面筋蛋白的組成、分離方法及應用研究進展

郭俊杰，吳 宏，張 楠，連喜軍，*

(1.天津商業(yè)大學理學院化學系，天津300134;2.新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，新疆石河子832000;3.天津商業(yè)大學天津市食品生物技術重點實驗室生物技術與食品科學學院，天津300134)

(小麥面筋蛋白，又稱為谷朊粉(wheat gluten)，是從小麥(面粉)中提取出來的天然蛋白質(zhì)［1］，呈淡黃色，是小麥籽粒主要儲藏蛋白，蛋白質(zhì)含量高達75%～85%，含有15種人體必需的氨基酸［2］，此外還含有少量淀粉、纖維、糖、脂肪、類脂和礦物質(zhì)等，是營養(yǎng)豐富的植物蛋白資源。

1 小麥面筋蛋白的組成

20世紀初，Osborne［3］根據(jù)小麥蛋白在不同溶劑中的溶解性將小麥籽粒中的蛋白質(zhì)分為清蛋白(albumin):溶于水和稀的緩沖液，占蛋白總量的3%～5%;球蛋白(globulin):不溶于水但溶于鹽溶液，占6%～10%;麥谷蛋白(glutenin):溶于稀酸和稀堿溶液，占30%～40%和醇溶蛋白(gliadin):溶于70%～90%乙醇，占40%～50%。

1.1 麥谷蛋白的組成及結構

麥谷蛋白分子是自然界最大的蛋白質(zhì)分子之一［4］，內(nèi)含β－折疊結構較多，富含谷氨酰胺(Gln)和半胱氨酸(Cys)，是由17～20個多肽鍵通過分子間二硫鍵連接而成的非均質(zhì)的大分子聚合體蛋白，分子量為5×104～1×107u。

麥谷蛋白在還原條件下分解為高分子量谷蛋白亞基(high molecular weight gluten subunit，HMW－GS)和低分子量谷蛋白亞基(low molecular weight gluten subunit，LMW－ GS)［5］，HMW－ GS 的分子量為 80～130ku，占谷蛋白的10%，賦予小麥面筋彈性;LMWGS的分子量為10～70ku，占谷蛋白90%，部分溶解于70%的乙醇，與一些高相對分子質(zhì)量醇溶蛋白類似。LMW－GS含半胱氨酸，形成分子間的二硫鍵。麥谷蛋白依靠二硫鍵連結，呈纖維狀，易發(fā)生聚集作用，主要為面團提供彈性(如圖1所示)。

圖1 醇溶蛋白與麥谷蛋白結構示意圖Fig.1 The structure diagram of gliadin and glutenin

LMW－GS比HMW－GS有更高的表面疏水性。麥谷蛋白亞基在S－S鍵被還原后表現(xiàn)出和醇溶蛋白相似的溶解性［6］。LMW－GS包含 8個半胱氨酸(Cys)，其中6個殘基形成鏈內(nèi)S－S鍵，另外2個半胱氨酸殘基由于空間位置，它們只能和其它的谷蛋白形成鏈間S－S鍵。

1.2 醇溶蛋白組成及結構

醇溶蛋白可用70%乙醇或其它有機溶劑從面筋蛋白中抽提得到，在組成上具有高度異質(zhì)性和復雜性。醇溶蛋白為單體蛋白，結構緊密呈球(如圖1)，表面積小，分子間相互作用不強;因此，缺少彈性，具有流動性，決定小麥粉面團粘性和延伸性，分子量為3×104～7.5×104u。富含谷氨酰胺和脯氨酸，醇溶蛋白分子中二硫鍵都分布在分子內(nèi)部(如圖2)。醇溶蛋白分子無亞基結構，單肽依靠分子內(nèi)二硫鍵和分子間的氫鍵、范德華力、靜電力及疏水鍵連結，形成較緊密的三維結構，其氨基酸組成多為非極性。

