玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠特性的影響

于嘉淇，王啟明，李薇雨，徐洪峰，雷小娟,2，趙吉春,2，雷琳,2，明建,2*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心(西南大學(xué))，重慶，400715)

麥醇溶蛋白是一種天然植物性蛋白，富含疏水性氨基酸，不溶于水，由于較強的疏水性和自身良好的延展性能交聯(lián)聚合，并與其他物質(zhì)(如多糖、多酚)形成復(fù)合凝膠。復(fù)合凝膠因生物相容性好，無毒性，是一種優(yōu)良緩釋載體，但產(chǎn)物易被降解。增強凝膠的穩(wěn)定性和提高凝膠功能特性，成為研究熱點。

玉米含有大量的淀粉，主要成分是直鏈淀粉和支鏈淀粉。玉米淀粉顆粒大小適中，且價格便宜，加工過程中具有凝膠、糊化、流變等特性，能改善蛋白凝膠的流變學(xué)特性、保水性等，具備賦形劑和填充劑的功能[1-3]。楊明等[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著馬鈴薯淀粉的添加量由1%增加到4%時，鯉魚肌原纖維蛋白凝膠硬度和彈性增加，白度下降，持水性上升。栗俊廣等[5]研究發(fā)現(xiàn)木薯淀粉能填充豬肉鹽溶蛋白網(wǎng)絡(luò)，使凝膠體系的凝膠成型溫度提高。此外，有研究發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融(如冷鏈流通過程中)對麥醇溶蛋白和玉米淀粉的性質(zhì)有影響。潘治利等[6]發(fā)現(xiàn)麥醇溶蛋白經(jīng)反復(fù)凍融處理后，維持蛋白二級結(jié)構(gòu)的氫鍵被破壞，蛋白溶解性降低，表面疏水性增加。寧吉英等[7]研究發(fā)現(xiàn)玉米淀粉凝膠經(jīng)反復(fù)凍融處理后，保水率下降，回生率與冰晶熔化焓增大。

本文將不同質(zhì)量分數(shù)的淀粉添加到麥醇溶蛋白中加熱制成凝膠，通過對復(fù)合凝膠持水性、質(zhì)構(gòu)特性、流變特性和微觀結(jié)構(gòu)等進行分析，闡述淀粉對麥醇溶蛋白凝膠特性的影響，為淀粉在面團制品中的應(yīng)用和復(fù)合凝膠在新型生物相容高分子藥物載體運用上提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥醇溶蛋白、玉米淀粉，美國Sigma公司；無水乙醇、溴化鉀，成都科龍化工試劑公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TGL-18MS高速冷凍離心機，上海盧湘儀儀器有限公司；MiLLi-Qbiocel超純水機，美國密理博公司；LGJ-10真空冷凍干燥機，北京松原華興科技有限公司；Spectrum100傅里葉紅外光譜儀，美國Perkin-Elmer公司；85-2A數(shù)顯恒溫磁力攪拌器、85-2A pH計，金壇市科析儀器有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司；MCR302流變儀，奧地利安東帕公司；SYNERGYH1MG全波長酶標(biāo)儀，美國基因公司；MX-S漩渦混合器，美國SCILOGEX公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)，荷蘭Phenom Pro公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 凝膠制備

將麥醇溶蛋白溶于乙酸緩沖液(0.1 mol/L CH3COOH，pH 4.0)，蛋白質(zhì)量濃度調(diào)整到60 mg/mL，磁力攪拌至充分溶解，加入麥醇溶蛋白溶液總量的6%、9%、12%、15%、18%(質(zhì)量分數(shù))的玉米淀粉(預(yù)實驗表明6%以下的淀粉添加量，樣品不能形成復(fù)合凝膠)。待混合均勻后，置于封有保鮮膜的燒杯中，在磁力攪拌水浴鍋中，以2 ℃/min的速率加熱，90 ℃ 保溫30 min，取出后立即冷卻并置于4 ℃冰箱過夜。在測量凝膠特性前，將凝膠樣品在室溫(25±1) ℃下平衡30 min。

1.3.2 化學(xué)作用力測定

1.3.3 反復(fù)凍融處理

參考潘治利等[6]的方法，略作修改。將凝膠置于-18 ℃冰箱凍藏24 h取出，室溫下解凍，反復(fù)凍融3次，每次待樣品融化后，用濾紙擦去表面水分，立即測定復(fù)合凝膠保水性、白度、質(zhì)構(gòu)指標(biāo)。

