馬鈴薯淀粉對玉米醇溶蛋白凝膠特性的影響

1、PAGE 10 -馬鈴薯淀粉對玉米醇溶蛋白凝膠特性的影響玉米醇溶蛋白是玉米中的主要貯藏蛋白，含有大量的非極性氨基酸，如谷氨酸(21%26%)、亮氨酸(20%)、脯氨酸(10%)和丙氨酸(10%)，可溶于60%90%(體積分?jǐn)?shù))的乙醇-水溶液，強(qiáng)的分子間二硫鍵和疏水相互作用構(gòu)成了復(fù)合物形成的基礎(chǔ)，已被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)為安全的食品加工原料1，因其具良好的生物相容性、獨(dú)特的溶解性、良好的降解性、成膜性等優(yōu)點(diǎn)2-3，成為食品、藥品、組織材料等眾多行業(yè)的研究熱點(diǎn)。在食品行業(yè)中，常用于食品包埋劑、包裝材料、黏合劑以及與其他食品原料復(fù)合使用4-6。淀粉作為一種在食品生產(chǎn)加工中常用的輔助原料，具有分

2、布廣、成本低、易降解等優(yōu)點(diǎn)。許多研究表明，在蛋白質(zhì)中添加外源淀粉，可以改變蛋白質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)，在兩者的共同作用下復(fù)合凝膠特性得到改善7-9。將普通馬鈴薯淀粉和改性馬鈴薯淀粉添加到肌原纖維蛋白中，復(fù)合凝膠的強(qiáng)度和持水性得到改善；木薯淀粉和馬鈴薯淀粉的添加能對蝦蛄肌原纖維蛋白凝膠特性產(chǎn)生顯著的影響，薯類淀粉和卡拉膠的加入使得肌原纖維凝膠的質(zhì)構(gòu)特性得到提升。目前的研究主要集中在淀粉對魚類、雞肉等肉類蛋白凝膠特性的影響方面，而對植物蛋白凝膠特性的影響研究較少。因此，本文選用吸水膨脹性強(qiáng)的馬鈴薯淀粉為研究對象，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的馬鈴薯淀粉添加到玉米醇溶蛋白中，對比分析各復(fù)合體系的凝膠特性，研究馬鈴薯淀粉對玉

3、米醇溶蛋白的影響，為拓展馬鈴薯淀粉在玉米醇溶蛋白制品的開發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。1材料與方法1.1材料與試劑馬鈴薯淀粉、玉米醇溶蛋白，美國Sigma公司；氫氧化鈉、考馬斯亮藍(lán)G-250、牛血清蛋白等試劑均為分析純，成都科龍化工試劑公司。1.2儀器與設(shè)備TGL-18MS高速冷凍離心機(jī)，上海盧湘儀儀器有限公司；UltraScanPro測色儀，美國HunterLab公司；LGJ-10真空冷凍干燥機(jī)，北京松原華興科技有限公司；Spectrun100傅里葉紅外光譜儀，美國Perkin-Elmer公司。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1馬鈴薯淀粉-玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠的制備將玉米醇溶蛋白溶于氫氧化鈉溶液(pH12)，固定蛋

4、白質(zhì)量濃度60mg/mL不變，再分別加入溶液總量6%、9%、12%、15%、18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的馬鈴薯淀粉(預(yù)實(shí)驗(yàn)表明6%以下的淀粉添加量不能形成成型的復(fù)合凝膠)，磁力攪拌混合均勻。混合溶液以1/min的速率水浴加熱到85，保溫30min后取出，立即用冰水冷卻至室溫，再置于4冰箱過夜。制備好的凝膠測試前在室溫下(251)平衡30min，方可用于測定。1.3.2復(fù)合凝膠持水性測定參照FOEGEDING10的方法稍作修改。取1g凝膠樣品于離心管8000r/min離心20min，吸取離心液，稱量離心前后樣品質(zhì)量。按公式(1)計(jì)算，得到凝膠持水性：持水性(1)式中：m為離心管質(zhì)量，g；m1為離心前凝膠

5、加離心管質(zhì)量，g；m2為離心后凝膠加離心管質(zhì)量，g。1.3.3復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測定采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析。參數(shù)設(shè)置如下：探頭型號(hào)：P/0.5，測前速度：2.0mm/s；測定速度：0.5mm/s；測后速度：2.0mm/s；壓縮形變：50%；觸發(fā)力：5g。1.3.4反復(fù)凍融處理參考潘治利等11的方法并略作調(diào)整。將制備好的凝膠放入-18冰箱凍藏1d后，取出于室溫下融解，以此為1個(gè)循環(huán)。反復(fù)凍融3次，進(jìn)行持水性、質(zhì)構(gòu)特性測定。1.3.5復(fù)合凝膠白度的測定采用色度測定儀測定凝膠樣品的L*(亮度值)，a*(紅度值)和b*(黃度值)。參考PARK12的方法計(jì)算樣品白度，計(jì)算如公式(2)所示：白度(2)1.

