牛乳蛋白與淀粉相互作用的研究進展

侯佳曼，李丹丹,*，崔 波，陶 陽，韓永斌

（1.南京農(nóng)業(yè)大學食品科技學院，江蘇南京 210095；2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)生物基材料及綠色造紙國家重點實驗室，山東濟南 250353）

淀粉是人類膳食的主要營養(yǎng)成分和能量來源[1]。淀粉基食品的感官品質(zhì)和營養(yǎng)價值主要取決于淀粉在加工過程中其結(jié)構(gòu)包括分子結(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)包括糊化性質(zhì)、流變學特性和消化性質(zhì)等的變化。蛋白質(zhì)作為食品中的主要成分，一方面可與淀粉分子交纏形成凝膠或相分離，改變食品質(zhì)構(gòu)和口感；另一方面，可覆蓋于淀粉表面，限制淀粉酶降解淀粉，從而減緩人體餐后的血糖上升速率[2?4]。添加牛乳蛋白可以改善淀粉基食品如面包、饅頭等的感官品質(zhì)[5]。淀粉作為一種低成本的添加劑如增稠劑、穩(wěn)定劑等亦被廣泛用于改善干酪、酸奶等乳制品的質(zhì)構(gòu)和穩(wěn)定性等[3,6?7]。因此，明晰淀粉和牛乳蛋白之間的相互作用機制，對改善兩種成分共存食品品質(zhì)的意義重大。

劉曉明等[8]于2012 年對淀粉和牛乳蛋白相互作用的研究進行了初步的歸納總結(jié)，綜述了國內(nèi)外學者關(guān)于牛乳蛋白/淀粉混合物的糊化和流變學特性的研究。但是，其報道未涉及淀粉與牛乳蛋白之間的相互作用機制以及牛乳蛋白對淀粉消化性質(zhì)影響的報道。近5 年來，隨著科學技術(shù)的進步、研究手段的增加以及人們健康意識的提高，國內(nèi)外研究者們對淀粉與牛乳蛋白間的相互作用力以及蛋白與淀粉消化性質(zhì)的相關(guān)性進行了深入而廣泛的研究[9?11]。因此，重新對淀粉和牛乳蛋白相互作用的研究進展進行綜述具有必要性。本文綜述了淀粉和牛乳蛋白之間相互作用機制、牛乳蛋白對淀粉的熱性質(zhì)、流變學特性和消化性質(zhì)影響規(guī)律的研究進展，旨在為食品品質(zhì)的改良以及新型功能型食品的開發(fā)提供理論指導。

1 牛乳蛋白和淀粉相互作用方式的研究進展

天然淀粉是由支鏈淀粉分子和直鏈淀粉分子通過氫鍵相互作用有序排列形成的，呈不溶于冷水的顆粒態(tài)結(jié)構(gòu)[12]。顆粒態(tài)淀粉在加熱過程中會吸水溶脹，顆粒結(jié)構(gòu)被破壞，支鏈淀粉和直鏈淀粉分子溶出，分子間氫鍵被打斷，呈無序的分子態(tài)形式[12]。牛乳蛋白的主要成分是酪蛋白和乳清蛋白，其中酪蛋白占總蛋白含量的80%[13]。牛乳蛋白在氫鍵、靜電相互作用、疏水相互作用和范德華力的共同作用下可吸附在淀粉顆粒的表面、與淀粉分子鏈纏結(jié)，或由于生物大分子的熱不兼容性與淀粉分子發(fā)生相分離現(xiàn)象，從而改變淀粉的糊化、回生和流變學性質(zhì)[3,14?15]。

