淀粉-乳清蛋白复合条件对体系润滑特性的影响

赵 杰，宋晓燕，马兵团，金 钰，马常云，陈 慧，孙晓薇，林顺顺,*，李梦琴,*

（1.河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002；2.河南同昌实业有限公司，河南 郑州 450000；3.河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008）

食品的质感是影响消费者对食品的偏爱和接受程度最重要的品质属性之一。现代人类更倾向于从食物消费中获得最大程度的感官愉悦，对润滑度的感官感知通常是享乐性食物备受喜好的主要因素，即使牛奶这样处于可吞咽状态的食品，在饮食过程中也需要经过复杂的口腔加工。口腔润滑感是口腔加工的重要组成部分。Selway等研究表明低脂半固态食品，如酸奶、蛋羹、奶油奶酪其黏度与全脂食品相似。口腔润滑与口腔内唾液膜的厚度、食物自身的性质、食团与唾液的相互作用以及口腔内环境的变化息息相关。许多研究表明，流变学不足以用来表征食物在口腔加工中的感官润滑属性，如口感、平滑度、乳脂感、奶油感。目前，摩擦学已经被证明可以用来解释食物在口腔和口腔表面的润滑状态。Chen Jianshe等结合流变学和摩擦学数据验证了在速率为50 s时多糖蛋白溶液感知之间的关系且发现了口腔润滑度与摩擦系数呈负相关，与食团的黏度、平滑度、润滑膜厚度呈正相关。其结果表明，摩擦学可以用于反映食物在口腔加工中的润滑行为，与润滑感知属性相联系。

淀粉和蛋白质是人类膳食的主要营养成分和能量来源。食物在加工和烹饪时，蛋白质和淀粉进行相互作用，如淀粉与蛋白质进行交缠，形成凝胶体系改变食品的质地和口感；另外，蛋白质可覆盖于淀粉表面，限制淀粉酶降解淀粉，从而减缓进餐之后血糖上升的速率。因此，控制蛋白质和淀粉这2 种大分子的相互作用是开发新型、高潜力的脂肪替代品的关键。Noisuwan等利用激光共聚焦显微镜观察到酪蛋白酸钠和乳清分离蛋白可吸附在普通和蜡质大米淀粉颗粒表面。Xu Xingfeng等利用色谱法和分子模拟研究发现，大米蛋白和直链淀粉可自发地结合，且主要驱动力为疏水相互作用。淀粉颗粒在加热膨胀过程中，表面吸附的蛋白分子一方面限制水分子进入颗粒内部，另一方面是蛋白分子与淀粉颗粒糊化过程中游离的直链淀粉分子竞争水分或发生相互作用，从而改变淀粉的糊化和回生性质。刘晓明研究发现酸奶中的酪蛋白可通过静电作用吸附于羟丙基二淀粉磷酸酯表面，形成表面带正电荷的大聚集体，该聚集体可与酪蛋白聚集体通过静电排斥作用维持酸奶体系的稳定。实际上，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带电荷的变性淀粉分子，均可通过静电力、氢键和范德华力的共同作用与蛋白分子相互缠连，形成稳定的凝胶体系，从而改善产品的冻融稳定性和流变学特性。天然的淀粉分子与蛋白分子间主要通过与氢键作用形成不稳定凝胶体系。蛋白与天然淀粉分子间的相互作用会影响淀粉分子链的重排，改变淀粉的回生性质。Dang等在研究乳清蛋白和天然蜡质玉米淀粉混合物过程中观察到的蛋白质聚集体直接证实了相分离现象的存在。变性淀粉通常可通过静电相互作用与牛乳蛋白形成稳定的凝胶，但在不合适的加工和贮藏条件下，凝胶的稳定性会降低，亦可能发生相分离。

淀粉和蛋白复合体系广泛被人们关注，但大多都集中于分子间相互作用、体系稳定性等方向，而极少关注蛋白和淀粉复合体系的摩擦学性能。因此，本研究采用3 种不同植物源的淀粉（小麦淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉）与浓缩乳清蛋白（whey protein concentrate，WPC）通过2 种不同的糊化方式制备复合物体系，分析不同淀粉种类、相互作用方式、蛋白的质量分数等因素对淀粉-WPC复合体系摩擦学特性的影响。该研究为提升淀粉蛋白质基质食品的质地口感提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

马铃薯淀粉、豌豆淀粉、小麦淀粉 新乡良润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） 北京沃凯生物科技有限公司；碘、碘化钾（分析纯） 国药集团化学试剂有限公司；直链淀粉（A0512）、支链淀粉（A8515）标准品（土豆来源） 美国Sigma-Aldrich公司；所用其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

