Effects of Soybean Oligopeptides on the Gel Properties of Wheat Starch
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摘要: 为改善小麦粉的品质,提升小麦食品的蛋白质含量,将具有营养价值和生物活性的大豆低聚肽添加到小麦淀粉中,对小麦淀粉糊化特性、流变学特性、热力学特性和结构特性进行研究。结果表明,大豆低聚肽的添加(0%~40%)使复合物的峰值黏度、低谷黏度和终值黏度降低,糊化温度显著升高(P<0.05)。复合物表现为弱凝胶性质,具有假塑性剪切稀化行为。与对照组相比,大豆低聚肽添加量为40%时,复合物的峰值黏度最小,糊化温度最大,分别为396 cp和77.5 ℃,焓变下降了79.6%,Zeta-电位的绝对值下降了89.6%,粒径增加至924.1 nm。大豆低聚肽增加了复合物氨基酸含量和热稳定性,降低了复合物的凝胶特性,为功能性谷物食品的开发和加工提供了参考。Abstract: To improve the quality of wheat flour and increase the protein content of wheat foods, soybean oligopeptide, which had nutritional value and biological activity, was added to wheat starch. The pasting properties, rheological properties, thermodynamic properties and structural properties of wheat starch were investigated. The results showed that the addition of soybean oligopeptide (0%~40%) decreased the peak viscosity, trough viscosity and final viscosity of the complexes, and increased the pasting temperatures significantly (P<0.05). The complexes exhibited weak gel properties with pseudoplastic shear-thinning behavior. Compared with the control group, the addition of soybean oligopeptide at 40% resulted in the smallest peak viscosity of 396 cp, the largest pasting temperature of 77.5 °C, the decrease in the enthalpy change by 79.6%, the decrease in the absolute value of the zeta-potential by 89.6%, and the increase in the particle size to 924.1 nm. Soybean oligopeptides increased the amino acid content and thermal stability of the complexes and decreased the gel properties of the complexes, providing a reference for the development and processing of functional cereal foods.
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小麦是世界上重要的谷物作物之一,被广泛种植于世界各地[1]。小麦粉中淀粉含量约占60%~75%,蛋白质含量约占10%~15%,脂肪含量为2%,灰分含量为2.5%,是人类膳食的主要来源。此外,它还含有膳食纤维和生物活性物质,如酚类物质和植酸等。这种面粉被应用于面条、馒头、饺子、煎饼、饼干、糕点等各种食品加工中[2]。小麦粉中蛋白质含量和赖氨酸的含量相对较低,并且将小麦粉加工成产品过程中会进一步增加必需氨基酸的消耗[3]。