1.1 牛乳蛋白與淀粉顆粒的吸附作用

牛乳蛋白可吸附于淀粉顆粒表面，且研究者們普遍認為淀粉顆粒和蛋白之間的主要作用力為疏水相互作用，氫鍵與范德華力亦參與其中（圖1a）。Noisuwan 等[9]利用激光共聚焦顯微鏡觀察到酪蛋白酸鈉和乳清分離蛋白可吸附在普通和蠟質(zhì)大米淀粉顆粒表面。Xu 等[16]利用色譜法和分子模擬研究發(fā)現(xiàn)，大米蛋白和直鏈淀粉間可自發(fā)地結(jié)合，且主要驅(qū)動力為疏水相互作用。淀粉顆粒在加熱膨脹過程中，表面吸附的蛋白分子一方面限制水分進入顆粒內(nèi)部，另一方面可能與淀粉顆粒糊化過程中泄露的直鏈淀粉分子競爭水分或發(fā)生相互作用，從而改變淀粉的糊化和回生性質(zhì)[3,9]。此外，蛋白覆蓋在淀粉顆粒的表面，可限制口腔中淀粉酶與淀粉的接觸，減慢淀粉消化速率[17]。隨著人們生活節(jié)奏的加快、膳食構(gòu)成的改變，糖尿病、肥胖癥、高血壓等胰島素抵抗相關(guān)的代謝綜合癥比例不斷提升。慢消化淀粉不僅可維持餐后血糖穩(wěn)態(tài)，改善葡萄糖耐量，而且可降低餐后胰島素分泌，提高機體對胰島素的敏感性[18]。因而，利用淀粉和蛋白間的相互作用制備慢消化淀粉已成為近年來的研究熱點。

1.2 牛乳蛋白與淀粉分子的凝膠作用

蛋白和淀粉分子可在一定條件下相互作用形成混合凝膠（圖1b），從而賦予共混體系一些獨特的性質(zhì)，如改善產(chǎn)品的流變學特性等。劉曉明[7]研究發(fā)現(xiàn)，酸奶中的酪蛋白可通過靜電作用吸附于羥丙基二淀粉磷酸酯表面，形成表面帶正電荷的大聚集體，該聚集體可與酪蛋白聚集體通過靜電排斥維持酸奶體系的穩(wěn)定。實際上，羧甲基淀粉、辛烯基琥珀酸淀粉酯、淀粉磷酸酯和乙?；矸奂憾岬葞щ姾傻淖冃缘矸鄯肿?，均可通過靜電力、氫鍵和范德華力的共同作用與蛋白分子相互纏連，形成穩(wěn)定的凝膠，從而改善產(chǎn)品的凍融穩(wěn)定性和流變學特性[6?7,14,19]。其中，靜電相互作用是形成穩(wěn)定凝膠的關(guān)鍵[4,20]。但是，天然的淀粉分子通常不帶電，與蛋白分子間主要通過氫鍵形成不穩(wěn)定的凝膠，二者間無共價鍵形成[21]。Zeng 等[22]利用紅外光譜儀研究玉米醇溶蛋白、面筋蛋白、大豆蛋白和菜籽蛋白等與天然玉米淀粉分子間的相互作用時發(fā)現(xiàn)，紅外譜圖中沒有新的特征峰出現(xiàn)但羥基峰的位置向低波數(shù)方向移動，說明不帶電淀粉與蛋白間的主要作用力為氫鍵，二者間沒有形成新的化學鍵。蛋白與天然淀粉分子間的相互作用會影響淀粉分子鏈的重排，改變淀粉的回生性質(zhì)[23]。

1.3 牛乳蛋白與淀粉分子的相分離現(xiàn)象

相分離是屬于物理學、化學及工程學中的基本概念，即同類物質(zhì)間存在相互聚集或分離的“力”，有助于同類物質(zhì)的快速聚集或解離[24]。對于牛乳蛋白和淀粉分子的混合體系而言，Noisuwan 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在淀粉糊化的后期，隨著淀粉顆粒的破碎，直鏈淀粉逐漸溶出，牛乳蛋白首先與淀粉分子相互纏結(jié)，形成不穩(wěn)定的凝膠，之后隨著溫度的降低，蛋白分子聚集，與淀粉分子間發(fā)生相分離。圖1c 顯示了淀粉和牛乳蛋白的相分離現(xiàn)象，亮光部分為蛋白質(zhì)聚集體，黑暗部分為淀粉聚集體。淀粉分子和蛋白之間的相分離現(xiàn)象通常認為是大分子間的結(jié)構(gòu)不一致性導致的。Vu Dang 等[26]在研究乳清蛋白/天然蠟質(zhì)玉米淀粉混合物過程中觀察到的蛋白質(zhì)聚集體直接證實了相分離現(xiàn)象的存在。與其它多糖/蛋白體系相比，淀粉/牛乳蛋白體系發(fā)生相分離所需濃度通常更高。Olsson 等[27?28]發(fā)現(xiàn)，當β-乳球蛋白濃度為6%時，只有馬鈴薯支鏈淀粉濃度超過0.75%后，蛋白/淀粉凝膠網(wǎng)絡才會發(fā)生相分離。變性淀粉通?？赏ㄟ^靜電相互作用與牛乳蛋白形成穩(wěn)定的凝膠，但在不合適的加工和貯藏條件下，凝膠的穩(wěn)定性會降低，亦可能發(fā)生相分離[6]。

