率为1.45～0.05 i；吸光度为0.01～0.20。

蛋白质含量的测定采用燃烧定氮法，参照GB 5009.5—2016。

1.3.2.2 扫描电子显微镜观察

采用扫描电子显微镜观察复合物的形貌，将约为0.50 cm×0.50 cm的导电双面胶粘在专用铝盘上，粘上少许处理过的样品，用洗耳球吹去多余的样品，进行喷金、喷碳处理，然后将样品放在扫描电镜载物台上，加速电压3.0 kV，观察并拍摄样品的形貌图片[13]。

1.3.2.3 溶胀性测定

称取SSOS-zein复合物样品(m1)，加去离子水配制成2%的淀粉乳于离心管中，分别在不同的恒温水浴中(50、60、70、80 ℃)加热30 min(间歇涡旋振荡)，取出冷却至室温，置于离心机中，4 000 r/min离心15 min，弃上清液，准确称量沉淀物的质量(m2)。

1.3.2.4 持水性和持油性测定

称取SSOS-zein复合物1.00 g(m0),分别置于50 mL的离心管中，称离心管的质量(m1)，加入30 mL的去离子水，搅拌均匀，调节pH值为7，置于95 ℃水浴锅中30 min(间歇涡旋振荡)，取出冷却至室温，10 000 r/min离心15 min，弃上清液，称离心管和沉淀的总质量(m2)。

称取SSOS-zein复合物0.50 g(m0)，放入离心管中，称离心管的质量(m1)，然后用移液枪取5.00 mL色拉油，置于10 mL离心管中，混合均匀，室温静置30 min(间歇涡旋振荡)，放入离心机中，4 000 r/min离心15 min，弃上清液，称取离心管和沉淀物的总质量(m2)。

1.3.2.5 乳化性和乳化稳定性测定

称取SSOS-zein复合物0.50 g，分散到25 mL去离子水中，95 ℃水浴加热糊化15 min，取一定体积的样品糊于烧杯中，加入等体积大豆油，以10 000 r/min均质30 s，重复4次，从溶液底部吸取100 μL乳浊液，加入25 mL 0.1%的十二烷基硫酸钠(SDS)的比色管中，摇匀。同时以0.1%的SDS作为对照，在500 nm处测定乳浊液的吸光度，即为复合物的乳化性(EA)；均质后静置10 min重新取样测定乳浊液的吸光度，得到乳化稳定性指数(ESI)。

式中：A0为0 min时乳浊液的吸光度；At为t时间时乳浊液的吸光度；T为10 min。

1.3.2.6 糊化特性测定

复合物的糊化特性采用快速黏度仪(RVA)进行分析测定。称取样品配制成5%淀粉乳(以干基计)，参考Li等[14]的方法设定参数，转速在10 s内由960 r/min降至160 r/min，50 ℃保持1 min，3.75 min升温至95 ℃，保持2.5 min后降温至50 ℃，保持1.4 min。

1.3.2.7 流变特性测定

静态流变测定：取1.3.2.6制备的不同SSOS-zein淀粉糊，冷却至室温，设定程序，温度25 ℃，平板直径35 mm，测试间隙1 mm。

频率扫描：取1.3.2.6制备的不同SSOS-zein淀粉糊，冷却至室温，参照Wang等[15]的方法设定参数，夹具选择平板直径35 mm，温度25 ℃，扫描频率0.1～10 Hz。

1.3.2.8 差示扫描量热法特征参数测定

复合物的热特性采用差示扫描量热法(DSC)进行分析测定。准确称取处理过的样品干基2.5 mg，置于DSC铝盘中，加入7.5 μL去离子水，密封，放置24 h。扫描温度范围30～120 ℃，升温速率10 ℃/min。

1.3.2.9 凝胶质构测定

配制10%(m/V)SSOS-zein复合物的乳状液，在95 ℃水浴中糊化15 min，室温静置30 min，封上保鲜膜，在0～4 ℃的冰箱中静置24 h，制得SSOS-zein复合物的凝胶样品，采用TA-XT plus进行凝胶质构特性测定，参照张雅媛等[16]的方法设定参数。