大豆低聚肽是大豆分离蛋白经过微生物发酵降解或者生物酶解技术制得的小分子生物活性肽段,通常由3~6个氨基酸组成,含有丰富的限制性氨基酸,呈现淡黄色粉末状[4]。另外,大豆低聚肽的部分理化性质也优于大豆分离蛋白,如溶解性较好、豆腥味降低、不易受pH的影响、具有较强的流动性,更加有助于人体的吸收和消化[5]。已有研究表明,大豆肽具有促进钙、铁、锌等矿物质吸收的作用,还具备免疫调节、抗氧化、抗疲劳、降血压和促进皮肤修复等多种生理功能[6−7]。
本课题组之前已将大豆低聚肽的蛋白质含量、分子量及体外抗氧化活性进行研究分析,发现其蛋白质含量高达95%,可广泛用于中老年食品、婴幼儿食品及运动员食品等[8]。因此,将大豆低聚肽添加到小麦粉中能够增加小麦粉的蛋白质含量和营养价值。本实验以小麦淀粉作为原料,探究不同质量分数大豆低聚肽对于小麦淀粉的理化性质和结构特性的影响,以期为后续开发大豆低聚肽与小麦粉复合食品提供理论基础。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
小麦淀粉 安琪酵母股份有限公司;大豆低聚肽(蛋白质含量:95.5%;分子量:200~1000 Da;占总肽含量的73.65%) 本实验室制备;溴化钾 光谱纯,德国Sigma-Aldrich公司。
RVA4500快速粘度分析仪 PerkinElmer有限公司;Discovery HR3旋转型流变仪 美国TA公司;DC-2006低温恒温槽 上海舜宇恒平科学仪器有限公司;Perkin Elmer红外光谱仪 美国PE公司;DSC Q2000差示热量扫描 美国TA公司;C-MAG HS7磁力搅拌器 德国IKA公司;AUW120D电子天平 日本岛津公司;Nano Brook Omni纳米粒度电位仪 美国布鲁克海文公司。
1.2 实验方法
1.2.1 大豆低聚肽-小麦淀粉复合物制备
大豆低聚肽和小麦淀粉总质量为1 g,准确称取不同质量分数的大豆低聚肽(0%、10%、20%、30%、40%)置于平底管中,分别加入20 mL蒸馏水制成固液比为5%的复合物,加入转子后密封,置于沸水浴中以500 r/min磁力搅拌30 min,使大豆低聚肽和小麦淀粉充分糊化,然后放入25 ℃低温恒温槽中保温10 min。
1.2.2 糊化特性的测定
每份样品精确称取3.0 g加到预先加有25 mL蒸馏水的RVA测试专用铝桶,随即用搅拌器上下搅拌均匀后进行测试,测试程序:在960 r/min搅拌10 s后,转速为160 r/min,50 ℃保温60 s,50 ℃到95 ℃升温所用时间为222 s,保温150 s,在降温到50 ℃所用时间为228 s,在50 ℃保温120 s。利用仪器自带软件分析得到峰值黏度、低谷黏度、崩解值、回生值、终值黏度等糊化特征参数[9]。
1.2.3 剪切流变特性的测定
将样品制备完成后,放在流变仪样品平台进行测定。机器测定程序:平板温度25 ℃;平板直径40 mm,平板间距500 μm,大豆低聚肽-小麦淀粉复合物的剪切速率(γ)范围为:从0.1 s‒1增加至300 s‒1后,立即从300 s‒1降低至0.1 s‒1,两曲线之间无等待时间,每隔30 s增加及降低5 s‒1,测试时间30 min,并利用Herschel-Bulkley模型对实验数据进行回归拟合分析[10]。
1.2.4 动态黏弹特性的测定
将样品制备完成后,放在流变仪样品平台进行测定。机器测定程序:平板温度25 ℃;平板直径40 mm,平板间距500 μm,设置应变为1.0%,测定频率的范围是0.1~10 Hz,测定储能模量G'、损耗模量G''、损失正切tanδ=G''/G'随角频率(ω)变化的情况[11]。
1.2.5 热力学特性测定
根据沈军等[12]、胡冰等[13]的测定方法略作调整,取不同质量分数(0%、10%、20%、30%、40%)大豆低聚肽和小麦淀粉混合成10 mg,后加入8 μL蒸馏水混合在铝盘内并密封,以空铝盘作为对照。在4 ℃的冰箱内储存12 h。DSC测定参数的设置:升温速率为5 ℃/min,温度升降变动范围20~120 ℃。根据DSC热量扫描图计算该反应的起始温度(T0)、峰值温度(Tp)和结束温度(Tc)以及焓变(ΔH)。
1.2.6 红外光谱测定
根据彭晔等[14]的方法略微调整。将样品制备完成后放在105 ℃烘箱中烘干24 h,后放入干燥器中干燥1 h。把烘干的样品研磨过100目筛。KBr在105 ℃烘箱中烘干2 h后放入干燥器中保存。将KBr与待测样品比例1%进行充分研磨混合压片。且压片完整并且透明,放在红外光谱仪上测定,在测定的过程中要确保红外光谱仪处于完全干燥的状态。设定4000~400 cm−1是本实验的扫描范围,并且根据多次预实验的结果设定分辨率为4 cm−1。以不含混合样品的KBr压片为空白扫描背景,扫描累计64次,得到样品的红外光谱。