圖1 淀粉與牛乳蛋白相互作用示意圖[9,29]Fig.1 Schematic diagram of interactions between starch and milk protein[9,29]

2 牛乳蛋白對淀粉流變學特性影響的研究進展

2.1 酪蛋白對淀粉流變學特性的影響

淀粉懸浮液的流變學特性取決于溶脹淀粉顆粒所占的體積分數(shù)[3]。淀粉糊化是淀粉和水的懸浮液加熱到一定程度淀粉顆粒吸水溶脹、破裂形成淀粉糊的過程。因此，淀粉糊化性質(zhì)與流變學特性緊密相關(guān)。淀粉的糊化一般包括三個階段，即可逆吸水階段、不可逆吸水階段和顆粒解體階段[1]。酪蛋白通過疏水相互作用吸附于淀粉顆粒表面后，淀粉膨脹受限、糊化起始溫度增加[9]，但依然包括三個階段（圖2）：第一階段即可逆吸水階段，淀粉顆粒分散于牛乳蛋白溶液中并發(fā)生輕微的膨脹，且此時的膨脹是可逆的。此階段，由于淀粉顆粒表面和牛乳蛋白之間的疏水相互作用和氫鍵的存在，部分牛乳蛋白吸附于淀粉顆粒表面[9]。第二階段即不可逆吸水階段，隨著溫度的繼續(xù)升高，大量的水分滲入淀粉顆粒內(nèi)部，導致淀粉顆粒的劇烈膨脹。然而此階段，體系中的部分淀粉顆粒在吸水膨脹過程中被牛乳蛋白或者牛乳蛋白-淀粉分子纏結(jié)物粘附甚至包裹住，覆蓋于淀粉顆粒表面的這一層聚合物與淀粉競爭水分，并造成這部分淀粉顆粒的膨脹和糊化受到抑制，起始糊化溫度增加[3?4]。第三階段即顆粒解體階段，牛乳蛋白一部分通過氫鍵吸附在淀粉顆粒的外表面，一部分則與滲漏出來的可溶性淀粉分子纏結(jié)在一起并逐步包裹在淀粉表面，在抑制淀粉顆粒吸水膨脹的同時，也阻止了淀粉顆粒的破裂，從而導致淀粉糊的峰值黏度發(fā)生變化，且黏度的變化與牛乳蛋白的添加量以及淀粉的來源有關(guān)[30]。淀粉完全糊化后，從膨脹淀粉顆粒中溶出的淀粉分子可與牛乳蛋白相互作用首先形成均勻的混合物，但之后由于生物大分子間的熱不兼容性，牛乳蛋白相互聚集發(fā)生相分離，亦會影響體系的流變學特性。酪蛋白對淀粉糊化過程的影響與親水膠體類似[31]。

圖2 酪蛋白對淀粉糊化過程的作用示意圖[25]Fig.2 Schematic diagram of the effects of casein on starch pasting[25]