圖2 面筋形成過程示意圖Fig.2 The formation diagram of gluten

麥谷蛋白和醇溶蛋白共同形成面筋，麥谷蛋白的分子結構起到面粉加工及應用過程中控制蛋白質(zhì)相互作用的功能［7］。正是由于面筋的存在，小麥粉與水拌和后可形成面團，經(jīng)發(fā)酵烘烤后得到體積較大、質(zhì)地均勻、松軟可口的食品。

醇溶蛋白與麥谷蛋白相互作用形成面筋模型如圖2和圖3所示:即麥谷蛋白亞基通過二硫鍵、氫鍵連接形成三維網(wǎng)絡狀的主干結構，較小的球狀麥醇溶蛋白通過非共價鍵(氫鍵和疏水鍵)嵌入麥谷蛋白形成的網(wǎng)絡主干結構中。醇溶蛋白和麥谷蛋白是影響面團流變特性和小麥粉烘焙品質(zhì)主要因素［8］。

2 小麥面筋蛋白的分離

從小麥中分離面筋蛋白是對其進行研究的前提，面筋蛋白可以采用小麥面粉提取或小麥籽粒直接濕磨得到。

圖3 面筋模型結構示意圖Fig.3 The model structure of gluten

2.1 以面粉為原料生產(chǎn)小麥面筋蛋白

以面粉為原料分離小麥面筋蛋白的方法主要有馬丁法、面糊法、氨法和Fesca法四種。

2.1.1 馬丁法(Martin)馬丁法又稱為面團法，包括和面、淀粉清洗、面筋干燥等幾個步驟。首先將面粉和水以2∶1的比例揉和成光滑的面團，靜置0.5～1h后用水沖洗面團，由于面筋自身的粘結作用使其在沖洗過程中保持較大的結塊，借助篩分作用與淀粉分離。馬丁法是最早并且廣泛應用的小麥淀粉和谷朊粉的生產(chǎn)方法，改進的馬丁法為通過增加過程水的重新循環(huán)，以及采用新型淀粉和蛋白有效分離設備而降低新鮮水用量，分離每噸面粉的耗水量從(傳統(tǒng)馬丁法)面粉質(zhì)量的15倍降低到7～9倍［9］。

2.1.2 面糊法 面糊法是將面粉與水以大致相同的比例混合成面糊狀，再經(jīng)篩分、清洗、干燥得到面筋。由于面糊比面團更耐攪拌，因此該法可以提高濕面筋的質(zhì)量。

2.1.3 氨法 氨法是在劇烈機械攪拌下將面粉噴入5%氫氧化銨水溶液中，離心分離所得上清液經(jīng)噴霧干燥得到活性面筋粉，其蛋白含量為75%。

2.1.4 Fesca法 Fesca法是將面粉與水快速攪拌成稀糊狀，并用高剪切力作用使其進一步分散，防止面筋形成。用離心機將淀粉沉淀物與蛋白懸浮液分離，蛋白濃縮液蒸發(fā)干燥得含22%蛋白和67%淀粉的產(chǎn)品。該方法所得蛋白粉無活性，復水后不能得到具有粘彈性的面筋組織結構。

2.2 整粒小麥直接濕磨法

面筋也可以小麥為原料直接生產(chǎn)，可以節(jié)省掉小麥研磨的成本。

2.2.1 Farmarco分離法 Farmarco分離法首先對小麥加水軟化使其含水量達到14%～22%，然后用針磨進行研磨，經(jīng)篩分除去麩皮與胚芽即得胚乳。再用胚乳制作成面團，經(jīng)過沖洗除去面團中的淀粉，即為面筋。

2.2.2 Pillsbury法 Pillsbury方法首先將小麥籽粒浸泡在37～40℃、pH 為0.8～1.7的酸溶液中12～24h，粉碎后分散于pH為2.4～3.4的酸性水溶液中，強力攪拌并經(jīng)700～1200μm的細篩篩分去除麩皮與胚芽。將乳漿溶于pH為5.6～6.5的酸性溶液而將淀粉與蛋白質(zhì)分開。該方法所得的面筋粉活性不受影響，復水后仍能形成具有粘彈性的面筋結構。

