0 引言
【研究意义】热处理（如蒸煮、焙烤、消毒或灭菌）、冷冻以及冷藏等,是食品加工中的常用技术。食品原料成分在热作用下发生理化特性变化,如蛋白质变性、淀粉糊化、玻璃化转变等,将导致食品形态、理化和功能性质等发生明显变化,进而影响产品质量[1]。了解和掌握成分热转化特性的变化规律有助于优化热加工参数,控制食品质量和节能。【前人研究进展】差示扫描量热技术（differential scanning calorimetry,DSC）是研究物质热转变特性的常用方法。在控制温度条件下检测物料释放或吸收的热量,可得到热转变起始温度和峰值温度、热转变焓值等指标。蛋白质和淀粉是食品原料的主要成分之一。大豆蛋白的DSC图谱通常显示2个吸热峰。根据水分含量的不同,温度较低（80—90℃）的峰为7S亚基的变性峰,温度较高（96—109℃）的峰为11S亚基的变性峰[2-3]。小麦谷朊粉在88℃和101℃显示2个非常微弱的吸热峰 ;乙酸溶解的小麦蛋白在74℃显示变性峰[4-5]。β-乳球蛋白在65—72℃呈现1个变性峰[6]。玉米淀粉在接近70℃有1个糊化的吸热峰;在接近90℃出现直链淀粉-脂肪复合物相转变的吸热峰。水分含量55%的蜡质淀粉在62℃附近有1个糊化的吸热峰[7-11]。马铃薯淀粉在83℃有1个糊化的吸热峰[2]。食品原料是多成分体系,蛋白质-淀粉混合体系的热转变特性也有报道。当不同品种马铃薯淀粉和小麦面粉混合时,随着马铃薯淀粉的添加量从10%增至50%,含Benimaru品种马铃薯淀粉混合体系和含Norin No.12品种马铃薯淀粉混合体系的热转变温度分别从62℃增至66℃、从64℃增至66℃[12]。随着硬红春（Hard Red Spring）小麦蛋白添加量从5%增至50%,淀粉-小麦蛋白体系中淀粉热转变峰值温度从70℃增至83℃[13]。LI等[14]发现大豆分离蛋白可以提高其和玉米淀粉混合体系中玉米淀粉的热转变温度;同时,玉米淀粉降低了大豆分离蛋白的热转变焓值;水分含量越高,玉米淀粉和大豆分离蛋白的热转变温度降低。【本研究切入点】相比单一成分的热转变研究,多成分的热转变要复杂的多。成分间的相互作用对热转变特性的影响,成分配比和热转变特性的关系等有待深入研究。【拟解决的关键问题】采用大豆分离蛋白、小麦谷朊粉和玉米淀粉,设计蛋白质和淀粉不同的混合比例（0—100%）,采用DSC技术,系统研究蛋白质-淀粉共混体系的热转变特性。研究蛋白质和淀粉在多成分体系下热转变特性的变化规律,旨在为下一步研究原料热特性和加工制品质量特性的关系提供理论和技术依据。1 材料与方法
试验于2013年在中国农业科学院农产品加工研究所实施。1.1 试验材料与设备
大豆分离蛋白（Soybean Protein Isolate,SPI）,选取2013年收获的中黄13（中国农业科学院作物科学研究所提供）,自制。制备工艺如下：将大豆破碎,去皮,采用超离心粉碎机粉碎,过0.5 mm筛。采用索氏提取法去除油脂（丙酮萃取4 h,50℃干燥去除残留溶剂）。将脱脂大豆蛋白粉与去离子水按照1﹕20（w/v）的比例混合,加入2 mol·L-1 NaOH调节pH至11.0,搅拌30 min,4 000×g离心30 min,取上清液用2 mol·L-1 HCl调节pH至4.5,4 000×g离心30 min,弃上清液,将沉淀重新分散于去离子水中,加入2 mol·L-1 NaOH调节pH至7.0,冷冻干燥,粉碎过0.25 mm筛。采用此方法提取的大豆分离蛋白中蛋白质含量（N×6.25）为90.10%（干基）。谷朊粉（Wheat Gluten,WG）,购于美国Sigma公司,粗蛋白含量（N×5.7）为78.19%（干基）,水分含量7.11%。玉米淀粉（Corn Starch,CS）,购于美国Sigma公司,总淀粉含量大于99%,水分含量11.73%。
Q200型差示扫描量热量热仪（TA,USA）,DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）,BSA224S-CW型电子分析天平（北京赛多利斯科学仪器有限公司）,TB-4002型电子天平（北京赛多利斯科学仪器有限公司）,DK-S2型电热恒温水浴锅（上海精宏实验设备有限公司）,TDL-5-A型台式低速离心机（上海安亭科学仪器有限公司）,ZM200型超离心粉碎仪（Retsch,Germany）,Alpha1-4LSC型真空冷冻干燥机（Marin Christ,Germany）,KJELTEC2300型全自动凯氏定氮仪（FOSS,Sweden）。
