豌豆面粉分散体系的组成变异与热诱导凝胶化

《Food Hydrocolloids》：Compositional variation and heat-induced gelation of pea flour dispersions

　　

摘要

豌豆面粉的热诱导凝胶化反映了淀粉、蛋白质、纤维和矿物质之间的相互作用，但面粉组成与凝胶化之间的关系仍未得到充分理解。本研究对96个遗传多样的豌豆种质（pea accessions）进行了主要组成和蛋白质谱（protein profile）分析。基于淀粉含量，将种质分为高淀粉（≥ 40%）和低淀粉（< 40%）两类，并选取18个代表性种质进行上清液粒径、蛋白质分布和流变学行为分析。高淀粉面粉通常具有较高的支链淀粉/直链淀粉比（amylopectin/amylose ratio）和豆球蛋白/豌豆球蛋白比（legumin/vicilin ratio），但蛋白质、灰分和富含纤维组分（fibre-rich fraction）含量低于低淀粉面粉。低淀粉种质在未加热上清液中通常表现出更大且更异质的颗粒，而蛋白质分布在两组间存在相当程度的重叠。在组水平流变学分析中，高淀粉和低淀粉样品分别以12%和18%的浓度制备以获得自支撑凝胶（self-supporting gels）。这些配方在最终凝胶中具有相近的平均总淀粉含量（～5.1%），但在直链淀粉、支链淀粉、蛋白质、灰分和富含纤维组分方面存在差异。高淀粉样品在加热结束时的储能模量（G′）较高且变形耐受性较大，而低淀粉样品在冷却后的最终G′较高但变形耐受性较低。主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）显示，高淀粉组的流变学性质与淀粉和支链淀粉的相关性更为密切，而低淀粉组则与组成和上清液颗粒特性的更广泛组合相关。总体而言，热诱导凝胶化与组成的协同变异相关，而非淀粉或蛋白质的孤立效应。

豌豆面粉组成变异与热诱导凝胶化的系统关联研究——基于96个种质的多维度分析

**研究背景与意义**

豌豆（*Pisum sativum* L.）因其高营养价值、广泛的农艺适应性以及相较于动物源性成分更低的环境足迹，正日益被视为可持续食品生产的重要原料。豌豆面粉作为一种低精制程度原料，其吸引力在于保留了天然基质中的淀粉、蛋白质、纤维和矿物质，这对于减少加工强度的植物基食品尤为重要——这类产品的结构和功能性必须更多依赖材料的固有属性而非广泛的分离或配方干预。

在豌豆面粉的技术功能特性中，热诱导凝胶化尤为关键，因为它直接贡献于肉类似物和凝胶基质产品中的质构、弹性、持水能力和结构稳定性。在豌豆体系中，凝胶化涉及多个重叠过程，包括淀粉糊化、蛋白质变性与聚集以及与纤维和矿物质相关组分的相互作用。然而，以往研究多集中于纯化淀粉、分离蛋白或简化混合物体系。在全粉体系中，功能性源于所有天然组分的协同行为，这些相互作用可能与分离组分的情况有所不同。因此，面粉组成与凝胶化之间的关系仍未得到充分理解。

自然存在的豌豆基因型多样性为研究这些关系提供了有效基础。豌豆种质在种子形态、淀粉含量与组成、蛋白质含量和蛋白质谱方面差异显著，且这些性状通常是协同变化的。低淀粉豌豆通常表现出较高的蛋白质、纤维和直链淀粉含量，淀粉表型也可能与蛋白质谱相关联。这种协同变异对食品功能性具有重要意义，因为凝胶化可能与这些组成性状的综合变异相关，而非任何单一组分。然而，目前鲜有研究系统地将组成多样性与全豌豆面粉体系中的颗粒特性、蛋白质分布和流变学行为联系起来。本研究正是针对这一空白，将组成、贮藏蛋白组成、上清液颗粒特性和凝胶化行为整合于同一框架内进行系统分析。

