小麥面筋蛋白研究進(jìn)展

王岸娜，陳叢叢，吳立根

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001)

小麥面筋蛋白，俗稱谷朊粉，是從小麥中提取的天然蛋白質(zhì)，主要包括麥谷蛋白和麥醇溶蛋白，約占小麥蛋白質(zhì)含量的75%～85%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界面筋蛋白年產(chǎn)量約60 萬t，目前我國的年產(chǎn)量約10萬t，主要作為小麥粉改良劑、營養(yǎng)添加劑等，用于小麥粉、飼料、食品等領(lǐng)域。隨著小麥淀粉市場需求量的增加，小麥面筋蛋白產(chǎn)量也不斷增長[1]。

在食品領(lǐng)域，由于小麥面筋蛋白吸水后能形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的濕面筋，具有優(yōu)良的粘彈性、延伸性以及薄膜成型性等特性，可滿足多種功能的需要，因此，常用于各類食品的生產(chǎn)[2]。但由于小麥面筋蛋白自身獨(dú)特的氨基酸組成，含有較多的疏水性氨基酸和不帶電荷的氨基酸，溶解度較低，不能滿足食品加工的要求，在實(shí)際生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用受到限制。因此，研究開發(fā)小麥面筋蛋白新的應(yīng)用領(lǐng)域，提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯得尤為重要。

1 小麥面筋蛋白的影響因素

小麥面筋蛋白富含谷蛋白和麥醇溶蛋白，主要用作小麥粉改良劑。Barak等[3]研究表明，面筋蛋白是決定不同品種小麥制作面條品質(zhì)好壞的重要因素。小麥蛋白的質(zhì)量和數(shù)量對生產(chǎn)高質(zhì)量的面條起到?jīng)Q定性作用，面條的硬度和表面光滑度與小麥粉中蛋白質(zhì)的含量呈正相關(guān)，面條的硬度和彈性與小麥粉中面筋特性有很大關(guān)系[4-6]。Kaur等[7]證實(shí)了硬粒小麥粉中的麥醇溶蛋白和麥谷蛋白的理化性質(zhì)對面條的結(jié)構(gòu)特性有顯著影響。

1.1 食用膠

汪星星等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在面制品中添加食用膠可以穩(wěn)定體系的乳化和起泡等特性，提高其流變學(xué)性能和質(zhì)構(gòu)性能。趙雷等[9]等研究了不同濃度的κ-卡拉膠對面筋蛋白結(jié)構(gòu)和功能特性的影響，結(jié)果表明，κ-卡拉膠加入到面筋蛋白中后，蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了α螺旋向β轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)化，改變了面筋蛋白的功能特性，持水性從103%(原面筋蛋白)上升至107%(添加0.3%卡拉膠)，儲能模量(G′)和損耗模量(G″)也明顯增大了。李冰等[10]研究發(fā)現(xiàn)黃原膠的添加能明顯增加面筋蛋白的持水性，當(dāng)黃原膠的添加量為面筋蛋白質(zhì)量的0.075%時(shí)，面筋蛋白的溶解度由3.30 mg/mL上升到4.08 mg/mL，增大了面筋蛋白的溶解度，減少了面筋蛋白大分子之間的聚集。Xuan等[11]研究了冷凍保存過程中不同水平(0.5%，1%和2%)的羥丙基甲基纖維素(HPMC)添加量對小麥谷蛋白流變學(xué)、熱學(xué)以及物理化學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在相同的冷凍儲存時(shí)間內(nèi)，可冷凍水的含量隨HPMC添加水平的增加而逐漸降低，HPMC可延緩水狀態(tài)從不可凍結(jié)到可凍結(jié)的轉(zhuǎn)變；隨著冷凍儲存時(shí)間的增加，2% HPMC添加水平可通過抑制重結(jié)晶，穩(wěn)定谷蛋白的網(wǎng)絡(luò)，從而使其具有更均勻的微觀結(jié)構(gòu)。

1.2 抗氧化劑

食品添加劑在一定程度上可改善和提高食品色、香、味以及口感等感官品質(zhì)，改進(jìn)食品的加工條件，提高食品的營養(yǎng)價(jià)值，延長保質(zhì)期，維護(hù)食品安全[12]。天然抗氧化劑可作為食品添加劑，防止食品腐敗變質(zhì)，提高其保藏性能[13]。多酚類物質(zhì)是常用的抗氧化劑之一，研究表明，外源的或固有的植物源多酚的存在會(huì)對小麥面團(tuán)加工性能產(chǎn)生影響，且影響程度因多酚含量和來源而不同[14-15]。胡思等[16]通過研究添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)茶多酚的面筋蛋白分散液，結(jié)果表明了茶多酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%、3%時(shí)，面筋蛋白分別具有較好的泡沫穩(wěn)定性和溶解度；面筋蛋白的乳化性和乳化穩(wěn)定性都隨茶多酚添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在添加量為2%時(shí)，其乳化穩(wěn)定性最好。Wang等[17]研究了單寧對谷蛋白物理化學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，含有單寧的面團(tuán)中β-轉(zhuǎn)角和α-螺旋構(gòu)象增加，而β-折疊構(gòu)象在FTIR檢測時(shí)降低。此外，單寧的添加還可促進(jìn)面筋蛋白的聚集，改善面筋網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3 乳化劑