1.2 试验方法
混合样品的制备：将SPI-WG、SPI-CS和WG-CS分别两两以不同的比率（100﹕0、75﹕25、50﹕50、25﹕75和0﹕100）在大烧杯中混合。将SPI-WG-CS按80﹕10﹕10、60﹕20﹕20、33﹕33﹕33、20﹕40﹕40、40﹕40﹕20和40﹕20﹕40比率混合。调节蛋白质-淀粉混合物的最终水分含量为50%。将样品密封在自封袋中,置于4℃环境下24 h,平衡水分。热转变特性测定：待样品恢复室温后,称取约10 mg样品于差示量热扫描仪专用样品盘中,封盘。DSC扫描条件：扫描温度区间20—130℃,升温速率10℃·min-1,N2保护,N2流速50 mL·min-1。空样品盘做参比。记录热转变起始温度（To）、峰值温度（Tp）、△H和峰宽（△T）,用Version1.9D软件分析图谱。每个样品重复测定2次,结果取平均值。DSC典型谱图如图1所示。起始温度,表示开始发生热转变时的温度。峰值温度是指热转变峰达到峰顶时的温度。△H是指成分发生热转变时吸收或释放的热量,如蛋白质变性或淀粉糊化则会吸收一部分热量。△T表征热转变峰的宽度,和成分中组分均匀性有关,组分越均匀则峰越窄,反之则越宽。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1差示量热扫描谱图和参数
-->Fig. 1DSC profile and parameters
-->
1.3 数据处理
试验数据采用SPSS 18.0中的ANOVA程序进行方差分析,Duncan法进行多重比较。2 结果
2.1 大豆分离蛋白、玉米淀粉、谷朊粉单一组分热转变特性
水分含量对大豆分离蛋白（SPI）热转变特性的影响如表1所示。由于大豆蛋白11S亚基的热转变焓值显著高于7S,转变峰容易指认,SPI的热转变特性仅以11S亚基为代表进行分析。当水分含量由30%增加至70%时,SPI发生热转变的起始温度（To）\峰值温度（Tp）和峰宽（△T）呈现出显著降低的趋势,热转变焓值（△H）显著增加的趋势。To从105.17℃降至94.80℃,Tp从113.75℃降至99.49℃,△T从20.72℃降至10.59℃,△H从2.79增加至6.18 J·g-1（P<0.05）。Table 1
表1
表1水分含量对大豆蛋白11 S亚基热转变特性的影响
Table 1Effect of moisture on thermal transition properties of SPI 11 S subunit
| 水分含量 Moisture content (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 30 | 105.17±1.39a | 113.75±0.40a | 2.79±0.29c | 20.72±1.22a |
| 50 | 103.11±0.92a | 108.25±0.86b | 4.45±0.37b | 12.36±0.70b |
| 70 | 94.80±1.27b | 99.49±1.00c | 6.18±0.68a | 10.59±0.24b |
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水分含量对玉米淀粉（CS）热转变特性的影响如表2所示。50%水分含量玉米淀粉热转变特性如图2-e所示。水分含量为30%时,未检测到热转变。当水分含量从50 %增至70%时,Tp和△H显著增加（P<0.05）,Tp从68.56℃增至69.93℃;△H从3.62 J·g-1增至14.14 J·g-1,表明当水分含量较低（50%）时,淀粉未完全糊化。
Table 2
表2
表2水分含量对玉米淀粉热转变特性的影响
Table 2Effect of water content on thermal transition properties of CS
