馬鈴薯蛋白微凝膠對無麩質面團流變特性和微觀結構的影響

朱香杰，魏瑩瑩，趙雙麗，彭方琳，劉興麗，*

1(三全食品股份有限公司， 河南 鄭州，450000)2(鄭州輕工業大學 食品與生物工程學院，河南 鄭州，450002)

麩質，即面筋蛋白，是小麥、黑麥、大麥、燕麥及其雜交種和衍生種中含有的一類蛋白質片段[1]。國際食品法典委員會(Codex Alimentarius Commission，CAC) 規定，不含麩質的原料生產的食品，或者是原料中含有麩質，但經加工處理已去除麩質或麩質含量低于20 mg/kg，滿足這一規定即為無麩質食品[2]。無麩質食品可以滿足麩質過敏人群以及乳糜瀉患者的飲食需求。乳糜瀉(celiacdisease，CD)是最常見的麩質敏感性腸病，主要癥狀有腹瀉、貧血、骨質疏松等[3]。乳糜瀉為自身免疫性疾病，即攜帶遺傳易感基因個體因攝入含麩質食品誘發的多種腸胃及腸外疾病[4]。調查發現，歐美國家乳糜瀉發病率約為1%[5]，個別地區高達2%，且患者人數仍在不斷增長。目前，控制含麩質食品的攝入是治療乳糜瀉的唯一方式。

當前國外市場上已有較成熟的無麩質食品，而我國對無麩質食品研究仍處于起步階段。無麩質食品的原料主要有大米、玉米、高粱、蕎麥、小米、馬鈴薯和藜麥[6]。由于大米的蛋白質含量適中，具有低過敏性，是制作無麩質食品的合適谷物之一[7]。由于原料不含麩質，即面筋蛋白，使得無麩質食品不易成型且結構疏松，目前的研究主要采用多種原料復合或添加品質改良劑模擬面筋蛋白的性質，以提高產品品質。

馬鈴薯蛋白是由19種氨基酸組成的完全蛋白質，其營養價值可與雞蛋蛋白相當[8]， 而馬鈴薯蛋白微凝膠是一種具有三維交聯網狀結構的膠體顆粒，被認為是安全和非過敏性的，可用于無麩質飲食，但是目前關于馬鈴薯蛋白及其微凝膠在無麩質面團方面的研究較少。因此，本研究以低過敏性的大米粉為原料，添加馬鈴薯蛋白(potato protein，PP)、馬鈴薯蛋白微凝膠(potato protein microgel，PPM)、馬鈴薯蛋白/黃原膠復合物(potato protein/xanthan gum，PPXG)和馬鈴薯蛋白/黃原膠復合微凝膠(potato protein/xanthan gum microgel，PPXGM)，研究其對無麩質大米面團流變特性和微觀結構等的影響，并進一步探索其對無麩質大米饅頭品質的影響機理。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯蛋白(蛋白質量濃度900.1 g/L)，蘭州沃特萊斯生物科技有限公司；黃原膠，廣州市威希生物有限公司；金龍魚優質大米(碳水化合物75%，蛋白質5%，脂肪1.4%)；金龍魚吉林分公司；鹽酸，洛陽昊華化學試劑有限公司；NaOH、Na2HPO4和NaH2PO4，天津市大茂化學試劑廠。

AL 204 電子分析天平，上海梅特勒-托利多儀器有限公司；HA-3480AS 和面機，克萊美斯機電科技(深圳)有限公司；DZM-140 電動壓面機，永康市海鷗電器有限公司；HR-1 Discocvery流變儀、TA.XT plus 物性測定儀，美國TA公司；Vertex 70 傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛公司；JEM-6490LV 場發射掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司；BVM 6600 體積測定儀，波通瑞華科技儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 馬鈴薯蛋白微凝膠的制備

