亚麻籽蛋白调控绿豆淀粉糊化特性及水分分布的机理研究及其在食品质构设计中的应用

本研究针对绿豆淀粉(MBS)在凝胶化过程中易出现网络结构脆弱、持水性差等问题，系统探讨了亚麻籽蛋白(FP)对其糊化行为、凝胶特性及水分分布的调控作用。结果表明，FP通过竞争性水合、分子间作用力（如二硫键、氢键）改变了MBS的糊化粘度、热稳定性及凝胶微观结构，显著降低了凝胶强度（45–74%）和自由水比例。该研究为基于MBS的功能性凝胶食品的质构精准调控提供了理论依据和技术支撑。

　　

在追求健康饮食和清洁标签的今天，植物基食品正受到越来越多消费者的青睐。绿豆淀粉（Mung Bean Starch, MBS）作为一种优质的植物来源淀粉，因其低过敏性、高直链淀粉含量和慢消化特性，被认为是传统谷物淀粉的理想替代品，尤其在低血糖指数（GI）和纯素食品中具有广阔的应用前景。然而，尽管MBS拥有诸多优点，其在实际应用中也面临着一个显著的挑战：在热诱导的凝胶化过程中，MBS对水分迁移、分子链重排和相分离高度敏感，这常常导致其形成脆弱、疏松的凝胶网络结构，从而限制了其在高质量食品中的应用。

为了克服MBS的这一局限性，研究人员将目光投向了与其他宏量营养组分的协同效应。其中，蛋白质不仅可以作为营养强化成分，其独特的结构灵活性和界面活性更能通过竞争性水合、相互作用等途径，有效调控凝胶网络的形成。亚麻籽蛋白（Flaxseed Protein, FP）作为一种高品质植物蛋白，因其均衡的氨基酸组成和多种健康益处（如抗氧化、降血糖等）而备受关注。与大豆或豌豆蛋白不同，FP具有更广泛的疏水区域分布和较高的含硫氨基酸（如半胱氨酸）含量，这使得其在热处理过程中能够通过疏水相互作用和二硫键进行交联，从而有望协同稳定淀粉-蛋白质复合体系。那么，FP究竟如何影响MBS的凝胶化过程？它又是如何动态重塑水分分布，并平衡氢键、疏水相互作用和二硫键以优化凝胶微观结构的呢？为了回答这些问题，来自陕西理工大学的研究团队开展了一项深入研究。

为了揭示FP对MBS的调控机制，研究人员采用了多种先进的表征技术。他们首先制备了不同FP浓度（0%, 1%, 2%, 3%, 4%, w/v）的MBS/FP混合凝胶。随后，利用快速粘度分析仪（Rapid Visco Analyzer, RVA）评估了样品的糊化特性；采用差示扫描量热仪（Differential Scanning Calorimetry, DSC）分析了热特性；通过质构分析仪测定了凝胶强度；借助低场核磁共振（Low-Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR）技术解析了水分分布（T₂弛豫时间）；利用化学试剂法探究了分子间作用力（包括二硫键、静电相互作用、氢键和疏水相互作用）；最后，通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察了凝胶的微观结构。所有实验均进行三次重复，数据以平均值±标准差表示，并采用SPSS软件进行统计学分析。

颜色

研究发现，FP的加入显著改变了MBS凝胶的外观颜色。随着FP浓度的增加，凝胶的亮度（L值）先无显著变化，在4%浓度时显著增加；红色值（a值）从负值（绿色）转变为正值（红色）；黄色值（b值）也从负值（蓝色）转变为强正值（黄色）。色度（C）显著增加，而色调角（h°）则从约190°（蓝绿色）系统性降低至约88°（黄色），表明FP的添加使凝胶颜色逐渐向红黄色调转变，这主要归因于FP本身的内在色素以及在凝胶化过程中蛋白质的热聚集作用。

糊化特性

RVA分析结果显示，FP的加入显著影响了MBS的糊化行为。随着FP含量的增加，混合物的糊化温度、峰值粘度、谷值粘度和最终粘度均呈现上升趋势。例如，4% FP混合物的峰值粘度和最终粘度分别比纯MBS提高了约1.8倍和2.5倍。崩解值（从433 cP增至1047 cP）随着FP浓度的增加而增大，表明凝胶结构在加热剪切下的稳定性降低。回生值（从420 cP增至1903 cP）的显著提高（3.53倍）则突出了FP在冷却阶段促进凝胶网络重建的作用。研究人员提出了一个“两阶段相互作用模型”：在加热阶段，FP通过疏水和氢键与淀粉形成异质网络，抑制颗粒膨胀并增强剪切敏感性；在冷却阶段，FP的成核效应与淀粉回生协同作用，促进了致密双网络结构的形成。

