不同蛋白质对大黄米淀粉老化特性的影响 附淀粉的老化原因及影响因素.docx

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1、大黄米中淀粉的质量分数为70%左右,而以淀粉为基础的食品大多存在易于 老化、货架期短等问题，大黄米淀粉（PMS）的老化严重影响其产品在贮藏过程 中的品质。淀粉的老化是直链淀粉分子的缠绕、有序化和支链淀粉外侧短链重结 晶所引起。由于淀粉的老化，保水能力下降，质地变硬，影响其产品的品质，造 成食品浪费和经济损失。近年来，许多研究将外源添加物质如亲水胶体、脂质、多糖和多酚添加到淀 粉中，从而影响淀粉的老化。蛋白质在食品行业中应用越来越广泛，在食品中添 加适量的蛋白质不仅可改善食品的风味和口感，还可以提高食品的营养价值。目 前国内外研究主要集中在蛋白质的添加对淀粉理化性质及消化性影响方面。以PMS-Z

2、ein、PMS-SPI和PMS-WPI混合物为研究对象，从热特性、晶体结 构、质构等方面研究添加外源蛋白质与PMS之间的相互作用对淀粉老化的影响， 以期为提高糯性谷物淀粉及淀粉产品质量和附加值提供参考和依据。IPMS的成分分析根据直链淀粉含量，大黄米可分为2种类型：糯性（低直链淀粉含量）和非 糯性（高直链淀粉含量）。本实验选用的是我国传统特色大黄米糯性品种，结果 显示，PMS中的直链淀粉质量分数较低。2质构特性分析采用TPA测定不同蛋白对PMS的凝胶质构特性的影响，结果显示，在4 条件下贮存15d,添加zein的PMS凝胶硬度从727.50g降至688.67g, SPI和WPI 的添加显著降低

3、了 PMS的硬度（PV0.05）,其硬度分别降至630.93g和397.52g。 样品凝胶的硬度随着贮存时间的延长而增加。而随着贮存时间的延长，样品凝胶 硬度逐渐增大。PMS含有较高的支链淀粉，支链淀粉外链长的淀粉容易老化。 添加蛋白后，淀粉-蛋白体系的硬度降低表明在凝胶贮存的过程中蛋白质可降低 淀粉的硬度。黏附性指淀粉凝胶黏附在其他物体上的能力，反映探头测试样品的 黏着作用所消耗的功。添加蛋白质的PMS形成的凝胶比不添加蛋白质所形成的 凝胶具有更高的黏附性，并且黏附性和贮存时间呈反比。样品的胶着性和咀嚼性 也随着贮存时间的延长而增加，而添加不同蛋白质导致了不同的结果，这可能是 由于3种蛋白质

4、之间的结构组成不一致，并且淀粉凝胶的机械性质亦取决于淀粉 分子的结构。淀粉凝胶的质构特性是决定食品体系中淀粉性能的重要标准。综上 可知，添加WPI,随着贮存时间的延长，体系的硬度增加最为缓慢，延缓PMS 老化的效果最好。3傅里叶红外光谱分析采用傅里叶红外光谱对老化不同时间的样品进行检测，结果如图1所示。从 图1可以看出，样品在35003200Cm-I处呈现的一个宽而强的吸收峰，这是多 聚体分子间典型的缔合羟基特征峰，说明淀粉分子间的晶体是通过氢键紧密相连 的。PMS-Zein体系是NH键的收缩振动，PMS-SPl和PMS-WPl则是OH键 的收缩振动。添加不同蛋白质后，吸收峰往低波长方向移动，

5、说明体系之间的氢 键作用力在增强。在2930cm1左右处的吸收峰为CH键的振动吸收峰，这 与淀粉中蛋白和脂肪含量相关，由图1可看出，淀粉-蛋白体系在2930cm1处 的吸收峰强于淀粉。PMS和淀粉.蛋白体系在1650cm1处呈现强的特征吸收峰, 是因为C=O的弯曲振动，而不同于PMS,淀粉.蛋白体系在1525cm1附近为 蛋白特征吸收峰（酰胺H）。本实验研究发现，添加3种蛋白质后未出现新的特 征吸收峰，说明蛋白质的加入并未和淀粉形成新的基团，主要还是通过氢键作用 力构成一个紧密缠绕的三维凝胶网络结构。4结晶结构分析在4下贮存1、7、15d后，对老化的样品进行XRD分析，从而评价样品 的老化特性

