黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉理化性质的影响

任顺成，张丹丹

河南工业大学 河南省天然色素制备重点实验室，河南 郑州 450001

淀粉是一种广泛应用于食品工业的多糖，也是人们日常饮食中的主要碳水化合物，是人体代谢的主要能量来源[1]。然而，以淀粉为基础的食品通常能量密集，蛋白质不足，表现出较高的升糖指数[2]。因此，蛋白质通常被用来与淀粉混合制备低血糖指数(GI)、营养均衡的食品[3-4]。但淀粉与蛋白复配后不仅会影响淀粉的消化特性，也会影响淀粉的回生、冻融等加工特性，这种影响与蛋白质来源、浓度和组成等因素有关[5-6]。

关于蛋白质对淀粉回生及冻融稳定性的研究多集中于谷物蛋白。林旭辉等[12-13]发现麦谷蛋白和乳清蛋白水解物能够延缓淀粉的回生。付田田等[14]发现大米肽能够改善淀粉的冻融稳定性。Luo等[15]发现大豆分离蛋白-黄原胶复合物能与淀粉分子之间形成静电和疏水相互作用，从而抑制淀粉回生并延缓淀粉的脱水收缩。作者通过预试验发现黑豆蛋白和扁豆蛋白能够减缓小麦淀粉的消化，而关于黑豆蛋白和扁豆蛋白对淀粉老化、冻融稳定性等的影响目前尚未见报道。因此，作者主要对黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉的糊化、老化、冻融稳定性等理化性质进行了分析，以期为改善淀粉类食品品质以及低GI功能食品开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑豆(产地辽宁朝阳)、扁豆(产地内蒙古赤峰)：赣州康瑞农产品有限公司；黑豆蛋白(含量87%)、扁豆蛋白(含量92%)：实验室自制；直链淀粉标准品(A0152)、支链淀粉标准品(10120)：北京索莱宝科技有限公司；小麦淀粉、异硫氰酸荧光素(FITC，偶联级)、罗丹明B(AR)：上海源叶生物科技有限公司；其他试剂:郑州新丰化验器材有限公司。

1.2 仪器与设备

UV-1600B紫外可见分光光度计：上海美谱达仪器有限公司；PHS-3C雷磁酸度计：上海仪电科学仪器股份有限公司；BT-9300S粒度分布仪：丹东百特仪器有限公司；FV3000激光扫描共聚焦显微镜：奥林巴斯(中国)有限公司；Q20差示扫描量热仪：美国TA仪器；TDL-5A台式低速离心机：江苏省金坛市医疗仪器厂；TA-XT Plus 质构仪：英国SMS公司。

1.3 试验方法

1.3.1 小麦淀粉基本成分的测定

小麦淀粉水分测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》。小麦淀粉中直链淀粉含量测定参照GB/T 15683—2008《大米直链淀粉含量测定》。

1.3.2 小麦淀粉粒径的测定

准确称取0.5 g小麦淀粉于试管中，加入黑豆蛋白和扁豆蛋白溶液，使黑豆蛋白和扁豆蛋白质量均占淀粉干基的10%、20%、40%，加去离子水得到1%的淀粉溶液，混合均匀后80 ℃加热10 min，冷却至室温后在粒度仪上测定，折光率5%～6%，介质折射率1.33。

1.3.3 小麦淀粉热力学特性的测定

称取2 mg小麦淀粉，加入黑豆蛋白和扁豆蛋白溶液6 μL于铝盒中，使黑豆蛋白和扁豆蛋白质量均占淀粉干基的10%、20%、40%，封盖后在4 ℃条件下平衡24 h，使用差示扫描量热仪测定黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响。以空铝盒作空白对照，以10 ℃/min从30 ℃加热到95 ℃，由DSC曲线确定起始温度(To)、峰值温度(Tp)、终止温度(Tc)及糊化焓(ΔHg)。将测定后的样品于4 ℃储存7 d，在相同条件下再次扫描样品可得到回生焓(ΔHr)，计算老化度(R)。

R=ΔHg/ΔHr×100%。

1.3.4 小麦淀粉冻融稳定性的测定

参考陈金玉等[16]使用的方法并稍加修改，配制3%的淀粉溶液，糊化后于-20 ℃保存24 h，25 ℃解冻4 h，3 500 r/min离心20 min，计算析水率。

析水率=(Wp-Ws)/Wp×100%，

式中：Wp为淀粉糊质量，g；Ws为沉淀物质量，g。

1.3.5 小麦淀粉质构特性的测定

称取1 g淀粉，加入10 mL的黑豆蛋白和扁豆蛋白溶液，使黑豆蛋白和扁豆蛋白质量均占淀粉干基的10%、20%、40%，然后把加热糊化后的样品放置在4 ℃冰箱中24 h，取出放至室温后进行测定，参数设置参考卫攀杰等[17]使用的方法。