| 水分含量 Moisture content (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 30 | -- | -- | -- | -- |
| 50 | 63.54±0.61a | 68.56±0.40b | 3.62±0.61b | 11.73±0.86a |
| 70 | 64.97±0.21a | 69.93±0.11a | 14.14±0.63a | 13.38±0.11a |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同比例SPI-CS混合物的DSC图谱
-->Fig. 2DSC profiles of SPI-CS mixtures at different ratio
-->
由于谷朊粉具有很强的粘结性,水分含量为30%时,无法形成均匀的体系;水分含量50%时达到饱和。当水分含量为50%时,谷朊粉（WG）在20—130℃未检测到热转变（图3-e）。
2.2 大豆分离蛋白、玉米淀粉、谷朊粉两两混合体系的热转变特性
2.2.1 SPI-CS混合体系的热转变特性 水分含量50%,不同比例SPI-CS混合体系的DSC结果如图2所示。曲线a为100% SPI的结果,显示2个吸热峰,分别为7S和11S亚基,其Tp分别为89.97℃和108.79℃。曲线e为100% CS的结果,1个吸热峰,Tp为68.56℃。曲线b、c、d分别表示CS在混合体系中的比例为25%、50%和75%,均呈现2个吸热峰。第1个峰Tp低于90℃,故判断为CS的热转变峰,第2个峰为SPI的变性峰。当水分含量为50%时,不同比例SPI-CS共混体系中SPI的热转变特性如表3所示。和100% SPI（CS添加量为0）相比,SPI-CS共混体系中SPI的△H显著降低,平均降低1.41 J·g-1。当CS添加量为25%—75%时,随着CS添加量的增加,SPI热转变的To和Tp呈现升高趋势,在75%时达到最高值,To和Tp最高值分别为105.86℃和109.24℃。结果表明,玉米淀粉降低了大豆分离蛋白的热转变焓值。
SPI-CS共混体系中CS的热转变特性如表4所示。当CS添加量为25%时,CS的热转变特性未检出。和100% CS相比,SPI-CS共混体系中CS的热转变To
Table 3
表3
表3大豆分离蛋白-玉米淀粉混合体系中大豆蛋白11S的热转变特性
Table 3The thermal transition properties of 11S subunits in the SPI-CS mixtures
| CS的百分比 Percent of CS (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 103.11±0.92ab | 108.25±0.86a | 4.45±0.37a | 12.36±0.70a |
| 25 | 101.85±0.05b | 106.55±0.23b | 3.34±0.10b | 10.58±0.22ab |
| 50 | 104.01±0.11ab | 108.07±0.17ab | 2.68±0.24b | 10.04±2.22ab |
| 75 | 105.86±2.04a | 109.24±0.73a | 3.10±0.08b | 7.06±2.34b |
| 100 | -- | -- | -- | -- |
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Table 4
表4
表4大豆分离蛋白-玉米淀粉混合体系中玉米淀粉的热转变特性
Table 4The thermal transition properties of CS in the SPI-CS mixtures
| CS的百分比 Percent of CS (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | -- | -- | -- | -- |
| 25 | -- | -- | -- | -- |
