谷朊粉對小米淀粉理化性質的影響

李穎，李娟

（黑龍江八一農墾大學食品學院，大慶 163319）

小米作為我國主要的經濟食糧，具有價格低廉、抗旱能力強及對儲存環境要求簡單等特點，由于小米的營養素含量較多且豐富，容易被人體所吸收，因此無論是小米飯、小米粥等總會受到廣大消費者的關注，隨著社會經濟條件及日常生活品質的加強，消費者逐漸增加對方便食品的營養吸收及保健功能的重視，而小米便利產品僅停留在試驗階段，沒有投入到生產鏈，因此具備很大的發展前景。

小米中主要的營養成分為淀粉，其含量可以高達55%～60%，因此小米淀粉含量、分子結構及直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例是決定小米制品品質的關鍵性因素[1]。研究表明淀粉的老化回生過程中的水分再分布會使相關產品的食用品質及感官特性變差、縮短產品貨架期并造成一定的糧食損失及經濟浪費[2]。因此延緩及控制淀粉的老化速率或過程是當前小米制品工業化生產的研究重點及難點。目前研究學者主要通過谷物自身蛋白質、蛋白質水解物以及膠體等來預防淀粉制品的老化速率[3]。

谷朊粉作為一種高含量蛋白質的面筋蛋白，其蛋白質含量最高為85%，并由多種氨基酸組成，鈣、磷、鐵等礦物質含量較高，更作為一種天然配料或者食品添加劑廣泛應用于食品行業中[4]，因此是一種安全無公害的純植物蛋白，而目前關于外源性蛋白質對淀粉分子的理化性質、營養特性以及淀粉消化率等影響研究主要集中在玉米[5]、小麥[6]及大米[7]等，對于小米研究較少，且小米作為我國主要糧食經濟作物，因其高營養已消化等特點而受到廣大消費者的歡迎，淀粉作為小米中主要營養素，其理化性質直接影響到小米方便食品的營養及經濟價值，因此實驗以谷朊粉為蛋白質添加來源，研討多種含量谷朊粉對小米淀粉糊化、老化、溶解度、膨脹力及消化品質等影響，通過紅外光譜進一步探討谷朊粉與小米淀粉之間的相互作用分子機制，為不同含量谷朊粉生產小米制品的加工適用性提供數據參考及理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

谷朊粉，宿州市皖神面制品有限公司；紅谷小米，黑龍江省大慶肇州托古小米廠；淀粉葡萄糖苷酶（活力100 000 U·mL-1）、胃蛋白酶（活力15 000 U·g-1）、胰蛋白酶（活力100 000 U·g-1），北京北化精細化學品有限公司；葡萄糖試劑盒，南京建成生物工程研究所。

1.2 儀器與設備

DHG-9420A 型鼓風干燥箱 北京普析通用儀器有限責任公司；MJ-10A 型磨粉機 湖南湘儀試驗室儀器開發有限公司；RVA4500 型快速黏度分析儀美國瓦里安技術有限公司；Nicolet 6700 傅里葉變換紅外光譜儀 美國T hermo Fis her 公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的制備

1.3.1.1 小米淀粉的制備

利用蒸餾水進行水洗小米2～3 次，并于鼓風干燥箱中過夜設置溫度條件為40 ℃，加工干燥后的小米通過磨粉機處理得到小米粉，并過80 目篩，稱取過篩后的小米粉10 g，相應比例加入濃度為0.3 g·mL-1的氫氧化鈉溶液30 mL，混勻后充分浸泡3 h。通過設置轉數3 500 rpm 進行離心，時間設置為10 min，收集白色沉淀物質，進行水洗離心4 次，利用1 moL·L-1的鹽酸溶液調節pH 值為7，再次離心后干燥箱中進行30 ℃條件過夜干燥，粉碎過80目篩備用[8]。

1.3.1.2 小米復配淀粉的制備

稱取等質量30 g 小米淀粉6 份，依次加入谷朊粉0、1、3、5、7、9 g 進行混勻后裝袋標記好備用。

1.3.2 小米淀粉及谷朊粉基本成分分析

1.3.2.1 小米淀粉及谷朊粉粗蛋白含量的檢測

粗蛋白含量的測定按照國家標準GB 5009.5-2016[9]執行。

1.3.2.2 小米淀粉及谷朊粉粗脂肪含量的測定

稱取小米淀粉或谷朊粉2 g 于準備好的濾紙筒中，并將已經稱重的抽提瓶安裝到冷凝器上，加入石油醚，打開冷凝管，并將水浴溫度設置成65 ℃，蒸餾6 h 后，將抽提瓶取出于105 ℃干燥箱中烘干，設置時間為1 h，結束后稱重。

