乳清蛋白-大米淀粉混合体系动态流变学特性研究

汤晓智 尹方平 扈战强 郭金萍 李琳娜 沈雨琴

(南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室，南京 210023)

乳清蛋白-大米淀粉混合体系动态流变学特性研究

汤晓智 尹方平 扈战强 郭金萍 李琳娜 沈雨琴

(南京财经大学食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心/江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点实验室，南京 210023)

乳清蛋白和淀粉因其较好的凝胶形成特性而被广泛用于食品配料。通过动态流变仪研究乳清蛋白-大米淀粉混合体系的动态流变性，并同时考虑了离子及离子强度对流变特性的影响。结果表明，在淀粉比例低于50%时，乳清蛋白-大米淀粉混合体系升温过程的储能模量(G’) 和损耗模量(G”)明显低于乳清蛋白，而当淀粉比例升至50%时，最终的G’和G”已经远远超过乳清蛋白；此外，降温过程中混合体系的最终G’和G”也远高于乳清蛋白，表明蛋白质淀粉分子间的相互作用的增强对混合凝胶的特性有一定的协效性，强化了形成的凝胶网络。随着盐离子浓度的提高，混合体系的G’和G”均持续降低，表明盐离子和蛋白质分子间的相互作用一定程度上阻碍了淀粉与蛋白质分子间的相互作用，弱化了形成的凝胶网络。

乳清蛋白 大米淀粉 凝胶化 动态流变性

乳清蛋白因其较好的凝胶形成特性而引起人们的普遍重视。乳清蛋白通过加热至高于它的变性温度而形成黏弹性的凝胶。在这个过程中，蛋白质受热后变性展开；展开的蛋白质不断聚集而形成蛋白微粒相互连接的网络结构[1]。乳清蛋白凝胶的形成是分子间电荷吸引力和排斥力相平衡的结果[2]，受蛋白浓度、温度、加热方式(加热/冷却的速率)、环境条件 (pH、离子强度)和与其他食物组分(盐，糖、葡萄糖)的相互作用的影响[3-7]。

淀粉以及变性淀粉已经被广泛用于胶凝剂和增稠剂。淀粉加热糊化后通过冷却形成凝胶。淀粉的糊化以及之后淀粉凝胶的流变性能也取决于淀粉的浓度、淀粉的种类、加热的温度、以及一些添加剂如糖类和脂类[8]。乳清蛋白和淀粉都可以通过热诱导形成凝胶的共性表明通过加热乳清蛋白和淀粉的混合物有获得独特的混合凝胶的可能性。

流变学研究内容包括弹性力学和黏性流体力学，主要研究物质在力的作用下的变形和流动[9]。流变特性分为静态流变性和动态流变性。动态流变是观察蛋白淀粉胶凝动态过程的一种方法。反映动态流变性的指标主要有G’(储能模量)，G”(损耗模量)。G’也称之为弹性模量，代表能量贮存而可恢复的弹性性质；G”也称之为黏性模量，代表能量消散的黏性性质。当频率不变时，G’、G”是温度的函数，在热诱导凝胶的动态研究中，一般频率固定，温度变化[10]。

尽管乳清蛋白-淀粉混合体系的凝胶化已经有所研究[2,8]，但对于乳清蛋白和淀粉混和体系加热和冷却形成凝胶过程中的动态流变特性研究很少。因此本研究的主要目标是通过动态流变仪研究乳清蛋白-大米淀粉混合体系的动态流变性，同时考虑离子强度对流变特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

乳清浓缩蛋白(蛋白质质量分数81.92%，干基): 比利时BHA公司；大米淀粉 (直链淀粉质量分数 29.90%)：芜湖好亦快食品有限公司。

1.2 仪器与设备

Anton Paar MCR 302动态流变仪：奥地利安东帕有限公司。

1.3 样品制备

总固体质量分数保持在15%，制得乳清蛋白(WP) 与大米淀粉(RS)不同比率的混合溶液(WP/RS = 15/0; WP/RS = 12.5/2.5; WP/RS = 10/5; WP/RS = 7.5/7.5)。并将pH调至7。

离子强度的影响：在不同浓度的NaCl 或 CaCl2溶液中制备上述混合液。NaCl浓度分别选择0、50、100、200 mmol/L，CaCl2浓度分别选择0、25、50、100 mmol/L。

1.4 动态流变学特性测定

将混合样品取少量置于流变仪测试台上，降下平板，用矿物质油密封防止水分蒸发。流变性测试条件为：50 mm圆形平板检测探头，夹缝0.5 mm，应变2%，频率0.1 Hz。测试程序升温范围30～95 ℃，升温速率2 ℃/min；降温范围为95～20 ℃，降温速率5 ℃/min。