| 50 | 83.28±0.79a | 88.61±0.44a | 3.15±0.15ab | 15.38±0.42a |
| 75 | 70.96±2.49b | 74.58±2.68b | 2.20±0.31b | 12.67±1.43ab |
| 100 | 63.54±0.61c | 68.56±0.40c | 3.62±0.61a | 11.73±0.86b |
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和Tp均显著增加,平均增加分别为14℃和13℃。随着CS添加量由75 %降至50 %时,CS的热转变To和Tp均显著增加（P<0.05）,分别增加12℃和14℃。结果表明,大豆分离蛋白提高了玉米淀粉的热转变温度。
2.2.2 SPI-WG混合体系的热转变特性 WG添加量对SPI热转变特性的影响如图3所示。由于WG未检测到热转变,故SPI-WG混合体系在20—130℃仅SPI发生热转变。混合体系中SPI热转变特性如表5所示。和100% SPI（WG添加量为0）相比,SPI-WG共混体系中SPI的热转变△H降低,平均降低2.40 J·g-1。随着WG添加量由25%增加至75%,SPI的热转变特性差异不显著。结果表明,谷朊粉降低了大豆分离蛋白的热转变焓值。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同比例SPI-WG混合物的DSC图谱
-->Fig. 3DSC profiles of SPI-WG mixtures at different ratio
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Table 5
表5
表5大豆分离蛋白-谷朊粉混合体系中大豆蛋白11 S亚基的热转变特性
Table 5The thermal transition properties of 11 S subunits in the SPI-WG mixtures
| WG的百分比 Percent of WG (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 103.12±0.92a | 108.25±0.86a | 4.45±0.37a | 12.36±0.70a |
| 25 | 100.88±0.33ab | 105.17±0.37a | 2.86±0.24ab | 10.44±0.32a |
| 50 | 98.53±1.03b | 103.36±1.56a | 1.32±0.72b | 8.94±0.08a |
| 75 | 100.53±1.07b | 105.76±3.01a | 1.85±1.13b | 9.64±2.68a |
| 100 | -- | -- | -- | -- |
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2.2.3 WG-CS混合体系的热转变特性 不同比例WG-CS混合体系的热转变特性如图4所示,结果仅显示CS的热转变。混合体系中CS的热转变特性如表6所示。和100% CS相比,WG-CS体系中的CS热转变Tp和△T显著增加,平均均增加12℃。随着WG添加量的增加,CS的热转变特性变化规律不明显。结果表明,添加谷朊粉提高了玉米淀粉的热转变温度。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同比例WG-CS混合物的DSC图谱
-->Fig. 4DSC profiles of WG-CS mixtures at different ratio
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Table 6
表6
表6谷朊粉-玉米淀粉混合体系中玉米淀粉的热转变特性
Table 6The thermal transition properties of CS in the WG-CS mixtures
| CS的百分比 Percent of CS (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | -- | -- | -- | -- |
