綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化和流變特性的影響

修 琳，張 淼，許秀穎，鄭明珠，劉景圣*

（吉林農業大學食品科學與工程學院，小麥和玉米深加工國家工程實驗室，吉林 長春 130118）

蕎麥屬蓼科雙子葉植物，由于其能適應各種環境，現已在全球范圍生長[1]。淀粉是蕎麥的主要成分，其含量高達70%[2]。蕎麥淀粉由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成，其直鏈淀粉含量是影響其質量的最重要特性之一[3]。與小麥淀粉相比，蕎麥淀粉的直鏈淀粉含量更高（20%～28%）[4]，更易老化，這一不足限制了蕎麥淀粉在加工中的應用。隨著消費者對食品安全的擔憂和動物性蛋白質成本的上升，人們對植物蛋白質的興趣不斷增加。綠豆屬于一種豆科植物，具有排毒、降血脂、抗腫瘤等生物學功能[5]。綠豆蛋白質含量是小麥的2.3 倍、玉米的3 倍、大米的3.2 倍[6]，綠豆蛋白在綠豆中的含量（25%～28%）僅次于淀粉[7]，其氨基酸種類多樣，尤其是賴氨酸含量接近雞蛋[8]，是一種潛在的優質植物蛋白質資源。在亞洲，從綠豆中提取的成分主要是淀粉，而蛋白質在提取淀粉的過程中作為副產物被丟棄[9]，導致蛋白質資源的浪費。

目前，國內外較多文獻報道了蛋白質與淀粉相互作用的研究，如張敏等[10]研究發現大米蛋白會使小麥淀粉凝膠的儲能模量和損耗模量均降低，這可能是由于大米蛋白的加入使得小麥淀粉溶液電負性減弱，淀粉鏈之間的排斥作用減弱所致；豁銀強等[11]研究了大米谷蛋白對大米淀粉凝膠化及凝膠特性的影響，表明通過調控米淀粉中大米谷蛋白含量能夠得到具有不同凝膠特性的米制品；Wu Mangang等[12]研究了肌原纖維蛋白-淀粉復合凝膠的流變學和微觀結構，表明淀粉顆粒的物理狀態極大地影響了肌原纖維蛋白凝膠強度、保水性及微觀結構，與天然淀粉相比較，改性淀粉改善了肌原纖維蛋白凝膠的性能。但目前綠豆蛋白與蕎麥淀粉復配的研究鮮見報道。

本研究將不同比例綠豆蛋白與蕎麥淀粉復配，研究綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化特性、流變特性、凝膠質構特性及微觀結構的影響，以期為蕎麥淀粉在食品加工中的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蕎麥米 遼寧省朝陽市建平縣辛氏米業加工廠；綠豆蛋白 蘭州沃特萊斯生物科技有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

ALPHA1-4LD plus冷凍干燥機 德國Christ公司；RVA-Tec MasterTM快速黏度分析儀（rapid visco analyser，RVA） 澳大利亞Perten公司；MCR302流變儀 奧地利安東帕（中國）有限公司；TA.XT.Plus食品物性測試儀英國Stable Micro System公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡 復納科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蕎麥淀粉-綠豆蛋白復合凝膠的制備

蕎麥淀粉的制備：參考周小理等[13]的方法并加以改動。稱取清理后的蕎麥籽粒500 g，蕎麥籽粒與浸泡液質量比為1∶2.5，加入無水亞硫酸氫鈉2.5 g，室溫浸泡18 h后換水磨漿3 次，先后用篩孔為0.149、0.088 mm的分樣篩進行篩慮，把麩皮、細纖維等物質分離出來，所得細漿乳用10%氫氧化鈉溶液調pH值至10，4 500 r/min離心10 min，棄上清液并除去頂部黃色蛋白質層，反復加蒸餾水洗滌離心3 次，將沉淀溶于蒸餾水調pH值至7，離心，分離出的淀粉在40 ℃鼓風干燥箱內干燥12 h至質量恒定，粉碎過篩孔為0.149 mm分樣篩，即得蕎麥淀粉。

