許秀穎，吳天昊，崔維建，許志凌云，曹 勇，吳玉柱，趙城彬，劉景圣

（吉林農業(yè)大學 長春 130118）

玉米淀粉是玉米的主要組分，占總質量的72%～73%[1]。近年來，玉米淀粉作為重要的工業(yè)原料，在食品、醫(yī)藥、化妝品等領域應用較為廣泛。天然玉米淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，直鏈淀粉和支鏈淀粉具有不同的分子結構和特性，二者的組成比例不同，其特性存在明顯差異[2]。黑豆蛋白約占黑豆總質量的34%，其氨基酸種類豐富，組成與動物蛋白相類似，必需氨基酸的含量占氨基酸總量的40%以上[3]。黑豆具有食藥兩用性，具有益精明目、解毒利尿、延緩衰老等作用[4]，近些年受到眾多消費者青睞。

淀粉和蛋白因能形成凝膠而在食品加工中發(fā)揮重要作用。二者的凝膠特性對饅頭、面包等眾多米面制品品質具有非常重要的影響。凝膠的形成本質上是分散系從溶膠態(tài)轉化為具有三維網絡結構凝膠態(tài)的過程，其特性受淀粉、蛋白等組分的含量、特性以及淀粉與蛋白相互作用的影響[5-6]。蛋白與淀粉的復配，不僅能賦予共混體系營養(yǎng)價值，其功能特性也可相互彌補，近幾年受到很多學者的關注。目前，蛋白與淀粉共混體系凝膠特性的研究集中在乳清蛋白、肌原纖維蛋白、大米谷蛋白等對玉米淀粉和大米淀粉等凝膠的影響，如玉米淀粉-乳清分離蛋白相互作用及其對共混物理化和消化性能的影響[7]、肌原纖維蛋白與淀粉復合凝膠的流變特性和微觀結構[8]、綠豆蛋白對蕎麥淀粉糊化和流變等特性影響[9]、大米谷蛋白對大米淀粉凝膠化及凝膠特性影響[10]等，而關于黑豆蛋白對不同直/支比的玉米淀粉體系凝膠特性的研究卻鮮有報道。

本研究以來源于玉米的普通淀粉（common starch，CS）和高支淀粉（high amylopectin starch，HAS）為研究對象，與黑豆分離蛋白（Black bean protein isolate，BBPI） 分別構建CS/BBPI 和HAS/BBPI 二元共混體系凝膠，對其RVA 糊化特性、流變特性、質構特性及微觀結構進行分析，探討黑豆蛋白對不同直/支比玉米淀粉共混凝膠體系糊化、流變、質構及結構性質的影響規(guī)律，為蛋白-淀粉共混體系在食品工業(yè)中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉（CS，水分13.63%，粗蛋白0.35%，粗脂肪0.55%，灰分0.06%，支鏈淀粉75.64%），鼎國玉米淀粉有限公司；高支鏈玉米淀粉（HAS，水分12.96%，粗蛋白0.26%，粗脂肪0.23%，灰分0.07%，支鏈淀粉99.95%），美國Sigma 公司；黑豆分離蛋白（BBPI），吉林農業(yè)大學小麥和玉米深加工國家工程實驗室自制，純度為89.6%，其中黑豆為市售優(yōu)級；氫氧化鈉、鹽酸等其它化學試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

3JK-1 型快速黏度分析儀 （RVA-Tec MasterTM），澳大利亞Perten 公司；MCR-301 流變儀，奧地利Anton Paar 公司；TA-XT Plus 型物性測定儀，英國Stable Micro Systems 公司；AlPhal-4LDPlus 冷凍干燥機，德國Christ 公司；掃描電鏡，荷蘭PhenomPro 公司；pHS-3C 型酸度計，上海精密科學儀器有限公司；FW-100 精密電動攪拌機，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；BSA224S 電子天平，德國賽多利斯有限公司。

