芡（Euryale ferox）属睡莲科（Nymphaeaceae）芡属（Euryale）一年生大型水生植物，芡实是其种仁，俗称鸡头米，在中国安徽、江西、江苏、广东、湖北、山东等地均有规模化种植，安徽芡实主要分布在水资源丰富的天长、明光、安庆、巢湖等地。芡实富含淀粉（77.5%～78.1%）、蛋白质（9.96%），与谷物类似。此外，芡实中含有多糖、多酚等生物活性成分。现代药理学研究证实，芡实具有抗氧化、降血糖及调节肠道菌群等功效。
芡实富含淀粉，却显示降血糖功效，引起研究者对其淀粉理化功能性质的格外关注。现有研究表明，芡实淀粉（ES）平均粒径2.29 μm，属超微小颗粒淀粉，具有A型结晶，相对结晶度（RC）38.84%，直链淀粉相对含量为37.66%～48.30%，明显高于同为小颗粒淀粉的大米淀粉（25.8%）。此外，与常见谷物淀粉相比，ES具有较高的起糊温度（84.69 ℃）和糊化焓（1 576.0 J/g）。上述结果也部分揭示了芡实加工中“难糊化、易老化”等现象的原因。
蛋白质和淀粉是芡实中含量最丰富的营养组分。蛋白质和淀粉的相互作用，直接影响食品的功能性质及消化吸收。目前，有关蛋白质对ES理化功能性质影响的文献很少。因此，安徽大学生命科学与医学工程学院的陈娟、陆雅媚，滁州学院生物与食品工程学院的张汆*等拟选择乳清蛋白（WP）、大米蛋白（RP）和谷朊粉（GP）3种常见的膳食蛋白为材料，采用快速黏度分析（RVA）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、流变学分析、化学键组成分析等方法，分析不同来源的蛋白质对ES理化功能性质的影响规律，探讨蛋白质与ES在混合凝胶体系中的分子间相互作用，以期为芡实的加工利用提供理论依据。
01
主要营养组分含量
表1显示，EF中主要营养组分为淀粉（84.62%）和蛋白质（9.92%），与谷物接近，属典型淀粉基材料。EF中脂肪质量分数为0.47%，低于一般大米（1.3%）。采用酶法制备的ES样品中，淀粉质量分数94.38%，残余蛋白质量分数1.06%，其中直链淀粉占淀粉质量的39.59%，低于Zhang Li等报道的45.85%。原因在于实验中所用材料为苏芡，而Zhang Li等用的余干芡实为刺芡，也称北芡。不同芡实品种间直支链淀粉含量差异很大。ES直链淀粉和支链淀粉分子质量分别为1.85×105 Da和3.00×103 Da。直、支链淀粉的分子质量也与淀粉的理化功能性质密切相关，如大米支链淀粉分子质量与其糊化峰黏度、衰减值和膨胀力等呈正相关。
WP、RP、GP等样品中蛋白质量分数均在90%以上。其溶解度差异显著，其中，WP的溶解度最高，达89.81%，RP和GP分别为11.72%和4.16%（表1）。这3种蛋白质的结构和性质差异明显，WP主要包括α-乳白蛋白、免疫球蛋白和牛血清白蛋白等组分。其中α-乳白蛋白和β-乳球蛋白分子质量分别为14.2 kDa和18.4 kDa，占乳清蛋白分子总量的80%；RP以谷蛋白和少量醇溶蛋白为主，谷蛋白有两个亚基，分子质量分别为20.6～25 kDa和28.5～38 kDa。RP中胱氨酸含量较高，含较多—S—S—键，可促使蛋白质分子间聚集。GP主要由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成，麦谷蛋白包括高分子质量麦谷蛋白和低分子质量麦谷蛋白，分子质量分别为80～130 kDa和10～70 kDa，麦醇溶蛋白分子质量为30～50 kDa和45～75 kDa，水溶性差，但可在水中可相互作用形成黏弹性凝胶。总之，这3种性质差异明显的蛋白质，会以不同的方式影响ES的糊化过程，也有助于其作用机制的分析。
02
样品的形态和粒径
借助SEM发现EF中含有大量球状聚合体结构，其直径为20～30 μm（图1A），与Kumar等的描述一致。采用低温蛋白酶法制备的ES表面光滑、呈多角形，粒径为1～5 μm（图1B），与大米淀粉接近，属超小颗粒淀粉。SEM图片显示，ES糊化所形成凝胶，主要由网状骨架和气泡状薄膜组成。其网状结构均匀，网孔大小规则，气泡状薄膜表面光滑，厚薄均匀（图1C），与小麦淀粉凝胶结构类似。
