不同淀粉对大豆分离蛋白流变学及钙促凝胶特性的影响
2023-05-30雷仪灿任仙娥陶雨
雷仪灿 任仙娥 陶雨
摘要：为探究不同种类淀粉对蛋白质性质的影响，以大豆分离蛋白为原料，分别将大米淀粉、糯米淀粉、小麦淀粉、玉米淀粉、绿豆淀粉、豌豆淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉8种淀粉添加到大豆分离蛋白中，利用流变仪和质构仪来研究不同淀粉对大豆分离蛋白流变学性质和钙促凝胶特性的影响。结果表明，添加淀粉能改变大豆分离蛋白的黏度，且不同淀粉形成的复合物黏度不同，其中添加糯米淀粉形成的复合物黏度最高。对于不同淀粉-大豆分离蛋白复合物形成的钙促凝胶，除豌豆淀粉外，其余淀粉的添加均能缩短大豆分离蛋白凝胶成胶时间，降低成胶温度，增加最终G′值，其中添加绿豆淀粉时最终G′值最高。同时，添加8种淀粉均能显著增加大豆分离蛋白凝胶的硬度（P<0.05），其中绿豆淀粉-大豆分离蛋白复合凝胶的硬度最大。此外，添加淀粉也能改变大豆分离蛋白凝胶的黏性、弹性、内聚性、胶着性和咀嚼性，添加不同淀粉其变化不同。该研究为淀粉-大豆蛋白植物基食品的开发提供了理论参考。
关键词：大豆分离蛋白；淀粉；淀粉-大豆分离蛋白复合物；流变学；复合凝胶
中图分类号：TS201.21 文献标志码：A 文章编号：1000-9973（2023）05-0037-07
Abstract： In order to explore the effects of different kinds of starches on protein properties， soybean protein isolate is used as the raw material， and eight kinds of starches， including rice starch， glutinous rice starch， wheat starch， corn starch， mung bean starch， pea starch， potato starch and tapioca starch， are added into soybean protein isolate. Rheometer and texture analyzer are used to study the effects of different starches on the rheological properties and calcium-promoted gel properties of soybean protein isolate. The results show that the addition of starches could change the viscosity of soybean protein isolate， the viscosity of the complexes formed by different starches is different， and the viscosity of the complex formed by adding glutinous rice starch is the highest. For calcium-promoted gel formed by complexes of different starch-soybean protein isolates， except for pea starch， the addition of other starches could all shorten the gelation time of soybean protein isolate， reduce the gelation temperature， and increase the final G' value. The final G' value is the highest when mung bean starch is added. At the same time， adding the eight kinds of starches could all significantly increase the gel hardness of soybean protein isolate （P<0.05）， among which， the hardness of mung bean starch-soy protein isolate composite