1.2.7 粒径、Zeta电位和PDI测定
采用粒径电位分析仪测量纳米颗粒的粒径、多分散指数(Polymer dispersity index,PDI)和Zeta电位。测量前对样品进行适当稀释。颗粒大小记录为样品的流体力学直径,并根据Stokes-Einstein方程计算。通过监测粒径分布和分散均匀性来测量PDI。通过激光多普勒微电泳技术测量样品的电泳迁移率计算Zeta电位。所有样品均在25 ℃下重复测量[15]。
1.3 数据处理
每个样品做3次平行实验,数据结果表示为平均值±标准偏差。采用SPSS 26软件对数据进行显著性分析(P<0.05),利用Origin 2021进行绘图。
2. 结果与分析
2.1 大豆低聚肽对小麦淀粉糊化特性的影响
不同质量分数大豆低聚肽与小麦淀粉复合物的糊化特性曲线如图1所示,糊化特征参数如表1所示。相比于纯小麦淀粉,大豆低聚肽添加量为10%时,小麦淀粉的峰值黏度从1087.5 cp升高至1913.5 cp、低谷黏度从215.5 cp升高至1478.5 cp、终值黏度从416 cp升高至2246.5 cp,这可能由于大豆低聚肽添加量比较少,在加热过程中蛋白质发生变性增加了搅拌桨的阻力,进而增大了体系的黏度[16]。但是随着大豆低聚肽的添加量增加至40%时,复合物的峰值黏度降低至396 cp、低谷黏度降低至282 cp、终值黏度降低至451 cp。这是因为随着糊化过程的进行,大豆低聚肽会将小麦淀粉包裹,对小麦淀粉起到保护作用,但是也会使得小麦淀粉结合水的能力降低,降低复合物的黏度[17]。另外复合物的峰值时间和糊化温度随着大豆低聚肽的添加量增加而变大,提高体系的热稳定性,抑制淀粉的糊化。这与热力学性质的测定结果一致。
表 1 大豆低聚肽与小麦淀粉复合物糊化特征参数Table 1. Characteristic parameters of pasteurization of soybean oligopeptides complexed with wheat starch大豆低聚肽质量分数(%) 0 10 20 30 40 峰值黏度(cp) 1087.50±23.50c 1913.50±95.50a 1193.00±13.00b 753.00±6.00d 396.00±1.00e 低谷黏度(cp) 215.50±40.50d 1478.5±89.50a 888.00±6.00b 535.00±2.00c 282.00±1.00d 崩解值(cp) 872.00±17.00a 435.00±6.00b 305.00±7.00c 218.00±8.00d 114.00±0e 终值黏度(cp) 451.00±69.00d 2246.50±44.50a 1361.00±57.00b 825.00±26.00c 416.00±13.00d 回生值(cp) 200.50±28.50d 768.00±45.00a 473.00±51.00b 290.00±28.00c 169.00±14.00d 峰值时间(min) 5.07±0.07d 6.74±0.07a 6.54±0.07b 6.50±0.10b 6.24±0.03c 糊化温度(℃) 79.10±0.85d 90.00±0.45c 92.83±0.02b 95.20±0a 94.65±0.05a 注:同一行不同字母表示差异显著(P<0.05)。 2.2 大豆低聚肽对于小麦淀粉剪切流变特性的影响
图2为添加不同质量分数大豆低聚肽与小麦淀粉复合物的剪切流变曲线。随着剪切速率的增大,所有样品的剪切压力不断增大,呈现假塑性剪切稀化特征[18]。但是随着大豆低聚肽质量分数的不断增加,应力曲线逐渐下移,表明凝胶的强度在减弱。
另外,图2中上行曲线的剪切应力高于下行曲线,导致黏度变化曲线与原曲线之间形成顺时针的触变环。相比于对照组,大豆低聚肽的质量分数为40%时,触变环面积减小了745.62 Pa,说明大豆低聚肽与淀粉相互作用减小了剪切应变对于凝胶网状结构的破坏[19]。