1.3.4 保水性測定

將凝膠樣品置于離心管中并離心(8 000×g，20 min)，棄離心液體并計算前后樣品質(zhì)量差。按公式(1)計算凝膠保水性：

(1)

式中：m為離心管質(zhì)量，g；m1為離心前凝膠和離心管總質(zhì)量，g；m2為離心后凝膠和離心管總質(zhì)量，g。

1.3.5 白度測定

采用色度測定儀測定凝膠樣品的色差。參考PARK[9]的方法，計算如公式(2)所示：

(2)

式中：L*為亮度值；a*為紅度值；b*為黃度值。

1.3.6 凝膠質(zhì)構(gòu)測定

將樣品切成直徑30 mm，高20 mm的圓柱體，置于質(zhì)構(gòu)儀載物板上進行全質(zhì)構(gòu)分析。質(zhì)構(gòu)儀參數(shù)如下：探頭型號：P/0.5，測試前速度：2.0 mm/s；測試速度：0.5 mm/s；測試后速度：2.0 mm/s；試樣變型：50%；觸發(fā)力：5 g；2次壓縮中停頓 5 s，每個測試進行3個重復(fù)。得到凝膠的硬度、彈性和咀嚼性。

1.3.7 流變測定

對樣品進行凝膠溫度掃描，首先將樣品用小刀切成2 mm高的圓柱體，置于直徑為25 mm的平板夾具間，兩平板間隔為0.106 mm。操作參數(shù)設(shè)置如下：從20 ℃開始以2 ℃/min的升溫速率升溫至90 ℃，頻率為0.1 Hz，應(yīng)變2%，測定指標(biāo)為儲能模量(G′)、損耗模量(G″)和tanδ值。

1.3.8 溶脹測定

參考王燕[10]的方法，略作修改。稱取適量干燥凝膠加入乙酸緩沖液中，浸泡48 h。水中取出后，用濾紙擦去表面水分，稱重。凝膠的平衡溶脹率計算如公式(3)所示：

(3)

式中：ms是溶脹平衡后水凝膠的質(zhì)量，g；md為凝膠干重，g。

1.3.9 紅外光譜分析

參考王啟明[11]的方法，略作修改。稱取干燥樣品和干燥KBr在瑪瑙研缽中研磨成粉，再壓片成膜。操作參數(shù)設(shè)置為：掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1，掃描范圍400～4 000 cm-1。數(shù)據(jù)經(jīng)基線校正、平滑、標(biāo)準(zhǔn)化處理后，使用Origin繪制一級結(jié)構(gòu)圖，Peakfit 4.12進行蛋白質(zhì)酞胺I帶(1 600～1 700 cm-1)二階導(dǎo)數(shù)擬合，根據(jù)各子峰面積得到各個二級結(jié)構(gòu)占的比例。

1.3.10 掃描電鏡分析

取干燥樣品在瑪瑙研缽中研磨成粉，經(jīng)過噴金處理在10 kV加速電壓條件下，觀察被測樣品的微觀結(jié)構(gòu)差異，放大倍數(shù)為5 000倍。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠化學(xué)作用力的影響

麥醇溶蛋白凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成是蛋白質(zhì)間、蛋白質(zhì)與溶劑之間作用力相互平衡的結(jié)果，離子鍵、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵等是形成和維持凝膠的主要作用力[12]。用不同試劑處理凝膠后，凝膠中作用力間的平衡被破壞。如圖1所示，隨著玉米淀粉量的增加，麥醇溶蛋白-淀粉復(fù)合凝膠中離子鍵、氫鍵、疏水相互作用和二硫鍵含量均呈顯著先增加后減小趨勢(P<0.05)。玉米淀粉添加量為9%和12%時，形成和維持凝膠的化學(xué)作用力較大，且凝膠穩(wěn)定構(gòu)象的化學(xué)作用力主要為疏水相互作用，這可能與麥醇溶蛋白中疏水氨基酸較多，蛋白分子頭部纏繞和尾部聚集使疏水氨基酸暴露有關(guān)，與IWAMI等[13]研究一致。

a-離子鍵；b-氫鍵；c-疏水相互作用；d-二硫鍵圖1 玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白-淀粉凝膠體系的化學(xué)作用力的影響Fig.1 Effect of corn starch content on the chemical force of gliadin starch gel system注：不同大寫字母表示不同淀粉添加量之間差異顯著(P<0.05)(下同)