1.4 数据统计与分析

试验数据均为平均值+标准差，使用SPSS 16.0进行显著性分析(P<0.05)，使用Origin8.5制图。

2 结果与讨论

分析温度(-20、4、20、40、60 ℃)及料液比(1∶ 6、1∶ 8、1∶ 10、1∶ 12、1∶ 14)对SSOS-zein复合物特性的影响发现：当温度为60 ℃时，SSOS-zein复合物有较低的溶胀性和RVA峰值黏度，其他温度对复合物特性的影响并无显著差异；当料液比为1∶ 6时，SSOS-zein复合物呈现出最大的平均粒径、最高的溶胀性，其他料液比对SSOS-zein复合物的糊化特性以及凝胶质构等特性的影响不显著。因此，以下只着重讨论SSOS和zein不同质量比对复合物的影响。

2.1 SSOS-zein复合物的平均粒径和蛋白质含量

由图1可知，SSOS-zein复合物平均粒径为19.18～22.90 μm。SSOS和zein质量比为19∶ 1～8∶ 2的复合物平均粒径大于SSOS的平均粒径(P<0.05)。SSOS与zein形成复合物时，蛋白质含量和平均粒径随着zein添加量的增加而增加，这是由于zein越多，在SSOS颗粒外层包裹的zein膜就越厚，或zein在缠绕包埋SSOS淀粉颗粒时，部分SSOS颗粒聚集在一起形成较大的团状结构，使复合物平均粒径增大。SSOS和zein质量比为9∶ 1～8∶ 2时复合物粒径没有显著变化，说明zein的添加量增多虽然使颗粒团聚，但是包裹和团聚的颗粒不占主导地位，体系内的颗粒粒径仍是原SSOS颗粒占主导。

2.2 SSOS-zein复合物的微观结构

从图2 可以看出，原木薯淀粉颗粒形态大小各异，多数呈现椭球型，表面光滑、无孔洞或裂缝；SSOS淀粉颗粒与原木薯淀粉相比，颗粒表面粗糙，有孔洞和裂纹出现；样品c淀粉颗粒表面有少许丝状的凸起，这是由于zein在淀粉颗粒表面不均匀缠绕包裹引起的；样品d淀粉颗粒表面的丝状凸起明显较样品a、b、c增多，且有少许淀粉颗粒被zein粘连在一起；样品e和f的淀粉颗粒和zein团聚的现象比样品a—d明显增多，而淀粉颗粒表面粘连的zein凸起变成片状、块状。zein与SSOS的结合部位主要在淀粉颗粒表面，且主要是吸附包埋作用和淀粉颗粒粘连在一起。

注：a.原木薯淀粉；b.m(SSOS)∶ m(zein)=10∶ 0；c.m(SSOS)∶ m(zein)=19∶ 1；d.m(SSOS)∶ m(zein)=9∶ 1；e.m(SSOS)∶ m(zein)=17∶ 3；f.m(SSOS)∶ m(zein)=8∶ 2。

出现这种现象可能的原因是SSOS淀粉分子中的带负电的基团(—COO—)和zein分子中带正电的基团(—NH3+)之间的盐桥作用[17]；SSOS的长链烯基疏水基团与zein的疏水基团通过疏水键相互结合的作用，使zein和SSOS淀粉颗粒粘连在一起。

