许秀颖，吴天昊，崔维建，许志凌云，曹 勇，吴玉柱，赵城彬，刘景圣

（吉林农业大学 长春 130118）

玉米淀粉是玉米的主要组分，占总质量的72%～73%[1]。近年来，玉米淀粉作为重要的工业原料，在食品、医药、化妆品等领域应用较为广泛。天然玉米淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，直链淀粉和支链淀粉具有不同的分子结构和特性，二者的组成比例不同，其特性存在明显差异[2]。黑豆蛋白约占黑豆总质量的34%，其氨基酸种类丰富，组成与动物蛋白相类似，必需氨基酸的含量占氨基酸总量的40%以上[3]。黑豆具有食药两用性，具有益精明目、解毒利尿、延缓衰老等作用[4]，近些年受到众多消费者青睐。

淀粉和蛋白因能形成凝胶而在食品加工中发挥重要作用。二者的凝胶特性对馒头、面包等众多米面制品品质具有非常重要的影响。凝胶的形成本质上是分散系从溶胶态转化为具有三维网络结构凝胶态的过程，其特性受淀粉、蛋白等组分的含量、特性以及淀粉与蛋白相互作用的影响[5-6]。蛋白与淀粉的复配，不仅能赋予共混体系营养价值，其功能特性也可相互弥补，近几年受到很多学者的关注。目前，蛋白与淀粉共混体系凝胶特性的研究集中在乳清蛋白、肌原纤维蛋白、大米谷蛋白等对玉米淀粉和大米淀粉等凝胶的影响，如玉米淀粉-乳清分离蛋白相互作用及其对共混物理化和消化性能的影响[7]、肌原纤维蛋白与淀粉复合凝胶的流变特性和微观结构[8]、绿豆蛋白对荞麦淀粉糊化和流变等特性影响[9]、大米谷蛋白对大米淀粉凝胶化及凝胶特性影响[10]等，而关于黑豆蛋白对不同直/支比的玉米淀粉体系凝胶特性的研究却鲜有报道。

本研究以来源于玉米的普通淀粉（common starch，CS）和高支淀粉（high amylopectin starch，HAS）为研究对象，与黑豆分离蛋白（Black bean protein isolate，BBPI） 分别构建CS/BBPI 和HAS/BBPI 二元共混体系凝胶，对其RVA 糊化特性、流变特性、质构特性及微观结构进行分析，探讨黑豆蛋白对不同直/支比玉米淀粉共混凝胶体系糊化、流变、质构及结构性质的影响规律，为蛋白-淀粉共混体系在食品工业中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通玉米淀粉（CS，水分13.63%，粗蛋白0.35%，粗脂肪0.55%，灰分0.06%，支链淀粉75.64%），鼎国玉米淀粉有限公司；高支链玉米淀粉（HAS，水分12.96%，粗蛋白0.26%，粗脂肪0.23%，灰分0.07%，支链淀粉99.95%），美国Sigma 公司；黑豆分离蛋白（BBPI），吉林农业大学小麦和玉米深加工国家工程实验室自制，纯度为89.6%，其中黑豆为市售优级；氢氧化钠、盐酸等其它化学试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

3JK-1 型快速黏度分析仪 （RVA-Tec MasterTM），澳大利亚Perten 公司；MCR-301 流变仪，奥地利Anton Paar 公司；TA-XT Plus 型物性测定仪，英国Stable Micro Systems 公司；AlPhal-4LDPlus 冷冻干燥机，德国Christ 公司；扫描电镜，荷兰PhenomPro 公司；pHS-3C 型酸度计，上海精密科学仪器有限公司；FW-100 精密电动搅拌机，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；BSA224S 电子天平，德国赛多利斯有限公司。

1.3 方法

1.3.1 BBPI 的提取 参考赵城彬等[11]、李杨等[12]方法，稍作改动。选取新鲜干净的黑豆置于托盘中，放入55 ℃的烘干机中烘干12 h，烘干后去皮、磨粉并过60 目筛，所得的黑豆粉与正己烷以料液比1∶3（g/mL）混合，在室温下搅拌3 h。将所得混合物在4 ℃、10 000×g 的条件下离心20 min，弃去上层油脂，再重复离心过程3 次，室温条件下风干备用。具体BBPI 提取工艺：黑豆→清理→粉碎→过筛→脱脂→加碱液调至pH 8→离心分离→取上清液→加酸液调至pH 4.5→离心分离→取沉淀→反复水洗和离心→BBPI。将脱脂黑豆粉按1∶10（g/mL）与蒸馏水混合，然后用2 mol/L 的NaOH调节溶液的pH 值至8.0，在50 ℃搅拌1.5 h 后，将其悬浮液在4 ℃、10 000×g 的条件下离心20 min，取离心后所得的上清液再用2 mol/L HCl 调节pH值至4.5。静置后在4℃、6 000×g 的条件下离心20 min，将离心所得的BBPI 沉淀水洗2 次，最后将沉淀分散于水中并用2 mol/L NaOH 调节pH 值至7.0。将此时得到的BBPI 溶液置于-80 ℃的冰箱中预冻48 h，然后进行冷冻干燥，蛋白溶液冷冻干燥后粉碎即得粉末状BBPI。