蕎麥淀粉-綠豆蛋白復合凝膠的制備：選擇蕎麥淀粉-綠豆蛋白復配體系（質量比10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0），準確稱量蕎麥淀粉及綠豆蛋白質量，置于燒杯中加入去離子水混合，配成質量分數為10%的懸浮液（以干基計），攪拌均勻后在沸水浴中加熱糊化30 min。

1.3.2 糊化特性的測定

參考劉敏等[14]的方法，將5 種不同質量比的蕎麥淀粉-綠豆蛋白復配體系（10∶0、9.5∶0.5、9.0∶1.0、8.5∶1.5、8.0∶2.0）準確稱量后于RVA鋁盒中加入去離子水，配成質量分數為10%的懸浮液，按照美國谷物化學協會規定方法Standard 2在RVA中進行測定。程序如下：50 ℃保溫1 min ，以6 ℃/min的速率升溫至95 ℃，保溫5 min，再以6 ℃/min的速率降溫至95 ℃，保溫2 min。前10 s內攪拌速率為960 r/min，而后以160 r/min攪拌速率進行測定。

1.3.3 流變特性的測定

參考Liu Dan等[15]的方法并加以改動，取1.3.1節制得的樣品，采用PP25平板測量系統（直徑25 mm，設置間隙1.025 mm）。每次測試均需更換樣品。

靜態流變特性：溫度25 ℃，剪切速率0～300 s－1遞增，再300～0 s－1遞減。本實驗采用冪定律模型對靜態剪切數據點進行回歸擬合，如式（1）所示：

式中：τ為剪切應力/Pa；γ為剪切速率/s－1；n為流體指數；K為稠度系數/（Pa·sn）。

動態黏彈性測定：在溫度25 ℃、應變力1%的條件下測定振蕩頻率在0.1～10 Hz內儲能模量（G’）、損耗模量（G”）、損耗角正切值tanδ隨角頻率變化的情況，測定樣品的黏彈性。樣品用硅油覆蓋以防止水分蒸發。

1.3.4 質構特性的測定

將1.3.1節糊化完成的樣品在室溫條件下冷卻，密封，4 ℃條件下冷藏24 h，用于質構測定。測試條件：TPA模式，P 0.5探頭，測試前速率1.0 mm/s，測試速率1.0 mm/s，測試后速率1.0 mm/s；壓縮程度40%；觸發力5 g。

1.3.5 微觀結構觀察

參考Ma Shuping等[16]的方法，采用掃描電子顯微鏡進行微觀結構的觀察。將RVA制得的樣品在平皿中均勻涂膜，涼至室溫后在－80 ℃冰箱中預冷凍24 h，再進行冷凍干燥。將干燥好的樣品橫切成薄片固定于樣品臺上，經離子濺射儀噴金后，使用掃描電子顯微鏡在10 kV加速電壓下對樣品進行觀察并拍攝其凝膠基質剖面顯微結構。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化特性的影響

表1 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復配體系糊化特征值Table 1 Gelatinization characteristics of buckwheat starch and mung bean protein blends at different mixing ratios