gel is the greatest. In addition， the addition of starches could also change the viscosity， elasticity， cohesion， gumminess and chewiness of soybean protein isolate gel， and the changes are different with adding different starches. This study has provided theoretical references for the development of starch-soy protein plant-based foods.
Key words： soybean protein isolate; starch; starch-soy protein isolate complex; rheology; composite gel
大豆分離蛋白是一种优质的植物蛋白，其营养价值高且具有凝胶性、乳化性、溶解性等功能特性，能改善食品质地，被广泛应用于食品加工领域[1-2]。淀粉是一类高分子碳水化合物，种类繁多，加热糊化后具有增稠性、稳定性及乳化性等功能性质，因而常被用于食品增稠、调节食品质构以及稳定食品结构等[3-4]。通过共聚改性的方式，蛋白质与淀粉能发生相互作用，在疏水相互、氢键、静电等作用力下形成淀粉-蛋白复合物[5]。对食品的质地、稳定性和消化率都起着重要的作用，成为食品工业中的研究热点[6]。
流变学是力学的一个分支，通过测定食品流变学特性，可以评估食品质量，从而优化食品品质[7]。大豆分离蛋白的凝胶性是指通过蛋白分子聚集，形成三维凝胶网络结构的现象[8]。当大豆分离蛋白浓度低于成胶浓度时，要加入交联剂促进凝胶的形成。硫酸钙作为交联剂的一种，其Ca2+一方面能屏蔽蛋白表面负电荷，另一方面能与蛋白上的羧基结合形成“钙桥”，最终诱导形成稳定的凝胶网络结构[9]。吴满刚等[10]发现不同淀粉对肌原纤维蛋白流变学的影响不同。王诗萌等[11]研究表明 3种不同淀粉对虾蛄肌原纤维蛋白凝胶强度的影响不同。因此，淀粉能影响蛋白的流变学性质和凝胶特性，且不同淀粉对其影响程度不同[12-14]。
基于此，本文应用流变仪和质构仪分析8种不同的淀粉对大豆分离蛋白流变学及钙促凝胶特性的影响，为淀粉在大豆制品中的应用以及淀粉-大豆蛋白植物基食品的开发提供了理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
大豆分离蛋白（蛋白含量为91.1%）：山东禹王生态食业有限公司；大米淀粉、糯米淀粉：无锡金农生物科技有限公司；小麦淀粉：上海綠苑淀粉有限公司；玉米淀粉：玉锋实业集团有限公司；绿豆淀粉：衡水福桥淀粉有限公司；豌豆淀粉：烟台双塔食品股份有限公司；马铃薯淀粉：临洮县东升马铃薯制品有限公司；木薯淀粉：南宁荟力生化科技有限公司；硫酸钙（分析纯）：广东省台山市化工厂。
1.2 仪器与设备
DF-101S恒温加热磁力搅拌器 河南予华仪器有限公司；TA-XT Plus质构分析仪 英国Stable Micro System公司；MCR 72旋转流变仪 奥地利Anton Paar有限公司。
1.3 方法
1.3.1 淀粉-大豆分离蛋白复合物的制备
用去离子水配制质量分数为6%的大豆分离蛋白分散液，分别加入质量分数为2%的大米淀粉、糯米淀粉、小麦淀粉、玉米淀粉、绿豆淀粉、豌豆淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉，混合均匀配制成不同的淀粉-大豆分离蛋白复合物，作为未加热的样品。将此复合物取出一部分，在90 ℃下边加热边搅拌30 min，让淀粉充分糊化，冷却后备用，作为热处理后的样品。再分别配制质量分数为6%和8%的大豆分离蛋白分散液作为空白样品和对照样品。
1.3.2 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物流变学性质分析
1.3.2.1 黏度-温度扫描
选择直径50 mm的平板，平板间距设置为1 mm，分别将未加热的不同淀粉-大豆分离蛋白复合物上样，刮边除去多余的液体后在转子周围涂上植物油，防止高温下水分蒸发，随后进行黏度-温度扫描。设定剪切速率50 s－1，以2 ℃/min的速率从25 ℃升温至90 ℃，记录黏度随温度的变化情况。
1.3.2.2 黏度-剪切速率扫描