乳化劑可作為面團(tuán)改良劑和面包抗老化劑。硬脂酰乳酸鈉和單甘酯是常見的用于面包制作的乳化劑。由于它們親水/親脂平衡性能高，在混合過程中可通過與谷蛋白相互作用，引起谷蛋白聚集并增加面團(tuán)強(qiáng)度，其中分子的親脂性尾部將結(jié)合到谷蛋白的疏水位點(diǎn)。AV Gomez等[18]通過拉曼光譜分析了乳化劑引起谷蛋白二級結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明，硬脂酰乳酸鈉在0.5%且主要在0.25%水平產(chǎn)生蛋白質(zhì)折疊，其中α-螺旋構(gòu)象增加，β-折疊和無規(guī)卷曲減少；對于0.5%的谷蛋白—單甘油酯二乙酰酒石酸酯體系，可觀察到相同的行為，但程度較低。M Niu等[19]利用酶和乳化劑改進(jìn)全麥面條的微結(jié)構(gòu)和感官性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)全麥面團(tuán)的穩(wěn)定性通過轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(TG)和硬脂酰乳酸鈉(SSL)形成更緊密的面筋網(wǎng)絡(luò)，從而使面筋強(qiáng)度得到增強(qiáng)；掃描電子顯微鏡微結(jié)構(gòu)圖證實(shí)了TG和SSL促進(jìn)了面筋網(wǎng)絡(luò)的連通性和全麥面條淀粉顆粒的覆蓋；TG和SSL是增強(qiáng)全麥面團(tuán)面筋強(qiáng)度和提高全麥面條質(zhì)量的有效成分。

1.4 凍藏

面制品在凍藏過程中，冰晶會(huì)發(fā)生遷移和重結(jié)晶，導(dǎo)致面筋蛋白變性，從而使產(chǎn)品出現(xiàn)表皮脆化，彈性喪失，風(fēng)味減退等問題[20-21]。通常，由冷凍面團(tuán)制成的面包比未冷凍或新鮮面團(tuán)制成的面包具有更低的質(zhì)量[22]。在凍融凍藏過程中，面筋蛋白分子量會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的解聚現(xiàn)象，而面筋蛋白在凍藏過程中發(fā)生的解聚是由麥谷大分子蛋白的解離引起的[23-24]。劉國琴等[25]采用了圓二色譜法表征了凍藏對面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響，說明在恒溫凍藏模式下，凍藏時(shí)間達(dá)到或超過90天，才對面筋蛋白的二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而在凍融模式下，凍藏60天便可產(chǎn)生影響。趙雷等[26]研究了恒溫凍藏對面筋蛋白結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，凍藏后面筋蛋白發(fā)生了解聚現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)變得明顯疏松，且麥谷蛋白的裂解溫度隨著凍藏時(shí)間的增加呈下降趨勢，熱穩(wěn)定性下降。

2 改性技術(shù)

我國是小麥生產(chǎn)大國，面筋蛋白作為小麥淀粉生產(chǎn)的副產(chǎn)物，來源廣泛，價(jià)格低廉，營養(yǎng)豐富。面筋蛋白是一種傳統(tǒng)的食品添加劑和品質(zhì)改良劑，但由于其含有較多的疏水性氨基酸，分子內(nèi)疏水性區(qū)域較大，導(dǎo)致溶解性較低，限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此，通過物理、化學(xué)或酶法改性提高面筋蛋白的溶解度，改善其功能性質(zhì)，以拓寬其應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品的附加值，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 物理改性

物理改性是通過改變蛋白質(zhì)的聚集體形態(tài)、蛋白質(zhì)構(gòu)象和多肽鏈松散度以改善其功能性質(zhì)。該方法無毒副作用，對食品的營養(yǎng)價(jià)值影響較小，但效果不顯著。目前用于小麥面筋蛋白物理改性的方法主要有機(jī)械攪拌、熱處理、高壓處理、超聲處理、擠壓處理以及微波處理等。