2.2 玉米淀粉對麥醇溶蛋白保水性的影響

保水性是評價凝膠品質(zhì)的重要指標(biāo)。如圖2所示，復(fù)合凝膠保水性隨著淀粉添加量的增大呈先增加后平緩的趨勢(P>0.05)。玉米淀粉添加量達15%時，淀粉-蛋白復(fù)合物保水性趨于穩(wěn)定；玉米淀粉添加量為18%時，保水性達到最大(99.515%)。結(jié)果表明，添加玉米淀粉可顯著提高麥醇溶蛋白的保水性，但添加量超過15%對保水性無顯著促進作用。主要原因是玉米淀粉達到糊化溫度(75.3±0.3) ℃時，蛋白已經(jīng)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，玉米淀粉顆粒糊化吸收水分膨脹；淀粉添加量越大，吸收的水分越大，對蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的填充效應(yīng)越好，使結(jié)構(gòu)越來越緊密，增強了與水結(jié)合的能力，使保水性增加[14]。KONG等[15]指出相同條件下淀粉顆粒的溶脹程度遠遠高于在凝膠體系中，由此他假設(shè)“充填效應(yīng)”：蛋白先形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，糊化的淀粉顆粒吸水膨脹支撐蛋白的網(wǎng)絡(luò)體系。但是隨著添加量的增大，可供玉米淀粉顆粒糊化吸收的水分減少，從而導(dǎo)致保水性的增加趨于平緩。

圖2 凍融次數(shù)及玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白保水性的影響Fig.2 Effects of freeze-thaw times and corn starch addition on water holding capacity of gliadin注：不同大寫字母表示同一凍融次數(shù)不同淀粉添加量之間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一淀粉添加量不同凍融次數(shù)之間差異顯著(P<0.05)(下同)

反復(fù)凍融的復(fù)合凝膠，隨著玉米淀粉的添加，保水性增大，且呈一定的線性關(guān)系。原因可能是凍融處理使凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)在凍藏和解凍因冰晶生長破壞，淀粉顆粒與水結(jié)合的能力變?nèi)酰纬傻哪z結(jié)構(gòu)不緊密，水分易流失。添加量為18%時，凝膠結(jié)構(gòu)緊密，抗破壞能力強。

隨著反復(fù)凍融次數(shù)的增加，同一淀粉添加量的復(fù)合凝膠保水性總體出現(xiàn)下降-下降-上升的趨勢。主要原因可能是不斷凍融使得水分不斷結(jié)晶與遷移，破壞了麥醇溶蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用小于蛋白質(zhì)-水相互作用，蛋白網(wǎng)絡(luò)展開，疏水性氨基酸暴露，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，保水能力變?nèi)?。劉國琴等[16]發(fā)現(xiàn)凍藏時間的延長會使面筋蛋白表面的疏水性增加。凍融后保水性增強，原因可能是凍融過程使凝膠結(jié)構(gòu)改變，伸展的蛋白質(zhì)分子間相互作用形成了較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。

2.3 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠白度的影響

白度是表示物質(zhì)表面白色的程度，反射率越高，白度越高。如圖3所示，隨著玉米淀粉添加量增加，復(fù)合凝膠白度值顯著降低(P>0.05)。玉米淀粉添加量為12%、15%、18%的凝膠與6%的凝膠相比，白度值分別降低了3.47、4.28、4.75。楊明等[4]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯淀粉的添加使淀粉-蛋白復(fù)合凝膠白度值降低(P>0.05)。這可能是淀粉顆粒糊化時吸水膨脹，減小了對光的反射率。此外，蛋白質(zhì)變性交聯(lián)作用形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于不同淀粉量的“填充效應(yīng)”造成結(jié)構(gòu)的緊密度不同，對光反射也會有影響。因此淀粉糊化和蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共同造成白度降低。

如圖3所示，凍融次數(shù)相同的復(fù)合凝膠，隨著玉米淀粉的添加，白度呈現(xiàn)先增大后降低。原因可能是不同添加量形成的凝膠結(jié)構(gòu)致密性不同，抗水分結(jié)晶和水分遷移的破壞能力不同[17]。