1.3.2.3 小米淀粉及谷朊粉水分含量的測定

水分含量的測定按照國家標準GB/T 20264-2006[10]執行。

1.3.2.4 小米淀粉及谷朊粉灰分含量的測定

灰分含量的測定按照國家標準GB 5009.4-2016[11]執行。

1.3.2.5 小米淀粉及谷朊粉總淀粉含量的測定

總淀粉含量的測定按照國家標準GB/T2019.4-2006 執行。

1.3.2.6 小米淀粉及谷朊粉直鏈淀粉含量的測定

直鏈淀粉含量的測量按照國家標準GB/T 15683-2008 執行。

1.3.3 谷朊粉添加量對小米淀粉消化性的影響

稱取一定質量小米復配淀粉分散于15 mL 去離子水中，加入3 mL 酶活7 mg·mL-1的胃蛋白酶溶液，于37 ℃下恒溫水浴攪拌60 min 后沸水浴滅酶。加入2 mL 酶活8 mg·mL-1胰蛋白酶溶液，0.065 mL 酶活260 U·mL-1的淀粉葡萄糖苷酶，37 ℃條件下進行水浴攪拌，在消化時間0、20、120 min 進行取樣0.2 mL，加無水乙醇1.8 mL 充分搖勻，離心后利用試劑盒檢測皮葡萄糖含量[12]。

式中，小米淀粉經谷朊粉復配后的質量為“S”g

1.3.4 谷朊粉添加量對小米淀粉膨脹力和溶解度的影響

稱取A g 重量的復配后的小米淀粉配置成2%濃度的淀粉乳，在95 ℃條件下攪拌15 min，離心后移取上清液進行烘干后稱重，稱重為W g[13]，樣品膨脹后的重量稱重為P g。計算公式如下：

1.3.5 谷朊粉添加量對小米淀粉糊化特性的影響

稱取3.0 mg 小米復配淀粉于坩堝中，加入蒸餾水體積為7 μL，利用壓片機反復壓片直到坩堝密封完全。放置坩堝于室溫條件下12 h，設置差示掃描量熱儀（DSC）條件N2的流速為150 mL·min-1、壓力值100 Pa、程序溫度由每分鐘5 ℃上升到100 ℃[14]。

1.3.6 谷朊粉添加量對小米淀粉老化的影響

稱取3.5 g（干基）小米復配淀粉于鋁筒中，加入蒸餾水的體積為25 mL，設置速黏度分析儀（RVA）條件為35 ℃條件下維持3 min，以每分鐘上升6 ℃的速率加熱到95 ℃，維持5 min，以每分鐘下降6 ℃速的率降溫到50 ℃[15]。

1.3.7 谷朊粉添加量對小米淀粉官能團的影響

稱取小米復配淀粉2 mg，再加入KBr 粉末150 mg，使兩者經研磨充分混勻，利用壓片機進行壓片成型，設置傅里葉紅外光譜儀（FTIR）條件掃描范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，得淀粉混合物的紅外光譜圖[16]。

1.3.8 數據統計與分析

文中所有實驗數據重復3 次，數據以平均值和標準差來表示，所欲統計分析均使用Spss 進行，利用AVOVA 和Duncan's 進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 小米淀粉及谷朊粉基本成分分析

通過國家標準及參考他人文獻進行小米淀粉及谷朊粉基本成分的含量進行測定，結果如表1 所示。實驗所用的小米淀粉含有86.44%的淀粉，其中29.73%為直鏈淀粉，并且含有微量的蛋白質和脂肪。實驗室所有的谷朊粉所含的蛋白質含量高達83.29%，含有少量淀粉、脂肪及灰分。

表1 小米淀粉及谷朊粉基本成分的分析Table 1 Analysis of the basic components of starch and gluten powder in millet

2.2 谷朊粉添加量對小米淀粉消化性的影響

將小米和谷朊粉按照一定比例混勻后，通過Englyst 等[17]構建的模擬體內消化系統實驗來檢測樣品經過胃-小腸消化后生成的葡萄糖含量，以此來表征不同含量的谷朊粉添加量對小米淀粉消化速率的影響。實驗結果如表2 所示，小米淀粉在無谷朊粉的影響下，其RDS 含量較高，SDS 含量次之，而在谷朊粉的干預下，小米淀粉RDS 最高降低10.39%，RS 最高增加量為12.14%，即谷朊粉能夠顯著抑制小米淀粉的消化速率，其發生原因可能是谷朊粉作為高蛋白物質，能夠成為一種抵制淀粉酶發揮作用的屏障，將淀粉顆粒充分包圍，減少了淀粉顆粒的吸水膨脹，使其酶解速率受到限制，而隨著谷朊粉添加量的增加，其經胃蛋白酶等酶解液水解產生游離脂肪酸及小分子多肽的含量增加，進而增加短鏈多肽、脂肪酸與淀粉分子的相互作用的幾率，進一步延緩小米淀粉的水解。實驗結果進一步驗證了Smith 等[18]對于蛋白水解物對比原蛋白分子能夠更有效的降低淀粉反應速率。