如图1D～F所示，添加5%～15%的WP对ES凝胶网孔大小和均匀性影响较小，但气泡状薄膜表面出现较多碎裂，提示其质地结构变薄、变脆，表明其柔韧性明显降低。王然认为WP可通过静电作用均匀吸附于淀粉分子表面，进而阻碍淀粉分子内或分子间氢键的定向排列。因此，WP添加不利于ES凝胶的形成，减弱了直支链淀粉分子间的相互作用。在RP添加组，随添加量增加，ES凝胶网状骨架结构逐渐增粗，气泡状薄膜碎裂，且网孔明显变小（图1G～I），显示凝胶的延伸性明显降低。推测与RP的疏水性较强有关，随RP添加量增加，蛋白质分子间相互作用加强，阻碍蛋白质分子与淀粉分子的相互作用。图1J～L显示，随GP添加量增加，ES凝胶中的网状骨架结构和气泡状薄膜结构均得到加强，网孔的均匀性降低，但仍能保持网状结构的基本完整。与RP不同，GP在水中能够形成黏弹性网络结构。因此，GP的添加，虽然抑制了ES中直链淀粉与支链淀粉分子间相互作用，但GP可通过氢键迅速嵌入淀粉分子间，参与网络骨架的形成。此外，在图1L中，网络骨架结构明显增粗，这对维持网络结构的完整有积极作用。
淀粉凝胶网络的形成及其强度取决于其中直链和支链淀粉分子间的相互作用。蛋白质添加，首先会因竞争性吸水抑制淀粉凝胶的形成；此外，因蛋白质分子与淀粉分子间相互作用、蛋白质分子间相互作用，从而影响淀粉凝胶的均匀性、柔韧性和强度。
03
XRD分析
图2中，ES的XRD图谱在2θ 15.36°、17.37°、18.14°、23.27°等处有较强的衍射峰，属于A型晶型，其RC为38.85%。该结果与Zhang Li等的研究结果接近。XRD分析结果表明，ES中分别添加5%～15%的WP、RP、GP等膳食蛋白不影响ES的晶型，但对RC有显著影响。随蛋白质添加量增加，其RC值均呈显著降低趋势，最大降低幅度分别为3.71%、3.30%和2.47%。XRD结果显示，3种外源蛋白质几乎不存在衍射峰，说明其并不具备晶体结构。研究表明，添加的外源蛋白质和ES间结构松散，与芡实组织中的内源芡实蛋白在存在形式、与淀粉分子间相互作用均有很大差异。对于原淀粉而言，其晶体结构主要源于其支链淀粉分子形成的结晶区。由此推测，随着ES中蛋白质添加量的增加，样品中淀粉的相对含量随之降低，这是导致其RC显著降低的主要原因。
04
RVA
图3和表2结果显示，WP、RP和GP 3种膳食蛋白的添加对ES的糊化性质有显著影响，且不同蛋白质添加组间存在明显差异。5%～15%的WP添加会显著降低ES的糊化黏度，其峰黏度、谷黏度和终黏度分别从6 258.3、4 168.3、5 992.9 cP降低至3 160.3、1 991.5、2 258.8 cP，分别降低了49.50%、52.22%和62.31%。回生值从1 824.1 cP降至267.3 cP，降低85.35%。但ES的起糊温度和峰值时间变化不大，表明添加WP可显著降低ES糊化黏度，并明显抑制其老化。Sopade等在分析WP和小麦淀粉的相互作用时发现，WP可通过吸附在淀粉颗粒表面，抑制淀粉分子的吸水溶胀，导致峰黏度降低和衰减值下降。这与WP的高水溶性密切相关（表1），可以氢键与淀粉分子相互作用并迅速在淀粉颗粒表面扩散吸附。
随着RP添加量增加，ES样品黏度显著降低，但降低幅度明显低于WP。与WP相比，RP添加对ES的起糊温度和峰值时间影响很大。随添加量增加，ES起糊温度显著升高（80.8 ℃→90.4 ℃）、峰值时间从5.5 min延长至7.0 min。表明RP的添加可显著抑制或延缓ES的糊化过程。RP添加对ES糊化的影响明显不同于WP，推测与其水不溶性有关。一方面，RP中的谷蛋白和醇溶蛋白可与ES淀粉中的疏水基团结合，影响ES分子间相互作用；同时，疏水性RP分子可以空间位阻作用减少ES分子与水的相互作用，延缓ES的糊化进程。如图3C和表2所示，GP对ES糊化性质的影响趋势与WP相似，即显著降低ES黏度，但起糊温度和峰值时间变化相对较小。WP添加可使ES起糊温度发生缓慢降低（80.8 ℃→79.2 ℃），而GP添加会使ES的起糊温度升高（80.8 ℃→81.6 ℃）。推测与GP中的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白吸水后会形成黏弹性凝胶有关，疏水性蛋白质主要通过其空间位阻和竞争性吸水的方式限制淀粉颗粒的吸水溶胀，从而抑制淀粉的糊化和老化，并导致其黏度降低。