1.3.6 小麦淀粉微观结构的观察

参考Yang等[18]的方法用激光共聚焦显微镜观察有无黑豆蛋白和扁豆蛋白添加的小麦淀粉的微观形态，取适量的糊化淀粉于载玻片上，分别加10 μL的FITC(0.25%，m/V)和罗丹明B(0.025%，m/V)，然后用盖玻片密封样品，使用激光共聚焦显微镜进行观察，FITC和罗丹明B的激发波长分别设为488 nm和553 nm。

1.4 数据处理

采用SPSS 25、Microsoft Excel 2016、Origin 2017进行数据处理和制图。

2 结果与分析

2.1 小麦淀粉基本成分测定

图1为直链和支链淀粉混合标品的标准曲线，拟合得到的回归方程为y=0.010 6x+0.043，R2=0.999 8。曲线拟合良好，由此方程计算得到的小麦淀粉直链淀粉含量为(28.77±2.02)%。测定小麦淀粉的水分含量为(11.23±0.13)%。

图1 直链和支链淀粉混合标品的标准曲线Fig.1 Standard curve of amylose and amylopectin mixture

2.2 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉粒径的影响

表1是不同浓度的黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉糊化过程中粒径的影响。从表1可以看出，加热后小麦淀粉的平均粒径为35.28 μm，黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加能使复合物的平均粒径分别增加至38.66 μm和38.06 μm。随着黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入，蛋白质-小麦淀粉体系中复合物的D10、D50、D90均有增大的趋势，但与蛋白质的添加量不成正比。表明在糊化过程中2种蛋白质均能够影响小麦淀粉的膨胀和糊化性质。蛋白质分子能够与淀粉相互作用而导致粒径增大的原因可能有两种：一是蛋白质分子能够包裹在淀粉颗粒周围，与淀粉分子链相互缠绕导致淀粉分子聚集从而使淀粉颗粒增大；二是通过氢键等相互作用与糊化过程中渗出的直链淀粉分子结合导致粒径明显增加。

表1 2种蛋白质对小麦淀粉粒径的影响Table 1 Effects of two proteins on grain size of wheat starch

2.3 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉热力学特性的影响

2.3.1 糊化热力学特性

表2是小麦淀粉及不同添加量的黑豆蛋白和扁豆蛋白的蛋白-淀粉复合物的糊化结果。由表2可知，黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入均能使淀粉的起始温度(To)和相变终止温度(Tc)升高，但与添加量不成正比，蛋白质-淀粉复合物与纯小麦淀粉相比相变峰值温度(Tp)略有增加。To和Tp升高说明蛋白质的添加使小麦淀粉不易发生糊化。与纯小麦淀粉相比，添加了黑豆蛋白和扁豆蛋白的复合物的糊化焓(ΔHg)也显著降低(除添加10%扁豆蛋白外)，表明2种蛋白质会导致小麦淀粉的最终糊化程度降低。蛋白质能够改变淀粉糊化特性的原因可能是：蛋白质与淀粉争夺水分，改变淀粉糊化过程中的水化程度；蛋白质与直链淀粉发生相互作用从而减少了淀粉分子与水分子的结合导致其糊化温度升高。

表2 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉糊化温度和焓变化的影响Table 2 Effects of black bean protein and lentil bean protein on gelatinization temperature and enthalpy of wheat starch

2.3.2 老化热力学特性

将糊化后的淀粉及复合物在4 ℃条件下储存7 d后，通过DSC分析小麦淀粉的老化特性，结果见表3。与天然小麦淀粉相比，黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加使混合体系的To、Tp、Tc均发生改变。添加黑豆蛋白使小麦淀粉的回生焓降低，当添加量为20%时，小麦淀粉的老化度从11.87%降至2.59%,而扁豆蛋白的加入使小麦淀粉的回生焓增加，说明黑豆蛋白能够抑制小麦淀粉的回生，而扁豆蛋白则能促进小麦淀粉的回生。但是当扁豆蛋白添加量达到40%时回生焓降低，促进回生效果减弱，可能是由于高添加量的蛋白质加入使得混合体系相分散，抑制了支链淀粉的重结晶，说明不同添加量的同一蛋白质对淀粉的回生性质的影响也有所不同。

表3 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉老化温度和焓的影响Table 3 Effects of black bean protein and lentil bean protein on retrogradation temperature and enthalpy of wheat starch