2.3 SSOS-zein复合物的溶胀性

由图3可知，同一质量比的SSOS-zein复合物溶胀性均随温度升高而增大；同一温度不同质量比的SSOS-zein复合物溶胀性随zein添加量的增加呈减小趋势。在60 ℃时，SSOS和zein质量比为10∶ 0、19∶ 1和9∶ 1的复合物溶胀性显著高于17∶ 3和8∶ 2的溶胀性(P<0.05)，而且质量比为10∶ 0、19∶ 1和9∶ 1的复合物溶胀性随着zein的增加显著降低(P<0.05)；在70 ℃和80 ℃时，10∶ 0、19∶ 1和9∶ 1的复合物溶胀性高于17∶ 3和8∶ 2 的复合物溶胀性(P<0.05)。造成复合物的溶胀性随着zein的添加而降低的原因可能是，随着zein增加，SSOS颗粒被包裹缠绕的程度增加，在较低温度时SSOS-zein复合物的包合结构不能够完全打开，从而阻止SSOS淀粉颗粒的膨胀；随着温度的升高，高温对复合物溶胀性的影响变大，少量zein加入时，对复合物溶胀性无显著影响；当zein含量持续增加，复合物由于zein吸附包裹在淀粉颗粒表面，阻止颗粒吸水膨胀从而使其溶胀性下降，当zein的量增加到一定程度时，其对复合物溶胀性的影响逐渐趋于不变，复合物溶胀性无显著变化。

注：对不同质量比SSOS和zein的复合物在同一温度下的溶胀性进行分析，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.4 SSOS-zein复合物的持油性和持水性

由图4可知，SSOS和zein质量比为19∶ 1～8∶ 2的复合物持油性高于SSOS的持油性(P<0.05)，而质量比为19∶ 1、17∶ 3和8∶ 2的复合物持油性无显著性差别(P>0.05)。SSOS的持水性显著大于SSOS和zein质量比为8∶ 2的复合物持水性(P<0.05)，而SSOS和zein质量比为19∶ 1～8∶ 2 的复合物持水性无显著性差别(P>0.05)。由此说明SSOS和zein形成复合物后持油性增加，持水性降低，这可能是因为zein的肽链多为疏水性氨基酸[18]。当SSOS和zein质量比为10∶ 0，即体系中只有SSOS时，持油性低于持水性，说明SSOS中亲水羟基起主导作用；而当SSOS和zein质量比为19∶ 1～8∶ 2时，体系则均为持油性高于持水性，说明体系中一旦加入zein，即使比例很少，zein中大量疏水性基团使得复合物的持油性占主导。

注：对不同质量比SSOS和zein的复合物持水性和持油性分别进行分析，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

2.5 SSOS-zein复合物的乳化性和乳化稳定性

由表1可知，当SSOS和zein质量比为19∶ 1时复合物的乳化性达到最高，而后随着zein的增加逐渐降低；而当SSOS和zein的质量比为9∶ 1时，复合物的乳化稳定性最高。这是因为SSOS-zein复合物经过热处理使zein和SSOS淀粉颗粒致密结构打开[19]，更多的疏水性基团暴露出来，从而更容易在水油界面形成并保持稳定的构象，改善其乳化性和乳化稳定性，但过多的zein会阻碍SSOS淀粉颗粒的OSA基团暴露，使复合物的乳化性降低，所以造成复合物乳化性和乳化稳定性先增加后减小。当SSOS和zein质量比为19∶ 1时，淀粉的亲水基团和SSOS以及zein的疏水基团比例适中,体系的乳化性最佳；当SSOS和zein质量比为9∶ 1时，复合物体系内基团呈最佳稳定状态，乳化稳定性最优。

表1 SSOS-zein复合物的乳化性和乳化稳定性Table 1 Emulsibility and emulsion stability of SSOS-zein complexes

2.6 SSOS-zein复合物的糊化特性

由表2可知，复合物的峰值黏度、谷底黏度、最终黏度、回生值都随着zein添加量的增加而降低；复合物的糊化温度随着zein的添加由71.85 ℃增加到了74.25 ℃。这和Joshi等[20]研究结果相似：淀粉-蛋白质复合物的糊化温度随着蛋白质含量增加而升高。出现这种情况的原因可能是zein含有较多的疏水性基团，与SSOS形成复合物后，增加了水分子靠近淀粉的空间位阻，使进入淀粉分子内部的水减少，一定程度上限制SSOS-zein复合物吸水膨胀，使其难以糊化；在降温过程中zein阻碍淀粉分子形成有序排列，使其回生值降低。