根據劉振艷[9]的方法略有改動。稱取一定量馬鈴薯蛋白粉于去離子水中，使蛋白質質量濃度為40 g/L，室溫攪拌3 h后，放置在4 ℃冰箱中過夜。用0.1 mol/L的NaOH溶液或者HCl溶液調節其pH值為6.0，90 ℃水浴加熱30 min，立即放入冰水中冷卻至室溫。將冷卻后的溶液4 000 r/min離心30 min 除去不溶性沉淀得微凝膠溶液，之后將微凝膠溶液凍干保存。

1.2.2 馬鈴薯蛋白-多糖微凝膠的制備

根據夏曉鳳[10]的方法略有改動。稱取一定量馬鈴薯蛋白粉及黃原膠溶于去離子水中，使蛋白質量濃度為10 g/L，多糖濃度分別為0.5～10 g/L，攪拌3 h后，放置于4 ℃冰箱中過夜。

攪拌條件下將黃原膠溶液和馬鈴薯蛋白溶液按照體積比10∶1混合，攪拌4 h后，用0.1 mol/L的NaOH或者HCl溶液調節pH值至2.0～4.0，攪拌4 h，90 ℃水浴加熱30 min，冷卻至室溫，得到馬鈴薯蛋白/黃原膠微凝膠。

1.2.3 馬鈴薯蛋白-黃原膠復合物的制備

2）針對安全隱患及時跟蹤復查，確定完成整改。檢查結束后，應立即匯總安全問題，下發安全隱患整改通知書，確定整改限期及時跟進整改進度，再次組織復查，對未按期整改者給予處罰，確保整改保質保量完成。

根據夏曉鳳[10]的方法略有改動。稱取一定質量的馬鈴薯蛋白粉(質量分數為1.00%)和黃原膠，分別用去離子水進行溶解，持續攪拌3 h，將制備好的溶液放入4 ℃冰箱中過夜；將黃原膠溶液加入到溶液中，持續攪拌4 h，使用濃度為0.1 mol/L的HCl溶液將上述溶液pH 值分別調節至2.0 ～4.0，得到PP-XG復合溶液，凍干保存，備用。

1.2.4 面團的制備

在大米粉中分別添加質量分數為2.5%、5.0%的PP、PPM、PPXG、PPXGM，添加85%的水，以大米面團作為對照樣品。

1.2.5 面團流變特性的測定

采用20 mm的鋁平板，間隙為1.0 mm，溫度為25 ℃，設置頻率為1 Hz，首先通過振幅掃描確定線性黏彈區。實驗過程中待上夾具降低到1.05 mm處切邊，為防止水分蒸發涂抹一層薄薄的甲基硅油。然后將夾具降低到1.0 mm進行測試[11]。

溫度掃描測定：掃描范圍25～90 ℃，升溫速率5 ℃/min，應變為0.5%，頻率為1 Hz。

1.2.6 傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)的測定

將上述制備的大米面團進行真空冷凍干燥，粉碎后過100目篩。將樣品與光譜純溴化鉀按質量比(1∶50)混合，均勻研磨，使用配套壓片機制片。用紅外光譜儀在400～4 000 cm-1掃描。用Peak Fit 4.12對酰胺Ⅰ帶(1 600～1 700 cm-1)進行圖譜分析，先進行基線校正，之后二階導數擬合，直至擬合殘差最小。

1.2.7 微觀形貌的測定

大米面團的微觀結構變化采用場發射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope，FESEM)觀察，樣品噴金處理，加速電壓為20 kV，放大倍數為2 000倍。

1.2.8 饅頭的制備

稱取100 g大米粉，添加不同質量分數(2.5%和5.0%)的馬鈴薯蛋白微凝膠，1%的酵母，根據Mixolab混合實驗儀最佳實驗條件下所推薦加水量添加合適的水，混勻后在37 ℃，濕度85%恒溫恒濕箱中發酵1 h，手工揉制成型，相同條件下醒發10 min，在沸水鍋中蒸30 min后取出，室溫冷卻1 h備用[13]。