圖3 凍融次數(shù)及玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白白度的影響Fig.3 Effects of freeze-thaw times and corn starch addition on whiteness of gliadin

經(jīng)反復(fù)凍融后，同一淀粉添加量的復(fù)合凝膠白度出現(xiàn)上升-上升-下降的趨勢。凍融初期，蛋白網(wǎng)絡(luò)破壞，麥醇溶蛋白中的氨基酸暴露在表面，使得光反射增大，因此白度上升。淀粉作為蛋白網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)含物，促進蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞。反復(fù)凍融后期，伸展的蛋白質(zhì)分子間相互作用又形成了較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得光反射減小，白度下降[7]。

2.4 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠強度的影響

如圖4所示，隨著玉米淀粉添加量增加，復(fù)合凝膠硬度和咀嚼度顯著增加(P>0.05)，當(dāng)添加量為18%時，硬度達到最大值473.2 g，但彈性沒有顯著影響。結(jié)果表明，玉米淀粉可增加復(fù)合凝膠硬度和咀嚼度，麥醇溶蛋白中的一些反應(yīng)基團如—NH2、—OH和—SH與淀粉交聯(lián)反應(yīng)，起到很好的膠黏效果，使得淀粉-蛋白復(fù)合物在外界壓力下不會輕易破裂[18]。有研究表明，淀粉粒在純水中的吸水膨脹度比在凝膠復(fù)合物中大，推測淀粉顆粒受到凝膠網(wǎng)絡(luò)的束縛，束縛與抗束縛使凝膠強度提升[19]。

a-硬度；b-咀嚼度；c-彈性圖4 凍融次數(shù)及玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白凝膠強度的影響Fig.4 Effects of freeze-thaw cycles and corn starch addition on gel strength of Gliadin

凍融能顯著提升凝膠的硬度和咀嚼度(P>0.05)，凍融3次后的凝膠強度為：66.20、255.91、418.3、675.8、936.3 g，比沒有凍融提高了35.12、1.57、1.37、1.87、1.97倍。與施帥等[20]的研究一致。

2.5 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠流變特性的影響

如圖5-a所示，隨著玉米淀粉添加量增加，體系的G′呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，當(dāng)?shù)矸厶砑恿繛?5%時，體系的G′最大。隨著溫度的升高，凝膠的G′增加，這與蛋白變性、淀粉糊化和淀粉與蛋白相互作用有關(guān)[21]。

通過測定試樣G″能反映凝膠體的黏彈性變化，由圖5-b可知，添加量為6%、9%的凝膠G″隨溫度升高持續(xù)增加，添加量為12%的凝膠G″先增加再趨于平穩(wěn)，添加量為15%和18%的凝膠G″先穩(wěn)步減小再增加。各凝膠G″分別于68、62、56、50和48 ℃時開始上升，表明玉米淀粉添加量的增加將麥醇溶蛋白的變性溫度提前，這與ANDREA等[22]研究一致。蛋白變性時形成連續(xù)的、三維的蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，G″持續(xù)增加[18]。溫度超過70 ℃時，淀粉的糊化，水分被淀粉顆粒吸收，造成G″不再增加。結(jié)果表明，添加適當(dāng)?shù)矸劭梢蕴岣逩″，但添加量超過15%時，體系的G″減小，這與淀粉量過多造成可吸的水量變少有關(guān)[23]。

黏性流體的tanδ值大于1，凝膠的tanδ值小于1。如圖5-c所示，tanδ始終小于1，并且在35～55 ℃呈上升趨勢，從55 ℃后逐步開始下降，但添加量為6%、9%、18%時，在65 ℃之后持續(xù)上升并趨于平緩。淀粉添加量越大，tanδ變化溫度越低，這說明添加淀粉的麥醇溶蛋白在55 ℃之前隨著溫度的升高蛋白結(jié)構(gòu)膨脹使tanδ上升，在55～65 ℃蛋白質(zhì)加速彈性網(wǎng)絡(luò)的形成使tanδ下降，當(dāng)溫度超過65 ℃時，蛋白與淀粉作用，tanδ再次上升。

a-G′；b-G″；c-tanδ圖5 玉米淀粉添加量對麥醇溶蛋白凝膠流變特性的影響Fig.5 Effect of corn starch on rheological properties of gliadin gel

a-溶脹前；b-溶脹后圖6 溶脹前后的復(fù)合凝膠Fig.6 Pictures of composite gel before and after swelling

