谷氨酰胺酶催化交联大米蛋白对大米淀粉理化特性的影响.pdf
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1、谷氨酰胺酶催化交联大米蛋白对大米淀粉理化特性的影响唐倩1袁肖华西1*袁魏宇君1袁林亲录1袁张智忠2袁夏旭2渊1中南林业科技大学食品科学与工程学院特医食品加工湖南省重点实验室食品安全监测与预警湖南省重点实验室长沙 4100042怀化市农业科学研究所湖南怀化 418000冤摘要为弄清谷氨酰胺酶渊TG冤催化交联前尧后大米蛋白对大米淀粉理化特性的影响袁测定淀粉的膨胀系数与溶解度尧直链淀粉溢出率遥 采用红外光谱法尧可见分光光度法尧差示扫描量热仪渊DSC冤尧快速粘度分析仪渊RVA冤等技术手段分析淀粉共混体系的结构特征和功能特性遥 结果表明袁蛋白在 TG 酶催化下对淀粉的结构尧消化率与其它功能特性均有显著影
2、响袁且大米蛋白与淀粉二者间相互作用增强袁表现为院大米淀粉的膨胀系数由 13.24 g/g 降至最低袁为 7.02 g/g袁其直链淀粉溢出量降低38.7%遥在 TG 酶作用下袁随着蛋白含量的增加袁淀粉短程有序结构的稳定性逐渐增强遥添加量为 10%的蛋白在 TG 酶的催化下对淀粉消化性减轻效果更好遥 TG 酶作用前尧后蛋白对淀粉的热特性影响不大袁而其糊化特性参数均明显下降袁黏度也显著降低遥 TG 酶催化蛋白使得淀粉颗粒网络结构更加致密且聚集遥 结论院TG 酶催化交联蛋白对淀粉的改性效果显著遥关键词大米淀粉曰 大米蛋白曰 TG 酶曰 催化交联曰 理化特性文章编号1009-7848渊2023冤08-0
3、094-11DOI院 10.16429/j.1009-7848.2023.08.011大米淀粉渊Rice starch袁 RS冤是人类膳食中的主要成分遥人体对淀粉消化吸收快袁易引起血糖水平快速上升袁这是人体产生高血糖反应的关键袁易导致肥胖尧糖尿病等慢性疾病的发生遥出于对人体饮食健康的考虑袁 调控米制品中淀粉消化率愈加被重视遥蛋白质作为食品中的主要成分袁对淀粉的理化特性具有重要影响1遥 据了解袁蛋白质对淀粉具有包埋作用袁可限制淀粉酶与淀粉的接触袁使其难以消化吸收遥 大米蛋白渊Rice protein袁 RP冤为谷物籽实体中提取的蛋白质袁具有高生物价尧氨基酸组成合理和低过敏性等特点遥 TG 酶是一
4、类能够催化蛋白质中谷氨酰胺残基与赖氨酸之间酰基发生转移的酶2袁通过这种交联造成蛋白质凝胶网络结构增强袁进而提高食品的凝胶性和可塑性3遥 TG 酶黏合力强袁pH 值稳定性好且热稳定性强袁因在 pH6.0 至 7.0 及温度 45 益至 55 益的范围都具有较高的活性而被广泛应用4遥淀粉类食品作为重要的能量补充来源袁 其在加工及食用过程中的功能特性与其结构紧密关联5-6遥 蛋白质可导致淀粉链和聚集态结构出现不同程度的降解或破坏袁 最终影响淀粉聚集态结构的相变行为及重组过程中关键结构域的形成袁继而改变相关米制品的营养品质遥研究表明袁淀粉的链结构在不同尺度空间排列形成的短程有序结构尧螺旋结构尧结晶结构