研究结果表明，WP、RP和GP 3种膳食蛋白添加，均可显著降低ES黏度，延缓其老化。但WP在降低ES糊黏度和抑制其老化方面效果显著；RP可显著抑制ES的糊化，使其起糊温度显著升高，峰值时间显著延长，对ES糊化进程的延迟效应明显；GP对ES糊化过程的影响趋势与WP类似，但变化幅度较小。
DSC分析结果显示，ES的糊化焓变（ΔH）为2.71 J/g，To、Tp和Tc分别为74.11、78.50、84.33 ℃（表2）。该结果中的ΔH明显高于Yang Yuexi等报道的1.31 J/g，但糊化温度比较接近（71.85、76.68、84.8 ℃）。推测与芡实原料的差异有关，如品种、贮藏时间。据Wang Hongwei等报道新鲜大米淀粉的ΔH为15.0 J/g，经长期贮藏后，其ΔH会显著降低至12.9 J/g（3年），均远高于ES。随蛋白质添加量增加，样品ΔH均呈先显著增加后降低的趋势，WP在添加10%时达到最高，RP和GP在添加5%时达到最高。继续添加蛋白质，会导致ΔH呈明显降低（表2）。此外，添加蛋白质，会显著升高ES的糊化温度，其中，To在10%添加量时均呈明显降低，添加量至15%时均显著升高；随蛋白质添加量增加，Tp和Tc的变化趋势与To相似，但变化幅度明显减小。总体而言，ES中添加5%～15%不同来源的3种蛋白质，会抑制ES的糊化过程。其中水溶性WP可通过在淀粉颗粒表面形成网状结构，抑制淀粉的吸水溶胀和糊化，而水不溶性RP和GP，会以空间位阻效应阻止水分的进入和淀粉分子间相互作用抑制淀粉的糊化。
05
FTIR与分子短程有序性分析
5.1 FTIR分析
如图4所示，3种蛋白质添加对ES样品FTIR图谱的影响都非常相似。其图谱中，在3 398、2 927 cm-1和1 647 cm-1等处均有较强的吸收峰，分别由—OH、C—H拉伸振动和H—O—H以及C＝O产生。其中，3 398 cm-1处宽且强的吸收峰，是多聚体分子间典型的羟基特征峰，说明淀粉分子间的晶体是通过氢键紧密连接。随蛋白质添加量增加，在1 533 cm-1处的吸收峰明显增强，此处是由蛋白质酰胺II的弯曲振动和伸缩振动产生的特征吸收。总之，3种蛋白质添加，并未产生新的化学键和基团。
5.2 分子短程有序性分析
FTIR图谱中，在1 047 cm-1和1 022 cm-1处的峰强分别代表淀粉的结晶区和无定形区，其比值（R1 047/1 022）可评估淀粉短程有序性。FTIR图谱经去卷积化处理（图5A），计算R1 047/1 022的结果见图5B。结果显示，添加5%蛋白质后，ES样品的R1 047/1 022值急剧降低，表明其分子短程有序性显著降低（P＜0.05）。继续增加蛋白质添加量（5%→15%），其R1 047/1 022值基本保持不变，维持在接近1的水平，该现象在3种膳食蛋白添加组中均存在。说明低于5%的蛋白质添加即可使ES分子短程有序性发生明显变化。结果表明，添加WP、RP、GP会显著干扰ES分子间原有结合及排列方式致使其分子短程有序性显著降低。推测蛋白质分子会破坏淀粉分子局部双螺旋结构，淀粉分子间氢键结合减弱，淀粉颗粒中原本有序的部分区域转变为无序状态，结晶区稳定性降低。水溶性WP可与ES分子间通过氢键相互作用，会抑制淀粉分子间局部聚集，阻碍其有序排列。疏水性的RP和GP中，除了少量极性氨基酸残基可与淀粉分子中的羟基形成氢键，限制其分子链的随机运动，也可通过其疏水相互作用和空间位阻影响淀粉分子双螺旋结构的稳定。
06
流变学性质分析