6、3.6復(fù)合凝膠溶脹率的測定參考王燕13的方法略作修改。將干燥凝膠浸泡在氫氧化鈉溶液(pH12)中12h，稱量浸泡前后樣品重量，根據(jù)公式(3)計(jì)算樣品平衡溶脹率：溶脹率(3)式中：Ws是溶脹平衡后水凝膠的質(zhì)量,g；Wd為凝膠干重,g。1.3.7復(fù)合凝膠化學(xué)作用力的測定參照GOMEZ-GUILLEN等14的方法并略作調(diào)整。準(zhǔn)確稱取1g凝膠樣品，分別加入9mL蛋白質(zhì)變性劑0.05mol/LNaCl、0.6mol/LNaCl、0.6mol/LNaCl+1.5mol/L尿素、0.6mol/LNaCl+8mol/L尿素、0.6mol/LNaCl+8mol/L尿素+1.5mol/L-巰基乙醇，混合均質(zhì)，放在

7、4下靜置2h，10000r/min離心10min，吸取上清液。用a、b、c、d、e分別表示用考馬斯亮藍(lán)法測定的上述5種上清液中溶解的蛋白質(zhì)的含量。不同試劑所溶解的蛋白質(zhì)含量之差表示各種作用力的含量。b-a表示離子鍵的含量；c-b表示氫鍵的含量；d-c表示疏水相互作用的含量；e-d表示二硫鍵的含量。1.3.8傅里葉紅外光譜掃描參考OGUTU等15的方法。凝膠樣品冷凍干燥后，取0.5mg于瑪瑙研缽中，按質(zhì)量比150加入干燥的溴化鉀粉末，混勻研細(xì)后制片，掃描范圍4000400cm-1。1.3.9數(shù)據(jù)分析每個(gè)樣品平行測定3次，結(jié)果以平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用Minitab17進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin2

8、022作圖。2結(jié)果與分析2.1復(fù)合凝膠的制備圖1為添加6%、9%、12%、15%、18%馬鈴薯淀粉與玉米醇溶蛋白制得的復(fù)合凝膠。由圖1可知，在淀粉添加量為6%時(shí)，凝膠形狀不規(guī)則，中部較稀疏，氣體灌入導(dǎo)致鼓起，未達(dá)到完整凝膠的效果。淀粉添加量為12%時(shí)，凝膠表面平整，但邊緣相對不平滑。淀粉添加量達(dá)到18%時(shí)，凝膠的形態(tài)結(jié)構(gòu)較為完整，其硬度增強(qiáng)。a-淀粉添加量為6%；b-淀粉添加量為9%；c-淀粉添加量為12%；d-淀粉添加量為15%；e-淀粉添加量為18%圖1不同馬鈴薯淀粉添加量制得的復(fù)合凝膠的形貌Fig.1Morphologyofcompositegelspreparedbyaddingdif

9、ferentamountsofpotatostarch2.2復(fù)合凝膠持水性分析不同馬鈴薯淀粉添加量和反復(fù)凍融對復(fù)合凝膠持水性的影響如圖2所示。未凍融的復(fù)合凝膠，馬鈴薯淀粉添加量為9%時(shí)，持水性為81.68%，比添加量為6%時(shí)提高了27.41%(P0.05)。添加量為18%時(shí)，持水性最大，為94.50%。表明未凍融的復(fù)合凝膠的持水性隨著淀粉添加量的增加而增加。這與楊明等16的研究結(jié)果類似，馬鈴薯淀粉的添加使整個(gè)體系形成了更致密的淀粉-蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效地截留住更多水分，提高了復(fù)合凝膠持水力。凍融1、2、3次的復(fù)合凝膠的持水性也隨淀粉添加量的增加呈上升趨勢。相同的淀粉添加量下，凍融后的復(fù)合凝膠持水

10、能力下降，這可能與凍融后復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)遭到破壞，束縛水的能力減弱有關(guān)。凍融3次的凝膠持水性上升，可能是因?yàn)槎啻蝺鋈诤竽z網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變成海綿狀，將析出的水分再次吸收17。圖2凍融次數(shù)和馬鈴薯淀粉添加量對玉米醇溶蛋白凝膠持水性的影響Fig.2Effectsoffreezing-thawingtimesandpotatostarchadditiononwater-holdingcapacityofzeingel(P0.05)注：不同大寫字母表示同一淀粉添加量不同凍融次數(shù)間差異顯著，不同小寫字母表示同一凍融次數(shù)不同馬鈴薯淀粉添加量間差異顯著(P0.05)(下同)2.3復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性分析馬鈴薯淀粉添加