6、。淀粉因品种来源和结晶结果的差异而形成不同类型的XRD图谱。 淀粉主要分为结晶型和非结晶型，而淀粉的结晶结构主要有A、B、C、V4种类 型，A型主要存在谷物中，一般在15、23处有较强的单衍射峰，17和18 处有较强的双衍射峰。如图2所示，老化Id的样品在17左右出现较强衍射峰, 这是典型的B型结晶结构。老化样品呈现B型结晶结构可能是由于在加热过程 中部分颗粒结晶度消失，同时伴随着聚合物和溶剂（脱水收缩）之间的刚性和相 分离逐渐增加。老化样品的峰接近17 ,峰的形成是淀粉无定性区的熔融结晶 的结果，主要可能是因为支链淀粉部分的重结晶，这也表明淀粉A型结晶结构 15的特征峰经过糊化后被破坏。加入

7、不同蛋白质后XRD的峰强度减弱，一般 的，XRD的峰强度表明了糊化后淀粉的老化程度，衍射峰越高越窄，老化程度 越强。本研究表明，加入蛋白后可抑制PMS的老化，这与TPA和DSC结果一 致。5热特性分析结果显示，贮存期间老化样品的To、Tp和Tc变化不大，这与之前的研究 一致。TP基本在50左右，属于支链淀粉老化的解离峰。如图3所示，样品老 化Id在30130的升温过程中并未从老化曲线观察到老化焙，而样品在贮存 7d和15d再加热的过程产生热转变，表明样品在贮存的过程中发生老化。随着 贮存时间的延长，样品的熔值逐渐增大，这表明在贮存期间支链淀粉结晶融化需 要更多的能量。贮存15d之后PMS熔值变

8、化从第7天的2.48Jg升至3.51Jg,含 有蛋白质的PMS老化焙比PMS低。另一方面，PMS中的支链淀粉含量较大， 而支链淀粉比直链淀粉更易重结晶，会呈现更高的老化焰。DSC结果显示，WPI 比zein和SPI对PMS老化的影响更大。结果表明在PMS中添加蛋白质可以抑 制淀粉的老化，尤其是可以抑制支链淀粉的重结晶。6结晶动力学分析淀粉在结晶过程中生成的结晶属于天然高分子，Avrami方程描述了贮存期 间熔的变化，因此采用AVrami模型描述淀粉回生过程，该模型可表达晶核成核 方式和生长速率。建立老化动力学模型研究3种蛋白对PMS老化性质的影响， 利用DSC测定4下保存不同时间样品的老化焙，

9、结果如图4所示。随着贮存 时间的延长，所有样品的老化焰增大，表明形成的结晶更多，需要更多的能量融 化。结果显示，老化动力学数据符合AVrami方程（R2=0.98570.9974）。Avrami 指数（n）反映了成核过程的晶体形态，n值越小，成核越快。PMS-蛋白质混合 体系主要是以自发成核为主（IVnW2）,其成核类型为接近于散发性核的棒状生 长方式，这和XRD结果一致。加入蛋白质的PMS的n值均高于不含蛋白质的 PMS,表明晶核在结晶开始形成时成核速度变慢。淀粉结晶速率常数（k）代表 重结晶的速度，其可能受到支链淀粉的比值、温度、PH值、淀粉颗粒大小分布 和非淀粉组分的影响.k值越大,结晶

10、速率越快,加入蛋白质的样品的k值比PMS 的更低，表明加入蛋白后体系的重结晶增长速率降低，因此，蛋白质的存在影响 了支链淀粉回生。3种蛋白对PMS成核及结晶速率的影响程度不同，这可能是 因为3种蛋白的结构和分子质量不同，WPl对PMS的影响最大，其成核较慢， 这是由于成核方式偏向于棒状生长方式。不同分子质量的蛋白可能有助于淀粉和 蛋白混合体系k值的差异。结论研究了 3种不同蛋白质和PMS混合体系的质构特性、热力学性质、结晶结 构等，通过这些指标表征蛋白质对PMS老化的影响。研究结果发现zein、SPI 和WPI以不同程度延缓PMS的老化。与PMS相比，PMS-蛋白质混合体系的硬 度下降，质地变