5、尧颗粒结构等聚集态结构会显著影响淀粉的消化性能5袁7-8遥在食品加工过程中袁淀粉通过疏水尧氢键尧静电相互作用和范德华力等非共价作用与蛋白质尧脂质尧多酚和非淀粉多糖等交互结合形成各类复合物袁 进而影响淀粉的糊化尧凝沉等功能特性9遥 叶晓汀10阐释了淀粉颗粒中通道蛋白的剥离过程可能削弱了蛋白对淀粉颗粒的保护作用袁从而导致淀粉消化性尧结晶度尧黏度及糊化温度等特性的下降遥 余世峰等11研究玉米淀粉和大豆蛋白两相共存体系的相互作用袁结果表明袁玉米淀粉-大豆蛋白复合凝胶微观结构致密且孔隙增多袁热稳定性高遥 也有研究表明袁蛋白质经酶改性后袁 更容易与淀粉发生相互作用遥L佼pez-Bar佼n 等12研究了天然
6、尧变性和酶解的蛋白对小麦淀粉热力学特性的影响袁 发现变性后和酶解后的蛋白质增强了与淀粉之间的作用力袁 显著收稿日期院 2022-08-30基金项目院 湖南省教育厅重点项目渊20A532冤曰食品安全监测与预警湖南省重点实验室开放基金项目渊2021KFJJ01冤曰 湖南省科技创新平台与人才工程项目渊2017TP1021冤曰湖南省重点研发计划项目渊2020NK2020冤曰长沙市重大专项渊kh2003013冤第一作者院 唐倩袁女袁硕士通信作者院 肖华西E-mail院 灾燥造援 23 晕燥援 8Aug援 圆 园 2 3允燥怎则灶葬造 燥枣 悦澡蚤灶藻泽藻 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻 燥枣 云燥燥凿 杂糟蚤藻灶糟
7、藻 葬灶凿 栽藻糟澡灶燥造燥早赠中 国 食 品 学 报第 23 卷第 8 期圆 园 2 3 年 8 月第 23 卷 第 8 期增加了淀粉的糊化起始温度和峰值温度遥 陈博13的研究表明 TG 酶修饰的蛋白质提高了马铃薯淀粉中抗性淀粉的含量袁 并且降低了马铃薯淀粉的体外酶解速率遥为改善大米淀粉功能性质袁 调控米制品的淀粉消化性能袁本研究探究 TG 酶催化交联前尧后 RP影响 RS 消化性的机制及其对 RS 理化性质的影响遥1材料与方法1.1材料与试剂大米淀粉袁 河北德瑞淀粉有限公司曰 大米蛋白袁安徽顺鑫盛源生物食品有限公司曰谷氨酰胺转氨酶袁上海源叶生物科技有限公司曰其它化学试剂均为分析纯级遥1.2
8、仪器与设备AuY220 分析天平袁 岛津 渊香港冤 有限公司曰JS39D-250 多功能食品搅拌机袁 浙江绍兴苏泊尔生活电器有限公司曰722G 可见分光光度计袁 上海仪电分析仪器有限公司曰FE20 PH 计袁梅特勒-托利多仪器渊上海冤有限公司曰Lab-1A-50E 冷冻干燥机袁 北京博医康实验仪器有限公司曰TDZ5 台式低速离心机袁 湖南赫西仪器装备有限公司曰SHA-C水浴恒温摇床袁国华企业集团有限公司曰IRTracer-100 傅里叶红外光谱仪袁 日本岛津公司曰Q2000 差示扫描量热仪尧DH-2 型流变仪 TA袁美国沃特斯集团曰RVA-Super4 快速粘度计袁瑞典波通公司遥1.3方法1.