2.2.3 Chwallek法 Chwallek法，先對小麥進行干磨去除麩皮與胚芽，然后用(2～4)×10－3mol/L的亞硫酸水溶液浸泡小麥籽粒15min～2h，然后進行研磨、分離與精制。該法能夠節(jié)省麩皮和胚芽干燥時所耗去的能量，但所得面筋粉沒有活性。

2.3 小麥麥谷蛋白和醇溶蛋白的分離

小麥面筋蛋白中的麥谷蛋白和醇溶蛋白由于特性不同，因此也需要分離后進行研究?？捎檬惺酃仍蹫樵?，也可直接使用小麥面粉。

2.3.1 以谷朊粉為原料 將市售谷朊粉置于乙醇溶劑中，充分攪拌后離心分為上清液和沉淀，將沉淀干燥后即得麥谷蛋白;將上清液蒸除溶劑乙醇后，真空低溫干燥即得到醇溶蛋白(如圖4所示)［10］，該法得到的麥谷蛋白和醇溶蛋白具有較高的純度。

圖4 麥谷蛋白和醇溶蛋白的分離過程Fig.4 The separation process of gliadin and glutenin

2.3.2 以小麥粉為原料 將小麥粉用乙醇溶劑攪拌溶解，離心后將上清液稀釋并調(diào)節(jié)pH得沉淀，離心后沉淀干燥即得小麥醇溶蛋白［11］。將充分提取小麥醇溶蛋白后的沉淀，經(jīng)不同提取液多次提取、離心、分離干燥得小麥谷蛋白［12］。該方法得到了麥谷蛋白在小麥籽粒生長發(fā)育過程中的合成積累情況，為今后小麥品質(zhì)改良的研究提供一定的科學依據(jù)。

將得到的谷蛋白采用聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS－PAGE)法進一步分離，可以分出 LMW－GS和HMW－GS［13－14］產(chǎn)品。分離效果好、重復性好、簡單易行［15］。

2.4 小麥清蛋白和球蛋白的分離

小麥胚蛋白中主要是清蛋白和球蛋白［16－17］，小麥胚清蛋白主要是一些酶和酶的抑制劑，目前在小麥胚中已經(jīng)確認存在46種酶［18］，這些酶類在小麥的萌芽和生長期間起著十分關鍵的作用。

清蛋白和球蛋白的提取工藝:

超臨界脫脂:將小麥胚放入超臨界裝置萃取罐內(nèi)，進行CO2臨界萃取小麥胚油:萃取溫度45℃;萃取壓力30MPa;分離溫度35℃;分離壓強4～8MPa;CO2循環(huán)量8kg/h;萃取時間2～3h。將脫脂后的小麥胚粉粹成脫脂小麥胚粉，過60目篩，裝袋置于冰箱4℃ 保存?zhèn)溆茫?9－20］。

清蛋白提取:將粉碎后(粒度0.125mm)的脫脂麥胚置于燒杯中，加蒸餾水于30℃進行提取，離心分離，上清液中即為清蛋白，提取率可達 29.2%［21－22］，實現(xiàn)了對小麥胚芽清蛋白最大程度的提取。

球蛋白的提取:將提取清蛋白后的沉淀用鹽溶、酸析的方法得到球蛋白沉淀，水洗離心后將沉淀置于玻璃培養(yǎng)皿中，冷凍干燥即為小麥胚球蛋白(DWGG)［23］，該方法對小麥胚芽球蛋白的提取是十分充分的。

3 小麥面筋蛋白的應用研究進展

小麥面筋蛋白主要用于烘焙食品行業(yè)及其相關行業(yè):a.在面包、蛋糕等烘焙食品中，可改良面粉的品質(zhì)，并能防止食品老化。b.在方便面制作中，使面條更有彈性，不易起糊，不易斷裂，改善口感。c.小麥面筋蛋白的高粘合及營養(yǎng)成分特別適用于多種魚用飼料。d.小麥面筋蛋白可使早餐麥片更為松脆及更富營養(yǎng)價值。e.用于專用粉的生產(chǎn)，提高面筋含量和面團結構強度，改善面團的加工性能［24－25］。