DF-101S集热式恒温磁力搅拌器 郑州长城商贸有限公司；DM-2旋转式真空泵 上海捷昂仪器有限公司；DC184 PDMS模块胶 道康宁（上海）有限公司；101-2AB型电热鼓风干燥箱 天津泰斯特仪器有限公司；108孔圆底细胞培养板 上海阿拉丁生化科技有限公司；球/销盘式摩擦磨损试验机（TRB） 安东帕（上海）商贸有限公司；UV-2000型紫外分光光度计 尤尼柯（上海）仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 直/支链淀粉含量的测定

参照刘襄河等方法，用双波长法测定样品中直/支链淀粉含量，直链淀粉测定波长=632 nm，参比波长=463 nm，支链淀粉测定波长=560 nm，参比波长=735 nm。

直/支链淀粉标准曲线的绘制：使用直/支链淀粉标准品配制标准溶液，在、、两波长下分别测定A、A、A、A，以直/支链淀粉质量浓度（μg/mL）为横坐标，ΔΔ为纵坐标，绘制直/支链淀粉标准曲线。其回归方程分别为=203.66＋3.768和=591.16－1.375 3，相关系数分别为0.999 2和0.999 3。

1.3.2 淀粉-WPC复合体系的制备

WPC参与淀粉糊化过程：准确称取淀粉样品（14.00f0.05）g，用适量的蒸馏水配制质量分数为7%淀粉悬浊液放入500 mL的烧杯中；称取适量WPC（WPC相对于淀粉质量分数分别为0%、1%、3%、5%、7%）置于烧杯中，用磁力搅拌器充分搅拌，然后将烧杯置于90 ℃水浴中搅拌加热30 min，冷却至50 ℃迅速倒入2 cm高度的培养皿中，置于4 ℃冰箱24 h，形成淀粉-乳清蛋白复合体系。

WPC不参与淀粉糊化过程：准确称取淀粉样品（14.00f0.05）g，用适量的蒸馏水配制质量分数为7%淀粉悬浊液放入500 mL的烧杯中，将烧杯置于90 ℃水浴中搅拌加热30 min，冷却至（50f3）℃时，加入适量WPC（WPC相对于淀粉质量分数分别为0%、1%、3%、5%、7%）于烧杯中，并在（50f3）℃温度下，用磁力搅拌器充分搅拌10 min，稍静置后迅速倒入2 cm高度的培养皿中，置于4 ℃冰箱24 h，形成淀粉-乳清蛋白复合体系。

1.3.3 模拟体外口腔摩擦学分析

为了模拟口腔加工过程，将复合体系与人工唾液按比例（2∶1，/）放入机械搅拌器中，低速匀浆15 s（速率1 r/s）。然后再加入人工唾液进行研磨混合（使最终样本中复合物与唾液质量比为4∶3），混合物静置30 min后备用。

参考Liu Xiao等的方法采用摩擦机进行摩擦实验，使用弹性体聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）作为半球销（直径为6 mm）。PDMS由硅弹性体试剂盒（Sylgard184 silicone elastomer, base and curing agents, Dow corning, Midland, MI, USA）制备。在制备半球端PDMS摩擦副时，采用直径为6 mm的圆孔聚苯乙烯96 孔细胞培养板为模板。将Sylgard184弹性体试剂盒的基材和固化剂按10∶1（/）的比例混合。去除气泡后在温和真空下将混合物转移到模板中，在80 ℃烘箱中培养2 h，然后用乙醇湿润细胞培养板，取出PDMS半球销。将PDMS表面接触物在人工唾液中浸泡2 h以上，形成黏液膜，以模拟口腔环境。将以上制备的混合物均匀放置在PDMS表面进行测试。测试条件：频率1 Hz，载荷2 N，循环60 个。

1.3.4 淀粉粒径的测定

采用激光粒度分析仪法测定样品粒径。测试条件：超声时间30 s；搅拌速率30 r/min；循环速率30 r/min；分散体系为蒸馏水。

1.4 数据处理

2 结果与分析

2.1 3 种原淀粉结构参数及凝胶体系润滑特性分析

对3 种来源淀粉的结构组分分析结果（表1）显示，淀粉粒径：小麦淀粉粒径最小，马铃薯淀粉粒径最大，从数据上分析其粒径值大约是小麦淀粉粒径的3.5 倍，豌豆淀粉粒径的2.5 倍，3 种淀粉的粒径存在显著差异（＜0.05）。淀粉组成方面：小麦淀粉与马铃薯淀粉中直链淀粉质量分数分别为23.93%和22.79%，显著低于豌豆淀粉中直链淀粉质量分数48.97%（＜0.05）。