1.3.2 CS/BBPI 与HAS/BBPI 二元共混体系的构建 按照10∶0，9.5∶0.5，9.0∶1.0，8.5∶1.5，8.0∶2.0（质量比）比例，分别构建CS/BBPI、HAS/BBPI 二元共混体系凝胶。CS/BBPI 与HAS/BBPI 共混体系的具体构建方法：按上述比例准确称取CS、HAS、BBPI，使其每份样品的总质量为3 g，置于RVA 专用铝盒内，然后加入去离子水，将其搅拌均匀，配成质量分数为12%的悬浮液，备用。

1.3.3 糊化特性的测定 采用RVA 快速黏度分析仪，测定1.3.2 节制备的不同配比的CS/BBPI、HAS/BBPI 共混体系凝胶。按照美国谷物协会（AACC）76-21 方法[13]，采用升温-降温循环程序：50 ℃保持1 min；后以6 ℃/min 的速度升温至95℃，3.75 min 内加热到95 ℃；在95 ℃保持2.5 min，再以6 ℃/min 的速度降温至50 ℃，在3.75 min 内降到50 ℃，然后在50 ℃保持2 min，前10 s 内搅拌速率为960 r/min，而后以160 r/min 搅拌速率进行黏度测试，得淀粉及共混体系糊黏度曲线，分析各糊化参数值的变化。

1.3.4 动态黏弹性测定 取1.3.3 节中制备的淀粉糊，立即置于流变仪测试样品台上，平板直径2.5 cm，设置间隙1.0 cm，测定温度25 ℃，扫描应变1%，测定由低频率（0.1 Hz）至高频率（10 Hz）内弹性模量 （G′）、黏性模量 （G''） 及损耗角正切值（tanδ=G''/G'）随角频率的变化。

1.3.5 静态剪切特性测定 取1.3.3 节中制备的淀粉糊，立即置于流变仪测试样品台上，平板直径2.5 cm，设置间隙1.0 cm，测量温度25 ℃，测定剪切速率（γ）由0～300 s-1递增，再由300～0 s-1递减范围内样品剪切应力的变化。采用幂定律（Power law）模型对数据点进行回归拟和，方程如下：

τ=Kγn

式中：τ——剪切应力，Pa；K——稠度系数，Pa·sn；γ——剪切速率，s-1；n——流体指数。

1.3.6 凝胶质构测定 将1.3.3 节中RVA 中制备的淀粉糊置于4 ℃条件下冷藏，24 h 之后取出，放置恢复至室温，采用物性测试仪对凝胶进行质地剖面分析。测定条件：测前速度为1.0 mm/s，测试速度1.0 mm/s，测后速度1.0 mm/s，触发力5.0 g，压缩程度40%。

1.3.7 微观结构观察 取1.3.3 节中制备的淀粉糊，转移至玻璃表面皿，于-80 ℃超低温冰箱中预冷1 h，然后放入冷冻干燥机中进行干燥。将冻干样品采用四氧化锇气体在密闭容器内固定4 h，然后经离子溅射仪喷金，于扫描电子显微镜下观察凝胶的微观结构。

1.3.8 统计分析 采用SPSS22 软件进行数据统计分析，作图采用Origin8.5 软件完成，使用Duncan 程序进行差异显著性（P＜0.05）分析。除特殊说明，每组试验均设3 个平行，每个平行测量3 次。

2 结果与分析

2.1 BBPI 对玉米淀粉糊化特性分析

淀粉的糊化特性与直链淀粉的分子大小及支链淀粉的分支链长关系密切[14]。两种玉米淀粉与BBPI 共混体系RVA 糊化曲线如图1a、1b 所示。由图可看出，相比单纯玉米淀粉体系，CS/BBPI 和HAS/BBPI 的RVA 糊化曲线整体向下偏移；且随着蛋白添加比例的逐渐增多，曲线逐渐下移，但曲线的整体形状并未发生明显改变；CS/BBPI 体系比HAS/BBPI 体系变化的程度大。这可能是由于两种淀粉中直/支链淀粉比例不同所致。