图6结果显示，ES样品的G’和G”均很低，其中G’在10 Pa左右，G”在0～1 Pa，随角频率升高，G’和G”均无明显增加。说明在10%的淀粉质量分数下，ES样品凝胶的弹性和黏性均较低。
添加蛋白质可显著增加ES的G’和G”，其中，同等添加水平下，增加最明显的是WP，其次是RP，GP增幅最小。添加5% WP时，即可快速增加ES凝胶的G’，继续增加WP至10%、15%，其G’增幅很小。G”随WP添加量增加，也呈明显增加趋势，当角频率高于40 rad/s以后增加不明显（图6A）。RP样品组中，随着蛋白质添加量和角频率增加，ES样品G’和G”均呈明显增加趋势，当角频率高于30 rad/s以后增加不明显（图6B）。随着GP添加量增加以及角频率升高，ES样品的G’和G”也呈明显增加趋势，且与GP添加量和角频率呈现较好的相关性（图6C）。此外，所有样品的G’始终明显高于其G”，说明蛋白质与ES所形成的凝胶体系以弹性为主，属于强凝胶结构。
WP为水溶性蛋白，其分子可充分伸展，暴露出更多位点与ES分子相互作用，利于形成均匀的凝胶体系。RP和GP主要由谷蛋白和醇溶蛋白组成，疏水性均较强。Li Xianghong等认为RP中富含亮氨酸、苯丙氨酸等疏水性氨基酸，难溶于水，导致其分子链难以充分伸展和交联，进而削弱ES凝胶的弹性和黏性响应。GP遇水会形成面筋网络，其中的麦谷蛋白通过分子间二硫键交联与醇溶蛋白协同形成连续三维网络，ES淀粉颗粒会被束缚与三维网络之中，致使其凝胶形成过程中需要更多的能量和更高的温度。这与RVA（图3、表2）中RP和GP添加会使ES起糊温度显著增加的结果一致。
07
化学键组成
7.1 表面疏水性
图7显示，WP、RP和GP 3种蛋白质添加后，ES凝胶体系的表面疏水性均有不同程度的增加。其中，WP添加量10%时体系表面疏水性达到最高，继续添加WP至15%时，体系表面疏水性显著降低，甚至低于ES（图7A）。WP为水溶性蛋白，其表面疏水性为89.2（图7D），在3种蛋白质中最低。将WP与ES混合，淀粉分子以氢键结合促使其分子伸展，暴露内部疏水基团，从而导致体系表面疏水性增加。当WP添加量较高时，WP分子中的半胱氨酸和甲硫氨酸会形成二硫键而导致蛋白质分子间发生交联。蛋白质分子间相互作用加强，则淀粉与蛋白质分子间相互作用会减弱，使原来暴露的疏水基团减少。该现象可看作是蛋白质分子间一定程度的聚集所致。
随RP添加量增加，ES凝胶体系的表面疏水性呈显著增加趋势（图7B）。RP主要以谷蛋白为主，含有亮氨酸、苯丙氨酸等疏水性氨基酸，其表面疏水性较高，为215.7（图7D）。因此，RP的添加必然会增加体系的表面疏水性。此外，据报道，RP可与ES中的直链淀粉分子以氢键结合，形成V型复合物，可促进其疏水基团的暴露。同时，也提示RP分子间相互作用较弱，这与WP和GP不同。3种蛋白质中，GP的表面疏水性最高，达321.2，显著高于WP和RP（图7D）。图7C显示，随GP添加量的增加，体系的表面疏水性呈现先增加后降低的趋势，与WP添加的结果类似，但变化幅度更小。推测是GP中的麦醇溶蛋白更容易暴露其内部疏水区域，使凝胶体系疏水性增加。当添加量较高时（15%），GP中的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白大量水合，在二硫键、疏水作用、氢键等作用下蛋白质分子间相互作用形成黏弹性凝胶结构，这种蛋白质分子间网络结构会减少疏水基团的暴露，从而使体系表面疏水性降低。
7.2 化学键组成
图8显示，ES凝胶体系中的化学键以疏水相互作用为主，其次是离子键和氢键。添加WP、RP和GP等膳食蛋白后，ES凝胶体系中原有化学键比例及变化趋势均发生显著变化，但仍以疏水相互作用为主。说明无论是单一淀粉体系，还是蛋白质与淀粉的混合体系，疏水相互作用都是稳定凝胶体系的主要化学键。这与凝胶体系本身的结构特性有关，即凝胶体系中疏水相互作用会促使大分子间的相互作用，加强凝胶体系的骨架结构，进而加强凝胶的稳定性。