| 25 | 71.78±1.44a | 79.72±2.76a | 6.07±0.64a | 23.91±3.78ab |
| 50 | 73.27±7.88a | 79.42±7.26a | 3.31±0.19b | 17.78±2.43bc |
| 75 | 73.92±0.00a | 81.04±0.00a | 5.16±0.00a | 28.82±0.00a |
| 100 | 63.54±0.61a | 68.55±0.42b | 3.62±0.61b | 11.66±0.79c |
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2.3 大豆分离蛋白、玉米淀粉、谷朊粉混合体系的热转变特性
不同比例SPI-CS-WG混合体系的热转变特性如表7所示。当SPI、CS、WG的比例均为33%时,混合体系有2个吸热峰,其中转变温度接近100℃的峰判断为SPI的热转变;接近70℃的峰,判断为CS的热转变,CS的热转变To为69℃,Tp为75℃,△H值为6.76 J·g-1,△T为19℃。其他比例混合体系在20—130℃范围仅出现1个峰,转变温度在100℃附近,判断为SPI的热转变。和100% SPI相比,SPI-CS-WG共混体系中SPI的热转变To、Tp、△H和△T均显著降低,分别平均降低4℃、5℃、1.64 J·g-1和3℃。在SPI-CS-WG共混体系中,随着CS-WG添加量等比例由10%增加至40%,SPI的热转变To和Tp逐渐增加。当固定SPI含量为40%,和添加40% WG相比,添加40% CS的SPI热转变To和Tp均显著降低了3℃。结果表明添加玉米淀粉和谷朊粉混合物降低了大豆分离蛋白的热转变温度和焓值,且随着添加量的增加,大豆分离蛋白热转变温度逐渐增加,但仍然低于未添加的热转变。和谷朊粉相比,添加玉米淀粉降低大豆分离蛋白的热转变温度幅度更大。Table 7
表7
表7大豆分离蛋白–玉米淀粉–谷朊粉混合体系中大豆蛋白11 S亚基的热转变特性
Table 7The thermal transition properties of 11 S subunit in the SPI-CS-WG mixtures
| SPI-CS-WG的百分比 Percent of SPI-CS-WG (%) | 初始温度 Onset temperature To (℃) | 峰值温度 Peak temperature Tp (℃) | 焓变 Enthalpy change △H (J·g-1) | 峰宽 Peak width △T (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 100﹕0﹕0 | 103.11±0.92a | 108.25±0.86a | 4.45±0.37a | 12.36±0.71a |
| 80﹕10﹕10 | 96.45±0.33f | 100.39±0.18d | 2.43±0.01b | 8.60±0.14b |
| 60﹕20﹕20 | 98.48±0.41de | 102.47±0.69c | 2.99±0.02b | 9.95±1.29b |
| 33﹕33﹕33 | 99.70±0.13cd | 103.88±0.01b | 3.01±0.05b | 9.65±0.04b |
| 20﹕40﹕40 | 101.19±0.21b | 105.08±0.03b | 2.67±0.35b | 8.73±0.24b |
| 40﹕20﹕40 | 100.89±0.49e | 104.77±0.67c | 2.94±0.58b | 10.23±0.75b |
| 40﹕40﹕20 | 98.26±0.69bc | 102.10±0.32b | 2.81±1.02b | 8.50±0.96b |
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3 讨论