参考李晓惠等[15]的方法，选择直径50 mm的平板，平板间距设置为1 mm，在25 ℃下分别对热处理后不同淀粉-大豆分离蛋白复合物进行黏度-剪切速率扫描。剪切速率测定范围10～1 000 s－1，测定黏度随剪切速率的变化情况。
1.3.2.3 模量-频率扫描
参考安红周等[16]的方法，选择直径50 mm的平板，平板间距设置为1 mm，在25 ℃下分别对热处理后不同淀粉-大豆分离蛋白复合物进行模量-频率扫描。设定应变为0.5%，频率扫描范围0.1～10 Hz，测定样品储能模量G′、损耗模量G″随频率的变化情况。
1.3.3 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的特性分析
1.3.3.1 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的流变学性质分析
分别向1.3.1制得的热处理后不同淀粉-大豆分离蛋白复合物中加入硫酸钙溶液（0.35%），搅拌均匀，使用旋转流变仪模拟凝胶形成试验。选择直径50 mm的平板，设置平板间距1 mm，将样品上样，刮去多余液体，在转子周围涂上植物油，防止高温下水分蒸发。温度扫描参数：应变0.5%，频率1 Hz。温度扫描全过程： 25 ℃升温至90 ℃，升温速度为2 ℃/min，90 ℃下保持30 min，再从90 ℃降温至25 ℃，降温速度为2 ℃/min。记录储能模量（G′）和损耗模量（G″）随时间和温度的变化情况。温度扫描完成后，直接对样品进行频率扫描，设应变为0.5%，频率扫描范围0～10 Hz，记录G′和G″随角频率的变化情况[17]。
1.3.3.2 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的质构特性分析
分别向热处理后不同淀粉-大豆分离蛋白复合物中加入硫酸钙溶液（0.35%），搅拌均匀，于90 ℃中保温20 min后，取出冷却至常温，置于4 ℃冰箱中静置过夜后测试。参考Yu等[18]的方法，稍作修改。取出复合凝胶，常温下平衡30 min，将制得的凝胶制成直径30 mm、高20 mm的圆柱体，对复合凝胶进行TPA （texture profile analysis）测定。测定参数设置：探头为P/36 R，测试前速度为2 mm/s，测试速度为1 mm/s，返回速度为1 mm/s，触发力为5 g，压缩比为30%，停顿3 s。
1.3.4 数据处理
本实验所有数据均经过3次测量，实验结果均以平均值±标准差表示。采用SPSS 21.0进行数据统计分析，并用Duncan多重比较检验各处理平均数之间的差异显著性（P<0.05），使用Origin 2018作图。
2 结果与分析
2.1 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物流变学性质结果分析
2.1.1 黏度-温度扫描结果分析
不同淀粉-大豆分离蛋白复合物黏度随温度的变化见图1。
6%和8%的大豆分离蛋白样品黏度随温度的升高而下降。而添加淀粉后的样品在温度达到60～75 ℃时，其黏度呈现上升趋势。这可能是因为大多淀粉的糊化温度在60～80 ℃之间，当温度上升到淀粉糊化温度后，复合物中的淀粉开始糊化，故黏度呈上升趋势。其中添加的淀粉不同，黏度开始上升时的温度也不同。添加小麦淀粉后其黏度约在温度为62 ℃时开始上升;添加大米淀粉、糯米淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉或木薯淀粉后其黏度约在温度为65 ℃时开始上升；添加豌豆淀粉或绿豆淀粉后其黏度大约在温度为69 ℃时开始上升。这可能与淀粉的初始糊化温度有关，不同的淀粉初始糊化温度不同。当温度为90 ℃时，黏度大小依次为糯米淀粉>大米淀粉>木薯淀粉>玉米淀粉>小麦淀粉>绿豆淀粉>8%大豆分离蛋白>马铃薯淀粉>豌豆淀粉>6%大豆分离蛋白。可见在温度为90 ℃时，与6%大豆分离蛋白相比，添加这8种淀粉能不同程度地提高其黏度，其中添加糯米淀粉的黏度最高。这可能与淀粉中的支链含量有关，支链淀粉加热易糊化且糊化后松散程度高，具有较高的黏度[19]，因而支链含量越高的淀粉黏度越高，而糯米淀粉支链含量几乎为100%，所以添加糯米淀粉后黏度最高。
2.1.2 黏度-剪切速率扫描结果分析
不同淀粉-大豆分离蛋白复合物的黏度与剪切速率的关系见图2。