表2 SSOS-zein复合物的RVA黏度特征值Table 2 RVA viscosity eigenvalues of SSOS-zein complexes

2.7 SSOS-zein复合物的流变特性

2.7.1 静态流变特性分析

由图5可知，5种SSOS-zein复合物凝胶的表观黏度随着剪切速率的增加而减小，表现为剪切稀化。在0.1～10 s-1范围内复合物的表观黏度随剪切速率的增加而急剧减小，且SSOS和zein质量比为10∶ 0时下降最剧烈。SSOS-zein复合物糊化后，SSOS淀粉分子OSA基团和zein的疏水性基团交联缠绕在一起，有较大的黏度。

图5 SSOS-zein复合物凝胶表观黏度随剪切速率的变化Fig.5 Changes of apparent viscosities of SSOS-zein complexes with shear rate

对复合物剪切应力和剪切速率的曲线进行Herrschel-Bulkey拟合，结果见表3。R2≥0.99，说明曲线和模型有较好的拟合度；n为流动特性指数，T0代表SSOS-zein复合物糊液能够开始流动所需要的最小应力，5种SSOS-zein复合物的T0>0、n<1，表明复合物凝胶在本研究条件下均为屈服-假塑性流体。由表3可以看出，添加zein能够降低SSOS-zein复合物的T0，说明zein可以使SSOS淀粉糊变得容易流动。η代表样品的黏稠系数，随着zein添加量的增加呈减小趋势，可能是由于zein和SSOS形成复合物后阻碍了淀粉颗粒吸水膨胀，限制其糊化从而导致η减小。

表3 SSOS-zein复合物凝胶Herrschel-Bulkey方程拟合参数Table 3 Fitting parameters of Herrschel-Bulkey equation of SSOS-zein complexes

2.7.2 频率扫描分析

SSOS-zein复合物凝胶的G′、G″和tanδ随频率的变化见图6、图7。

图6 SSOS-zein复合物凝胶的G′和G″随频率的变化Fig.6 Changes of G′ and G″ of SSOS-zein complexes with frequency

图7 SSOS-zein复合物凝胶的tan δ随频率的变化Fig.7 Change of tan δ of SSOS-zein complexes with frequency

由图6可知，在0.1～10 Hz频率范围内，5种SSOS-zein复合物凝胶储能模量(G′)和损耗模量(G″)都随着频率增加而增加，且G′都远高于G″，表现为一种典型的弱凝胶动态流变学谱图。SSOS和zein质量比为17∶ 3的复合物凝胶G′最高，质量比为19∶ 1～8∶ 2的复合物凝胶G′高于SSOS凝胶的G′，SSOS凝胶的G″最大，这些现象表明zein的添加可以增加SSOS淀粉糊的弹性，降低其黏性。SSOS在加热糊化后，淀粉颗粒完全破裂，SSOS淀粉糊的可变形性增加，G′较小；添加zein后，zein一定程度上会限制SSOS淀粉颗粒的崩解程度，复合物表现出较大的G′和较小的G″。

从图7可以看出，SSOS-zein复合物凝胶体系tanδ(tanδ=G″/G′)随频率的增加呈现先减小后增加的趋势。tanδ越大，体系表现为流体特性；tanδ越小，体系表现为固体特性。SSOS和zein质量比为17∶ 3的复合物凝胶体系流动性较弱。SSOS淀粉颗粒糊化后，zein疏水基团与OSA疏水基团结合镶嵌在淀粉凝胶内部，使SSOS淀粉凝胶体系的流动性减弱。