11、得较为柔软，贮存期的稳定性提高，表明改善了 PMS的品质。 红外图谱表明3种蛋白质和PMS之间没有形成新的特征峰，主要是通过氢键形 成一个紧密缠绕的三维凝胶网络结构。由于支链淀粉的重结晶或是因加热而使部 分结晶消失，老化后的样品呈现典型的B型结构，XRD峰强度随着贮存时间的 延长而增加，而含有蛋白质的PMS峰强度弱于PMS,说明蛋白质可以延缓PMS 的老化，这与TPA和DSC的结果一致。热焙值随着贮存时间的延长而增大，热 熔值的增加与支链淀粉的重结晶有关，同时，添加蛋白质后混合体系的热焰值减 小，说明蛋白质的加入可以抑制PMS的长期老化，其动力学模型（AVrami方程） 表示蛋白质可以延缓支链

12、淀粉重结晶的速率，并且体系的成核方式均偏向于散发 性的棒状生长（ln2）,符合XRD的结果。3种蛋白质对PMS的老化性质影 响程度不一致，可能是因为3种蛋白质的结构和分子质量不同，这表明蛋白质可 以抑制PMS的老化，其中WPl对PMS的影响最为明显。淀粉的老化原因及影响因素淀粉是食品加工和生产的重要原料,在食品体系中起到提供热值与影响质构 的作用。淀粉乳经过蒸煮、焙烤等加热过程转变为糊状的现象称为淀粉的糊化。糊化淀粉在储藏过程中,因分子链间氢键的不断缔合而产生的硬化现象称为 淀粉的老化或回生。淀粉质食品在储藏过程中发生的凝胶强度、硬度、口感、透 明度、黏弹性等功能特性变化与淀粉老化动态过程有着

13、密切关系,老化会对淀粉 质食品的质构特征产生显著影响。根据食品特定的加工与食用指标,有的需要淀粉适度老化（如米线、粉丝等）, 有的则需要抑制淀粉的老化（如面包、糕饼、方便面等）。因此,了解老化现象的机 理,考察各种因素对淀粉老化的影响,对淀粉类食品老化过程的合理控制和食品品 质的预测具有重要意义。1、淀粉的老化进程淀粉的老化是一个淀粉分子从无序到有序的过程。完全糊化的淀粉,当温度 降到一定程度之后,由于分子热运动能量的不足,体系处于热力学非平衡状态,分 子链间借氢键相互吸引与排列,使体系自由熔降低,最终形成结晶。结晶实质是分 子链间有序排列的结果,其过程包括直链分子螺旋结构的形成及其堆积、支链

14、淀 粉外支链间双螺旋结构的形成与双螺旋之间的有序堆积。Miles等人认为淀粉的 老化可以分为两个阶段:短期老化和长期老化。1.1 淀粉的短期老化在淀粉老化的早期,主要是直链淀粉的重结晶,高分子的直链淀粉之间形成交 联网络（随后结晶）,小分子则与脂肪形成结晶。该过程可以在淀粉糊化后较短的时 间（几小时或十几小时）内完成。淀粉间有序的交联主要是直链淀粉分子间通过氢 键形成双螺旋,这种双螺旋结构在直链淀粉凝胶中起着连接点的作用。在直链淀 粉双螺旋富集区中,双螺旋可以通过氢键堆积形成结晶。利用动态流变仪可以将淀粉的黏弹性表示为储能模量GL储能模量G，是材 料在形变过程中由于弹性变形而存储的能量,表示材