表1 淀粉的结构参数Table 1 Structural parameters of starch

体系的润滑特性可以用摩擦学进行表达，摩擦系数越小，表明该体系润滑特性越好。对3 种来源淀粉凝胶体系进行模拟口腔摩擦学分析，其润滑性能的分析结果（图1）显示，随着摩擦时间的延长，3 种淀粉凝胶体系的摩擦系数在5 s内迅速升高并趋于稳定，说明3 种体系润滑性能均比较稳定；豌豆淀粉体系的摩擦系数最大，马铃薯淀粉体系次之，小麦淀粉体系摩擦系数最小，其差异显著，说明3 种淀粉凝胶体系的润滑性能为小麦淀粉体系＞马铃薯淀粉体系＞豌豆淀粉体系，差异均达到显著水平（＜0.05），即小麦淀粉体系润滑性能最好，豌豆淀粉体系润滑性能最差。结合3 种原淀粉结构上的差异，分析淀粉凝胶体系润滑性能的差异，与淀粉的粒径、直链淀粉含量等因素都有关系。

图1 3 种原淀粉凝胶体系摩擦系数分析Fig.1 Friction coefficients of three starch gels

2.2 淀粉来源对淀粉-WPC复合体系润滑特性的影响

图23 种淀粉-WPC复合凝胶体系摩擦系数分析Fig.2 Friction coefficients of mixed gels of potato, pea or wheat starch and WPC

为考察淀粉来源对淀粉-WPC复合体系润滑特性的影响，对3 种淀粉-WPC（质量分数3%）复合体系进行模拟口腔摩擦学分析。由图2可知，随着摩擦的进行，小麦和马铃薯淀粉-WPC复合体系的摩擦系数在5 s内迅速升高并趋于稳定。但发现，豌豆淀粉-WPC复合体系的摩擦系数随摩擦时间延长有缓慢增加的趋势，而豌豆原淀粉凝胶体系（图1）的摩擦系数并无缓慢增加趋势，说明豌豆复合体系的润滑特性与单独淀粉凝胶体系存在差异，分析这种差异很可能源于乳清蛋白与淀粉分子形成了不稳定的凝胶，之后蛋白质分子聚集与淀粉分子间发生相分离，致使在口腔加工过程中摩擦系数有增大趋势。

3 种淀粉-WPC复合体系润滑性能结果显示，小麦-WPC体系＞＞豌豆-WPC体系＞马铃薯-WPC体系，且均达到显著水平（＜0.05）。该结果说明：一方面，淀粉的来源/种类对淀粉-WPC复合体系的润滑特性影响显著（＜0.05），3 种淀粉-WPC复合体系相比，小麦淀粉-WPC复合体系的润滑特性最好；另一方面，与2.1节中原淀粉凝胶体系润滑性能结果马铃薯淀粉凝胶体系＞豌豆淀粉凝胶体系，相比发现，经与WPC复合后，复合体系的润滑性能发生显著改变，即豌豆-WPC体系＞马铃薯-WPC体系，说明复合体系的润滑性能与原淀粉凝胶体系相比差异显著（＜0.05），不同来源淀粉对复合体系的润滑性能具有显著影响（＜0.05）。

2.3 淀粉与WPC复合方式对复合体系润滑特性的影响

为了考察WPC是否参与淀粉糊化，对淀粉-WPC复合体系润滑度的影响，本研究比较2 种复合方式对复合体系润滑特性的影响。由图3a可知，对于小麦-WPC（3%）复合体系，2 种复合体系的摩擦系数差异很小。另外，研究发现，WPC分别以质量分数1%、5%和7%与小麦淀粉复合时，对所得到的复合体系进行模拟口腔摩擦学分析，结果发现，参与淀粉糊化得到的复合体系，其摩擦系数均显著小于未参与糊化的复合体系（＜0.05），这一结果说明：对于小麦-WPC复合体系，制备过程中WPC是否参与淀粉糊化，对所得到的小麦淀粉-WPC复合体系的润滑性能具有显著影响（＜0.05），且WPC参与淀粉糊化的复合体系，其润滑性能更好，更有利于润滑口感质地的产生。

图3 不同复合方式对淀粉-WPC复合体系摩擦系数的影响Fig.3 Effects of involvement of WPC in starch gelatinization on friction coefficients of starch-WPC mixed gels