热特性

DSC分析表明，FP的加入改变了MBS的热特性。当FP含量超过3%时，混合物的起始温度（T_O）、峰值温度（T_P）和终止温度（T_C）均有不同程度升高，而凝胶化焓（ΔH）则随着蛋白质含量的增加而下降。例如，在4% FP含量下，ΔH值从17.20 J/g降至8.73 J/g。这表明FP通过竞争性水合和屏障效应延迟了凝胶化起始，同时破坏了淀粉的结晶完整性，降低了破坏剩余双螺旋结构所需的能量。

凝胶强度

质构分析表明，FP的加入显著降低了MBS凝胶的强度。纯MBS凝胶的强度约为2.08 N，而随着FP浓度的增加，凝胶强度逐渐下降。当FP含量达到4%时，凝胶强度降至0.54 N，仅为对照组的26.0%。这种强度的降低与蛋白质分子竞争性吸水、阻碍淀粉颗粒充分溶胀以及产生的空间位阻效应有关，这种较弱的机械性能可能有利于其在需要较低刚性和增强可变形性的软凝胶食品中的应用。

NMR弛豫分析

LF-NMR结果揭示了FP对MBS凝胶体系内部水分分布的显著影响。T₂弛豫谱显示出四个峰：T_2b（结合水）、T₂₁和T₂₂（固定化水）以及T₂₃（自由水）。随着FP浓度增加至4%，结合水（T_2b）的比例（M_2b）从97.7显著降至72.8，但其弛豫时间缩短，表明结合强度增加。弱结合水（T₂₁）的比例（M₂₁）从26.2增至42.2，弛豫时间延长，表明其结合稳定性降低。自由水（T₂₃）的比例（M₂₃）从134锐减至34.7，弛豫时间也从1534 ms缩短至580 ms，表明体系的持水能力显著下降，这主要是由于淀粉和蛋白质之间的竞争性吸水行为所致。

分子作用力

通过不同化学试剂处理评估分子间作用力发现，在低FP浓度（1%）下，分子作用力强度顺序为：二硫键 > 静电相互作用 > 氢键 > 疏水相互作用。随着FP含量的增加，二硫键、静电相互作用和氢键均显著减弱，而疏水相互作用则无显著变化。这表明在MBS/FP混合凝胶中，二硫键、静电相互作用和氢键是重要的分子作用力，尤其是在低FP浓度下。FP浓度的增加导致蛋白质聚集，减少了可用于相互作用的表面积，从而削弱了这些作用力。

微观结构

SEM观察直观地展示了FP对MBS凝胶微观结构的破坏性影响。纯MBS凝胶呈现均匀的多孔网络结构。添加1% FP后，凝胶表面出现局部蛋白质层和部分孔洞填充，但网络结构仍保持连续。当FP浓度达到2%时，系统形成复合的蛋白质-淀粉聚集体，孔洞尺寸减小且分布更不均匀。当FP浓度进一步提高至3%和4%时，凝胶网络出现显著恶化，蛋白质聚集体与淀粉基质之间形成不连续界面，最终导致结构破碎、层状结构断裂，孔洞几乎消失。这种微观结构的松散与宏观上凝胶强度和持水能力的下降高度一致。

综上所述，本研究系统地阐明了亚麻籽蛋白（FP）对绿豆淀粉（MBS）糊化、凝胶化及水分分布的浓度依赖性调控机制。研究结论表明，FP在低浓度（1–2%）下主要通过二硫键、静电相互作用和氢键等分子间作用力与MBS形成异质网络，在一定程度上改善了糊化粘度和回生稳定性。然而，当FP浓度较高（≥3%）时，竞争性吸水、空间位阻效应以及蛋白质聚集成为主导因素，这不仅削弱了关键的分子间作用力，更导致了凝胶结构的降解、强度显著下降以及相分离。这些发现凸显了FP的双重角色：低浓度时作为改良剂，高浓度时则可能成为结构破坏者。

该研究的重要意义在于为精准设计基于MBS的食品质地提供了深入的理论见解和可行的技术路径。通过调控FP的添加比例，可以有效定制MBS凝胶的流变特性、质构强度和水分状态，从而满足不同应用场景的需求，例如开发质地柔软的植物基凝胶食品、需要良好冻融稳定性的冷冻食品或特定质构要求的营养保健食品。本研究发表于《Food Chemistry: X》，其成果不仅深化了对淀粉-蛋白质复合体系构效关系的理解，也为未来开发新型、健康、可控质构的植物基食品配方提供了科学依据。未来的研究可聚焦于通过物理或化学改性优化FP的界面相容性，并探索其在复杂真实食品体系中的应用效果，以进一步推动其产业化应用。