1.3 方法

1.3.1 BBPI 的提取 參考趙城彬等[11]、李楊等[12]方法，稍作改動。選取新鮮干凈的黑豆置于托盤中，放入55 ℃的烘干機中烘干12 h，烘干后去皮、磨粉并過60 目篩，所得的黑豆粉與正己烷以料液比1∶3（g/mL）混合，在室溫下攪拌3 h。將所得混合物在4 ℃、10 000×g 的條件下離心20 min，棄去上層油脂，再重復離心過程3 次，室溫條件下風干備用。具體BBPI 提取工藝：黑豆→清理→粉碎→過篩→脫脂→加堿液調至pH 8→離心分離→取上清液→加酸液調至pH 4.5→離心分離→取沉淀→反復水洗和離心→BBPI。將脫脂黑豆粉按1∶10（g/mL）與蒸餾水混合，然后用2 mol/L 的NaOH調節(jié)溶液的pH 值至8.0，在50 ℃攪拌1.5 h 后，將其懸浮液在4 ℃、10 000×g 的條件下離心20 min，取離心后所得的上清液再用2 mol/L HCl 調節(jié)pH值至4.5。靜置后在4℃、6 000×g 的條件下離心20 min，將離心所得的BBPI 沉淀水洗2 次，最后將沉淀分散于水中并用2 mol/L NaOH 調節(jié)pH 值至7.0。將此時得到的BBPI 溶液置于-80 ℃的冰箱中預凍48 h，然后進行冷凍干燥，蛋白溶液冷凍干燥后粉碎即得粉末狀BBPI。

1.3.2 CS/BBPI 與HAS/BBPI 二元共混體系的構建 按照10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0（質量比）比例，分別構建CS/BBPI、HAS/BBPI 二元共混體系凝膠。CS/BBPI 與HAS/BBPI 共混體系的具體構建方法：按上述比例準確稱取CS、HAS、BBPI，使其每份樣品的總質量為3 g，置于RVA 專用鋁盒內，然后加入去離子水，將其攪拌均勻，配成質量分數(shù)為12%的懸浮液，備用。

1.3.3 糊化特性的測定 采用RVA 快速黏度分析儀，測定1.3.2 節(jié)制備的不同配比的CS/BBPI、HAS/BBPI 共混體系凝膠。按照美國谷物協(xié)會（AACC）76-21 方法[13]，采用升溫-降溫循環(huán)程序：50 ℃保持1 min；后以6 ℃/min 的速度升溫至95℃，3.75 min 內加熱到95 ℃；在95 ℃保持2.5 min，再以6 ℃/min 的速度降溫至50 ℃，在3.75 min 內降到50 ℃，然后在50 ℃保持2 min，前10 s 內攪拌速率為960 r/min，而后以160 r/min 攪拌速率進行黏度測試，得淀粉及共混體系糊黏度曲線，分析各糊化參數(shù)值的變化。

1.3.4 動態(tài)黏彈性測定 取1.3.3 節(jié)中制備的淀粉糊，立即置于流變儀測試樣品臺上，平板直徑2.5 cm，設置間隙1.0 cm，測定溫度25 ℃，掃描應變1%，測定由低頻率（0.1 Hz）至高頻率（10 Hz）內彈性模量 （G′）、黏性模量 （G''） 及損耗角正切值（tanδ=G''/G'）隨角頻率的變化。

1.3.5 靜態(tài)剪切特性測定 取1.3.3 節(jié)中制備的淀粉糊，立即置于流變儀測試樣品臺上，平板直徑2.5 cm，設置間隙1.0 cm，測量溫度25 ℃，測定剪切速率（γ）由0～300 s-1遞增，再由300～0 s-1遞減范圍內樣品剪切應力的變化。采用冪定律（Power law）模型對數(shù)據點進行回歸擬和，方程如下：

τ=Kγn

式中：τ——剪切應力，Pa；K——稠度系數(shù)，Pa·sn；γ——剪切速率，s-1；n——流體指數(shù)。

1.3.6 凝膠質構測定 將1.3.3 節(jié)中RVA 中制備的淀粉糊置于4 ℃條件下冷藏，24 h 之后取出，放置恢復至室溫，采用物性測試儀對凝膠進行質地剖面分析。測定條件：測前速度為1.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，觸發(fā)力5.0 g，壓縮程度40%。