酪蛋白可吸附于淀粉顆粒表面或與糊化淀粉分子發(fā)生相分離，從而影響淀粉的流變學特性，但該影響與蛋白的添加量以及淀粉的來源相關(guān)。即使添加極少量的酪蛋白酸鈉（<0.1%）也會影響淀粉懸浮液的糊化行為[9]。但是，酪蛋白添加量不同，對淀粉的流變學特性尤其是淀粉糊黏度有顯著不同的影響[3,25]。一般地，低濃度酪蛋白會引起淀粉糊黏度的降低，而高濃度會導致黏度的增加。例如，添加10%的酪蛋白酸鈉會引起普通大米淀粉峰值黏度的增加，但低濃度添加量（2.5%）時，淀粉糊的黏度降低[32]。淀粉來源不同，其分子結(jié)構(gòu)以及磷酸基團含量不同，與酪蛋白間的相互作用力存在差異。蠟質(zhì)淀粉中直鏈淀粉含量較少，與蛋白作用形成凝膠的強度比普通淀粉和高直鏈淀粉小，因而酪蛋白對蠟質(zhì)淀粉流變學性質(zhì)的影響通常更小[25]。對于玉米淀粉、小麥淀粉、木薯淀粉等磷酸基團含量較少的天然淀粉而言，添加酪蛋白酸鈉會顯著降低淀粉糊中溶脹顆粒的體積分數(shù)以及連續(xù)相中溶解的淀粉分子，從而導致淀粉的膨脹和溶解受限[9,33]。然而，馬鈴薯淀粉顆粒中含有的大量磷酸基團可與酪蛋白酸鈉發(fā)生靜電相互作用，該作用的影響遠大于淀粉與酪蛋白之間的相互作用，導致酪蛋白對其流變學特性的影響與其他淀粉存在差異。Bertolini 等[30]研究發(fā)現(xiàn)添加酪蛋白酸鈉會導致木薯、玉米和小麥淀粉凝膠存儲模量和黏度的提高，但馬鈴薯淀粉呈相反變化。通過光學顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉和酪蛋白酸鈉形成的復合物體系較其他淀粉來說分布更均勻。Kelly 等[34]比較了酪蛋白酸鈉對馬鈴薯淀粉和玉米淀粉流變學性質(zhì)的影響，結(jié)果表明少量酪蛋白酸鈉的吸附即可顯著降低淀粉糊的黏度；但在低水平電解質(zhì)的情況下，由于馬鈴薯淀粉中磷酸基團含量較高，其黏度的降低主要是由非特異性離子效應導致的。對于帶電的變性淀粉來說，與馬鈴薯淀粉類似，可與酪蛋白通過靜電相互作用力形成穩(wěn)定的凝膠，從而改善酸奶的貯藏穩(wěn)定性和稠度[6?7]。

2.2 乳清蛋白對淀粉流變學特性的影響

雖然乳清蛋白也可通過疏水相互作用吸附于淀粉顆粒的表面，從而限制水分進去顆粒內(nèi)部，抑制其膨脹[9]，但是乳清蛋白往往是通過影響淀粉-蛋白凝膠網(wǎng)絡的形成來進一步影響淀粉基食品的流變學特性的[3]。乳清蛋白和淀粉經(jīng)加熱處理后可形成凝膠。兩者混合物形成的凝膠連續(xù)相，既可以是單獨的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡、淀粉網(wǎng)絡，也可以是由淀粉和乳清蛋白相互穿插形成的混合網(wǎng)絡[3]。圖3 為乳清蛋白與木薯淀粉形成凝膠的過程示意圖。加熱前淀粉顆粒分散在乳清蛋白溶液中（圖3a）。隨著溫度的增加，淀粉顆粒糊化，乳清蛋白發(fā)生熱變性，之后兩者通過疏水相互作用和靜電相互作用形成混合凝膠，體系彈性模量增加（圖3b）。乳清蛋白-天然木薯淀粉（WPINTS）混合凝膠由不連續(xù)的淀粉凝膠和蛋白凝膠組成；乳清蛋白-乙?；臼淼矸郏╓PI-ATS）、乳清蛋白-羥丙基木薯淀粉（WPI-HPTS）以及乳清蛋白-交聯(lián)木薯淀粉（WPI-CLTS）混合凝膠則呈現(xiàn)為乳清蛋白連續(xù)凝膠中穿插著少許的糊化淀粉顆粒片段（圖3c）。

圖3 乳清蛋白與木薯淀粉形成凝膠的示意圖[35]Fig.3 Schematic diagram of gel formation of whey protein and tapioca starch[35]