各复合物黏度随着剪切速率的增加而减小，属于典型的剪切稀化体系[15]。在相同剪切速率下，添加淀粉后黏度均大于6%大豆分离蛋白；与8%大豆分离蛋白相比，除添加木薯淀粉以外，添加其余淀粉能不同程度地提高黏度。其中添加糯米淀粉形成的复合物黏度最大，这与黏度-温度扫描结果一致。这可能是由于加热处理后复合物中的淀粉糊化并与大豆分离蛋白发生相互作用，导致黏度增加，然而可能是由于不同淀粉直链和支链的比值不同，所以添加不同淀粉其黏度变化也不同。
2.1.3 模量-频率扫描结果分析
在流变学中，储能模量G′代表弹性性质，损耗模量G″代表黏性性质[15]。由图3可知，热处理后的淀粉-大豆分离蛋白复合物储能模量和损耗模量都随着频率的增加而增加，且模量对频率依赖比较高，出现G′-G″交点，属于聚合型凝胶[16]。损耗系数（tan=G″/G′， <1突出固体弹性性质，>1突出液体黏性性质。热处理后的不同淀粉-大豆分离蛋白复合物在频率为0.1～1.6 Hz时tan 均随频率的增加而增大，说明G″增加速率大于G′，且在频率趋于1.6 Hz时，tan 出现峰值，且均大于1，说明各混合物趋于液体状态。综上所述，淀粉的加入虽然能够提升整体黏度，但是不能使其形成凝胶，复合物仍呈液态。
2.2 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的特性结果分析
2.2.1 不同淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的流变学性质结果分析
蛋白质凝胶的流变学特性可以用来表征凝胶的黏弹行为。 G′
不同淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的流变学曲线见图4。
在温度从25 ℃上升至90 ℃的过程中，各复合凝胶的G′和G″均呈上升趋势。随着温度的升高，大豆分离蛋白表面疏水基团和巯基暴露出来，硫酸钙中的Ca2+中和了一部分表面负电电荷，降低了表面静电斥力，使蛋白与淀粉聚集，G′和G″开始增大。最初G′ 不同淀粉与大豆分离蛋白形成的复合凝胶成胶温度、成胶时间以及最终G′值见表1。 从凝胶成胶时间和成胶温度来看，除添加豌豆淀粉形成的复合凝胶以外，其余7种复合凝胶成胶时间和成胶温度显著低于单一的6%及8%的大豆分离蛋白凝胶（P<0.05）；从凝胶形成的最终G′值来看，8种淀粉最终G′值均大于单一的6%及8%的大豆分离蛋白凝胶，其中添加绿豆淀粉形成的复合凝胶最终G′最高。成胶时间和成胶温度的缩短可能是因为热处理后大豆分离蛋白热变性，使被埋藏的基团暴露出来，而淀粉中带有大量的羟基，可与大豆分离蛋白中的羧基和氨基形成氢键，加快凝胶形成。此外，Ca2+作为游离羧基之间的桥梁，进一步促进共混凝胶的形成[22]。而添加豌豆淀粉增加了成胶时间，可能与豌豆淀粉本身特性有关，也可能与糊化后黏度有关，2.1.1结果显示其黏度小于其他复合物；同时最终G′值的升高可能是因为淀粉糊化后与大豆分离蛋白产生相互作用。此外还要说明的是，添加不同种类的淀粉，成胶时间、成胶温度、最终G′值也有所不同。其一，可能与淀粉颗粒大小有关，淀粉颗粒大小不同对大豆分离蛋白凝胶的影响作用可能也不同；其二，可能与糊化后的黏度有关，由2.1.1的分析可知，添加不同淀粉会使最终复合物的黏度不同，比较发现，黏度与成胶时间、成胶温度可能存在一定联系，黏度较大的前4种糯米淀粉-大豆分离蛋白复合物、大米淀粉-大豆分离蛋白复合物、木薯淀粉-大豆分离蛋白复合物以及玉米淀粉-大豆分离蛋白复合物其成胶时间及成胶温度也较短，但与黏度大小并不是一一对应，这可能是因为并不是黏度一种因素在影响复合物的成胶时间及成胶温度。 温度扫描完成后，对形成的复合凝胶进行频率扫描，进一步探索不同淀粉-大豆分离蛋白形成的复合凝胶特性，不同淀粉-大豆分离蛋白复合凝胶频率扫描曲线见图5。 由图5可知，各凝胶的G′均大于G″，G′与G″没有交点，凝胶的储能模量随着频率的增加有微弱的变化，对频率有一定的依赖性，属于物理型凝胶[16]。此外，可以看出添加淀粉后的复合凝胶G′均大于未添加淀粉的单一凝胶，且随频率的增加略微增加，表现出较好的黏弹性。但是单一的8%大豆分离蛋白凝胶有明显的下降趋势，说明其凝胶网络结构比较松散。因此，相对于单一的凝胶，添加淀粉后形成的复合凝胶网络结构更牢固。 损耗系数可以反映凝胶网络的性质，损耗系数=G″/G′，<1突出固体弹性性质，>1突出液体黏性性质，损耗系数越小表明凝胶网络结构形成得越好。由图5可知，8种复合凝胶以及2种单一凝胶的损耗系数在0.2～0.32之间，均小于1。这说明凝胶已经形成，对比2.1.3结果来看，说明添加硫酸钙能够促使复合物由液态变为凝胶态，促进凝胶网络的形成。