9、3.1样品的制备准确称取 5.0 g 渊干基冤原大米淀粉袁配制为 5 g/100 g 的淀粉乳袁在悬浮液中加入不同比例的大米蛋白 渊淀粉干基重的 0袁5%袁10%袁15%冤袁使用磁力搅拌器将混合物在室温下搅拌混匀袁 后用 0.1 mol/L NaOH 或 HCl 调节 pH 值到 7.0袁加入谷氨酰胺转氨酶渊酶量 4.5 U/g冤并在温度为 50 益的水浴锅中水浴处理 2 h袁 等待样品缓慢冷却至室温袁冷冻干燥后过 100 目筛袁分别制成淀粉-蛋白尧 淀粉-蛋白-酶共混物遥 酶催化前尧后RP 与 RS 相互作用制备而成的样品名称分别缩写为 RS-RP尧RS-RP-酶遥1.3.2膨胀系数和溶解度
10、分别称取 0.2 g 样品渊X0冤袁放入预先已知质量的 50 mL 离心管中袁确保样品未粘在管壁上遥 向离心管中缓慢加入 10 mL超纯水使其混合均匀袁获得淀粉混合物悬浮液遥将离心管置于 85 益恒温水浴锅中持续加热振荡 30min袁 结束后小心取出并避免管内悬浮液晃动袁将离心管置于室温下冷却 2 min袁随后以 4 000 r/min转速离心 5 min袁管中出现分层之后袁用吸管吸出上清液至铝盒中袁 在 105 益烘箱中烘 4 h 直至烘干袁称重渊X1冤并记录袁管中沉淀物称重渊X2冤并记录遥 样品溶解度和膨胀系数计算公式院溶解度渊%冤=X1X0伊100膨胀系数渊g/g冤=X2X0-X11.3
11、.3溢出的直链淀粉含量的测定参照 GB/T15683-2008叶大米 直链淀粉含量的测定曳中的方法测定直链淀粉含量14遥1.3.4消化特性的测定参照 Englyst 等15建立的体外模拟消化的方法并稍作修改遥 准确称取样品 0.2 g袁加入 6 颗大小一致的玻璃珠于 50 mL 的离心管中袁 再加入 15 mL 已配置好的醋酸钠缓冲液渊pH=5.2冤使其混合均匀后袁在 37 益水浴摇床中振荡糊化 5 min袁随后加入猪胰腺 琢-淀粉酶 290U/mL袁 糖化酶 15 U/mL 两者配置的混合酶液 5mL袁 酶液应提前在 37 益下活化 30 min 后继续在37 益恒温水浴锅内以 180 r/
12、min 振荡反应 20 min和 120 min袁分别在既定时间后袁吸取 1 mL 消化液和 4 mL 无水乙醇溶液灭酶袁3 000 r/min 离心 10min袁离心后根据 DNS渊3袁5-二硝基水杨酸冤法测定上清液中葡萄糖含量遥 具体公式如下院RDS渊%冤=G20TG伊0.9伊100SDS渊%冤=渊G120-G20冤TG伊0.9伊100RS渊%冤=1-渊RDS+SDS冤伊100式中袁G20要要要消化 20 min 后样品产生的葡萄糖含量袁mg曰G120要要要消化 120 min 后样品产生的葡 萄 糖 含 量 袁mg曰TG 要要要样 品 干 基 质 量 袁mg曰RDS要要要快消化淀粉含量袁
13、%曰SDS要要要慢消化淀粉含量袁%曰RS要要要抗性淀粉袁%遥1.3.5红外光谱的测定利用傅里叶红外光谱仪渊FT-IR冤测定袁可反映淀粉颗粒表面淀粉链的结构排列袁红外光束渗透深度为 2 滋m袁采用 KBr渊溴化谷氨酰胺酶催化交联大米蛋白对大米淀粉理化特性的影响95中 国 食 品 学 报圆园23 年第 8 期钾冤压片法袁先后称取 0.002 g 样品与 0.2 g KBr 并研磨均匀袁使其充分混合袁将研磨好的混合物粉末倒入压片机模具上进行压片袁 然后置于红外光谱仪中以 4004 000 cm-1波段扫描袁 得到样品的红外光谱图遥1.3.6热力学性质的测定采用差示热量扫描仪渊DSC冤 测定热力学性质
14、袁 在铝坩埚中准确称取 3mg 大米淀粉或淀粉混合物袁加入 9 mg 超纯水袁然后将铝坩埚密封并在室温下平衡 24 h遥 将 DSC 程序设置在 30110 益范围内加热袁扫描速率设定为10 益/min袁重复测量 3 次遥1.3.7糊化特性的测定用快速黏度分析仪渊RVA冤测定糊化特性遥 分别称取 3.0 g 样品渊以干基计冤袁蒸馏水添加量为 25 mL袁将两者装入铝罐中静置待测遥 RVA 谱特征值主要以糊化温度尧峰值黏度尧谷值黏度尧最终黏度尧崩解值尧回生值等表示遥1.3.8静态流变性质的测定淀粉样品首先在25 益的条件下静置 5 min袁之后由仪器施加剪切力进行静态流变试验袁剪切速率从 0.1