图1 玉米淀粉与BBPI 共混体系RVA 糊化曲线Fig.1 RVA gelatinization curve of corn starch and BBPI mixed system

由表1可知，随着BBPI 添加比例的增加，体系的峰值黏度显著下降（P＜0.05），糊化过程变缓。表明蛋白的添加可能与淀粉争夺水分，使淀粉微相区可利用的水分减少，抑制了玉米淀粉颗粒的膨胀，从而减少了淀粉粒之间相互摩擦，导致糊液黏度降低。在糊化过程中，蛋白质会围绕在淀粉周围；另外，蛋白质与淀粉带相反电荷，通过静电作用或诱导蛋白质、淀粉颗粒相互吸引，从而降低了淀粉的吸水速率，抑制淀粉颗粒的崩解，所以导致淀粉糊化过程延迟。与Yang 等[7]和Chi 等[15]研究结果相类似。

表1 玉米淀粉与BBPI 混合体系糊化参数值Table 1 Gelatinization parameters of mixed system of corn starch and BBPI

2.2 玉米淀粉与BBPI 共混体系动态黏弹性分析

CS/BBPI 共混体系与HAS/BBPI 共混体系弹性模量（G′）、黏性模量（G″）及损耗角正切值（tanδ）随角频率的变化关系如图2、图3所示。由图可见，在检测范围内，CS/BBPI 和HAS/BBPI 共混体系的G′值均远高于G″值，所有样品损耗角正切值（tanδ） 均小于1，G′值与G″值随频率增加而上升，表明淀粉凝胶以及共混体系凝胶均呈现典型的弱凝胶动态流变学谱图[16]。这一结果与Chen 等[17]研究结果相一致。

图2 BBPI 对普通玉米淀粉动态流变特性的影响Fig.2 Effects of BBPI on dynamic rheological properties of common corn starch

图3 BBPI 对高支玉米淀粉动态流变特性的影响Fig.3 Effects of BBPI on the dynamic rheological properties of high amylopectin corn starch

2.2.1 CS/BBPI 体系动态黏弹性分析 淀粉的膨胀和凝胶化主要受支链淀粉结构特征的影响[18]。蛋白质及加热过程中渗出的直链淀粉等成分作为连续基质包裹淀粉颗粒形成三维网络结构，进而影响淀粉悬液的流变特性。黏性模量G″代表每次循环期间单位体积耗散或损失的热量，其与凝胶体系的黏度和流动特性有关[19]。BBPI 对CS/BBPI共混体系糊化后凝胶动态黏弹性的影响如图2所示。添加BBPI 后，与CS 体系比较，体系弹性模量G′和黏性模量G″均随着BBPI 添加比例的增大而降低，表明体系内的凝胶网络结构减弱。蛋白质与直链淀粉通过氢键相连接，形成凝胶网络结构，因蛋白质的加入，抑制了直链淀粉分子内氢键的形成，使原本可用于形成凝胶结构的直链淀粉分子减少，导致共混体系的弹性模量和黏性模量降低。蛋白质的存在，妨碍了CS/BBPI 共混体系中分子链间的凝胶化作用，这与Liu 等[20]研究结果一致，同时也验证了RVA 糊化特性的峰值黏度降低的结果。

tan δ 为G″和G′的比值，tan δ 越大，表明体系的黏性比例越大，流动性强，反之则弹性比例越大，流动性弱[21]。在本试验频率变化的范围之内，当CS 与BBPI 配比为10∶0 和9.5∶0.5，CS 与BBPI共混体系的tanδ 呈缓慢上升趋势；当配比为9.0∶1.0 时，随角频率的增加，tan δ 值呈先上升后下降趋势，且随着BBPI 比例的继续增加，趋势愈加明显。表明BBPI 的加入，在试验低频率扫描范围内，蛋白对共混体系流体性质的影响要高于对固体性质的影响，而在高频率扫描范围内，对固体性质的影响要大于对流体性质的影响。此结果与Yang等[7]研究结果一致。

2.2.2 HAS/BBPI 体系动态黏弹性分析 BBPI 对HAS/BBPI 共混体系凝胶的动态黏弹性的影响如图3所示。由图3a 可知，共混体系的G′随角频率的增加而增大，且频率依赖性增大。随着BBPI 添加量的增加，共混体系的G′值并无显著变化。由图3b 可知，高支玉米淀粉体系的黏性模量（G″）随着BBPI 添加量的增加，总体呈下降趋势。由图3c可知，HAS/BBPI 共混体系的tan δ 值随角频率增加而下降，表明BBPI 的添加对HAS/BBPI 共混体系流体性质的影响明显大于对固体性质的影响。