3.1 食品工業(yè)

小麥面筋蛋白及其深加工產(chǎn)品在食品工業(yè)中得到了相當廣泛的應用，如面筋、烤麩、古老肉、素腸、素雞、面制品、肉制品等。

3.1.1 面制品 小麥面筋蛋白是一種優(yōu)良的面團改良劑，廣泛用于面包、面條等面制品的生產(chǎn)［26］。利用小麥面筋能增強面團筋力，留存氣體、控制膨脹使面包體積一致;小麥面筋的吸水性和留存性能提高產(chǎn)品得率，保持面包柔軟，延長貨架壽命，增強天然口味等［27］。研究認為，添加質(zhì)量分數(shù)為2%的活性小麥蛋白的面包比容量最大，柔軟度最好。添加量為1%～2%活性面筋的掛面，面片成型及筋力均較好。以小麥淀粉、小麥蛋白、馬鈴薯淀粉等原料制備的蛋白粉絲，口味好、復水性好、粉絲糊化度高，富含多種人體必需的氨基酸和有益的礦物質(zhì)元素，且低脂肪、無膽固醇［28］。

3.1.2 肉制品 在肉制品加工中，小麥面筋蛋白可作為粘合劑、填充劑或增量劑。在重組化肉品中加入1%～5%的小麥面筋作為粘合劑，可增加肉品的粘彈性、色澤穩(wěn)定性、硬度、出汁率和保水性，降低肉制品保油性和加工損耗。

小麥面筋蛋白在仿真肉食品中也有廣泛應用。植物蛋白通過物理化學作用使蛋白質(zhì)分子的球狀構象解體而變成完全伸展的多肽鏈，在分子內(nèi)力的作用下，重新排列組合成像動物肉似的纖維狀結構，而呈現(xiàn)出具有動物纖維咀嚼感的仿肉食品［29］。由小麥面筋制備的肉味肽具有典型的肉味，可以廣泛應用于香腸制品、方便湯料、肉食類罐頭、方便食品中，并可提高植物蛋白的利用率和食品品質(zhì)［30］。而基于小面面筋蛋白制備的肉味香精具有肉香濃郁柔和，咸香味突出，口感淳厚等特點［31］。

3.1.3 奶酪類似物和比薩 利用面筋制造的合成奶酪在質(zhì)地和口感上與天然奶酪基本一樣。谷朊粉也被用來強化比薩表面強度，用同一種面粉產(chǎn)生薄和厚的兩種表面。谷朊粉的添加量為面粉基質(zhì)的1%～2%，提供硬外殼和爽口感，并減少水分向表面的遷移［32］。

3.2 化工工業(yè)

3.2.1 蛋白膜 蛋白膜具有參與物質(zhì)運輸，進行信息識別，保護糖蛋白和潤滑等作用。谷阮粉基蛋白膜具有良好的阻隔性能和機械性能，尤其是阻氧性十分優(yōu)良。在對易受氧氣影響而發(fā)生變質(zhì)的一類食品中，能夠起到保鮮作用，而延長農(nóng)產(chǎn)品的保質(zhì)期［33］。

3.2.2 蛋白質(zhì)塑料 小麥蛋白質(zhì)亦可制成可降解塑料［34］，谷朊粉具有黏彈性、延伸性、吸水性、吸脂乳化性、薄膜成型性，優(yōu)良的熱塑性等優(yōu)點。在小麥蛋白質(zhì)結構中引入帶硫醇終止基的星型分子使其成為韌性可塑性的物質(zhì)，使小麥蛋白有可能發(fā)展成生物降解的高性能工程塑料或復合物。通過加入星型分子增加了本性脆的蛋白質(zhì)基材料的韌性，提高了屈服應力和應變，而沒有減弱其剛性［35］。