2.4 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉冻融稳定性的影响

冻融稳定性是淀粉的关键特性指标，用来确定结构强度或结构抵抗冻融过程中发生的不良温度冲击的能力。脱水是一种水从凝胶结构中分离的现象，由于被浸出的淀粉分子重组而使凝胶网络收缩[19]。然而，脱水是淀粉凝胶或含淀粉产品的不良现象，因为它与产品变质有关。从图2可以看出，在第1次冻融循环中，随黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加，小麦淀粉的析水率显著下降，说明黑豆蛋白和扁豆蛋白能够有效提高小麦淀粉的冻融稳定性，当黑豆蛋白添加量为40%时小麦淀粉的析水率从60.24%降至49.13%。在第2次冻融循环中，在蛋白质添加量相同的条件下，小麦淀粉的析水率没有第1次变化显著。2种蛋白质能够提高小麦淀粉的冻融稳定性的原因可能是蛋白质能够与小麦淀粉发生相互作用，降低淀粉糊的冻结冰点，增强淀粉形成的凝胶网络结构，使水分子不易从中析出，与王慧云等[20]的研究结果一致。

a．第1次冻融循环 b.第2次冻融循环注：不同字母表示数值有显著差异(P<0.05)。图2 2种蛋白质对小麦淀粉冻融稳定性的影响Fig.2 Effects of two proteins on freeze-thaw stability of wheat starch

2.5 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉质构特性的影响

不同添加量黑豆蛋白和扁豆蛋白的淀粉凝胶的硬度、弹性、黏聚性及胶着性如表4所示。随着2种蛋白质添加量的增加，小麦淀粉的硬度、黏聚性和胶着性显著增大，黑豆蛋白的增加弹性无显著变化，而扁豆蛋白的加入弹性显著增加。淀粉凝胶的硬度主要与体系中的直链淀粉有关，淀粉分子交联程度越大，其硬度就越大。因此推测黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入使淀粉凝胶质地变得坚硬，可能是蛋白质促进了直链淀粉分子的交联和缠绕所致。

表4 2种蛋白质对小麦淀粉质构特性的影响Table 4 Effects of two proteins on texture properties of wheat starch

2.6 黑豆蛋白和扁豆蛋白对小麦淀粉微观结构的影响

小麦淀粉和添加了20%黑豆蛋白与扁豆蛋白的复合物的激光共聚焦显微镜结果如图3所示。罗丹明B能将蛋白质染成红色，FITC能将蛋白质和淀粉都染成绿色[18]，因此，在激光共聚焦显微镜下小麦淀粉呈绿色，蛋白质因红色和绿色叠加而呈黄色(如图3b和图3c中箭头处)。由图3可知，小麦淀粉以大小两种颗粒类型存在，大的呈圆盘状，颗粒粒径为40～50 μm；小的呈圆形，粒径在10 μm左右。经加热糊化以后，吸水膨胀的淀粉颗粒倾向于聚集起来，黑豆蛋白和扁豆蛋白主要存在于大颗粒的间隙和破损颗粒的周围，推测2种蛋白质可能会与糊化过程中浸出的直链淀粉发生相互作用而结合，形成更加致密的网络结构。这也解释了2种蛋白质能够改善淀粉的冻融稳定性，提高糊化温度的原因。

注：a为小麦淀粉对照，b为含20%黑豆蛋白的复合物，c为含20%扁豆蛋白的复合物。图3 糊化后小麦淀粉激光共聚焦图Fig.3 Confocal laser image of wheat starch after gelatinization

3 结论

黑豆蛋白和扁豆蛋白的添加使蛋白-小麦淀粉体系中复合物的D10、D50、D90均有增大的趋势，但与蛋白质的添加量不成正比；黑豆蛋白和扁豆蛋白的加入均能使淀粉的起始温度和相变终止温度升高，糊化焓(除添加10%扁豆蛋白外)降低，使之不易发生糊化；黑豆蛋白能抑制小麦淀粉的老化，黑豆蛋白添加量为20%时，小麦淀粉的老化度从11.87%降至2.59%，扁豆蛋白则能促进小麦淀粉的老化；2种蛋白质均能提高小麦淀粉的冻融稳定性，黑豆蛋白添加量为40%时，小麦淀粉的析水率从60.24%降至49.13%；2种蛋白质均能使小麦淀粉凝胶的硬度增加，黑豆蛋白的加入弹性无显著变化，而扁豆蛋白的加入弹性显著增加。激光共聚焦显微镜图表明，2种蛋白质与小麦淀粉糊化过程中渗出的直链淀粉发生相互作用，形成致密的网络结构。为了更好地了解蛋白质对淀粉的影响机制，应进一步从分子层面探究二者的作用机理。