此外，除添加豌豆淀粉以外，添加其余淀粉形成的复合凝胶损耗系数均小于6%大豆分离蛋白凝胶，这说明添加淀粉后形成的复合凝胶网络结构比6%大豆分离蛋白凝胶好。 2.2.2 淀粉-大豆分离蛋白复合物硫酸钙诱导凝胶的质构特性结果分析 凝胶硬度是模拟牙齿二次挤压复合凝胶使其变形30%所需要的力度；黏性是第一次压缩曲线达到力量零点时到第二次压缩曲线开始之间的曲线的负面积；弹性是受挤压的复合凝胶在无外力时的恢复性能；内聚性是复合凝胶被第一次压缩变形后抵抗第二次压缩变形的程度，能反映出凝胶蛋白内部的结合程度；胶着性表示咀嚼半固体食品至可吞咽状态时所需的能量；而咀嚼性是复合凝胶硬度指标的补充参数[22]。不同淀粉对大豆分离蛋白凝胶质构特性（凝胶硬度、黏性、弹性、内聚性、胶着性、咀嚼性）的影响见表2。 从凝胶硬度变化来分析，添加不同的淀粉其凝胶硬度不同，凝胶硬度从大到小依次为绿豆淀粉>木薯淀粉>小麦淀粉>玉米淀粉>糯米淀粉>大米淀粉>马铃薯淀粉>豌豆淀粉>8%大豆分离蛋白>6%大豆分离蛋白，添加淀粉后的凝胶硬度均显著提高（P<0.05），其中绿豆淀粉形成的复合凝胶硬度最大，这与流变学结果基本一致，但不是一一对应的，这可能是由于两种方式的受力不同。而复合凝胶硬度增大可能是由于“填充效应”，淀粉糊化吸水膨胀后，填充在大豆分离蛋白凝胶网络结构的空隙中，形成更致密的凝胶网络结构，使复合凝胶强度增大；而不同淀粉对大豆分离蛋白凝胶强度的影响不一致，这可能与不同的淀粉颗粒大小形状以及淀粉-蛋白相互作用有关。 分析复合凝胶的黏性、弹性、内聚性、胶着性以及咀嚼性的变化。各复合凝胶与6%大豆分离蛋白凝胶相比，添加大米淀粉、糯米淀粉、小麦淀粉、豌豆淀粉、马铃薯淀粉以及木薯淀粉使黏性显著增大（P<0.05），添加玉米淀粉和绿豆淀粉使黏性无显著变化（P>0.05）。8种淀粉使弹性、内聚性、胶着性和咀嚼性均显著增大（P<0.05）；各复合凝胶与8%大豆分离蛋白凝胶相比，8种淀粉均使黏性顯著增大（P<0.05）。添加糯米淀粉、小麦淀粉、玉米淀粉以及木薯淀粉使弹性无显著性变化（P>0.05），添加大米淀粉、豌豆淀粉以及马铃薯淀粉使弹性显著减小（P<0.05），添加绿豆淀粉使弹性显著增大（P<0.05）。添加糯米淀粉以及绿豆淀粉使内聚性显著增大（P<0.05），添加大米淀粉、小麦淀粉、玉米淀粉、豌豆淀粉、马铃薯淀粉以及木薯淀粉使内聚性显著降低（P<0.05）。添加大米淀粉、糯米淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、绿豆淀粉以及木薯淀粉使胶着性和咀嚼性均显著增大（P<0.05），添加豌豆淀粉使胶着性和咀嚼性显著减小（P<0.05），马铃薯淀粉使胶着性无显著变化（P>0.05），咀嚼性显著减小（P<0.05）。这说明不同的淀粉对大豆分离蛋白凝胶质构特性的影响不同，并且不一定能改善凝胶所有质构特性指标。通过比较可知，添加绿豆淀粉形成的复合凝胶硬度、弹性、内聚性、胶着性、咀嚼性最好，添加豌豆淀粉形成的复合凝胶黏性最好，因此可根据需要选择适宜的淀粉。 3 结论 本文通过在大豆分离蛋白体系中添加不同淀粉，研究不同淀粉对大豆分离蛋白流变学特性及大豆分离蛋白钙促凝胶特性的影响。流变结果表明，淀粉的添加不会改变大豆分离蛋白的状态，复合物仍呈液态。但添加淀粉后大豆分离蛋白的黏度会受到影响，且其黏度与添加淀粉的种类有关，即与淀粉的直链和支链的比值有关，其中糯米淀粉-大豆分离蛋白复合物的黏度最大。添加豌豆淀粉会使大豆分离蛋白凝胶成胶温度升高，延长成胶时间，增加最终G′值；而添加大米淀粉、糯米淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、绿豆淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉均能降低大豆分离蛋白凝胶成胶温度，缩短成胶时间，提升最终G′值。其中，木薯淀粉-大豆分离蛋白复合凝胶成胶最快，绿豆淀粉-大豆分离蛋白复合凝胶的G′值最大。此外，成胶时间、成胶温度与复合物黏度有一定关系。质构结果表明，不同的淀粉对大豆分离蛋白凝胶质构的影响不同，其中添加绿豆淀粉形成的复合凝胶硬度、弹性、内聚性、胶着性、咀嚼性最好，添加豌豆淀粉形成的复合凝胶黏性最好。本文结果对淀粉在大豆制品中的应用及开发淀粉-大豆蛋白植物基食品具有一定的借鉴意义。 参考文献： [1]龙慧，李祎，朱叶力，等.银耳多糖与大豆分离蛋白的相互作用及流变性能[J].食品科学，2022，43（16）：160-168. 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