对于豌豆-WPC复合体系（图3b），体系摩擦系数均随摩擦时间延长而缓慢增大，其中相比于WPC参与淀粉糊化得到的复合体系，未参与糊化的复合体系其摩擦系数随时间延长而增大的趋势较为迅速，因而使在口腔加工的前段时间（0～30 s），WPC参与和不参与淀粉糊化得到的2 种复合体系的润滑性能差异显著（＜0.05）；而随着口腔加工的进行（30～60 s），其差异逐渐减小。另外，研究发现，WPC分别以其他质量分数（1%、5%、7%）与淀粉复合时，所得到的结果与之一致。总体来讲，在口腔加工的（0～60 s）时间段内，WPC参与豌豆淀粉糊化得到的复合体系其润滑性能小于WPC未参与糊化的复合体系。

对于马铃薯-WPC复合体系（图3c），WPC参与糊化的复合体系的摩擦系数10 s后趋于稳定，而未参与糊化体系的摩擦系数（在0～60 s内）随着口腔加工时间的延长而增大，这与豌豆-WPC（未参与糊化）复合体系的变化趋势一致。另外，WPC分别以其他质量分数（1%、5%、7%）与马铃薯淀粉复合时，所得到的结果与之一致。总之，在口腔加工的（0～60 s）时间段内，WPC参与马铃薯淀粉糊化得到的复合体系其润滑性能显著小于WPC未参与糊化的复合体系（＜0.05）。

综合以上分析可知，在口腔加工的0～60 s时间范围，WPC是否参与淀粉糊化，对所得到的淀粉-WPC复合体系润滑性能具有显著影响（＜0.05）；对于小麦淀粉，WPC参与淀粉糊化的复合体系，其润滑性能更好；而豌豆和马铃薯淀粉与之相反，WPC未参与淀粉糊化的复合体系，其润滑性能更好，更有利于润滑口感质地的产生。2.4 WPC质量分数对淀粉-WPC复合体系润滑特性的影响

由表2可知，对于小麦淀粉-WPC复合体系，对于WPC参与淀粉糊化的体系，不同WPC复合质量分数体系摩擦系数显著性差异表现为：1% WPC体系＞3% WPC体系＞5% WPC体系＞7% WPC，即随着WPC复合质量分数的增加，复合体系的摩擦系数显著降低，说明体系润滑性能显著提升（＜0.05）。当WPC复合质量分数为1%和3%时，复合体系润滑特性变化分别提升了10.4%和13.8%，当WPC复合质量分数为5%和7%时，体系润滑性能分别提升了20.6%和21.1%，以上结果说明，WPC复合质量分数对体系的润滑性能提升具有正的显著影响（＜0.05），且WPC以较高质量分数范围复合时，体系润滑性能提升极显著（＜0.01）。对于WPC未参与淀粉糊化的复合体系，在WPC复合质量分数1%～7%范围内，其润滑性能变化趋势与参与糊化体系一致，对应体系的润滑性能提升了6.80%～16.33%，且随着WPC质量分数的增大，体系润滑特性均显著提升（＜0.05）。

表23 种淀粉-WPC复合体系的摩擦系数分析Table 2 Analysis of friction coefficients of starch-WPC mixed gel systems as a function of WPC concentration

对于豌豆淀粉-WPC复合体系，表2结果显示，WPC参与糊化时，在WPC复合质量分数为1%～7%范围内，体系润滑性能提升了20.05%～22.45%，且不同WPC复合质量分数体系摩擦系数差异显著（＜0.05）表现为：1% WPC体系，3% WPC体系＞5% WPC体系＞7%WPC体系。WPC未参与糊化时，体系润滑性能提升了20.53%～27.34%，且不同WPC复合质量分数体系摩擦系数显著差异（＜0.05）表现为：1% WPC体系，5%WPC体系＞3% WPC体系＞7% WPC。这一结果说明，不论WPC是否参与淀粉糊化过程，WPC的复合都极大提升了豌豆-WPC复合体系的润滑特性；不同质量分数WPC对复合体系的摩擦性质具有显著影响（＜0.05），且WPC复合质量分数与摩擦系数变化呈非线性关系，分析这是源于淀粉与蛋白相互作用形成体系的不稳定性所致。