由表1可以看出，與蕎麥淀粉相比，添加綠豆蛋白后，蕎麥淀粉的峰值時間、糊化溫度均顯著增加（P＜0.05），隨著綠豆蛋白添加比例的增大，蕎麥淀粉的峰值黏度、崩解值顯著降低，終值黏度、回生值呈先升高后降低趨勢。在糊化過程中，蛋白質會圍繞在淀粉顆粒周圍，此外，淀粉與蛋白質帶相反電荷，通過靜電作用或誘導淀粉、蛋白質顆粒相互吸引，從而降低了淀粉的吸水速度，抑制淀粉顆粒的分解[17]，使得淀粉糊化的過程變緩，峰值時間延長，糊化溫度升高。回生值反映淀粉糊化后分子重新結晶的程度，在初期老化過程中，回生值的大小主要與直鏈淀粉分子的重結晶相關[18-19]，回生值越大說明越容易老化。與蕎麥淀粉相比，蕎麥淀粉-綠豆蛋白質量比為9.5∶0.5時回生值升高，隨著綠豆蛋白添加比例的增加，回生值顯著降低，說明綠豆蛋白阻礙了直鏈淀粉與氫鍵結合，減弱了淀粉分子的聚集程度，抑制了淀粉分子移動重排，從而降低回生值，抑制短期回生。這一結果與代蕾等[20]的研究相反，說明綠豆蛋白可防止蕎麥淀粉老化。崩解值越大，耐剪切性越差，峰值時間越短，表明糊化越容易。隨著綠豆蛋白添加比例的增大，崩解值顯著降低，這是由于淀粉顆粒周圍包裹著的蛋白質分子增大了空間位阻排斥，使得淀粉糊化的熱穩定性增加，從而降低了蕎麥淀粉的崩解值，這一結果與Villanueva等[21]研究相似。峰值黏度隨著綠豆蛋白添加比例的增加而顯著降低（P＜0.05），這可能是由于綠豆蛋白對蕎麥淀粉濃度的稀釋效應所致。

2.2 綠豆蛋白對蕎麥淀粉流變特性的影響

2.2.1 靜態流變特性

蛋白與淀粉復合體系的靜態剪切特征如圖1所示，通過冪定律（R2＞0.98）對流變參數進行回歸擬合，所得參數見表2。隨著剪切速率的增大，體系所需的剪切應力逐漸增大，隨著蛋白添加比例的增大，體系所需的剪切應力逐漸減小。當剪切速率降低時，體系結構不能短時間恢復，導致黏性變化曲線不能與原曲線重合而形成滯后環，出現觸變性。觸變環的面積越小表明體系黏性保持效果越好，因此觸變環面積可以表示淀粉結構被破壞所需要的能量[22]。圖1中下行線的剪切應力低于上行線，因此每個樣品均呈現順時針環狀[23]。隨著蛋白質添加比例的增大，觸變環的面積變小，說明蛋白質與淀粉相互作用增強使得凝膠網絡受剪切應變的破壞較小。

圖1 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復配體系靜態流變曲線Fig. 1 Static rheological curves of buckwheat starch and mung bean protein blends at different mixing ratios

表2 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復配體系冪律模型參數Table 2 Power-Law model parameters of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios

由表2可知，相關系數R2在0.987 8～0.998 5范圍內，表明冪定律對流變特征曲線的擬合度較高。K與增稠能力有關，K值越大增稠效果越好[24]。隨著蛋白添加比例的增大K值降低，說明體系稠度降低，這也證實了RVA得出的復合凝膠黏度降低得到結論。流體指數n的大小反映了與牛頓流體的接近程度，n=1時為牛頓流體。較低的n值表明流體具有較高程度的假塑性。表中所有的流體指數n（0.003 8～0.011 9）均小于1.0，表明體系為假塑性流體，存在剪切稀化現象。

2.2.2 動態流變特性

圖2 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復配體系動態模量（AA、BB）及ttaannδ（C）隨角頻率變化曲線Fig. 2 Dynamic modulus and tanδ of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios as a function of angle frequency