1.3.7 微觀結構觀察 取1.3.3 節(jié)中制備的淀粉糊，轉移至玻璃表面皿，于-80 ℃超低溫冰箱中預冷1 h，然后放入冷凍干燥機中進行干燥。將凍干樣品采用四氧化鋨氣體在密閉容器內固定4 h，然后經離子濺射儀噴金，于掃描電子顯微鏡下觀察凝膠的微觀結構。

1.3.8 統(tǒng)計分析 采用SPSS22 軟件進行數(shù)據統(tǒng)計分析，作圖采用Origin8.5 軟件完成，使用Duncan 程序進行差異顯著性（P＜0.05）分析。除特殊說明，每組試驗均設3 個平行，每個平行測量3 次。

2 結果與分析

2.1 BBPI 對玉米淀粉糊化特性分析

淀粉的糊化特性與直鏈淀粉的分子大小及支鏈淀粉的分支鏈長關系密切[14]。兩種玉米淀粉與BBPI 共混體系RVA 糊化曲線如圖1a、1b 所示。由圖可看出，相比單純玉米淀粉體系，CS/BBPI 和HAS/BBPI 的RVA 糊化曲線整體向下偏移；且隨著蛋白添加比例的逐漸增多，曲線逐漸下移，但曲線的整體形狀并未發(fā)生明顯改變；CS/BBPI 體系比HAS/BBPI 體系變化的程度大。這可能是由于兩種淀粉中直/支鏈淀粉比例不同所致。

圖1 玉米淀粉與BBPI 共混體系RVA 糊化曲線Fig.1 RVA gelatinization curve of corn starch and BBPI mixed system

由表1可知，隨著BBPI 添加比例的增加，體系的峰值黏度顯著下降（P＜0.05），糊化過程變緩。表明蛋白的添加可能與淀粉爭奪水分，使淀粉微相區(qū)可利用的水分減少，抑制了玉米淀粉顆粒的膨脹，從而減少了淀粉粒之間相互摩擦，導致糊液黏度降低。在糊化過程中，蛋白質會圍繞在淀粉周圍；另外，蛋白質與淀粉帶相反電荷，通過靜電作用或誘導蛋白質、淀粉顆粒相互吸引，從而降低了淀粉的吸水速率，抑制淀粉顆粒的崩解，所以導致淀粉糊化過程延遲。與Yang 等[7]和Chi 等[15]研究結果相類似。

表1 玉米淀粉與BBPI 混合體系糊化參數(shù)值Table 1 Gelatinization parameters of mixed system of corn starch and BBPI

2.2 玉米淀粉與BBPI 共混體系動態(tài)黏彈性分析

CS/BBPI 共混體系與HAS/BBPI 共混體系彈性模量（G′）、黏性模量（G″）及損耗角正切值（tanδ）隨角頻率的變化關系如圖2、圖3所示。由圖可見，在檢測范圍內，CS/BBPI 和HAS/BBPI 共混體系的G′值均遠高于G″值，所有樣品損耗角正切值（tanδ） 均小于1，G′值與G″值隨頻率增加而上升，表明淀粉凝膠以及共混體系凝膠均呈現(xiàn)典型的弱凝膠動態(tài)流變學譜圖[16]。這一結果與Chen 等[17]研究結果相一致。

圖2 BBPI 對普通玉米淀粉動態(tài)流變特性的影響Fig.2 Effects of BBPI on dynamic rheological properties of common corn starch

圖3 BBPI 對高支玉米淀粉動態(tài)流變特性的影響Fig.3 Effects of BBPI on the dynamic rheological properties of high amylopectin corn starch