提高物料含水率可以降低蛋白质热转变温度[15]。宋春芳等[16]发现亚麻籽蛋白的变性温度随含水量的增加而减小,认为是水分子渗透到蛋白质结构内部,提高了多肽链的移动性和柔性所致。叶怀义等[17]、顾正彪等[18]发现淀粉的糊化温度随物料含水率的影响不大,但糊化焓随着水分含量的增加而逐渐增加,认为水分促使所有淀粉颗粒吸水膨胀糊化所致。当含水量在30%以下时,淀粉粒则不易膨胀糊化[19],这与本试验的趋势一致。
蛋白质与淀粉混合体系在水溶液中会表现出热力学相容性或不相容性,从而影响食品的性质。当蛋白质与淀粉不相容时,两种分子彼此排挤,造成二者各自浓缩效应[20]。ZHANG等[21]发现与单一蛋白相比,蛋白质-淀粉混合体系中蛋白的热焓值下降,与本试验的趋势一致。可能是因为溶胀的淀粉颗粒嵌入蛋白凝胶中,对蛋白质的热聚集产生影响。朱建华等[22]研究发现,添加葡聚糖的大豆蛋白7S、11S亚基的热转变温度升高,热焓值降低;随着葡聚糖分子质量由10 kDa增至500 kDa,7S、11S亚基热转变温度显著升高,焓值分别从11.20 J·g-1和16.95 J·g-1显著降低至8.21 J·g-1和12.90 J·g-1;认为是由于葡聚糖加速了变性蛋白的热聚集并提高了聚集程度,从而降低了热焓值。FIZSIMONS等[23]研究了瓜尔胶对乳清分离蛋白热性质的影响,得到了类似的趋势。LI等[14]认为,可能是由于水分从淀粉迁移至蛋白质中,促进了蛋白链的运动性,降低了蛋白质焓变,提高了淀粉的热转变温度。QIU等[24]发现添加SPI后,淀粉的结晶结构不容易被破坏。SUN等[25]发现添加离子胶后,土豆淀粉的晶体结构也不容易改变。LI等[26]发现在添加黄原胶后,蜡质大米淀粉的晶体结构也不容易改变。KOBYLAÑSKI等[27]研究发现,添加不同比例的蛋清、蛋白,混合体系中淀粉的糊化起始温度无显著差异,峰值温度和峰宽有显著差异,可能是由于蛋清和淀粉热转变峰值温度发生在同一温度范围内,蛋白质的热转变与淀粉糊化竞争水分所致。
PETRUCCELLI等[15]研究认为,蛋白质含量越高,越容易形成相互作用,促进蛋白质聚集。在挤压热剪切过程中,热促进了疏水作用,进而生成二硫键稳定蛋白结构,影响蛋白质的热转变特性[28]。加热还能使大豆乳清蛋白和大豆球蛋白之间发生相互作用,并使其一起沉淀[29]。本试验添加谷朊粉降低了大豆分离蛋白的热转化起始温度和焓值,符合上述结论。
FUNAMI等[30]研究发现,小麦蛋白变性温度接近淀粉糊化温度,淀粉的糊化峰可能会和蛋白质变性峰重合。陈建省等[31]研究发现,8%的面筋含量使淀粉糊化温度升高1.43℃,继续增加至16%,淀粉糊化温度则无明显变化,认为可能是由于淀粉糊化温度是淀粉本身固有特性,受浓度的影响较小。朱帆等[32]研究发现随着面筋蛋白的增加,面筋蛋白-小麦淀粉混合体系中小麦淀粉的热焓值降低,认为是由于面筋蛋白使淀粉糊化所需的水分减少,降低了淀粉的糊化程度。ELIASSON等[33]研究发现,随着面筋蛋白的增加,淀粉糊化焓降低而峰值温度升高,MOHAMED等[13]利用DSC研究也有类似的报道。CHEN等[34]认为面筋蛋白-淀粉混合体系中,添加面筋蛋白,淀粉糊化温度升高,认为是由于面筋蛋白与淀粉表面分子形成复合物,阻止淀粉颗粒渗出。上述与本试验的趋势一致,可能是因为水分更容易与谷朊粉结合,减缓了与淀粉的作用。
可见,蛋白质和淀粉共混由于不相容导致各自浓缩的效应,加之水分趋于和蛋白质结合,引起蛋白质的热转变焓值下降,淀粉的热转变温度升高,焓值降低。蛋白质和蛋白质共混是相容体系会促进蛋白质之间的相互作用,从而降低了蛋白质的热转变温度和焓值。
4 结论
物料含水率增加,大豆分离蛋白的热转变温度降低;玉米淀粉的热转变焓值增加。大豆分离蛋白-玉米淀粉混合后显著降低了大豆分离蛋白热转变的焓值;显著增加了玉米淀粉的热转变温度。添加谷朊粉降低了大豆分离蛋白的热转变温度和焓值;增加了玉米淀粉的热转变温度;同时添加谷朊粉和玉米淀粉会降低大豆分离蛋白的热转变温度和焓值。可见,添加玉米淀粉或谷朊粉会降低大豆蛋白热转变焓;添加大豆分离蛋白或谷朊粉会增加玉米淀粉热转变温度。多成分体系的热转变特性对食品热处理工艺优化和制品质量控制有重要的指导意义。（责任编辑 赵伶俐）
The authors have declared that no competing interests exist.
