水稻、大麦和藜麦烹饪过程中蛋白质及淀粉的原位超微结构分析

《Food Structure》：In situ Ultrastructural Analyses of Proteins and Starch in Rice, Barley, and Quinoa During Cooking

本研究利用X射线断层扫描和多种显微技术，分析了大米、大麦和小扁豆在烹饪过程中蛋白质形态及与淀粉的相互作用，揭示了不同谷物中蛋白质结构差异及其对烹饪特性的影响机制。

　　

朱玲|陈晓宇|胡佳丽|张国华|张慧

国家功能性食品工程研究中心，江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，江南大学食品科学与工程学院，无锡214122，中国

摘要

烹饪过程中蛋白质形态和蛋白质-淀粉相互作用对谷物质地的贡献目前仍局限于相关性分析，并存在争议。本研究使用多种显微技术（包括电子显微镜和X射线断层扫描）对大米、大麦和藜麦在烹饪过程中的蛋白质和淀粉进行了原位超微结构分析。显微分析结果显示，谷物蛋白质在大米和藜麦的细胞壁周围形成离散的蛋白质团块，而大麦蛋白质在胚乳中形成连续的无定形基质。虽然大米中的蛋白质团块和大麦中的蛋白质基质在烹饪后保持不变，但藜麦蛋白质则从离散的团块转变为连续的基质。X射线断层扫描表明，大米中的蛋白质团块会阻碍淀粉的糊化过程，大麦蛋白质则起到物理屏障的作用，抑制淀粉的溶出；藜麦蛋白质在烹饪过程中则从阻碍作用转变为屏障作用。这些发现阐明了不同谷物中蛋白质的超微结构及其与淀粉的相互作用，从而为开发具有理想特性的谷物基产品提供了依据。

引言

谷物的口感与其烹饪特性密切相关，这是消费者选择谷物时最重要的因素之一。由于淀粉和蛋白质是谷物的主要成分，研究人员一直关注淀粉、蛋白质与谷物烹饪特性之间的关联。尽管以往的研究主要集中在淀粉和蛋白质含量对烹饪特性的影响上（Li等人，2024年；Liu等人，2020年），但越来越多的研究开始关注淀粉的结构特征，如直链淀粉和支链淀粉的精细结构（Zhu等人，2023年）。例如，关于烹饪后大米中直链淀粉和支链淀粉链长分布的研究表明，粘性与其溶出情况密切相关，尤其是长链直链淀粉。蛋白质网络在缠结长链直链淀粉中起着重要作用，这种缠结与直链淀粉的链长分布有关（Li等人，2023年）。此外，蛋白质及其结构变化显著影响谷物的水分分布、淀粉糊化程度和质地特性（Zhu等人，2020年）。这突显了蛋白质形态结构的重要性，因为它可以影响淀粉的分子结构，进而影响谷物的烹饪特性。

先前的形态学研究将谷物蛋白质结构分为三种类型：蛋白质团块、蛋白质基质和加工诱导的蛋白质基质（Hu等人，2025年）。蛋白质团块会影响水分吸收，热处理可能导致疏水基团的暴露和二硫键的形成，从而改变蛋白质表面的疏水性（Liu等人，2021年）。然而，也有观点认为大米淀粉与蛋白质之间的相互作用有限（Zhu等人，2020年）。此外，蛋白质基质可能作为物理屏障，抑制水分吸收，从而限制淀粉的膨胀（Li等人，2023年；Roustan等人，2018年）。在藜麦煮沸过程中，即使蛋白质团块周围有完整的细胞壁，蛋白质聚集也无法被阻止（Vondel等人，2022年）。因此，揭示蛋白质的形态结构对于了解其对谷物烹饪特性的影响至关重要。

尽管相关性分析揭示了宏观参数（如质地特征、几何特征和成分含量）与谷物质量属性之间的关联，但这些方法无法完全解释决定谷物质量的潜在机制（Assad-Bustillos等人，2020年）。特别是蛋白质在谷粒结构中的结构贡献仍存在争议，高蛋白质含量是否有益尚不清楚，蛋白质与淀粉之间的相互作用也不清楚。相比之下，显微结构分析可以揭示蛋白质聚集和淀粉糊化的详细变化，这些都是决定谷物特性的关键因素。因此，X射线微断层扫描能够无损地可视化细胞材料内的三维（3D）结构（Zhu等人，2012年；Indore等人，2024年）。该方法还可以对谷粒内部的淀粉或蛋白质变形进行原位分析，同时追踪结构演变，并建立微观特征与宏观力学特性之间的直接联系（Gargiulo等人，2019年）。因此，X射线CT扫描与多尺度显微镜技术的结合为揭示谷物中淀粉和蛋白质的结构作用提供了协同方法。

我们假设不同的超微结构（如蛋白质团块、蛋白质基质和加工诱导的蛋白质基质）直接影响淀粉糊化和谷物的烹饪特性。本研究的主要目的是利用X射线计算机断层扫描（CT）对谷物中的微观结构变化进行原位表征，揭示烹饪过程中成分（淀粉/蛋白质）的重新分布和孔隙网络的演变。为了补充CT的结果，使用扫描电子显微镜（SEM）确定原始谷物中的淀粉-蛋白质相互作用，而透射电子显微镜（TEM）则追踪这些成分在烹饪过程中的空间重组。这些发现为将蛋白质形态变化与谷物烹饪行为联系起来的机制研究奠定了基础。

材料

本研究使用从京东商城购买的大米、大麦和藜麦。所用大米（吉林第六号品种：淀粉含量79.12%，直链淀粉含量21.50%，蛋白质含量6.60%）；大麦（江苏大丰品种：淀粉含量55.92%，直链淀粉含量20.34%，蛋白质含量11.82%）；藜麦（山西第一号品种：淀粉含量38.55%，直链淀粉含量3.58%，蛋白质含量17.77%）。这些谷物的水分含量分别为13.66%、10.48%和9.18%。

谷物烹饪

将100克大米放入电饭锅中，水与大米的比例为1:1.5进行烹饪。

谷物胚乳中淀粉和蛋白质的分布差异

图1显示了原始谷粒内部的胚乳结构。不同种类的谷物（即大米、高粱大麦和藜麦）表现出不同的成分分布、淀粉颗粒形状和蛋白质结构（Li等人，2023年）。大米和大麦的胚乳结构较为紧密，较大的淀粉颗粒呈多边形和椭圆形；而藜麦的胚乳结构较为松散，含有较小的球形淀粉颗粒。

结论

总之，多种显微技术（包括SEM、TEM、CLSM和X射线CT）的协同应用使得能够在烹饪过程中对大米、大麦和藜麦谷粒中的结构转变和淀粉-蛋白质相互作用进行多尺度原位表征。结果证实了这些谷物中蛋白质的不同组织形式，包括蛋白质团块、蛋白质基质和加工诱导的蛋白质基质。大米中的蛋白质团块具有较高的热稳定性，这对...

资助详情

本研究得到了中国山东省重点研发计划（项目编号2024CXGC010918、2025CXGC010805）、山东省食品资源与健康重点实验室（ZY202502）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX25_2764）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有潜在的利益冲突。

未引用的参考文献

(Li等人，2023年；Ma等人，2024年)

作者贡献声明

胡佳丽：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。张国华：项目管理。朱玲：撰写初稿、进行验证、争取资金。陈晓宇：撰写初稿、进行正式分析、数据管理。张慧：争取资金、提出概念。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。