3.2.3 膠粘劑和涂料 由于麥醇溶蛋白分子較小，具有緊密的三維結構，而使面筋具有粘性。小麥面筋蛋白具有可再生、無毒害、無污染的優(yōu)點，作為膠粘劑具有廣闊的前景［36］。以小麥谷朊粉為主要原料，加入分散劑、助劑和水，制得的紙/金屬箔和玻璃粘貼用的蛋白標簽膠，具有初粘力強、流動性好、耐冰水性能強、高溫水洗脫容易、干固速度快、無毒、無污染，制備工藝簡單，成本低廉等優(yōu)點［37］。

3.3 飼料工業(yè)

水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是一個日益膨大的工業(yè)，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)依靠飼養(yǎng)來提高產(chǎn)量，小麥面筋的特性正好迎合這一需求。其粘合性將小球狀或者粒狀飼料粘結起來，它的水不溶性防止球潰散，它的粘彈性提供柔軟而粘著的質(zhì)地組織，使其擁有一定的界面張力，懸浮于水中，利于吞食。利用谷朊粉生產(chǎn)的小麥面筋蛋白顆粒飼料，具有生產(chǎn)成本低，操作簡便等優(yōu)點［38］。

4 前景與展望

小麥面筋蛋白是一種營養(yǎng)豐富、物美價廉的植物性蛋白源。小麥面筋蛋白的獨特性質(zhì)越來越被科學家所認識，近幾年，國際上對小麥面筋蛋白的生產(chǎn)和需求量也一直呈上升趨勢。

我國是一個占世界人口五分之一的農(nóng)業(yè)大國，小麥是我國最主要的糧食作物之一，主要應用于食品領域。而面筋蛋白的研究還處于初級階段，具有較高附加值的工業(yè)利用不多。深入研究小麥面筋蛋白的分離、加工、利用，提高其附加值，對于增加小麥產(chǎn)品的價值具有十分重要的意義。隨著科技的發(fā)展，我們應借用更多的技術對小麥面筋蛋白的結構和性質(zhì)進行研究，開發(fā)其更加廣泛的應用，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

［1］劉亞偉.小麥精深加工分離重組轉化技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005，11－12.

［2］賈俊強，馬海樂.脫脂小麥胚芽蛋白分類及其氨基酸組成分析［J］.中國糧油學報，2009，24(2):40－45.

［3］T B·Osborne.The proteins of thewheatkernel［M］.Carnegie:Inst Washington pub，1907，84:1－119.

［4］C W·Wrigley.Giant proteins with flour power［J］.Nature，1996，381:738－739.

［5］C W Wrigley，J A Bietz.Proteins and amino acids［A］.American Association of Cereal Chemistry［C］.Wheat－ Chemistry and Technology，vol1，Pomeranz，1988:159－275.

［6］W Grosch，W Hieser.Redox reactions in wheat dough as affected by ascorbic acid［J］.Cereal Sci，1999，29:1－6.

［7］E Fleurent.Surune method chimique d appreciation de la Valeur boulangere des farines ble.Compts Rendus Hebdomoadaires des Sernce de 1’Academie des Science，Paris 123.1896:755－788.

［8］P R Shewry，A S Tatham，F(xiàn) Barro.Biot echnology of breadmaking:unraveling and manipulat ing the multi－protein gluten complex［J］.Biotechnology，1995，13(11):1185－1190.

［9］鄭學玲，尚加英.小麥淀粉特性、生產(chǎn)方法及產(chǎn)品應用［J］.農(nóng)業(yè)機械，2011(5):109－111.

［10］司學芝，李建偉，王金水，等.麥醇溶蛋白和麥谷蛋白提取條件的研究［J］.鄭州工程學院學報，2004，25(3):33－35.

［11］榮建華，許金東，張東星，等.小麥醇溶蛋白提取條件的研究［J］.糧食與飼料工業(yè)，2006(3):14－15.

［12］高璇，高利艷，晏月明.小麥籽粒谷蛋白提取方法的優(yōu)化與雙向電泳分析［J］.麥類作物學報，2008，28(6):971－976.

［13］P Tosi，C S Gritsch，J BHe，et al.Distribution of gluten proteins in bread wheat(Triticum aestivum)grain［J］.Annals of Botany，2011，108(1):23－35.