随WP添加量增加，疏水相互作用呈现先降低后升高趋势，在WP为10%时达到最低，离子键和氢键含量变化不显著（图8A）。王然认水溶性的WP分子可通过静电作用均匀吸附于淀粉表面，在凝胶体系中形成连续蛋白层，该过程产生的空间位阻效应显著抑制淀粉分子内或分子间氢键的定向排列。Zhao Meng等认为WP还可以通过促进二硫键的形成和静电相互作用，减弱疏水相互作用，改善凝胶的热稳定性。图8B中，随RP添加量增加，体系中疏水相互作用和离子键显著增强，氢键作用增加不明显。推测与RP中含有大量疏水结构域有关，当蛋白质浓度升高时，体系中蛋白质分子间碰撞概率增加，促使分子中疏水基团暴露。如图8C所示，添加5%的GP即可显著增加体系中的疏水相互作用和氢键（P＜0.05），但继续增加GP添加量，增加不明显。GP中的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白遇水后，可通过疏水相互作用和氢键形成较强的三维网络结构，对原有ES凝胶体系有明显加强。
08
结论
添加5%～15%的WP、RP和GP，会对ES凝胶的微观结构、RC、糊化性质、流变学性质等产生明显影响，具体如下：
1）添加蛋白质会显著降低ES凝胶结构的均匀性和柔韧性；显著降低ES的RC；WP可明显降低ES的黏度和回生值；RP和GP会延缓ES的糊化进程，使其起糊温度明显升高（P＜0.05）。
2）蛋白质与ES的混合，不会产生新的化学键或基团，但可显著降低淀粉分子的短程有序性和RC。添加蛋白质可使ES凝胶体系的G’和G”明显升高。蛋白质添加，可使ES凝胶体系的表面疏水性有不同程度的增加，不同蛋白质间存在明显差异；此外，蛋白质添加会明显影响ES凝胶体系中的化学键组成，随添加量增加，疏水相互作用和氢键明显增加。表面疏水性和疏水相互作用的加强，有利于ES凝胶体系的稳定。
作者简介
通信作者：
张汆，滁州学院生物与食品工程学院 博士，教授。2007年6月毕业于西北农林科技大学食品科学与工程专业，获工学博士学位。同年7月-至今，在滁州学院生物与食品工程学院从事食品科学专业的教学和科研工作。工作期间，先后主持或参与各类教学研究项目10余项，主持安徽省教育厅项目4 项，省高校学科（专业）拔尖人才学术资助项目1 项，滁州市科技计划项目4 项，参与农业部公益性行业（农业）科研专项1 项，编写专著3 部，获农业部“中华农业科技奖”二等奖1 项，获授权发明专利4 项，获省级芡实新品种鉴定4 个，发表科研论文40余篇。主要研究方向：食品化学与营养学、特色农产品深加工及其资源综合利用等。
第一作者：
陈娟，安徽大学生命科学与医学工程学院生物与医药硕士研究生。主要研究方向为食品化学与功能性质的研究，在《食品科学》《European Food Research and Technology》《中国粮油学报》等核心期刊发表学术论文数篇，聚焦食品化学方向的研究与应用，相关成果为食品行业技术升级提供参考。
引文格式：
陈娟, 陆雅媚, 孙娅娜, 等. 蛋白质对芡实淀粉理化功能性质的影响[J]. 食品科学, 2026, 47(5): 71-81. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250915-112.
CHEN Juan, LU Yamei, SUN Yana, et al. Effect of proteins on the physicochemical and functional properties of Euryale ferox starch[J]. Food Science, 2026, 47(5): 71-81. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250915-112.
实习编辑：唐豫英；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网
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