1.2.9 饅頭比容的測定

將冷卻后的饅頭稱重，之后在體積測定儀上測試，饅頭體積與質量的比值即比體積，饅頭的比容測試參照GB 21118—2007《小麥粉饅頭》。

(1)

式中：λ,饅頭比容，mL/g；V,饅頭體積，mL；m,饅頭質量，g。

1.2.10 饅頭質構的測定

將冷卻后的饅頭，切成2 cm×2 cm×0.5 cm的塊狀。使用TPA質構模式測試。探頭為P/36R，測前速度1.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度1.0 mm/s，觸發力5.0 g，壓縮比50%，2次壓縮間隔3 s[14]。

1.2.11 統計分析

用Microsoft Excel 2010進行數據處理，用Origin 8.5繪圖。利用 SPSS 17.0 軟件進行顯著性分析，采用Duncan’s多重比較法進行顯著性檢驗(P<0.05)，實驗均重復3次取平均值，數據以平均值±標準偏差表示。

2 結果與討論

2.1 馬鈴薯蛋白微凝膠對大米面團流變特性的影響

在和面攪拌、發酵和蒸煮過程中，面團中的淀粉會發生糊化，蛋白質發生變性，面團流變學特性也因此改變[15]。添加 PP 和 PPM 的大米面團的彈性模量(G′)、黏性模量(G″)和tanδ隨頻率變化曲線如圖1所示。溫度在25～50 ℃，彈性模量(G′)和黏性模量(G″)略微下降。在50～75 ℃，大米面團內的淀粉吸水膨脹發生糊化，G′和G″迅速增加達到峰值。75 ℃時，與對照相比，添加PP和PPM降低了面團的G′，尤其是添加量為5.0%時，G′顯著降低。這與楊翠紅[16]發現在加熱過程中乳清分離蛋白可抑制玉米淀粉的膨脹糊化的研究結果一致。這可能是因為升溫過程中二者的相互作用增強，蛋白質對淀粉的束縛作用抑制淀粉顆粒進一步糊化。另一方面可能由于蛋白質的存在稀釋了淀粉的相對濃度，從而延緩了顆粒的糊化膨脹過程。但是，添加PPXG和PPXGM面團的G′和G″高于添加PP和PPM的面團，溫度升高引起蛋白質的弱化和分子動能增加，面團變軟，而體系中的黃原膠可能在一定程度上降低了這種弱化作用[17]。

損耗角正切tanδ是G″與G′的比值，值越高代表樣品的黏度越大，可反應加熱過程中面團結構的變化。在整個升溫過程中，所有樣品的tanδ值均<1，說明大米面團的彈性特征高于黏性特征。當測試溫度為25～50 ℃時，tanδ略微增加，隨著溫度升高，面團的流動性增強，蛋白質分子鏈的熱運動因溫度升高而增加，但在該溫度范圍內其結構并未發生改變。在50～75 ℃，tanδ迅速增加，說明面團微觀結構發生改變。一方面大米淀粉吸水膨脹導致面團強度下降；另一方面溫度升高可能會導致馬鈴薯蛋白微凝膠的結構弱化。溫度在75～100 ℃，大米淀粉完全糊化，tanδ迅速下降，說明出現了高度結構化的網絡。溫度>80 ℃，所有面團的tanδ依然降低，說明其微觀結構持續變化，這可能是由高溫下蛋白質形成的某種鍵引起[18]。

a-添加量2.5%的G′；b-添加量5.0%的G′；c-添加量2.5%的G″；d-添加量5.0% G″； e-添加量2.5%的tanδ；f-添加量5.0%的tanδ圖1 大米面團的溫度掃描曲線Fig.1 Scanning curve of rice dough temperature