［14］覃建兵，任燕萍，祝長青.小麥低分子量麥谷蛋白亞基分離條件優(yōu)化［J］.生物技術，2010，20(4):37－39.

［15］紀軍，劉冬成，王靜，等.一種小麥高、低分子量麥谷蛋白亞基的提取方法［J］.遺傳，2008，30(1):123－126.

［16］C G Rizzello，L Nionelli，R Coda.Effect of sour dough fermentation on stabilization and chemicaland nutritional characteristics of wheat germ［J］.Food Chemistry，2010，119(3):1079－1089.

［17］K X Zhu，H M Zhou，H F Qian.Proteins extracted from defatted wheat germ:nutritional and structural properties［J］.Cereal Chemistry，2006，83(1):69－75.

［18］Y Pomeranz.Chemical composition of kernel structures［J］.In:Pomeranze，Y.Wheat:Chemistryand Technology.St.Paul，M.N.:Am.Assoc.Cereal.Chem，1988:97－158.

［19］K X Zhu，H M Zhou，H F Qian.Comparative study of the chemical composition and physiochemical properties of defatted wheat germ flour and its protein isolate［J］.Journal of Food Biochemistry，2006，30(3):329－341.

［20］朱科學，周音卉，周惠明.小麥胚芽球蛋白的提取及功能性質(zhì)研究［J］.中國糧油學報，2008，23(5):20－23.

［21］刁大鵬，黃繼紅，李錦，等.小麥胚芽清蛋白提取工藝及分子量測定［J］.食品工業(yè)科技，2013，34(3):247－254.

［22］周顯清，張玉榮，周玉珍，等.小麥胚球蛋白提取工藝的研究［J］.食品工業(yè)科技，2005，26(8):128－131.

［23］刁大鵬，黃繼紅，李錦，等.小麥胚芽球蛋白提取工藝及分子量測定［J］.食品工業(yè)科技，2013，34(1):52－55.

［24］孔祥珍，周惠明.小麥面筋蛋白特性及其應用［J］.糧食與油脂，2004(11):14－15.

［25］薛華茂，朱呂玲.酶法水解谷脫粉工藝研究［J］.中國野生植物資源，2005，24(4):42－45.

［26］林敏剛.小麥面筋蛋白酶法改性及在鮮濕面條中的應用［D］.鄭州:河南工業(yè)大學，2010.

［27］賈光鋒，范麗霞，王金水.小麥面筋蛋白結構、功能性及應用［J］.糧食加工，2004(2):11－13.

［28］新疆喬爾瑪食品有限責任公司.蛋白粉絲及其生產(chǎn)方法［P］.中國，200410003071.3

［29］奚存庫，張玉華，高新華.一種用于制備大豆仿肉制品的組合物［P］.中國，03104919.2

［30］崔春，趙謀明，胡慶玲，等.一種肉味肽的制備方法及應用［P］.中國，201210433525.5

［31］一種利用小麥面筋蛋白制備熱反應肉味香精的方法［P］.中國，201210245769.0

［32］彭海萍，王蘭.小麥面筋蛋白在食品工業(yè)中的應用［J］.西部糧油科技，2002(2):32－33.

［33］常南.谷朊粉基復合型可食用蛋白膜的研究［D］.沈陽農(nóng)業(yè)大學，2010.

［34］S Hemsri，A D Asandei，K Grieco，R.S.Parnas，Biopolymer composites of wheat gluten with silica and alumina［J］.Composites:Part A，2011，42:1764－1773.

［35］Dara L Woerdemann，Wim S Veraverbeke，Richard S Parnas，et al.Designing new materials form wheat protein［J］.Biomacromolecules，2004，5:1262－1269.

［36］楊國浩.改性小麥面筋蛋白作為木材膠粘劑的粘接強度和抗水性研究［J］.中國膠黏劑，2005，14(12):11－13.

［37］王良東，杜風光，史吉平，等.高速耐水金屬箔標簽膠［J］.粘接，2006(5):26－28.

［38］溫志明，唐波.一種小麥面筋蛋白顆粒塑料的沙礫型飼料的生產(chǎn)方法［P］.中國201210120533.4.