利用Herschel-Bulkley方程对不同体系的剪切数据进行拟合。结果如表2所示,所有样品的决定系数R2均大于0.99,表明该方程拟合大豆低聚肽-小麦淀粉复合物的流变行为拟合度较高。不同体系中上行曲线的流动行为指数n为0.61~0.71,下行曲线流动行为指数n为0.76~0.81,均小于单位1,所有样品均表现出假塑性流体特征,不同样品的流体指数n差值变化不显著[20](P>0.05)。相比于对照组,大豆低聚肽的质量分数为40%时,上行曲线和下行曲线中的稠度系数K分别下降了90.7%和77.5%,表明小麦淀粉分子与大豆低聚肽分子之间的相互作用较弱。另外,淀粉糊的黏度与淀粉颗粒的膨胀程度以及在糊化过程中流出的直链淀粉的含量成正比[21]。随着大豆低聚肽的质量分数不断增加,小麦淀粉糊的黏度下降,这可能是由于大豆低聚肽抑制淀粉颗粒糊化后的膨胀程度并且减少淀粉颗粒中直链淀粉分子的渗出,使得整个体系的黏度下降[22]。
表 2 大豆低聚肽与小麦淀粉复合物方程Herschel-Bulkley拟合参数Table 2. Herschel-Bulkley fitting parameters for the equation of soybean oligopeptide complexed with wheat starch大豆低聚肽质量分数(%) 触变环面积(Pa/s) 上行线 下行线 流体指数n 稠度系数K(Pa/s) 决定系数R2 流体指数n 稠度系数K(Pa/s) 决定系数R2 0 818.76±95.960a 0.61±0.007d 0.97±0.040a 0.999 0.76±0.007c 0.40±0.020a 0.999 10 403.90±19.550b 0.67±0.008c 0.50±0.030b 0.999 0.75±0.003c 0.29±0.009b 0.999 20 252.85±34.270c 0.70±0.007b 0.27±0.010c 0.999 0.77±0.006b 0.17±0.006c 0.999 30 135.98±8.740d 0.72±0.002a 0.16±0.005d 0.999 0.79±0.002b 0.11±0.004d 0.999 40 73.14±3.370d 0.71±0.004ab 0.09±0.005e 0.998 0.81±0.005a 0.09±0.002d 0.999 注:同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),表3同。 2.3 大豆低聚肽对于小麦淀粉动态黏弹特性的影响
动态模量是研究聚合物溶液中分散相和连续相相互作用的工具,在淀粉基产品的感官和质量评价中起着重要作用[23]。储能模量(G')反映了黏弹性材料的类固性质;损耗模量(G'')可以反映粘弹性材料的类液性质;损耗角正切(tanδ)是G''与G'的比值[24]。从图3~图4可以观察到,随着角频率的增加,样品的储能模量(G')和损耗模量(G'')在逐渐增大,表明淀粉凝胶的弹性和黏性能随扫描频率的增加而增大。但随着大豆低聚肽的添加量的增大,储能模量(G')和损耗模量(G'')在逐渐下降,且损耗模量(G'')下降速度大于储能模量(G'),即损耗角正切(tanδ)<1,体系表现为弱凝胶性质,表明样品中的弹性特性大于黏性特性。这是因为大豆低聚肽分子包围在小麦淀粉颗粒的表面,抑制了小麦淀粉颗粒的吸水膨胀,阻止直链淀粉聚集成连续的交联网络,进而使得体系中储能模量(G')和损耗模量(G'')降低[25]。此外,从图5中可以看出体系中的损耗正切角(tanδ)随着大豆低聚肽的质量分数逐渐增加呈现先升高后下降的趋势,表明在低角频率时体系的固体特性减弱,流动性增强。随着大豆低聚肽的比例增大,体系呈现黏弹性液体状。
2.4 大豆低聚肽对小麦淀粉热力学特性的影响
如表3所示,在小麦淀粉中添加大豆低聚肽,其糊化的起始温度、峰值温度都相应的增大,且峰值温度在大豆低聚肽添加量为40%时升高到77.5 ℃,焓值下降了79.6%,表明添加大豆低聚肽会抑制小麦淀粉的糊化。大豆低聚肽添加量为0%时的实验结果与朱帆等[26]的DSC法研究小麦淀粉与面粉糊化和回生特性结果相似。
表 3 大豆低聚肽对小麦淀粉热力学特性的影响Table 3. Effects of soybean oligopeptides on thermodynamic properties of wheat starch大豆低聚肽质量分数 起始温度(T0) 峰值温度(Tp) 最终温度(Tc) 焓变(ΔH) 0% 56.62±0.310e 61.53±0.210e 70.03±0d 0.98±0.033a 10% 60.13±0.180d 64.13±0.260d 69.70±0.510d 0.77±0.009b 20% 64.30±0.400c 68.81±0.610c 75.08±1.030c 0.58±0.017c 30% 68.00±0.370b 73.07±0.770b 76.77±0.700b 0.40±0.005d 40% 72.08±0.620a 77.50±1.520a 80.97±0.190a 0.20±0.030e 其中小麦淀粉的焓变逐渐降低可能是由于添加大豆低聚肽取代了部分的小麦淀粉,使得淀粉的水分有效性降低,导致糊化过程中破坏淀粉颗粒所需的能量减少[27]。陈旭等[28]也报道了湿热处理对马铃薯淀粉-大豆低聚肽复合物中大豆低聚肽比例的增加会导致焓的降低。