15、 s-1增加到 100s-1袁 流变仪自动记录表观黏度随剪切速率增加而发生的变化遥测量参数如下院转子为直径 60 mm 的不锈钢平行板转子袁间距设定为 1 mm袁剪切速率为 0.1100 s-1袁持续时间 30 s袁测定温度 25 益遥 每个样品重复测定 3 次袁结果取平均值遥1.3.9表观形态观察将样品用体积比为 1颐1 的丙三醇和蒸馏水的混合液配制 5%的淀粉乳袁搅拌均匀袁用玻璃棒蘸取一滴样品于干净的载玻片上袁倾斜一定角度缓慢盖上盖玻片袁保证无气泡袁用滤纸吸收溢出来的样液袁 将准备好的观测品放入载物台袁观察样品的形貌特征并拍摄照片遥1.3.10数据分析所有样品重复测定 3 次袁试验数据使用
16、平均值依标准差的形式来表示遥 使用SPSS 数据分析袁并利用 Origin 作图遥2结果与讨论2.1TG 酶催化前尧后 RP 对 RS 膨胀系数尧溶解度及直链淀粉溢出率的影响图 1a 中袁RS-RP 共混体系的膨胀系数和溶解度随着各蛋白添加量的增多均呈现明显下降的趋势袁 膨胀系数由原来 13.24 g/g 下降至 8.67 g/g袁溶解度由原来 7.07%下降至 3.85%遥 此研究结果与Rungtiwa 等16的研究结论一致袁即淀粉颗粒结合蛋白可能增强了淀粉分子表面和内部张力而抑制其膨胀渊使膨胀度下降冤袁并减少了淀粉中可与水分子结合的亲水羟基渊使溶解度下降冤遥与 RS尧RS-酶和淀粉-天然大
17、米蛋白共混体系相比袁随 RP 添加量的增多袁TG 酶催化的大米蛋白与淀粉相互作用力增强袁样品的膨胀系数持续下降袁当 RP 添加量为 15%时袁 样品 RS-15%RP-酶的膨胀系数降至最低为 7.02 g/g遥 由于淀粉的膨胀能力通常与支链淀粉结构有关袁 直链淀粉起到稀释和阻碍膨胀的作用17袁上述结果可能是 TG 酶诱导催化淀粉颗粒外围的蛋白质分子更多地与直链淀粉分子发生接触而导致的袁如图 2 所示遥 另外袁蛋白经酶催化改性后能更有效地和直链淀粉分子通过分子间氢键或是链缠绕的方式形成复配物13袁从而进一步抑制淀粉颗粒的膨胀遥 然而袁蛋白在 TG 酶的催化作用下与淀粉结合袁 且伴随着一定程度的水
18、热反应而引发淀粉或蛋白分子链部分解旋或分解袁淀粉颗粒通道可能暴露出一些淀粉亲水羟基袁 使得部分游离出的淀粉分子更易溶解于水中袁 从而使样品的溶解度相较于天然蛋白与淀粉作用体系而言略有些上升18遥另外袁如图 1b 所示袁天然 RS尧RS-酶样品中溢出的直链淀粉含量最高遥 TG 酶作用淀粉时袁对其直链淀粉溢出的抑制影响不大袁 而 TG 酶催化 RP作用的 RS 后袁使其直链淀粉溢出率均明显低于天然 RS袁且随着蛋白添加量的增多袁淀粉的直链淀粉溢出率持续下降遥 具体表现为院 与 RS 相比袁当RP 的添加量为 15%时袁 直链淀粉溢出率降低了29.7%曰大米蛋白与大米淀粉在 TG 酶催化作用下形成的
19、共混体系中袁直链淀粉溢出率降低了 38.7%遥TG 酶催化的蛋白与淀粉交互作用比仅天然植物蛋白作用于淀粉时对体系中直链淀粉溢出率的影响更大遥该结果表明袁蛋白质分子的存在可以防止直链淀粉从淀粉颗粒中扩散出来袁 对淀粉颗粒膨胀的抑制也会造成直链淀粉溢出量的降低13曰大量的水分子迁移到淀粉颗粒中将导致淀粉充分溶胀和直链淀粉溢出19袁在这项工作中溢出的直链淀粉含量随着天然蛋白或 TG 酶催化蛋白与淀粉交互作用而下降袁 这或许归因于它们通过分子96第 23 卷 第 8 期图 2TG 酶催化交联大米蛋白对大米淀粉膨胀系数尧溶解度及直链淀粉溢出率影响的作用机制Fig.2The mechanism of TG