CS/BBPI 共混体系和HAS/BBPI 共混体系相比，tan δ 值对频率的依赖性存在差异。从图2c 和图3c 中tan δ 值随频率的变化可以看出，CS/BBPI共混体系的tan δ 值频率依赖性较低，且单纯淀粉体系的最低，表明结构更为稳定，由此表明BBPI的添加弱化了共混体系凝胶结构的形成。

2.3 玉米淀粉与BBPI 体系静态剪切特性分析

玉米淀粉与BBPI 共混体系凝胶剪切应力随剪切速率变化关系如图4所示，通过幂定律对各静态剪切流变曲线数据点进行拟合，数据如表2所示。两种共混体系所需的剪切应力均随剪切速率的增加而逐渐增大，且表现为不同程度地凸向剪切应力轴，由此可判断样品均属于非牛顿流体。且与单纯玉米淀粉体系相比，共混体系的剪切应力减小，且随着蛋白添加比例的增大，体系所需剪切应力逐渐减小。由图4a 和4b 可知，在最初剪切阶段，剪切应力随着剪切速率急剧上升，当剪切速率增加至某一数值后，剪切应力增加变缓。分析其原因可能在于：在最初的剪切阶段，糊化样品中的分子间互相缠绕的分子链，阻碍了流体的相互运动，造成剪切应力的急剧上升；当剪切速率继续增加至某一数值后，淀粉分子缠绕的分子链有被拉直的趋向，流层间的剪切应力和表观黏度便维持在一个常数[22-23]。BBPI 的添加使共混体系的剪切应力降低，可能是由于BBPI 阻碍了淀粉分子之间的相互缠绕，所以与单纯淀粉体系相比，剪切应力降低。且HAS/BBPI 体系的变化程度低于CS/BBPI体系。表明不同直链淀粉含量玉米淀粉与BBPI 的相互作用存在差异。可能由于支链淀粉含量较高，空间位阻大，从而导致不同直支比例玉米淀粉与BBPI 的相互作用不同。

图4 玉米淀粉与BBPI 混合凝胶剪切应力随剪切速率变化关系Fig.4 The relationship between shear stress of corn starch and BBPI mixed gel and shear rate

触变性是一种可逆的溶胶现象，代表着流体黏度对时间的依赖性[24]。由图4a 和4b 可看出，当剪切速率降低时，体系结构不能短时间恢复，导致黏性曲线变化不能与原曲线重合，从而形成了滞后环表现出触变性。触变环面积表示淀粉结构被破坏所需要的能量，面积越小，表明体系黏性保持效果越好[25]。图4中的下行线剪切应力均低于上行线，所以每个样品均呈现顺时针环[26]。由表2数据可知，随蛋白比例的增加，触变环面积显著变小（P＜0.05），表明蛋白的添加使得共混体系凝胶网络抗剪切性能增强。且HAS/BBPI 体系的变化程度低于CS/BBPI 体系。表明不同直链淀粉含量玉米淀粉与BBPI 的相互作用存在差异。这与2.1 节RVA 的结果相一致。

由表2结果显示，Power law 模型对玉米淀粉与BBPI 共混体系具有较高的拟合精度。决定系数R2几乎都在0.99 以上，曲线流体指数n 小于1。添加BBPI 以后，与两种玉米淀粉共混体系的上行曲线和下行曲线的稠度系数K 均呈总体降低趋势，n值呈总体升高，表明BBPI 的添加，使其与玉米淀粉共混体系的稠度降低，假塑性减弱。与卢薇等[27]研究大米蛋白对淀粉的影响结果相类似。

表2 玉米淀粉与BBPI 混合体系静态流变拟合参数Table 2 The static rheological fitting parameters of the mixed system of corn starch and BBPI