2.3 谷朊粉添加量對小米淀粉膨脹力和溶解度的影響

淀粉溶解及膨脹的發生主要是由于淀粉中直鏈、支鏈淀粉的溶出及擴散，其反應了淀粉顆粒內部的相互水合能力及持水能力，其數值大小主要受淀粉顆粒大小，顆粒形態、分子量大小和他成分如蛋白質、脂類以及酸堿度的影響[19]。相關研究表明小米淀粉的糊化溫度為60 ℃左右，為了進一步探究在高于及低于糊化溫度一定溫度條件下不同含量的谷朊粉對小米淀粉與水互作能力的影響，選取80 ℃及40 ℃條件下加熱復配后的淀粉乳。實驗結果由圖1 所示，小米淀粉在無谷朊粉添加的影響下，淀粉懸濁液能夠充分吸水膨脹，而經過80 ℃高溫作用后，不溶解淀粉顆粒會進一步吸水崩解，溶解度高達32%，當加熱溫度為40 ℃時，小米淀粉溶解度較低，約為15%，說明較高的糊化溫度能夠促進直鏈淀粉的溶出，使溶解度增加。而在不同比例谷朊粉的添加下，小米復合淀粉的高溫條件下的溶解度有顯著變化，并隨著谷朊粉的減小而減小。其發生原因主要是谷朊粉作為蛋白質能夠形成一種保護膜將淀粉顆粒充分包圍，使其溶解受到限制。淀粉分子的膨脹力主要指不溶性淀粉分子即支鏈淀粉分子之間會發生氫鍵作用，使淀粉分子難溶于水，但部分支鏈淀粉分子會與水分子結合，從而使支鏈淀粉分子具有一定膨脹系數，在40 ℃條件下谷朊粉的添加對膨脹力和溶解度幾乎無影響，而在高溫條件下小米復合淀粉的膨脹力隨著谷朊粉的添加量的增加而降低。

2.4 谷朊粉添加量對小米淀粉糊化特性的影響

淀粉分子在濕熱條件下其內部顆粒氫鍵會遭到破壞，結晶結構打開，淀粉分子會從有規則的晶體結構轉換成無規則的散亂狀態，經冷卻后淀粉分子的雙螺旋結構會重新締結形成新的有序結構[20]，而通過差示掃描量熱儀（DSC）得到的熱特征值能夠見解或者直接推斷出淀粉結構變化，因此，實驗通過DSC實驗來檢測在不同含量谷朊粉添加條件下小米淀粉熱力學特征的變化趨勢。實驗結果如表3 所示，未添加谷朊粉的小米淀粉的糊化溫度為61.02 ℃，峰值溫度為67.79 ℃，終止溫度為80.14 ℃，熱焓值為13.14 J·g-1。谷朊粉的糊化溫度為107.02 ℃，峰值溫度113.42 ℃，終止溫度123.21 ℃，熱焓值為9.54 J·g-1。其中熱焓值代表著直鏈淀粉的雙螺旋損失及晶體數量的下降程度[21]，而通過谷朊粉的添加，小米淀粉的熱焓值呈下降趨勢，即谷朊粉蛋白的添加使重組小米淀粉熱焓值從13.14 J·g-1降低到9.47 J·g-1，表明谷朊粉可以妨礙直鏈淀粉雙螺旋解旋，防止淀粉晶體結構遭到破壞。與此同時，當谷朊粉含量呈現梯度增加時，小米復合淀粉的糊化溫度及峰值溫度均增加但仍顯著低于純谷朊粉，表明蛋白質的糊化溫度顯著高于淀粉糊化溫度，而終止溫度呈現下降趨勢，其發生原因主要在于蛋白質的糊化溫度要顯著高于淀粉分子的糊化溫度，因此，復合淀粉分子的熱吸收峰會隨著谷朊粉的添加量而更向蛋白質的吸收峰靠近[22]。

表3 谷朊粉添加量對小米淀粉糊化特性的影響Table 3 Effects of gluon starch addition on starch paste properties of millet