20、 enzyme-catalyzedcross-linked rice protein on rice starch expansioncoefficient袁 solubility and amylose overflow rate注院不同小写字母表示有显著性差异渊P约0.05冤遥图 1TG 酶催化前尧后大米蛋白对大米淀粉膨胀系数与溶解度渊a冤及直链淀粉溢出率渊b冤的影响Fig.1Effects of rice protein added before and after TG enzyme catalysis on rice starch coefficient of expansionan
21、d solubility 渊a冤 and amylose spillover rate 渊b冤大米蛋白添加量Rice protein addition amount/%样品Sample渊a冤膨胀系数与溶解度渊b冤直链淀粉溢出率间氢键或疏水相互作用形成了直链淀粉-天然蛋白复合物或直链淀粉与 TG 酶交联的改性蛋白复合物袁改善了淀粉的热稳定性遥2.2TG 酶催化前尧 后大米蛋白对大米淀粉消化性的影响图 3 结果表明袁TG 酶催化前尧后 RP 添加量不同袁对淀粉消化性能影响程度也不同遥 在天然大米蛋白与淀粉作用体系中袁 随着大米蛋白添加量的增多袁 淀粉消化性均呈现逐渐减轻的趋势袁 即在RP 添加量为
22、 15%时袁RDS 含量由 77.56%降至73.20%袁表现出较强的抗消化性遥 另外袁在 TG 酶的参与下袁TG 酶通过催化蛋白来增强其空间网络结构袁这更有利于蛋白与淀粉分子间交互结合袁对淀粉消化性减轻产生了更大的影响遥 表现为院相较于淀粉-天然蛋白体系而言袁 当 RP 添加量为 5%时袁TG 酶催化下的 RP 使淀粉消化率又降低了1.78%曰随着 RP 添加量的持续增加袁TG 酶催化下的 RP 对淀粉消化性逐渐趋于平缓袁即当 RP 添加量为 10%时对淀粉消化率减轻的更多遥 这一研究结果表明袁 淀粉及其对血糖反应的影响可能受淀粉结构尧 食品加工条件和食品基质中存在的单个成分渊本文即蛋白质冤
23、的影响遥 蛋白质已被证明会影响谷物中淀粉水解的速度20袁淀粉消化性的减轻一方面可能是因为蛋白质网络包裹淀粉颗粒形成基质袁作为抵抗淀粉酶酶解的物理屏障21袁另一方面蛋白可能也会通过氢键与淀粉产生极性相互作用或在一定温度下蛋白质暴露出疏水性氨基酸与淀粉表面的非极性成分 渊颗粒表面蛋白质或脂质冤形成疏水性相互作用22袁提高淀粉的热稳定谷氨酰胺酶催化交联大米蛋白对大米淀粉理化特性的影响97中 国 食 品 学 报圆园23 年第 8 期波数Wave number/cm-1图 4TG 酶催化交联前尧后不同添加量大米蛋白对大米淀粉作用的红外光谱图Fig.4Infrared spectra of the eff
24、ect of rice proteinwith different additions before and after TG enzyme-catalyzed cross-linking on rice starch样品1 047/1 022 cm-11 022/995 cm-1RS2.299 依 0.011e0.191 依 0.001bRS-酶2.009 依 0.014f0.324 依 0.001aRS-5%RP2.311 依 0.001e0.175 依 0.001cRS-10%RP2.354 依 0.001d0.167 依 0.001dRS-15%RP2.387 依 0.017d0.15
25、7 依 0.001eRS-5%RP-酶2.835 依 0.073c0.084 依 0.001fRS-10%RP-酶3.402 依 0.059b0.072 依 0.004gRS-15%RP-酶4.125 依 0.102a0.057 依 0.002h表 1TG 酶催化前尧后不同添加量的大米蛋白与大米淀粉交互作用的 1 047/1 022 cm-1和 1 022/995 cm-1的透过率比值Table 1 The transmittance ratios of 1 047/1 022 cm-1and1 022/995 cm-1in the interaction between different
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