2.4 玉米淀粉与BBPI 共混体系凝胶质构分析

玉米淀粉与BBPI 共混体系凝胶质构参数如表3所示。与CS 相比，CS/BBPI 体系的凝胶硬度显著降低 （P＜0.05），且随着BBPI 添加比例的增加，呈逐渐降低趋势。与HAS 相比，不同配比的HAS/BBPI 体系的凝胶硬度无显著变化（P＞0.05）。淀粉凝胶的硬度与直链淀粉含量密切相关，直链淀粉含量越高，分子间相互交联、缠绕的程度越大，所以淀粉凝胶的硬度就越大。黑豆蛋白的添加阻碍了CS/BBPI 体系中直链淀粉分子间聚集重排，削弱其分子间作用力，使共混体系凝胶硬度降低，凝胶变软；本结果与修琳等[9]研究结果相似。而在HAS/BBPI 共混体系中，可能由于支链淀粉含量较高，空间位阻大，从而导致分子重排变得困难，所以蛋白的加入对高支链玉米淀粉体系无显著影响。

表3 玉米淀粉与BBPI 共混体系凝胶质构参数Table 3 Gelatinous texture parameters of mixed system of corn starch and BBPI

2.5 玉米淀粉与BBPI 凝胶体系微观结构分析

天然玉米淀粉的凝胶微观结构较致密，而且内部结构均一。可能由于淀粉与水分子作用而形成非均相凝胶所致[28]。由图5a 可看出，单纯普通玉米淀粉体系凝胶网络结构轮廓清晰，内部孔洞均匀一致，孔洞壁厚实；而添加BBPI 后，如图5b和图5c 所示，与BBPI 共混体系凝胶结构的致密性变差，网络结构轮廓模糊，凝胶孔洞变大、孔壁变薄，且产生碎片集结的现象。当CS/BBPI 配比为8.5∶1.5 时，共混凝胶体系稍有碎片出现，当CS/BBPI 配比达到8.0∶2.0 时，体系中的结构轮廓不清晰，且碎片增多。表明随着BBPI 添加量的增加，碎片集结的现象越来越明显。这可能是由于蛋白的添加，阻碍了淀粉自身形成致密均一的凝胶网络结构。这与Yu 等[29]研究结果相类似。

图5 普通玉米淀粉及其与BBPI 共混体系微观形貌图Fig.5 Micromorphology of common corn starch and its mixed system with BBPI

高支玉米淀粉体系凝胶微观形貌、高支玉米淀粉与BBPI 共混体系凝胶微观形貌如图6a、6b和6c 所示。由图6a 可观察到，单纯高支玉米淀粉凝胶网络结构较均一且致密，轮廓清晰，孔壁厚实。添加BBPI 后，高支玉米淀粉与BBPI 共混体系凝胶微观形貌发生了显著变化。共混体系凝胶网络结构变模糊，且孔洞大小不均匀，由图6c 可知，高支玉米淀粉与BBPI 配比为8.0∶2.0 时，碎片集结现象更为明显。

图6 高支玉米淀粉及其与BBPI 共混体系微观形貌图Fig.6 Micromorphology of high amylopectin corn starch and its mixed system with BBPI

由以上结果可知，天然玉米淀粉（CS 和HAS）的凝胶微观结构致密，而且内部结构相对均一，这与Lan 等[30]研究结果一致，可能由于淀粉与水分子作用而形成非均相凝胶所致。黑豆分离蛋白-玉米淀粉凝胶致密性变差，而且有孔隙。随着蛋白含量的升高，颗粒内部孔隙增多、致密性也随之变差，可能是由于复合凝胶体系中蛋白起泡产生的孔洞而导致的。此结果与琚长霄、Yu 等[31-32]研究结果相类似。因此，控制淀粉复合凝胶中蛋白含量，可有效控制凝胶结构及孔隙率，该方法可为淀粉-蛋白复合凝胶应用提供新思路。

3 结论

通过构建黑豆分离蛋白（BBPI）与不同直/支比玉米淀粉两种二元共混体系（CS/BBPI，HAS/BBPI），采用RVA 黏度分析仪、流变仪、质构仪和扫描电镜等，探讨共混体系糊化特性、流变特性、质构特性及微观结构的变化规律。随着蛋白比例的逐渐增加，共混体系峰值黏度、回生值呈逐渐降低趋势；体系的贮能模量（G′）、损耗模量（G″）均降低，tanδ 先升高后降低，凝胶强度变弱；体系剪切应力逐渐降低，仍为假塑性流体；体系硬度、内聚性均逐渐降低；添加蛋白使体系凝胶网络结构致密性变差、轮廓模糊、孔洞变大、孔壁变薄、且出现碎片集结。以上特性的变化均表现出CS/BBPI 体系比HAS/BBPI 体系变化更为明显。表明体系中加入蛋白阻碍了玉米淀粉凝胶网络结构的形成，且直链淀粉含量不同导致共混体系特性存在差异。本研究可为蛋白与玉米淀粉共混体系在食品工业中的应用提供新的理论参考。