淀粉/蛋白比例、pH、鹽濃度、離子類型以及淀粉的來源和性質(zhì)均會影響乳清蛋白/淀粉凝膠網(wǎng)絡的性質(zhì)。當?shù)矸?乳清蛋白比例較大時（淀粉濃度>50%），乳清蛋白作為惰性填料會使得淀粉被稀釋，且乳清蛋白和淀粉通過非共價鍵結(jié)合限制了淀粉分子之間氫鍵的作用，從而弱化玉米淀粉凝膠彈性并提高其黏性[2,17,25,36]。當?shù)矸?乳清蛋白比例較小時，淀粉會阻礙乳清蛋白的熱變性或者由于生物大分子的熱不兼容性質(zhì)發(fā)生相分離，從而影響混合凝膠的性質(zhì)[37?38]。乳清蛋白只有在特定的pH 條件下才可形成穩(wěn)定的凝膠。程鵬等[39]發(fā)現(xiàn)分離乳清蛋白與甘薯淀粉混合凝膠的硬度和溶解度均會隨著pH 的增大而減小。Shim 等[40]對分離乳清蛋白和玉米淀粉的混合凝膠的研究也指出，pH 對乳清蛋白-玉米淀粉凝膠的形態(tài)和流變特性有著重要影響。鹽濃度和離子類型不同，乳清蛋白-淀粉混合凝膠的結(jié)構(gòu)和硬度均不同。程鵬[41]發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的增加，混合凝膠的硬度成上升趨勢；不同的離子，如Na+和Ca2+，會使混合凝膠的細微結(jié)構(gòu)分別呈現(xiàn)多孔網(wǎng)狀和顆粒狀兩種不同的狀態(tài)，并且由于價態(tài)不同，它們還會對蛋白質(zhì)分子間的靜電作用產(chǎn)生不同影響，前者可以降低靜電排斥使蛋白溶解度小幅度下降，后者可以有效屏蔽靜電作用，促進蛋白質(zhì)分子聚合。與其他淀粉不同，馬鈴薯淀粉具有磷酸基團，在與乳清蛋白共存時，馬鈴薯淀粉的類型和濃度會影響乳清蛋白的聚集。Olsson 等[28]發(fā)現(xiàn)高黏度的馬鈴薯支鏈淀粉對β-乳球蛋白具有剪切稀化作用，而高濃度的馬鈴薯支鏈淀粉的增加會使得β-乳球蛋白形成的聚集體結(jié)構(gòu)更緊密，相分離現(xiàn)象更顯著，從而導致體系儲能模量和斷裂應力的變化。對于變性淀粉如交聯(lián)蠟質(zhì)玉米淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯來說，可與乳清蛋白通過靜電相互作用形成較穩(wěn)定的凝膠從而顯著改變其流變學特性，且體系的粘彈性行為的變化與乳清蛋白濃度和pH 等因素有關(guān)[14,26,42?43]。