2 结果与分析

2.1 蛋白淀粉比例对乳清蛋白-淀粉混和体系加热和冷却形成凝胶过程中的动态流变特性影响

图1为不同蛋白淀粉比例对乳清蛋白-淀粉混和体系加热过程动态流变特性的影响，由图1可见在形成凝胶前，G’和G”均很小，但随着温度的升高，乳清蛋白(WP/RS = 15/0)首先发生变化，温度为67 ℃时，G’、G”开始迅速增加，主要是由于乳清蛋白变性，蛋白质分子开始展开成盘卷状，发生分子间交联，表明乳清蛋白在加热过程中开始形成热诱导凝胶，使样品的弹性，黏性急剧增加[11]。当温度升至85～88 ℃时，乳清蛋白凝胶的G’和G”达到最大值，分别为111 kPa和26.7 kPa。相对乳清蛋白，其他样品(WP/RS=12.5/2.5、 WP：RS=10/5、 WP/RS=7.5/7.5)转变温度明显滞后，转变温度分别为70、71和72 ℃，表明淀粉的添加一定程度上阻碍了乳清蛋白的变性。随着温度升高，在淀粉比例低于50%时，蛋白淀粉混合体系升温过程的G’和G”明显低于乳清蛋白，表明在加热阶段样品成胶主要是依靠乳清蛋白的热诱导作用，而淀粉的存在干扰了蛋白质的聚集，使乳清蛋白凝胶弱化[12]。而随着淀粉浓度的增加，混合凝胶的G’和G”有很大程度的提高，在样品(WPI/RS = 7.5/7.5)中，最终的G’和G”已经远远超过乳清蛋白。其可能的原因是，淀粉糊化后，蛋白质淀粉分子间的相互作用的增强对混合凝胶的特性有一定的协效性，从而弥补了乳清蛋白自身的凝胶弱化现象。Shim等[8]也报道了玉米淀粉-乳清蛋白混合凝胶在玉米淀粉质量分数为25%和50%、pH = 9时能形成相容性较好的凝胶网络结构。

图2为蛋白淀粉比例对乳清蛋白和淀粉混和体系降温过程动态流变特性的影响。由图2可见，降温过程对混合凝胶的影响非常大。首先乳清蛋白凝胶在降温过程中G’和G”均呈现先上升后下降的趋势，在温度低于60 ℃时有个跳跃式的下降。其原因可能为，乳清蛋白在热诱导条件下，使其分子中的疏水基团暴露，形成的蛋白质凝聚物依靠彼此之间的静电排斥力作用，形成稳定的分散体系[13]。在冷却过程中，急速的冷却可能对乳清蛋白分子间作用力有一定的破坏，温度越低，疏水量级越低，分子间作用力越低，从而导致G’和G”的迅速下降。相比较乳清蛋白，乳清蛋白-淀粉混合体系G’和G”虽然在温度低于45 ℃时也有小幅下降，但总体下降幅度不大，而且随着温度的进一步降低，G’和G”均出现回升，最终的G’和G”远高于乳清蛋白。这可能是因为，降温过程中，直链淀粉的淀粉分子相互缠绕并趋于有序化，链和链之间的氢键进一步形成，淀粉凝胶体系的强度和刚性逐步增加[14]。并且蛋白质淀粉分子间也可能通过氢键力相互结合，强化了形成的凝胶网络。

图2 蛋白淀粉比例对乳清蛋白和淀粉混和体系降温

2.2 离子强度对乳清蛋白-淀粉混和体系加热和冷却形成凝胶过程中的动态流变特性影响

图3为升温过程不同离子及离子强度对乳清蛋白以及乳清蛋白-淀粉混合体系动态流变特性的影响。由图3可见，加热过程中，钙离子和钠离子的加入均明显降低了凝胶的G’和G”。在乳清蛋白加热形成凝胶过程中，钙离子可以明显地降低乳清蛋白的转变温度，而钠离子均不同程度地提高了转变温度(图3a、图3b)。从离子强度上看，钙离子在50 mmol/L，钠离子在100 mmol/L时有较高的G’和G”，当继续提高盐离子浓度时，G’和G”下降。 这是因为盐离子的加入，通常可以屏蔽蛋白质分子间静电作用从而导致G’和G”的降低。相比钠离子，钙离子有较高的价态，通过与蛋白质凝聚物所带的负离子基团作用，在蛋白质之间通过钙离子形成盐桥，进而形成稳定的凝胶体系[13]。相比乳清蛋白，乳清蛋白-淀粉混合体系中，盐离子对G’和G”的影响截然不同(图3c、图3d)。首先随着盐离子浓度的提高，G’和G”均持续降低。其次，钙离子存在条件下，转变温度只是略有降低，并且最终形成的凝胶G’和G”远远低于不添加盐离子的混合凝胶的G’和G”，也低于钠离子存在条件下形成凝胶的G’和G”。可见，乳清蛋白淀粉混合体系中，盐离子和蛋白质分子间的相互作用一定程度上阻碍了蛋白质淀粉分子间的相互作用，降低了体系的G’和G”。