11、量和反復(fù)凍融處理對玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響如圖3所示。隨著淀粉添加量的增加，復(fù)合凝膠的硬度和咀嚼性都隨之顯著增強(qiáng)(P0.05)。當(dāng)添加量為18%，凍融2次處理時(shí)，復(fù)合凝膠達(dá)到最大硬度2127.7g，最大咀嚼度1709.7g，這與劉靜雪等18的研究結(jié)果相一致。淀粉加入后，在加熱形成凝膠的過程中淀粉分子相互纏繞、填充，被包裹在蛋白中形成更加緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)19-20，硬度和咀嚼性可能因此得到提升。而且馬鈴薯淀粉中的支鏈淀粉中長鏈成分多，會(huì)使老化速度加快21，也使得凝膠的硬度增大。凍融0次和凍融1、2次的復(fù)合凝膠彈性均隨淀粉添加量的增加呈先增加后降低的趨勢，凍融3次的凝膠彈性變化不明顯(P0

12、.05)。其中，凍融0次的凝膠彈性變化最明顯，當(dāng)?shù)矸厶砑恿繛?5%時(shí)，彈性最大(0.9605)，是添加量為6%時(shí)的1.58倍。而淀粉添加量為18%時(shí)，復(fù)合凝膠彈性下降。其原因可能是馬鈴薯淀粉中支鏈淀粉多，易膨脹糊化形成富有彈性的膠體22，但是淀粉含量過高導(dǎo)致體系中的游離水分減少，出現(xiàn)多余的淀粉顆粒，彈性反被削弱23。內(nèi)聚性是凝膠內(nèi)部的結(jié)合能力。凍融0次的復(fù)合凝膠，隨馬鈴薯淀粉添加量的增加，內(nèi)聚性呈先降低后增加的趨勢，凍融后的復(fù)合凝膠內(nèi)聚性變化相對不明顯。同一馬鈴薯淀粉添加量下，凍融后凝膠的硬度、咀嚼性、彈性和內(nèi)聚性均比未凍融的好。硬度和咀嚼性的大小在反復(fù)凍融次數(shù)間表現(xiàn)出顯著性差異(P0.05)

13、。彈性與內(nèi)聚性在凍融與未凍融的凝膠之間表現(xiàn)出顯著差異，但是凍融1、2、3次之間差異不明顯。這可能與凍融使淀粉-蛋白結(jié)構(gòu)空隙中的水分凝結(jié)成細(xì)小的冰晶，改變內(nèi)部水分存在狀態(tài)與空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，綜合考慮復(fù)合凝膠的硬度、咀嚼性、彈性和內(nèi)聚性4種質(zhì)構(gòu)特性以及加工條件與生產(chǎn)成本等因素，淀粉添加量15%，凍融2次處理的復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性較好，為實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。a-硬度；b-咀嚼性；c-彈性；d-內(nèi)聚性圖3凍融次數(shù)和馬鈴薯淀粉添加量對玉米醇溶蛋白凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.3Effectsoffreeze-thawcyclesandpotatostarchadditionontextureofzeing

14、el2.4復(fù)合凝膠白度分析復(fù)合凝膠的白度隨馬鈴薯淀粉添加量的增加而增大(圖4)。玉米醇溶蛋白呈黃色，白度較低。而馬鈴薯淀粉呈白色，添加到玉米醇溶蛋白中，使復(fù)合凝膠的白度增加。此外，HONG等24研究表明，L*值受到凝膠內(nèi)部水分含量影響，水分含量增加，光反射發(fā)生改變，L*值增大。而隨著淀粉添加量的增多，凝膠持水性會(huì)增強(qiáng)，凝膠內(nèi)部水分變多，白度因此隨之變大。圖4馬鈴薯淀粉添加量對玉米醇溶蛋白凝膠白度的影響Fig.4Effectofpotatostarchesonthewhitenessofzeingel2.5溶脹率復(fù)合凝膠溶脹前后的形貌有明顯的差異，溶脹后復(fù)合凝膠都有一定的膨脹。玉米醇溶蛋白復(fù)合凝