3 牛乳蛋白對淀粉消化性質(zhì)影響的研究進展

淀粉在消化酶的作用下可轉(zhuǎn)化為葡萄糖為人體提供能量，但淀粉快速消化引起的血糖升高對人體健康不利。目前，已有物理、化學和生物等多種方法被用于降低淀粉的消化性[44]。蛋白質(zhì)作為食品中的天然成分，具有安全、健康、營養(yǎng)等特征，其與淀粉間的相互作用亦可用于降低淀粉的消化性。蛋白質(zhì)主要通過以下作用影響淀粉的消化性：第一，蛋白質(zhì)的物理屏障作用（圖4a）。蛋白質(zhì)可作為一種物理屏障，通過疏水相互作用和氫鍵的作用包裹在淀粉顆粒表面，從而限制酶對底物淀粉的水解[45]。楊翠紅等[2,17]研究發(fā)現(xiàn)乳清蛋白網(wǎng)絡可包裹淀粉顆粒，形成抵抗酶解的物理屏障。Zou 等[46]利用共聚焦顯微鏡染色觀察意大利面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)小麥蛋白形成連續(xù)的面筋網(wǎng)絡包裹小麥淀粉顆粒，從而降低了面條淀粉消化性。第二，淀粉消化酶對蛋白質(zhì)的非催化性結(jié)合（圖4a）。淀粉酶能夠結(jié)合蛋白質(zhì)，從而部分地隔離其對淀粉的水解作用。Yu 等[47]提取分離大麥粉中的鹽溶性蛋白和水溶性蛋白組分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水溶性蛋白通過結(jié)合α-淀粉酶降低消化體系酶活，降低大麥淀粉的水解。楊翠紅等[2,17]發(fā)現(xiàn)乳清蛋白水解物可抑制葡萄糖苷酶的活性并增強淀粉和蛋白質(zhì)間的非極性相互作用，從而顯著降低淀粉的消化性。第三，蛋白質(zhì)對糊化淀粉分子重結(jié)晶過程的抑制作用（圖4b）。牛乳蛋白的添加可稀釋糊化淀粉體系，阻礙淀粉分子間重新排列形成有序結(jié)構(gòu)[48]。Yong 等[10]研究添加乳清分離蛋白的小麥淀粉擠出物的理化性和消化性，結(jié)果表明蛋白質(zhì)稀釋淀粉-水相，阻礙了淀粉分子的聚結(jié)和重結(jié)晶，降低淀粉消化率和血糖負荷值。但值得注意的是，馬鈴薯淀粉帶有較多的磷酸基團，可與蛋白發(fā)生較強的靜電相互作用，促進支鏈淀粉在冷卻過程中的重結(jié)晶，從而促進了抗性淀粉的形成[23]?，F(xiàn)有的研究多集中于乳清蛋白對淀粉消化性的影響，酪蛋白對淀粉消化性影響尚未見報道。

圖4 牛乳蛋白影響淀粉消化性質(zhì)的作用機理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the mechanism of the effect of milk protein on starch digestion properties

4 結(jié)論與展望

牛乳蛋白可通過疏水相互作用吸附于淀粉顆粒的表面，抑制淀粉吸水膨脹和淀粉酶的降解作用，從而改變其熱特性、流變學性質(zhì)和消化性質(zhì)。變性淀粉分子（帶電）、馬鈴薯淀粉（磷酸基團含量高）與牛乳蛋白尤其是乳清蛋白間存在較強的靜電相互作用，可形成穩(wěn)定的凝膠，體系彈性模量增加。但是，由于生物大分子的熱力學不兼容性，天然淀粉（不帶電）和牛乳蛋白形成的凝膠不穩(wěn)定，在冷卻過程中，牛乳蛋白之間相互聚集，導致相分離現(xiàn)象，影響淀粉分子鏈的重排，即淀粉的回生；變性淀粉、馬鈴薯淀粉與牛乳蛋白形成的穩(wěn)定凝膠在不適宜的條件下強度會降低，亦可發(fā)生相分離現(xiàn)象。目前，國內(nèi)外關(guān)于淀粉和牛乳蛋白相互作用方面的研究已取得較大進展。但是，現(xiàn)有的研究報道主要集中于牛乳蛋白對淀粉糊化和流變學特性的研究，許多方面仍未得到解決。例如，牛乳蛋白與淀粉顆粒表面、牛乳蛋白與淀粉分子間作用力的差異尚不能完全明確；添加牛乳蛋白有時會增加淀粉糊的黏度有時卻會使其降低，其中的緣由不明；牛乳蛋白尤其是酪蛋白對淀粉回生性質(zhì)和消化特性影響的報道還較少。此外，當兩種復雜的系統(tǒng)如淀粉和牛乳多成分混合在一起時，相互作用的范圍很大?；旌舷到y(tǒng)的物理化學性質(zhì)取決于它們的相對濃度以及淀粉和牛乳成分的物理化學性質(zhì)，而牛乳體系成分復雜、影響因素較多，更是增加了研究的難度。因此，為了促進含牛乳蛋白和淀粉新產(chǎn)品的開發(fā)與品質(zhì)的改良，在今后的研究中，不僅需對淀粉與單一牛乳蛋白間的相互作用機理進行進一步探究，還需以富含淀粉和牛乳蛋白的真實食品體系為對象，深入研究牛乳蛋白改變淀粉基食品品質(zhì)的規(guī)律。