15、料的弹性性能。Doublier等以动态流变仪测试直链淀粉凝胶回生的发展过程,结果发现:在回 生初始阶段,直链淀粉的储能模量G，升高较快,然后进入一较稳定阶段。他们认为 G，在起始阶段迅速升高是由于直链淀粉分子链间通过氢键形成双螺旋,这种双螺 旋结构在直链淀粉凝胶中起着连接点的作用,这种有序交联导致了三维网络结构 的建立。而其后G的稳定是由于已形成的密集网络对分子链扩散,交联产生阻滞, 使链间重排与进一步交联变得缓慢。1.2 淀粉的长期老化支链淀粉与直链淀粉相比不易回生。溶解的支链淀粉分子间的结合,由于所 具有的高度支叉结构而受到较强的抑制,在一般条件下不形成胶体。只有在极端 条件下,如温度很高

16、或冰点温度,支链淀粉分子侧链间才会结合,使糊化后的淀粉 颗粒内支链淀粉重结晶,发生回生作用。一般引起食品品质劣变的老化回生都是 由淀粉的长期老化所引起,是一个长期缓慢的过程。对于支链淀粉的重结晶过程,按晶体的增长过程可以分为3个阶段：晶体的生成（成核）;晶体的生长;晶体的完善或成熟。许多学者根据淀粉老化过程中结晶特性,采用了用以描述聚合物结晶特性的 Avrami模型来解释淀粉的老化过程： = 1 - exp （ - kt） o式中：在t时刻的结晶率；k老化速度常数；nAvrami 指数。此方程表明聚合物结晶过程中,晶体随时间变化的规律,结晶程度随时间呈指 数形式增长。Avrami指数n的大小取

17、决于晶核类型即晶体成长过程中的维数（瞬间成核的 枝状或偶然成核的碟状等）和成核时间;老化速率常数k取决于成核速度与晶体成 长速度。2、运用合成高聚物基础理论解释淀粉的老化高分子聚合物依结晶性质分为 完全无定型、部分结晶及结晶三种类型。在自然界中,接触最多的是部分结晶天然高聚物,如淀粉、明胶等。部分结晶 高聚物的结晶过程亦可描述为典型的三步机制：晶体形成,晶体生长和晶体稳定。对于低温下的聚合物体系,在水中加热会有两个相转变的发生:无定型区的玻 璃化转变,对应玻璃化温度为Tg;结晶区的融化,对应融化温度Tme淀粉老化过程中的结晶具有高分子聚合物结晶的特点,其晶体的晶胞多由若 干个淀粉分子的链段组成

18、,即一个晶胞可由多个分子片断组成,一个淀粉分子也可 能同时参加多个晶胞的结晶。分子间以范德华力或氢键相互作用,使得其结晶的 自由运动受阻,妨碍其规整堆砌排列,因此其结晶多为部分结晶并产生许多畸变晶 格。由于直链淀粉和支链淀粉的分子结构、几何构象、分子量、链长等都存在很 大区别,使得淀粉的结晶过程和晶体结构非常复杂。由于淀粉晶体的结构具有复 杂性和多重性,通常系结晶、非晶、中间层、液态结构、亚稳态结构等共存体系, 常处在热力学不稳定状态,因此其熔点不是一个单一的温度,而是一个温度范围。图1是描述淀粉在糊化和储存过程中的含水量温度状态图。水分含量/g（ IOO-,图1淀粉在糊化和储存过程中的湿热状

19、态图考察这样一个过程:在DSC测试中,原淀粉自身含水10g100g,原淀粉与水以 约55 : 45的质量比混合,混合体系含水50g100go在图中的A点,起始温度为25;温度升高至B点时对应瞬时操作玻璃化转移温度Tg;继续加温,到达C点时对应瞬时操作结晶熔融温度Tm;D点:淀粉完全糊化,充分水合；在温度从D点降至E点的过程中,淀粉糊含水量不变,水在体系内均匀分配, 不发生分离；E点:开始有冰晶析出,淀粉糊实际浓度升高；继续降温至F点:淀粉糊达到最大浓度,对应温度为最大冷冻浓度玻璃化转移 温度Tg，（约为-5）;从F点降温至G点的过程中,淀粉糊浓度不变；若从D点降温至室温H点（0C40C）,经过