2.2 馬鈴薯蛋白微凝膠對大米面團中蛋白二級結構的影響

紅外光譜技術是一種非破壞性的可用于研究異質食品和生物體系分子結構的光譜技術。這種方法已經被用來分析蛋白質結構、面團流變特性和小麥面包工藝性能之間的關系[19]。與對照相比，添加PP、PPM、PPXG和PPXGM后，α-螺旋和無規則卷曲含量降低，β-折疊含量增加，β-轉角含量略微降低(表1)，就所有樣品而言，2.5%的添加量使得α-螺旋含量降低程度較小，5.0%的添加量使得β-折疊含量增加較多。一般來講，蛋白質結構的有序性與α-螺旋含量呈正相關，蛋白質結構的穩定性和β-折疊含量呈正相關，且β-轉角與面團的柔韌性有關。添加PP、PPM、PPXG和PPXGM后，無麩質大米面團中蛋白的有序性降低，但穩定性增加，結構變得更加穩定，推測是淀粉顆粒與蛋白或蛋白質微凝膠通過非共價相互作用所致,尤其是氫鍵，從而改善了面團的混合性能[19]。此外，添加5.0%的PPM和PPXGM后，面團中β-折疊含量最高，說明此時面團的結構穩定性最高。

表1 大米面團中蛋白的二級結構變化Table 1 Secondary structure changes of protein in rice dough

2.3 馬鈴薯蛋白微凝膠對大米面團微觀結構的影響

圖2為大米面團的掃描電鏡圖。對照組大米面團的結構中淀粉顆粒彼此分離，呈現疏松狀，可觀察到各自淀粉顆粒的多邊形形狀。添加PP、PPM、PPXG和PPXGM后，淀粉顆粒被包裹在弱的蛋白質凝膠基質中，不同程度改善了面團的微觀結構，且添加量的增加對微觀結構有積極的影響。添加PPXG和PPXGM后，淀粉顆粒幾乎完全被一層蛋白質微凝膠膜所覆蓋，尤其是添加5.0% PPXGM，推測是淀粉顆粒與馬鈴薯蛋白微凝膠通過非共價作用形成了更加緊密的結構,主要是氫鍵作用的影響，有助于面團的形成[20]。這與SARABHAI等[21]的研究結果類似，無麩質餅干的面團中淀粉顆粒被蛋白膜覆蓋，結構變得更加緊密。這有助于面團網絡的形成。

a-對照；b-2.5%馬鈴薯蛋白；c-5.0%馬鈴薯蛋白；d-2.5%馬鈴薯蛋白微凝膠；e-5.0%馬鈴薯蛋白微凝膠；f-2.5%馬鈴薯/黃原膠復合物； g-5.0%馬鈴薯/黃原膠復合物；h-2.5%馬鈴薯/黃原膠復合微凝膠；i-5.0%馬鈴薯/黃原膠復合微凝膠圖2 添加馬鈴薯蛋白微凝膠后無麩質大米面團的微觀結構Fig.2 Microstructure of gluten-free rice dough after adding potato protein microgels

2.4 馬鈴薯蛋白微凝膠對大米饅頭比容的影響

比容是衡量饅頭品質的重要指標之一。比容較大的饅頭芯硬度較小，質地較為柔軟，消費者接受度較好。馬鈴薯蛋白微凝膠對大米饅頭比容的影響如圖3所示。PPXG和PPXGM的添加使無麩質大米饅頭的比容顯著增加，馬鈴薯蛋白與黃原膠復合后對比容的影響優于單獨的馬鈴薯蛋白。單獨大米饅頭的比容為1.14 mL/g，添加5.0%的PP、PPM、PPXG和PPXGM后，饅頭的比容依次為1.18、1.21、1.48、1.44 mL/g。WITCZAK等[14]發現，2%的馬鈴薯蛋白添加量會增加無麩質面包的體積，但6%～10%添加量會導致體積降低。馬鈴薯蛋白微凝膠的2種添加量均未造成饅頭比容的明顯降低，盡管添加5.0%的PPXGM后，比容略微下降，但不顯著(P>0.05)。大米饅頭比容的增加說明馬鈴薯蛋白微凝膠充當了面筋蛋白的角色，與大米淀粉通過非共價相互作用穩定面團內的氣泡結構，改善了大米面團在發酵過程中的持氣性。此外，PPXG和PPXGM與大米淀粉相互黏結，減少其流動性，從而有效保持發酵過程中產生的氣體，從而增加比容[22]。在添加量為2.5%時，PPXGM的效果高于PPXG，且在添加5.0%的PPXGM后，微凝膠顆粒網絡結構使得比容比對照組提高了26.3%，效果顯著。