**主要技术方法**

本研究采用多技术联用的系统分析策略。样本来源于瑞典农业大学265份豌豆种质中基于分子标记数据筛选出的96份代表广泛遗传多样性的种质，于2023年生长季在瑞典南部田间种植。研究团队运用总淀粉测定试剂盒（Megazyme）和直链淀粉/支链淀粉测定试剂盒进行淀粉组成分析，采用杜马斯燃烧法（Dumas method）测定氮含量并以5.4为换算系数计算蛋白质含量。蛋白质谱分析采用溶液内胰蛋白酶酶解结合液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，使用Orbitrap Exploris 480质谱仪进行蛋白质鉴定与定量。颗粒粒径采用Mastersizer 3000激光衍射粒度仪测定体积加权平均粒径（d_4,3）。流变学特性使用Kinexus Pro流变仪（Malvern Panalytical）配合杯-转子几何系统进行测试，包括流动测试、温度扫描和应变扫描。统计分析采用单因素方差分析（ANOVA）、Welch独立样本t检验和主成分分析（PCA，使用LatentiX 2.13软件）。

**研究结果**

**3.1 组成变异与豌豆种质分类**

对96份豌豆面粉样本的分析显示，总淀粉是主要组分，含量范围为25.6%–51.2%（干基均值43.1%），其次为其他组分（20.8%–49.4%，均值33.0%）和总蛋白质（18.1%–35.0%，均值23.9%）。主成分分析（PCA）显示，PC1解释了总方差的84.76%，清晰地将种质按淀粉含量分离，表明较高淀粉含量与较低蛋白质和其他组分相关。基于淀粉含量和PCA分布，将96份种质分为高淀粉组（≥ 40%，74份）和低淀粉组（< 40%，22份）。

蛋白质谱分析检测到1161种蛋白质，经筛选后选择51个注释良好且高丰度的蛋白质进行分析。PCA显示不同种质间蛋白质谱存在显著变异，PC1和PC2分别解释了64.76%和19.92%的总方差。载荷主要与豆球蛋白亚基（A2、J、B和K）和豌豆球蛋白相关蛋白相关。高淀粉种质与豆球蛋白A2和J关联更紧密，而低淀粉种质与豌豆球蛋白相关蛋白关联更密切。

从18个代表性种质的组成来看，高淀粉组的总淀粉含量显著高于低淀粉组，含有更多的支链淀粉和更少的直链淀粉，支链淀粉/直链淀粉比远高于低淀粉组（2.08 ± 0.28 vs. 0.45 ± 0.14）。低淀粉组则含有更多的总蛋白质、灰分和富含纤维组分。贮藏蛋白组成方面，高淀粉组的豆球蛋白/豌豆球蛋白比显著高于低淀粉组（1.29 ± 0.65 vs. 0.70 ± 0.39）。

**3.2 颗粒粒径与蛋白质分布**

对代表性高淀粉样品HS-59和低淀粉样品LS-38的比较显示，两者在上清液颗粒粒径分布上存在明显差异。LS-38呈现约1–300 μm的较宽双峰分布，而HS-59呈现约2–35 μm的较窄分布且具有单一主峰。体积加权平均粒径（d_4,3）在LS-38中远大于HS-59（38.3 μm vs. 14.6 μm）。在18个代表性种质中，高淀粉组未加热上清液的颗粒显著小于低淀粉组（18.1 ± 10.3 μm vs. 43.5 ± 21.0 μm, p < 0.05）。

蛋白质分布方面，温度依赖性实验显示，随温度升高，两种样品的上清液蛋白质分数均逐渐下降，而沉淀分数增加。在50–70 °C范围内，LS-38的蛋白质沉淀率持续高于HS-59。高于70 °C后，两种样品的蛋白质沉淀均增加，但HS-59的相对增幅更高，这与其较高的豆球蛋白丰度相关——豆球蛋白在加热过程中更易形成聚集体。在18个种质中，未加热上清液蛋白质分数和95 °C剪切后沉淀蛋白质分数在两组间均无显著差异，表明蛋白质分布的整体组间差异不如颗粒粒径明显。