2.8 SSOS-zein复合物的DSC特性

食品的组成成分、物理结构以及环境条件会影响食品对水的吸附过程，从而影响食品的热力学性质[21]。由表4可以看出，与SSOS相比，SSOS-zein复合物的T0均随着zein添加量的增加呈现升高的趋势，表明SSOS与zein形成复合物后糊化更困难，这与前面RVA所得结果一致。起始糊化温度后移，因为zein包裹缠绕SSOS颗粒，增大SSOS和水分子间的空间位阻，限制淀粉颗粒的膨胀，随着zein的增加，zein和SSOS之间交互作用增强，zein对SSOS的包合也更加紧密，SSOS淀粉颗粒越不容易膨胀，SSOS-zein复合物的T0延迟。糊化温度范围(Tc-T0)体现晶体结构的均一性，Tc-T0随着zein添加量的增大而变小，这可能是由于在制备过程中，zein的添加使部分无定形区晶体被破坏，保留下的结晶区的结晶结构趋于均一。ΔH随zein的添加无显著变化，这可能是因为首先蛋白质的热焓与淀粉的热焓并不落于同一温度范围内，Sun等[22]研究天然zein的热变形温度为88～90 ℃，而木薯SSOS的通常为60～80 ℃[23]；其次蛋白质的添加量较少，作用于淀粉表面的蛋白不足以在高温条件下阻止水进入淀粉颗粒内部从而破坏晶体。

表4 SSOS-zein复合物的DSC特征参数Table 4 DSC characteristic parameters of SSOS-zein complexes

2.9 SSOS-zein复合物的凝胶质构

食品的质构是与食品质地以及组织状态有关的物理性质，运用测定形变、力和时间的关系评价食品的物理性质，主要包括：硬度、黏着性、凝聚性、弹性等。有研究表明淀粉和蛋白质的不同质量比与复合物凝胶硬度、黏着性、凝聚性和弹性密切相关[24]。由表5可知，复合物凝胶的硬度随着zein添加量的增加呈现先增大后减小的趋势。当SSOS和zein质量比为19∶ 1和9∶ 1时，复合物凝胶的硬度显著高于SSOS淀粉凝胶(P<0.05)。对于SSOS-zein复合物凝胶而言，适量添加zein，其疏水基团与SSOS的OSA基团结合有利于淀粉分子间三维网络形成。但若添加zein的量过多，一方面在形成凝胶的过程中，zein会妨碍淀粉分子重新排列，削弱淀粉分子间相互作用；另一方面，SSOS-zein体系中部分淀粉分子被zein代替，使淀粉总含量减小，故凝胶强度减小。

表5 SSOS-zein复合物的凝胶质构特征参数Table 5 Gel texture characteristic parameters of SSOS-zein complexes

SSOS和zein质量比为17∶ 3的复合物凝胶黏着性大于SSOS凝胶黏着性(P<0.05)。SSOS-zein复合物凝胶的凝聚性随着zein的增加呈现出先减小后增大的趋势，当SSOS和zein质量比为9∶ 1时复合物凝胶的凝聚性与SSOS凝胶的凝聚性无明显差别(P>0.05)。添加zein后，复合物弹性增加。当SSOS和zein质量比为17∶ 3时，复合物凝胶弹性大于SSOS的凝胶弹性(P<0.05)，而SSOS和zein质量比为9∶ 1～8∶ 2的复合物凝胶弹性之间无明显差别(P>0.05)。在SSOS-zein凝胶体系内，由于黏着性、内聚性等受SSOS淀粉分子链间作用、zein自身的性质及SSOS淀粉分子与zein分子间作用等多种因素的共同影响，情况较为复杂。

3 结论

通过不同质量比SSOS和zein复合物特性的测定发现：SSOS和zein质量比在19∶ 1～8∶ 2范围内，随着zein的加入，复合物的持水性呈降低趋势，持油性呈增加趋势；复合物的平均粒径也随着zein的增加而增加，糊化温度随之升高，回生值降低，复合物凝胶不易老化；复合物凝胶的硬度随着zein比例的增加呈现出先增大后减小的趋势，其中SSOS和zein质量比17∶ 3的复合物有较强的凝胶网络结构。这些特性的改善较大程度地拓展了淀粉与蛋白复合物在食品工业中的应用，对进一步挖掘其商业价值具有重大意义。