由表2可知，与小麦-WPC和豌豆-WPC复合体系相比，马铃薯淀粉-WPC复合体系润滑性能提升范围相对较小，即在WPC复合质量分数1%～7%范围内，WPC参与糊化和未参与糊化，对应复合体系润滑性能分别提升了0.30%～2.70%和1.17%～4.00%，同时，WPC复合质量分数与摩擦系数变化也呈非线性关系，但是，不同WPC复合质量分数体系间，其润滑性仍能存在显著差异（＜0.05）。

综合以上结果可知，不论WPC是否参与淀粉糊化过程，WPC的复合可显著提升淀粉-WPC复合体系的润滑特性，且其复合质量分数对复合体系润滑特性提升具有显著正影响（＜0.05），同时WPC复合质量分数与润滑性能变化呈非线性关系；对于不同来源淀粉体系，其润滑性能提升幅度存在显著差异（＜0.05）。

3 讨 论

对3 种植物源淀粉凝胶体系的润滑性能进行比较发现，小麦凝胶体系＞＞马铃薯凝胶体系＞豌豆凝胶体系，差异均达到显著水平（＜0.05）；分析这是源于淀粉颗粒结构、直/支链淀粉含量、粒径等差异的影响。该研究结果与文献[29]中发现稻米谷蛋白的表面疏水性随直链淀粉浓度的增加而降低的结果一致。

与原淀粉凝胶体系润滑性能相比发现，经与WPC复合后，复合体系的润滑性能发生了显著改变，即小麦-WPC体系＞＞豌豆-WPC体系＞马铃薯-WPC体系，其差异均达到显著水平（＜0.05），表明WPC的加入显著改变了原淀粉凝胶体系的润滑性能。这是因为蛋白质和淀粉在加热过程中相互作用影响其加热过程中的动态行为，使复合体系具有复杂的结构，从而改变了复合体系的摩擦学行为，影响其复合体系的润滑特性。

本研究关于复合体系制备过程中，WPC 2 种不同的复合方式，对应复合体系表现出显著差异的摩擦学行为。在口腔加工的0～60 s时间范围，WPC是否参与淀粉糊化，对所得到的淀粉-WPC复合体系的润滑性能具有显著差异（＜0.05），且在不同植物源淀粉凝胶体系间也存在显著差异（＜0.05）。即对于小麦淀粉体系，WPC参与淀粉糊化时体系润滑性能更好；而豌豆和马铃薯淀粉体系与之相反，WPC未参与糊化时，体系润滑性能更好，更有利于润滑口感质地的产生。Mine研究表明蛋白质在较高温度下与淀粉分子发生强烈的相互作用，会改变其凝胶强度，分析这可能是导致不同WPC复合方式体系表现出的摩擦学差异的原因。目前对这方面的研究资料极其有限，有待进一步的探索和验证。

本研究中关于WPC复合质量分数对体系润滑性能的影响结果显示，在WPC复合质量分数为1%～7%范围内，不论WPC是否参与淀粉糊化过程，WPC的复合可显著提升了淀粉-WPC复合体系的润滑特性，且其复合质量分数对复合体系润滑特性提升具有显著正影响（＜0.05），同时WPC复合质量分数与润滑性能变化呈非线性关系。Noisuwan等研究认为，在淀粉糊化后期，随着淀粉颗粒的破裂，直链淀粉逐渐溶出，牛乳蛋白首先与淀粉分子相互缠结，形成不稳定的凝胶，之后随着温度的降低，蛋白质分子聚集，与淀粉分子间会发生相分离。相关文献研究也认为，当-乳球蛋白质量分数为6%时，马铃薯支链淀粉质量分数超过0.75%后，蛋白和淀粉凝胶网络会发生相分离。结合本研究中关于WPC复合质量分数与润滑性能变化呈非线性关系问题，分析这应该是淀粉与蛋白相互作用形成体系的不稳定性所致。

4 结 论

3 种植物源淀粉凝胶体系的润滑性能进行比较发现，小麦凝胶体系＞＞马铃薯凝胶体系＞豌豆凝胶体系。与原淀粉凝胶体系润滑性能结果相比发现，与WPC复合后的复合体系润滑性能发生了显著变化，即小麦-WPC体系＞＞豌豆-WPC体系＞马铃薯-WPC体系，WPC 2 种不同的复合方式，对应复合体系表现出显著差异的摩擦学行为。

有研究表明，人们对食物的选择和对食物的看法实际上和社会经济的发展息息相关。未来人类追求食物所带来的享受性口感。因此，关于食品润滑口感的研究也是未来食品必须面对的挑战。目前，很多方法都在研究中。本研究为提升淀粉蛋白质基质食品的润滑口感提供理论参考。