2.2.1 CS/BBPI 體系動態(tài)黏彈性分析 淀粉的膨脹和凝膠化主要受支鏈淀粉結構特征的影響[18]。蛋白質及加熱過程中滲出的直鏈淀粉等成分作為連續(xù)基質包裹淀粉顆粒形成三維網絡結構，進而影響淀粉懸液的流變特性。黏性模量G″代表每次循環(huán)期間單位體積耗散或損失的熱量，其與凝膠體系的黏度和流動特性有關[19]。BBPI 對CS/BBPI共混體系糊化后凝膠動態(tài)黏彈性的影響如圖2所示。添加BBPI 后，與CS 體系比較，體系彈性模量G′和黏性模量G″均隨著BBPI 添加比例的增大而降低，表明體系內的凝膠網絡結構減弱。蛋白質與直鏈淀粉通過氫鍵相連接，形成凝膠網絡結構，因蛋白質的加入，抑制了直鏈淀粉分子內氫鍵的形成，使原本可用于形成凝膠結構的直鏈淀粉分子減少，導致共混體系的彈性模量和黏性模量降低。蛋白質的存在，妨礙了CS/BBPI 共混體系中分子鏈間的凝膠化作用，這與Liu 等[20]研究結果一致，同時也驗證了RVA 糊化特性的峰值黏度降低的結果。

tan δ 為G″和G′的比值，tan δ 越大，表明體系的黏性比例越大，流動性強，反之則彈性比例越大，流動性弱[21]。在本試驗頻率變化的范圍之內，當CS 與BBPI 配比為10∶0 和9.5∶0.5，CS 與BBPI共混體系的tanδ 呈緩慢上升趨勢；當配比為9.0∶1.0 時，隨角頻率的增加，tan δ 值呈先上升后下降趨勢，且隨著BBPI 比例的繼續(xù)增加，趨勢愈加明顯。表明BBPI 的加入，在試驗低頻率掃描范圍內，蛋白對共混體系流體性質的影響要高于對固體性質的影響，而在高頻率掃描范圍內，對固體性質的影響要大于對流體性質的影響。此結果與Yang等[7]研究結果一致。

2.2.2 HAS/BBPI 體系動態(tài)黏彈性分析 BBPI 對HAS/BBPI 共混體系凝膠的動態(tài)黏彈性的影響如圖3所示。由圖3a 可知，共混體系的G′隨角頻率的增加而增大，且頻率依賴性增大。隨著BBPI 添加量的增加，共混體系的G′值并無顯著變化。由圖3b 可知，高支玉米淀粉體系的黏性模量（G″）隨著BBPI 添加量的增加，總體呈下降趨勢。由圖3c可知，HAS/BBPI 共混體系的tan δ 值隨角頻率增加而下降，表明BBPI 的添加對HAS/BBPI 共混體系流體性質的影響明顯大于對固體性質的影響。

CS/BBPI 共混體系和HAS/BBPI 共混體系相比，tan δ 值對頻率的依賴性存在差異。從圖2c 和圖3c 中tan δ 值隨頻率的變化可以看出，CS/BBPI共混體系的tan δ 值頻率依賴性較低，且單純淀粉體系的最低，表明結構更為穩(wěn)定，由此表明BBPI的添加弱化了共混體系凝膠結構的形成。

2.3 玉米淀粉與BBPI 體系靜態(tài)剪切特性分析

玉米淀粉與BBPI 共混體系凝膠剪切應力隨剪切速率變化關系如圖4所示，通過冪定律對各靜態(tài)剪切流變曲線數(shù)據點進行擬合，數(shù)據如表2所示。兩種共混體系所需的剪切應力均隨剪切速率的增加而逐漸增大，且表現(xiàn)為不同程度地凸向剪切應力軸，由此可判斷樣品均屬于非牛頓流體。且與單純玉米淀粉體系相比，共混體系的剪切應力減小，且隨著蛋白添加比例的增大，體系所需剪切應力逐漸減小。由圖4a 和4b 可知，在最初剪切階段，剪切應力隨著剪切速率急劇上升，當剪切速率增加至某一數(shù)值后，剪切應力增加變緩。分析其原因可能在于：在最初的剪切階段，糊化樣品中的分子間互相纏繞的分子鏈，阻礙了流體的相互運動，造成剪切應力的急劇上升；當剪切速率繼續(xù)增加至某一數(shù)值后，淀粉分子纏繞的分子鏈有被拉直的趨向，流層間的剪切應力和表觀黏度便維持在一個常數(shù)[22-23]。BBPI 的添加使共混體系的剪切應力降低，可能是由于BBPI 阻礙了淀粉分子之間的相互纏繞，所以與單純淀粉體系相比，剪切應力降低。且HAS/BBPI 體系的變化程度低于CS/BBPI體系。表明不同直鏈淀粉含量玉米淀粉與BBPI 的相互作用存在差異?？赡苡捎谥ф湹矸酆枯^高，空間位阻大，從而導致不同直支比例玉米淀粉與BBPI 的相互作用不同。