圖3 添加馬鈴薯蛋白微凝膠對大米饅頭比容的影響Fig.3 Effect of adding potato protein microgels on the specific volume of rice steamed buns

2.5 馬鈴薯蛋白微凝膠對大米饅頭質構特性的影響

質構可用于評價產品的品質，判斷其可接受性。添加不同比例的馬鈴薯蛋白微凝膠對大米饅頭的質構影響如表2所示。硬度、咀嚼性和膠著性與產品的品質呈負相關，值越大口感越差。硬度大，咀嚼困難，膠著性強，口感粘牙。彈性和回復性與產品品質呈正相關，值越大口感越好。與對照相比，添加PP、PPM、PPXG和PPXGM后，饅頭的硬度、膠著性和咀嚼性降低，彈性升高，添加PP和PPM可增加饅頭的回復性，添加PPXG和PPXGM卻降低了回復性。對于同一個樣品，添加量越大，效果越明顯，且所有樣品的硬度、咀嚼性、膠著性和彈性變化趨勢相同。以硬度的變化為例，添加2.5%和5.0%的PP，硬度分別下降8.36%和11.48%；添加PPM后，硬度分別降低18.60%和25.95%；添加PPXG后，硬度分別降低25.94%和43.34%；添加PPXGM后，硬度分別下降39.14%和52.17%。饅頭品質依次為PPXGM>PPXG>PPM>PP>對照。于亞洲[23]發現乳清蛋白和乳清蛋白冷凝膠均可降低大米面包的硬度，增加面包的彈性和回復性，與本研究結果類似。TOMIC等[24]發現添加蛋白質后無麩質小米面包的硬度會降低，可能與面包較高的比容和較大的氣室數量有關。這說明面包的比容與硬度呈負相關。添加PPXGM后饅頭硬度的降低是由于其較強的持水能力可阻止水從饅頭內部向外部的運輸，從而降低了饅頭的硬度[25]。添加PP、PPM、PPXG和PPXGM 后，膠著性降低，彈性增加，饅頭表現出柔軟、爽口的品質?？傊?，馬鈴薯蛋白微凝膠的添加對大米饅頭的品質均具有一定程度的改善作用。這可能是因為馬鈴薯蛋白微凝膠具有較好的乳化性，可與面團里的脂質結合，增強面團的韌性和持氣性，使饅頭的比容增加，質構特性得以改善。

表2 馬鈴薯蛋白微凝膠對大米饅頭質構特性的影響Table 2 Effects of potato protein microgels on the texture of rice steamed buns

3 結論

在大米面團中加入質量分數為2.5% 和5.0%的PP、PPM、PPXG和PPXGM，可對面團的流變特性和微觀結構產生不同的影響。添加PPXG和PPXGM可增加無麩質大米面團的G′和G″，降低面團的tanδ，提高了面團加工性能。添加PP、PPM、PPXG和PPXGM后，α-螺旋和無規則卷曲含量降低，β-折疊含量增加，尤其是5.0%的PPM和PPXGM使無麩質大米面團的結構更加穩定。PPXG和PPXGM相對于PP和PPM更能提高面團的持氣性，增加饅頭的比容。添加馬鈴薯蛋白微凝膠后饅頭的硬度、膠著性和咀嚼性降低，彈性升高，添加PPXGM的饅頭品質相比PP、PPXG、PPXGM更好。大米饅頭既符合中國人的飲食習慣，又能滿足麩質不耐受患者的需求。