2.6 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠溶脹的影響

溶脹是高分子溶解時溶劑分子滲透進入高分子材料內(nèi)部，使其體積增大。如圖7所示，隨著玉米淀粉添加，凝膠的溶脹率變小(P>0.05)。玉米淀粉添加量為18%時，溶脹率最小(4.24倍)。原因是淀粉添加量低的復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)強度弱，結(jié)合得不緊密，溶劑分子更容易滲透到凝膠內(nèi)部。王燕[10]制備的玉米醇溶蛋白基高分子復(fù)合凝膠，吸水溶脹作用較弱，利于藥物的持續(xù)釋放。因此，玉米淀粉添加量為18%的復(fù)合凝膠能夠運用于藥物緩釋載體。

圖7 玉米淀粉對麥醇溶蛋白凝膠溶脹的影響Fig.7 Effect of corn starch on swelling of gliadin gel

2.7 紅外光譜分析

圖8 不同玉米淀粉添加量下蛋白-淀粉復(fù)合凝膠紅外光譜Fig.8 IR spectra of protein starch composite gel with different corn starch content

a-淀粉添加量6%的酰胺I帶擬合圖；b-淀粉添加量9%的酰胺I帶擬合圖；c-淀粉添加量12%的酰胺I帶擬合圖；d-淀粉添加量15%的酰胺I帶擬合圖；e-淀粉添加量18%的酰胺I帶擬合圖；f-二級結(jié)構(gòu)百分比圖9 不同玉米淀粉添加量條件下麥醇溶蛋白-淀粉復(fù)合物的酰胺I帶擬合圖及二級結(jié)構(gòu)的百分比Fig.9 Amide I-band fitting diagram and percentage of secondary structure of gliadin starch complex with different corn starch content

2.8 微觀結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)冷凍干燥后的麥醇溶蛋白樣品會產(chǎn)生氣孔和裂紋。如圖10所示，添加6%淀粉的復(fù)合凝膠表面呈現(xiàn)致密多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平整均勻，可能是玉米淀粉添加量少，散落在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，未得到很好的填充效果。添加9%和12%淀粉的復(fù)合凝膠，表面空隙變少，淀粉吸水膨脹，填補了蛋白之間的空隙。結(jié)構(gòu)間存在斥力和支撐作用，促進蛋白與淀粉、蛋白與蛋白直接黏結(jié)，形成復(fù)雜的三維立體凝膠網(wǎng)絡(luò)[5]。添加15%和18%淀粉的復(fù)合凝膠，表面觀察不到較大孔洞，淀粉填補和埋藏蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其表面結(jié)構(gòu)緊密有序。栗俊廣等[5]發(fā)現(xiàn)添加木薯淀粉，使蛋白不均勻的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更緊密。結(jié)果表明添加玉米淀粉改善了麥醇溶蛋白的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

a-淀粉添加量6%的電鏡掃描圖；b-淀粉添加量9%的電鏡掃描圖；c-淀粉添加量12%的電鏡掃描圖；d-淀粉添加量15%的電鏡掃描圖；e-淀粉添加量18%的電鏡掃描圖圖10 不同玉米淀粉添加量條件下麥醇溶蛋白-淀粉復(fù)合物的電鏡掃描圖(×5 000倍)Fig.10 Scanning electron microscopy of gliadin starch complex with different corn starch content(×5 000)

3 結(jié)論

本文通過向麥醇溶蛋白溶液中添加玉米淀粉形成復(fù)合凝膠，發(fā)現(xiàn)蛋白先變性形成連續(xù)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，淀粉后糊化吸水作為對蛋白網(wǎng)絡(luò)進行填充。反復(fù)凍融過程初期，水分不斷結(jié)晶與遷移，破壞麥醇溶蛋白的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，蛋白網(wǎng)絡(luò)展開，疏水性氨基酸暴露，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差；后期伸展的蛋白質(zhì)分子間相互作用又形成了較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。添加淀粉可以減小反復(fù)凍融保水率的損失和增大白度、硬度等凝膠特性。

玉米淀粉能提高麥醇溶蛋白凝膠特性，但支撐具有飽和性。添加18%的淀粉比15%的淀粉，凝膠保水性、白度、硬度、溶脹率變化不大，流變特性反而變差。因此，淀粉添加量在面團制品和凝膠藥物載體運用應(yīng)不超過20%。