图4为降温过程不同离子及离子强度对乳清蛋白以及乳清蛋白淀粉混合体系动态流变特性的影响。由图4a和图4b可见，盐离子的存在对乳清蛋白凝胶体系的稳定性有一定的帮助，随着温度的降低，G’和G”在显著下降后均出现回升，最终的G’值(20 ℃)均大于乳清蛋白凝胶的G’值。崔旭海等[15]报道了盐离子诱导乳清蛋白凝胶形成中，钙盐起到“钙桥”的作用形成立体网状结构，结构疏松，钠盐凝胶空隙较小比较致密。从而最终钠盐凝胶表现出的硬度较大、弹性较好，钙盐相对较小。从本试验也可看出，相同离子强度下，钠盐凝胶最终的 G’和G”均高于钙盐凝胶。从盐离子及离子强度对乳清蛋白-淀粉混合体系动态流变特性的影响来看(图4c和图4d)，盐离子对于混合凝胶体系存在着一定的负面响，盐离子的加入均不同程度地降低了混合凝胶体系的G’。其主要原因在于盐离子和蛋白质分子间的相互作用一定程度上阻碍了蛋白质淀粉分子间通过氢键力相互结合，从而弱化了形成的凝胶网络。

图3 离子强度对乳清蛋白和淀粉混和体系升温过程动态流变特性的影响

3 结论

3.1 在淀粉比例低于50%时，乳清蛋白-大米淀粉混合体系升温过程的G’和G”明显低于乳清蛋白，表明淀粉的存在干扰了蛋白质的聚集，使乳清蛋白凝胶弱化。而当淀粉比例升至50%时，最终的G’和G”已经远远超过乳清蛋白，表明蛋白质淀粉分子间的相互作用的增强对混合凝胶的特性有一定的协效性，从而弥补了乳清蛋白自身的凝胶弱化现象。

3.2 乳清蛋白-淀粉混合体系降温过程的最终G’和G” 远高于乳清蛋白，表明降温过程中，直链淀粉分子通过氢键相连，并且蛋白质淀粉分子间也可能通过氢键力相互结合，强化了形成的凝胶网络。

3.3 随着盐离子浓度的提高，混合体系升温过程的G’和G”均持续降低，表明盐离子和蛋白质分子间的相互作用一定程度上阻碍了蛋白质淀粉分子间的相互作用，降低了体系的G’和G”。

3.4 盐离子的加入均不同程度地降低了混合凝胶体系的G’，表明盐离子的存在对于乳清蛋白-大米淀粉混合凝胶体系有一定的负面影响。

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Study on Dynamic Rheological Properties of Whey Protein-Rice Starch Hybrid System

Tang Xiaozhi Yin Fangping Hu Zhanqiang Guo Jinping Li Linna Shen Yuqin

(College of Food Science and Engineering/Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety/Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing,Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210023)

Whey protein and starches have been widely used as food ingredients owing to their good gelation properties. Dynamic rheological properties of whey protein - rice starch hybrid system were investigated in this study using dynamic rheometer, and meanwhile the effects of different ions and ionic strength on rheological properties are also considered. The results showed that when starch concentration was lower than 50%, both storage modulus (G’) and loss modulus (G”) of mixed gel during heating were lower than those of whey protein. However, when starch concentration reached 50%, the final G’ and G” values were much higher than those of whey protein. Furthermore, the final G’ and G” values of all mixed gels during cooling process are also much higher than those of whey protein. It is indicated that the enhanced interactions between protein and starch molecules has certain synergistic effects on characteristics of mixed gel, and strengthens the formed gel network. With the increase of salt concentration, both G’ and G” of hybrid gel were continuously decreased, suggesting that the interactions between salt ions and protein molecules hinder the interactions between starch and protein molecules, and thus weaken the formed gel network.

whey protein, rice starch, gelation, dynamic rheological properties

TS202.1

A

1003-0174(2016)02-0028-05

江苏省高校自然科学研究重大项目(12KJA550002)，江苏高校优秀科技创新团队(苏教科[2013]10号)，江苏高校优势学科建设工程资助(苏政办发[2014]37号)

2014-07-06

汤晓智，男，1977年出生，教授，粮油食品深加工