如圖2所示，添加綠豆蛋白改變了G’和G’’。G’和G’’的大小與角頻率相關，并且在測量的頻率范圍內（0.1～10 Hz）兩模量之間沒有交叉。此外，G’和G’’均隨著角頻率的增大而增大，且G’遠大于G’’，表明蕎麥淀粉與綠豆蛋白復合凝膠屬于典型的弱凝膠動態流變學體系[24]，這一結果與Chen Haiming等[25]研究類似。動態流變性質的差異與直鏈淀粉的含量有關[26]。復合凝膠的G’和G’’均隨著綠豆蛋白添加比例的增大而降低，且復合凝膠的G’和G’’均低于蕎麥淀粉凝膠，這是由于綠豆蛋白包圍淀粉顆粒并抑制其膨脹，阻礙直鏈淀粉釋放，直鏈淀粉無法重排從而不能形成連續的網絡結構，進而削弱了蕎麥淀粉的凝膠網絡，使彈性凝膠的形成受到抑制[27-28]。這一結果與Niu Liya等[29]的研究類似，也證實了硬度降低的結論。損耗角正切值tanδ為G’’和G’的比值，tanδ越大，體系流動性越強，tanδ越小，固體特性越強。添加綠豆蛋白后體系的tanδ增大，表明體系的固體特性減弱，綠豆蛋白的加入使體系流動性增強，隨著綠豆蛋白添加比例的增大，體系的黏彈性從固體狀轉變為液體狀。

2.3 綠豆蛋白對蕎麥淀粉凝膠質構特性的影響

表3 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復配體系質構參數Table 3 Texture parameters of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios

由表3可知，添加綠豆蛋白使蕎麥淀粉凝膠發生了顯著變化（P＜0.05），隨著綠豆蛋白添加比例的增大，蕎麥淀粉凝膠的硬度、膠黏性、咀嚼性降低。不同添加比例的綠豆蛋白對蕎麥淀粉凝膠的彈性和內聚性無明顯影響。淀粉凝膠的硬度與直鏈淀粉含量密切相關，直鏈淀粉含量越大，分子間相互交聯和纏繞的程度越高，因此淀粉凝膠的硬度越大。綠豆蛋白的添加阻礙了直鏈淀粉分子間聚集重排，削弱了直鏈淀粉分子間作用力，使得復合物硬度降低，凝膠更為柔軟。

2.4 綠豆蛋白對蕎麥淀粉凝膠微觀結構的影響

圖3 不同配比蕎麥淀粉與綠豆蛋白復配體系微觀結構掃描電鏡圖Fig. 3 SEM images of microstructure of buckwheat starch and mung bean protein blends with different mixing ratios

由圖3A可以看出，未添加綠豆蛋白的蕎麥淀粉凝膠呈現出均勻多孔的結構，類似于蜂巢狀。孔隙是貯存期間水分布的地方，較大的孔隙和較厚的壁表示淀粉碎片之間的纏結力增強，從而引起排斥力使水從均勻的凝膠相中分離出來[30]。凝膠經冷凍干燥后其結構中大量冰晶升華導致凝膠網絡結構類似蜂巢。在凝膠結構中沒有看到殘余的蕎麥淀粉顆粒。觀察圖3B～E可以發現凝膠網絡孔隙逐漸變大，孔壁變薄，這是由于隨著蛋白添加比例的增大，淀粉含量降低，導致凝膠網絡結構疏散；此外，淀粉顆粒周圍包裹著的蛋白質分子增大了空間位阻排斥，從而使凝膠中存在大量的水，使得凝膠孔隙變大。這與Joshi等[31]的研究結果類似。

3 結 論

向蕎麥淀粉中添加綠豆蛋白后，復合凝膠的黏度、終值黏度、崩解值和回生值均顯著降低（P＜0.05），且隨著綠豆蛋白添加比例的增大而減小；綠豆蛋白的添加降低了復合凝膠的硬度、膠黏性和咀嚼性，使凝膠質地更為柔軟。

綠豆蛋白與蕎麥淀粉復合凝膠是典型的假塑性流體。復合凝膠假塑性特性隨著綠豆蛋白添加比例的增大而增強，剪切變稀現象更明顯；微觀結構顯示，添加綠豆蛋白后，體系孔隙變大，孔壁變薄，且隨著綠豆蛋白添加比例增大現象更為明顯，形成了松散的網絡結構，黏度降低。