2.5 大豆低聚肽与小麦淀粉复合物的红外光谱
如图6所示,小麦淀粉在添加大豆低聚肽之后,两者复合物中C-H的伸缩振动的幅度发生了少量的变化,这可能是由于葡萄糖单元的C-H发生了变形[29]。在2000~1500 cm−1附近观察到随着大豆低聚肽的质量分数增加,逐渐形成一个尖锐的特征峰,这是由于在淀粉糊化过程中有大量的直链淀粉颗粒从中溶出,而大豆低聚肽的加入提供了大量的羰基、氨基和极性基团,与淀粉发生氢键缔合和疏水相互作用,使得淀粉链进行有序重排而形成[30]。
图 6 不同质量分数大豆低聚肽与小麦淀粉复合物红外光谱图注:A:0%的大豆低聚肽;B:10%的大豆低聚肽;C:20%大豆低聚肽;D:30%大豆低聚肽;E:40%大豆低聚肽;F:小麦淀粉;G:大豆低聚肽;图7同。Figure 6. Infrared spectra of different mass fractions of soybean oligopeptides complexed with wheat starch2.6 大豆低聚肽对小麦淀粉粒径、Zeta电位和PDI的影响
如图7所示,随着大豆低聚肽的添加量不断增加,大豆低聚肽与小麦淀粉复合物的纳米粒径620.8 nm升高至924.1 nm,这是因为随着大豆低聚肽的不断添加,小麦淀粉的含量减少,黏度下降,使得大豆低聚肽与小麦淀粉充分融合,复合物更加均匀,得到粒径较大的纳米淀粉[31]。此外,由图8可以发现,大豆低聚肽对于小麦淀粉的疏水和亲水性能产生较大影响,随着大豆低聚肽的不断添加,复合物的Zeta-电位的绝对值不断减小,在大豆低聚肽添加量为40%时,绝对值下降了89.6%,使得复合物变得不稳定,小麦淀粉的亲水性质增加,与大豆低聚肽的结合更加容易。进一步说明大豆低聚肽使得复合物的粒径不断增大[32]。PDI结果如图9所示,大豆低聚肽的添加量的从0%增加到40%,PDI从0.3245增加到0.3843,增长趋势并不显著(P>0.05),表明大豆低聚肽添加量对于复合物的均一性影响较小。
图 8 不同质量分数大豆低聚肽与小麦淀粉复合物的电位分布图注:不同小写字母表示数据差异显著,P<0.05;图9同。Figure 8. Potential distribution of soybean oligopeptides complexed with wheat starch at different mass fractions3. 结论
将大豆低聚肽加入到小麦淀粉中,对小麦淀粉的糊化特性、流变学特性、热力学特性及结构特性产生了显著影响(P<0.05)。随着大豆低聚肽的质量分数的增加,小麦淀粉峰值黏度、低谷黏度、崩解值、终值黏度降低,糊化的起始温度、峰值温度都相应的增大,焓值降低,抑制小麦淀粉糊化,增强其热稳定性。当大豆低聚肽添加量为40%时,上行曲线和下行曲线中的稠度系数K分别下降了90.7%和77.5%,复合物的黏度最小。大豆低聚肽的添加降低小麦淀粉的储能模量(G')和损耗模量(G'')(P<0.05),损耗角正切(tanδ)<1,复合物表现为弱凝胶性质。此外,大豆低聚肽与小麦淀粉通过氢键相互作用,使得混合体系进行有序重排,增大复合物的粒径。本研究可为大豆低聚肽增加淀粉基食品营养价值以及大豆低聚肽功能性食品开发利用提供科学依据与理论指导。
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图 6 不同质量分数大豆低聚肽与小麦淀粉复合物红外光谱图
注:A:0%的大豆低聚肽;B:10%的大豆低聚肽;C:20%大豆低聚肽;D:30%大豆低聚肽;E:40%大豆低聚肽;F:小麦淀粉;G:大豆低聚肽;图7同。
Figure 6. Infrared spectra of different mass fractions of soybean oligopeptides complexed with wheat starch
图 8 不同质量分数大豆低聚肽与小麦淀粉复合物的电位分布图
注:不同小写字母表示数据差异显著,P<0.05;图9同。