圖4 玉米淀粉與BBPI 混合凝膠剪切應力隨剪切速率變化關系Fig.4 The relationship between shear stress of corn starch and BBPI mixed gel and shear rate

觸變性是一種可逆的溶膠現(xiàn)象，代表著流體黏度對時間的依賴性[24]。由圖4a 和4b 可看出，當剪切速率降低時，體系結構不能短時間恢復，導致黏性曲線變化不能與原曲線重合，從而形成了滯后環(huán)表現(xiàn)出觸變性。觸變環(huán)面積表示淀粉結構被破壞所需要的能量，面積越小，表明體系黏性保持效果越好[25]。圖4中的下行線剪切應力均低于上行線，所以每個樣品均呈現(xiàn)順時針環(huán)[26]。由表2數(shù)據可知，隨蛋白比例的增加，觸變環(huán)面積顯著變小（P＜0.05），表明蛋白的添加使得共混體系凝膠網絡抗剪切性能增強。且HAS/BBPI 體系的變化程度低于CS/BBPI 體系。表明不同直鏈淀粉含量玉米淀粉與BBPI 的相互作用存在差異。這與2.1 節(jié)RVA 的結果相一致。

由表2結果顯示，Power law 模型對玉米淀粉與BBPI 共混體系具有較高的擬合精度。決定系數(shù)R2幾乎都在0.99 以上，曲線流體指數(shù)n 小于1。添加BBPI 以后，與兩種玉米淀粉共混體系的上行曲線和下行曲線的稠度系數(shù)K 均呈總體降低趨勢，n值呈總體升高，表明BBPI 的添加，使其與玉米淀粉共混體系的稠度降低，假塑性減弱。與盧薇等[27]研究大米蛋白對淀粉的影響結果相類似。

表2 玉米淀粉與BBPI 混合體系靜態(tài)流變擬合參數(shù)Table 2 The static rheological fitting parameters of the mixed system of corn starch and BBPI

2.4 玉米淀粉與BBPI 共混體系凝膠質構分析

玉米淀粉與BBPI 共混體系凝膠質構參數(shù)如表3所示。與CS 相比，CS/BBPI 體系的凝膠硬度顯著降低 （P＜0.05），且隨著BBPI 添加比例的增加，呈逐漸降低趨勢。與HAS 相比，不同配比的HAS/BBPI 體系的凝膠硬度無顯著變化（P＞0.05）。淀粉凝膠的硬度與直鏈淀粉含量密切相關，直鏈淀粉含量越高，分子間相互交聯(lián)、纏繞的程度越大，所以淀粉凝膠的硬度就越大。黑豆蛋白的添加阻礙了CS/BBPI 體系中直鏈淀粉分子間聚集重排，削弱其分子間作用力，使共混體系凝膠硬度降低，凝膠變軟；本結果與修琳等[9]研究結果相似。而在HAS/BBPI 共混體系中，可能由于支鏈淀粉含量較高，空間位阻大，從而導致分子重排變得困難，所以蛋白的加入對高支鏈玉米淀粉體系無顯著影響。

表3 玉米淀粉與BBPI 共混體系凝膠質構參數(shù)Table 3 Gelatinous texture parameters of mixed system of corn starch and BBPI