15、膠溶脹性隨著馬鈴薯淀粉添加量的增加而降低(圖5)，添加量為15%時(shí)溶脹率增加，繼續(xù)增加到18%，溶脹率再次下降；淀粉添加量為6%和15%時(shí)溶脹性能較優(yōu)，12%時(shí)較差。這可能是因?yàn)榈矸鄣奶砑犹畛淞说鞍椎膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，使復(fù)合凝膠內(nèi)部可彈性收縮膨脹的空間小，影響了溶脹率25。王燕13制備玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠作為藥物的載體，發(fā)現(xiàn)溶脹能力較弱的凝膠緩釋效果好，此時(shí)選用12%淀粉添加量的復(fù)合凝膠較為合適。高靖陽21利用淀粉基氣凝膠制備得到新型固體材料，要求凝膠吸濕溶脹效果好，此時(shí)6%淀粉添加量的復(fù)合凝膠較為合適。圖5不同馬鈴薯淀粉添加量下zein復(fù)合凝膠溶脹率Fig.5Swellingratioofzeing

16、elswithdifferentamountsofpotatostarch2.6復(fù)合凝膠化學(xué)作用力分析在淀粉蛋白凝膠的形成過程中，化學(xué)作用力是決定凝膠特性的重要因素，通過共價(jià)鍵(二硫鍵)和非共價(jià)鍵(氫鍵、疏水相互作用)共同作用穩(wěn)定凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)26。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。用不同試劑處理凝膠后，凝膠中作用力間的平衡被破壞。不同試劑所溶解的蛋白質(zhì)含量之差表示各種作用力的含量27。如圖6所示，隨馬鈴薯淀粉的增加，氫鍵含量呈先減小后增加的趨勢；二硫鍵含量隨淀粉添加量的增加先下降后上升；離子鍵和

17、疏水相互作用先上升后下降。表明馬鈴薯淀粉的添加會(huì)對復(fù)合凝膠的化學(xué)作用力產(chǎn)生影響。從整個(gè)馬鈴薯淀粉-玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠體系來看，氫鍵和疏水相互作用的貢獻(xiàn)較大，在復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起主要作用；離子鍵和二硫鍵貢獻(xiàn)較小。這與許多研究認(rèn)為凝膠形成過程中非共價(jià)鍵作用更大的結(jié)論相一致28。OKANE等29研究認(rèn)為氫鍵和疏水相互作用是保證復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要作用力。因此，在研究淀粉添加量對玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠化學(xué)作用力的影響時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氫鍵和疏水相互作用，但是二硫鍵和離子鍵的作用也不能忽略。2.7復(fù)合凝膠傅里葉紅光譜分析不同馬鈴薯淀粉添加量下玉米醇溶蛋白分子間結(jié)構(gòu)和分子內(nèi)作用力的變化(圖7-a)。不同波段

18、的吸收峰的峰形、峰高、峰位等圖譜信息能反映出分子間結(jié)構(gòu)和相互作用的差別30。以馬鈴薯淀粉添加量為6%時(shí)的復(fù)合凝膠為例，重要的吸收峰主要包括3419.17cm-1處由于親水性O(shè)H產(chǎn)生的特征峰；2925.17cm-1處顯示CH伸展振動(dòng)的峰；由CO伸縮振動(dòng)引起的酰胺帶(17001600cm-1)，在1614.80cm-1處左右；以及因各種基團(tuán)相互影響而產(chǎn)生的在1107.61cm-1處的吸收峰6。隨著淀粉添加量的變化，各復(fù)合凝膠的紅外光譜走向大致相同，但主要峰位的對應(yīng)波數(shù)有發(fā)生輕微的偏移，表明淀粉添加量會(huì)改變復(fù)合凝膠的分子構(gòu)象。淀粉添加量為9%時(shí)，酰胺帶的特征峰對比淀粉添加量6%時(shí)發(fā)生明顯紅移，約在1

19、633.05cm-1處，之后淀粉量繼續(xù)增加，發(fā)生位移較小。因此淀粉的添加可能會(huì)對CO結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，且添加量從6%增加到9%時(shí)影響最為明顯。a-氫鍵；b-二硫鍵；c-離子鍵；d-疏水相互作用圖6馬鈴薯淀粉添加量對玉米醇溶蛋白復(fù)合凝膠化學(xué)作用力的影響Fig.6Effectofpotatostarchadditiononchemicalforcesofzeingels酰胺帶(17001600cm-1)是能靈敏反映不同結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)和多肽振動(dòng)頻率變化的特征譜帶，因此常常被用于分析蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)31。將此段譜帶進(jìn)行分峰擬合，擬合后根據(jù)各子峰的面積，可計(jì)算得到如圖7-b所示的復(fù)合凝膠的二級(jí)結(jié)構(gòu)及其所占的比例。復(fù)合凝膠二級(jí)結(jié)構(gòu)占比-折疊-轉(zhuǎn)角無規(guī)則