Figure 8. Potential distribution of soybean oligopeptides complexed with wheat starch at different mass fractions
表 1 大豆低聚肽与小麦淀粉复合物糊化特征参数
Table 1 Characteristic parameters of pasteurization of soybean oligopeptides complexed with wheat starch
大豆低聚肽质量分数(%) 0 10 20 30 40 峰值黏度(cp) 1087.50±23.50c 1913.50±95.50a 1193.00±13.00b 753.00±6.00d 396.00±1.00e 低谷黏度(cp) 215.50±40.50d 1478.5±89.50a 888.00±6.00b 535.00±2.00c 282.00±1.00d 崩解值(cp) 872.00±17.00a 435.00±6.00b 305.00±7.00c 218.00±8.00d 114.00±0e 终值黏度(cp) 451.00±69.00d 2246.50±44.50a 1361.00±57.00b 825.00±26.00c 416.00±13.00d 回生值(cp) 200.50±28.50d 768.00±45.00a 473.00±51.00b 290.00±28.00c 169.00±14.00d 峰值时间(min) 5.07±0.07d 6.74±0.07a 6.54±0.07b 6.50±0.10b 6.24±0.03c 糊化温度(℃) 79.10±0.85d 90.00±0.45c 92.83±0.02b 95.20±0a 94.65±0.05a 注:同一行不同字母表示差异显著(P<0.05)。 表 2 大豆低聚肽与小麦淀粉复合物方程Herschel-Bulkley拟合参数
Table 2 Herschel-Bulkley fitting parameters for the equation of soybean oligopeptide complexed with wheat starch
大豆低聚肽质量分数(%) 触变环面积(Pa/s) 上行线 下行线 流体指数n 稠度系数K(Pa/s) 决定系数R2 流体指数n 稠度系数K(Pa/s) 决定系数R2 0 818.76±95.960a 0.61±0.007d 0.97±0.040a 0.999 0.76±0.007c 0.40±0.020a 0.999 10 403.90±19.550b 0.67±0.008c 0.50±0.030b 0.999 0.75±0.003c 0.29±0.009b 0.999 20 252.85±34.270c 0.70±0.007b 0.27±0.010c 0.999 0.77±0.006b 0.17±0.006c 0.999 30 135.98±8.740d 0.72±0.002a 0.16±0.005d 0.999 0.79±0.002b 0.11±0.004d 0.999 40 73.14±3.370d 0.71±0.004ab 0.09±0.005e 0.998 0.81±0.005a 0.09±0.002d 0.999 注:同一列不同小写字母表示差异显著(P<0.05),表3同。 表 3 大豆低聚肽对小麦淀粉热力学特性的影响
Table 3 Effects of soybean oligopeptides on thermodynamic properties of wheat starch
大豆低聚肽质量分数 起始温度(T0) 峰值温度(Tp) 最终温度(Tc) 焓变(ΔH) 0% 56.62±0.310e 61.53±0.210e 70.03±0d 0.98±0.033a 10% 60.13±0.180d 64.13±0.260d 69.70±0.510d 0.77±0.009b 20% 64.30±0.400c 68.81±0.610c 75.08±1.030c 0.58±0.017c 30% 68.00±0.370b 73.07±0.770b 76.77±0.700b 0.40±0.005d 40% 72.08±0.620a 77.50±1.520a 80.97±0.190a 0.20±0.030e -
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