**3.3 组成、粒径与蛋白质分布之间的关系**

PCA双标图显示高、低淀粉种质之间存在清晰分离。高淀粉种质与较高的总淀粉、支链淀粉、相对豆球蛋白丰度和豆球蛋白/豌豆球蛋白比相关，而低淀粉种质与较高的总蛋白质、直链淀粉、灰分、富含纤维组分、较大上清液粒径和较高沉淀蛋白质分数相关。粒径（d_4,3）和沉淀蛋白质分数与直链淀粉、灰分和富含纤维组分密切关联，但与总淀粉和支链淀粉呈负相关。上清液蛋白质保留分数与豌豆球蛋白相关蛋白关联，并与豆球蛋白相关蛋白、豆球蛋白/豌豆球蛋白比和总蛋白质含量呈反向关系。

**3.4 凝胶化行为与流变学特性**

浓度效应实验显示，G′-50（冷却后储能模量）随面粉浓度增加而升高。在相同15%面粉浓度下，高淀粉组样品的G′-50远高于低淀粉组。面粉浓度从10%增加至15%使高淀粉组G′-50提高一个数量级（超过10³ Pa），而低淀粉组在15%和18%浓度下仍低于10³ Pa。临界应变（critical strain）在两组间呈现不同趋势：高淀粉组随浓度增加而降低，低淀粉组则随浓度增加而升高。

在18个种质的比较中，高淀粉组在12%面粉浓度、低淀粉组在18%面粉浓度下制备凝胶，两组最终凝胶的平均总淀粉含量相近（～5.1%），但支链淀粉、直链淀粉、蛋白质、灰分和富含纤维组分含量不同。高淀粉组的粘度在约70–75 °C开始急剧增加，平均粘度-15为0.08 Pa·s；低淀粉组则在约75–80 °C开始增加，平均粘度-15为0.02 Pa·s。高淀粉组的G′-15（加热结束时储能模量）显著高于低淀粉组（9.7 vs. 2.4 Pa），但冷却后低淀粉组的G′-50更高（406 vs. 226 Pa）。高淀粉组的平均临界应变远高于低淀粉组（69.5% vs. 4.0%）。

在控制总淀粉含量相似的亚组分析中，高淀粉组内，G′-50随蛋白质含量增加而升高，临界应变则随之降低（排除HS-9后R²分别为0.83和0.91），表明较高蛋白质含量与较高最终凝胶弹性但较低变形耐受性相关。低淀粉组内，G′-50和临界应变均随蛋白质含量增加而升高（R²分别为0.15和0.64），其中蛋白质含量与变形耐受性的关联更强。

**3.5 组成、粒径、蛋白质分布与凝胶化的整体关系**

分组PCA分析显示，高淀粉组中粘度-15、G′-15和G′-50与总淀粉和支链淀粉密切关联，表明加热过程中的粘度发展和冷却后的凝胶弹性与淀粉组成关系更密切。临界应变则与豆球蛋白前体（provicilin）和富含纤维组分关联。低淀粉组中，粘度-15、G′-15、G′-50和临界应变位于d_4,3、总淀粉和豌豆球蛋白相关蛋白附近，临界应变还与上清液蛋白质保留分数接近，与豆球蛋白相关蛋白分离，表明较大上清液颗粒、较高上清液蛋白质保留和较高相对豌豆球蛋白丰度与较大变形耐受性相关。

**讨论与结论**

本研究表明，豌豆面粉的热诱导凝胶化无法用任何单一组成因素来解释。对96份豌豆种质的筛选揭示了淀粉含量、蛋白质含量和蛋白质谱的显著变异。高淀粉组和低淀粉组在组成、颗粒特性和流变学行为上表现出系统性差异，但蛋白质分布的整体组间差异不显著。在控制淀粉含量相近的亚组分析中，蛋白质含量与流变学性质的关系取决于周围凝胶组成，在两组间呈现相反的关联模式。

研究结论指出，在测试的配方条件下，高淀粉组样品表现出更早的粘度发展、加热结束时更高的弹性和更大的变形耐受性，而低淀粉组样品在冷却后表现出更高的最终弹性但较低的变形耐受性。组内总淀粉含量相近的种质在蛋白质含量与流变学性质之间呈现相反关系。这些对比趋势表明，蛋白质含量与流变学行为之间的关系取决于凝胶的周围组成。总体而言，组成多样性为调控豌豆面粉凝胶化提供了多种途径，支持选择低精制豌豆原料以满足特定食品结构和质构需求。该研究发表在《Food Hydrocolloids》。