20、一段时间,有淀粉分子结晶生成, 水分析出,进入半晶高弹态（回生态）,以点I表示；然后加温到达J点,温度为TmB（回生淀粉B型结晶熔融温度,TmB 室 温 冷冻。3.5 直链淀粉与支链淀粉的比例不同来源的淀粉分子组成、直链淀粉与支链淀粉的比例等均有较大差异。因 此,不同种类的淀粉其回生情况必定不同。支链淀粉含量高的较难凝沉,蜡质玉米 淀粉几乎全是支链淀粉分子,回生过程非常缓慢,在24h内仅当质量分数小于20% 时才会出现凝沉现象,在此浓度以下,淀粉分子之间只有链间无规则缠绕。3.6 糖类糖类包括单、双寡糖,淀粉多糖,非淀粉多糖。单、双寡糖因其分子较小,在淀粉糊化过程中,可随水分渗透并进入淀粉颗粒

21、 内部,并与淀粉分子相互作用。相溶性理论认为,不同单、双寡糖对淀粉回生影响取决于糖分子与水分子间 的相容性,相容性好,糖分子可起到类似水的作用,对分子链有一定的稀释作用,延 缓了分子链的迁移率,降低回生速率;相反若糖分子与水分子相容性不好,则会加 速回生。Lebotlan等人1995年以核磁共振法研究了蔗糖对淀粉回生的影响,其中淀粉 与水的质量比分别为:1.3 ： 1,1.5 ： 1,1.6 : 1,2.2 ： 1,蔗糖的添加量为整个混合体系 质量的0.42%。结果显示:每个蔗糖分子与4.6个水分子结合,蔗糖以流动相存在,水蔗糖体系在淀粉老化的过程中起到降塑剂的作用,降低了淀粉的回生速率。但是

22、,Theeranan等人以DSC仪研究了质量分数3.5%的木糖对木薯淀粉凝胶 和老化特性的影响。结果表明:木糖能够加速淀粉的老化速率。他们认为,其原因可能是木糖与水 分子的相溶性不好,导致淀粉分子的微观浓度升高,从而加速了淀粉分子的重排与 结晶M糖有淀粉多糖和非淀粉多糖。多糖的分子量、化学结构及在水溶液中的构 象对其与淀粉分子间相互作用特征均有重要影响。TakahiroFUnami等人考察了瓜尔胶、卡拉胶、槐树豆胶、魔芋葡甘露聚糖（添 加量为0.5gIOOg）对5g100g的小麦淀粉凝胶和老化特定的影响。他们用损耗角正切值tan3（G/G，）与老化速率常数K来表征小麦淀粉糊体系 的回生硬化特征

23、。试验结果显示,在小麦淀粉糊的回生早期（4下储藏24h）,添加了各种亲水胶 体的淀粉糊体系的tan比原淀粉糊（5g100g）的tan值高,表明各类胶体加速了淀 粉的早期回生,并且,通过半乳甘露聚糖试验发现,胶体分子量越大,淀粉糊体系的 tan值增大得越多;相反,在淀粉回生的后期（4下储藏14d）,添加了各种亲水胶体 的淀粉糊体系的老化速率常数K比原淀粉糊的K小,同样,通过半乳廿露聚糖试验 发现,胶体分子量越大,老化速率常数K减少得越多。他们推理这是因为：一方面,在稀小麦淀粉糊中,部分多糖分子渗入颗粒并与内部淀粉分子发生作 用,由于一般多糖与直链及支链淀粉分子相容性较差,而产生微观相分离,这种相 分离增加了淀粉分子浓度,使初始回生速率增加；另一方面,多糖富集微区对颗粒内支链分子结晶交联体系产生干扰,从而使最 终凝胶硬度和结晶度同时降低。4、结束语对于食品这一复杂体系,利用合成高聚物基础理论和食品体系的玻璃化转变 来解释淀粉的老化具有一定的精确性,但是,淀粉的老化与晶体的形成及成长的相 关性对其老化程度的显著性等问题尚有待进一步的研究。另外,除上述所提到的因素外,无机盐类如NaCl及磷。酸盐等也有较显著的 回生抑制作用,其他物质如氨基酸、环糊精、蛋白质类亲水胶体等对回生亦有影 响。如能综合考虑这些因素,并找到行之有效的解决方法,就将会显著延缓淀粉类 食品的回生,改善其质构与食用品质。