2.5 玉米淀粉與BBPI 凝膠體系微觀結構分析

天然玉米淀粉的凝膠微觀結構較致密，而且內部結構均一。可能由于淀粉與水分子作用而形成非均相凝膠所致[28]。由圖5a 可看出，單純普通玉米淀粉體系凝膠網絡結構輪廓清晰，內部孔洞均勻一致，孔洞壁厚實；而添加BBPI 后，如圖5b和圖5c 所示，與BBPI 共混體系凝膠結構的致密性變差，網絡結構輪廓模糊，凝膠孔洞變大、孔壁變薄，且產生碎片集結的現(xiàn)象。當CS/BBPI 配比為8.5∶1.5 時，共混凝膠體系稍有碎片出現(xiàn)，當CS/BBPI 配比達到8.0∶2.0 時，體系中的結構輪廓不清晰，且碎片增多。表明隨著BBPI 添加量的增加，碎片集結的現(xiàn)象越來越明顯。這可能是由于蛋白的添加，阻礙了淀粉自身形成致密均一的凝膠網絡結構。這與Yu 等[29]研究結果相類似。

圖5 普通玉米淀粉及其與BBPI 共混體系微觀形貌圖Fig.5 Micromorphology of common corn starch and its mixed system with BBPI

高支玉米淀粉體系凝膠微觀形貌、高支玉米淀粉與BBPI 共混體系凝膠微觀形貌如圖6a、6b和6c 所示。由圖6a 可觀察到，單純高支玉米淀粉凝膠網絡結構較均一且致密，輪廓清晰，孔壁厚實。添加BBPI 后，高支玉米淀粉與BBPI 共混體系凝膠微觀形貌發(fā)生了顯著變化。共混體系凝膠網絡結構變模糊，且孔洞大小不均勻，由圖6c 可知，高支玉米淀粉與BBPI 配比為8.0∶2.0 時，碎片集結現(xiàn)象更為明顯。

圖6 高支玉米淀粉及其與BBPI 共混體系微觀形貌圖Fig.6 Micromorphology of high amylopectin corn starch and its mixed system with BBPI

由以上結果可知，天然玉米淀粉（CS 和HAS）的凝膠微觀結構致密，而且內部結構相對均一，這與Lan 等[30]研究結果一致，可能由于淀粉與水分子作用而形成非均相凝膠所致。黑豆分離蛋白-玉米淀粉凝膠致密性變差，而且有孔隙。隨著蛋白含量的升高，顆粒內部孔隙增多、致密性也隨之變差，可能是由于復合凝膠體系中蛋白起泡產生的孔洞而導致的。此結果與琚長霄、Yu 等[31-32]研究結果相類似。因此，控制淀粉復合凝膠中蛋白含量，可有效控制凝膠結構及孔隙率，該方法可為淀粉-蛋白復合凝膠應用提供新思路。

3 結論

通過構建黑豆分離蛋白（BBPI）與不同直/支比玉米淀粉兩種二元共混體系（CS/BBPI，HAS/BBPI），采用RVA 黏度分析儀、流變儀、質構儀和掃描電鏡等，探討共混體系糊化特性、流變特性、質構特性及微觀結構的變化規(guī)律。隨著蛋白比例的逐漸增加，共混體系峰值黏度、回生值呈逐漸降低趨勢；體系的貯能模量（G′）、損耗模量（G″）均降低，tanδ 先升高后降低，凝膠強度變弱；體系剪切應力逐漸降低，仍為假塑性流體；體系硬度、內聚性均逐漸降低；添加蛋白使體系凝膠網絡結構致密性變差、輪廓模糊、孔洞變大、孔壁變薄、且出現(xiàn)碎片集結。以上特性的變化均表現(xiàn)出CS/BBPI 體系比HAS/BBPI 體系變化更為明顯。表明體系中加入蛋白阻礙了玉米淀粉凝膠網絡結構的形成，且直鏈淀粉含量不同導致共混體系特性存在差異。本研究可為蛋白與玉米淀粉共混體系在食品工業(yè)中的應用提供新的理論參考。