2.5 谷朊粉添加量對小米淀粉老化的影響

小米淀粉在添加不同含量谷朊粉的條件下研究其RVA 特征值的變化趨勢，實驗結果如表4 所示。當谷朊粉含量從0 g 逐漸添加到9 g 時，樣品的峰值黏度和最終黏度分別從2 574±47.13 mPa·s 和27.14±28.95 mPa·s 降低到874±33.64 mPa·s 和1 033±74.03 mPa·s，且衰減值和谷值黏度也呈現相同變化趨勢。其中谷朊粉的峰值粘度、谷值黏度及衰減值顯著高于復配前后的淀粉乳峰值粘度，而回生值顯著低于復配淀粉乳。衰減值的大小表明，淀粉分子在高速率剪切條件下繼續保持分子內部平衡的能力，其數值越小表明淀粉分子結構越穩定，而谷朊粉作為一種高蛋白大分子物質能夠進入淀粉分子顆粒之間，從而縮小淀粉分子之間的縫隙，抑制重組淀粉分子的破碎?；厣档拇笮∧軌虺浞终f明淀粉分子經升溫又降溫即糊化后冷卻的老化趨勢，而當谷朊粉含量呈現梯度增加時，回生值指標卻減小，其發生原因主要在于谷朊粉能夠增加淀粉分子之間空間限制，使其發生交聯概率降低，抑制淀粉分子水分的遷移，提高淀粉凝膠的持水能力，從而限制了復合淀粉乳的回生[23]。谷朊粉可以顯著降低重組淀粉分子體系的黏度，則進一步證實蛋白質分子能夠保留淀粉分子的水分，從而減少淀粉分子顆粒的初始膨脹，降低黏度系數。

表4 谷朊粉添加量對小米淀粉老化的影響Table 4 Effects of gluten powder addition on the aging of millet starch

2.6 谷朊粉添加量對小米淀粉官能團的影響

不同含量谷朊粉的添加對小米淀粉分子官能團的影響如圖2 所示。通過紅外光譜圖可以觀察到在谷朊粉的影響下小米淀粉的吸收峰發生一定程度的位移，但不同添加量谷朊粉的紅外光譜圖基本一致，其中3 000～3 600 cm-1為O-H 官能團的吸收峰，2 950 cm-1為C-H 官能團的吸收峰，1 640 cm-1為C=C 伸縮吸收峰，也可能為樣品中水分子的官能團的吸收峰。而1 200～800 cm-1為淀粉分子的指紋圖譜區域、1 655、1 540 cm-1為蛋白質的特殊吸收峰，對比小米純淀粉的吸收圖譜添加谷朊粉的吸收圖譜沒有新的吸收峰的產生，表明淀粉分子與蛋白質之間沒有產生新的共價鍵[24]。隨著谷朊粉含量的增加，與小米原淀粉相比，小米復合淀粉分子圖譜中O-H 伸縮振動峰發生一定程度的位移，即吸收峰的強度降低，表明體系內部的分子間氫鍵作用力減弱，說明谷朊粉的加入會抑制淀粉分子間形成氫鍵，發生聚集，使復合淀粉乳的回生進程收到限制[25]。此研究結果與谷朊粉對小米淀粉老化的影響結果相符，進一步說明谷朊粉的添加能夠抑制淀粉的回生。

圖2 谷朊粉添加量對小米淀粉官能團的影響Fig.2 Effects of gluten powder addition on the functional group of millet starch

3 結論

實驗研究了不同添加量的谷朊粉對小米淀粉消化特性、溶解度、膨脹力、糊化特性、回生性質等影響，即谷朊粉能夠降低小米淀粉的溶解度、膨脹力同時降低小米淀粉的消化率，抑制其的回生過程，其發生原因主要在于谷朊粉作為一種大分子蛋白質對小米淀粉存在一定的物理屏障作用如發生纏繞或者形成氫鍵，使淀粉分子充分包埋于谷朊粉中，使淀粉復配體系對葡萄糖苷酶等存在抑制作用。通過谷朊粉的添加使淀粉分子與蛋白質之間的非極性相互作用的概率增加，淀粉溶解度降低，通過糊化及老化實驗結果進一步證明谷元粉作為蛋白質會有效抑制復合小米淀粉在回生過程中水分的遷移，降低淀粉分子之間發生交聯的概率，限制有序結構的構成，降低其熱焓值及抑制老化過程。研究能夠為后續探究谷朊粉影響小米淀粉理化性質的分子機制提供理論基礎與數據支持，更能夠進一步擴大小米淀粉的應用范圍即生產高抗性淀粉產品。