超聲技術(shù)是基于使用頻率高于20 kHz的機(jī)械波，當(dāng)液體經(jīng)受高強(qiáng)度超聲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生聲空化的物理現(xiàn)象[27]。在蛋白質(zhì)上應(yīng)用時(shí)，超聲會(huì)對蛋白質(zhì)的水合、分子大小、疏水性和構(gòu)象產(chǎn)生影響[28-29]。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過超聲處理，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響其功能性質(zhì)，如溶解度、粘度、乳化性和凝膠性等[30-31]。黃達(dá)偉等[32]研究了超聲對小麥面筋蛋白功能性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，在相同的超聲處理?xiàng)l件下，當(dāng)超聲時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，小麥面筋蛋白的氮溶解指數(shù)、持水性以及持油性達(dá)到最大值，起泡性和乳化性也得到較大程度提高。食品擠壓重組技術(shù)是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的食品加工新技術(shù)，對植物蛋白進(jìn)行加工時(shí)，可顯著改善蛋白質(zhì)的質(zhì)地、口感和營養(yǎng)價(jià)值，有利于人體消化吸收，提高植物蛋白的利用率[33]。在擠壓過程中，有大量的二硫鍵生成，擠壓組織化使小麥面筋蛋白的亞基以二硫鍵和酰胺鍵的形式發(fā)生聚合，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響面團(tuán)的混合、成膜以及面包的制備性質(zhì)等[34]。VL Pietsch等[35]研究了工藝條件對小麥谷蛋白在高水分?jǐn)D壓加工過程中聚合行為變化的影響，發(fā)現(xiàn)了小麥谷蛋白聚合反應(yīng)主要發(fā)生在擠出機(jī)的螺桿區(qū)域，在所研究的范圍內(nèi)，擠出機(jī)壓力和特定機(jī)械能量輸入對聚合反應(yīng)沒有顯著影響，擠出機(jī)溫度在90～160 ℃時(shí)可引起聚合行為的顯著變化。M Martínez等[36]用擠壓小麥粉代替5%的小麥粉對面團(tuán)進(jìn)行混合，降低了面團(tuán)的延展性，但增加了其韌性和產(chǎn)氣能力。經(jīng)微波處理后，傅里葉紅外光譜(FTIR)測得的小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)變得松散，原來聚合結(jié)構(gòu)變得伸展[37]。劉國琴等[38]研究了動(dòng)態(tài)高壓微射流對小麥面筋蛋白功能性質(zhì)的影響，結(jié)果說明，微射流處理可以增加小麥面筋蛋白的溶解度，而壓力對其溶解度的影響與蛋白質(zhì)的濃度有關(guān)，最佳濃度為4%；在濃度不變，壓力繼續(xù)增大時(shí)，起泡性減小，泡沫穩(wěn)定性、乳化性和乳化穩(wěn)定性均增大。

2.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是通過改變蛋白質(zhì)分子側(cè)鏈基團(tuán)或主鏈結(jié)構(gòu)而改變其功能性質(zhì)。該方法雖然可改善面筋蛋白的一些功能特性，但容易造成化學(xué)試劑殘留，產(chǎn)生毒害作用?；瘜W(xué)改性的方法主要有糖基化、磷酸化、脫酰胺、?；约暗鞍踪|(zhì)交聯(lián)作用等。研究表明糖基化改性能提高面筋蛋白的溶解性和乳化性，增加其表面疏水性，且葡聚糖與面筋蛋白反應(yīng)產(chǎn)物的乳化活性和穩(wěn)定性高于葡萄糖和乳糖[39]。張利兵等[40]采用多聚磷酸鈉對小麥醇溶蛋白進(jìn)行磷酸化改性，在聚磷酸鈉與小麥醇溶蛋白之比為1∶2，反應(yīng)時(shí)間1 h，反應(yīng)溫度25 ℃，pH 9.5時(shí)，蛋白的粘度、溶解性、乳化性、起泡性等功能性質(zhì)都有明顯提高。廖蘭等[41]研究了在濕熱條件下，可食性有機(jī)酸(琥珀酸)具有脫酰胺作用，降解小麥面筋蛋白，結(jié)果顯示在6～10 min，小麥面筋蛋白三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變化，表明了濕熱條件下琥珀酸對小麥面筋蛋白脫酰胺作用具有較高的特異性。

2.3 酶法改性

酶法改性由于其專一性強(qiáng)，條件溫和，反應(yīng)速率快，可使肽鍵斷裂而保持氨基酸的結(jié)構(gòu)和構(gòu)型不變，因而被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中。酶法改性可保持食品的營養(yǎng)成分，不會(huì)對人體健康造成潛在危害。主要有水解、去酰胺、交聯(lián)改性等酶改性方法。

近些年來，采用酶解法對小麥面筋蛋白進(jìn)行改性，主要集中于以下3方面的研究：一是基于小麥面筋蛋白理化性質(zhì)與功能性質(zhì)的關(guān)系，通過酶法增大小麥面筋蛋白的溶解性以改善其功能性質(zhì)；二是酶解小麥面筋蛋白制備生物活性多肽；三是將小麥面筋蛋白不同組分酶解得到的肽段進(jìn)行分析，以獲得蛋白質(zhì)的基因結(jié)構(gòu)信息。孟丹陽等[42]在研究酶解小麥面筋蛋白中發(fā)現(xiàn)，在酶底比相同的情況下，堿性蛋白酶具有更高的水解度；隨著水解度的增大，氮溶解指數(shù)、起泡能力指數(shù)、泡沫穩(wěn)定指數(shù)、乳化活力指數(shù)、乳化穩(wěn)定指數(shù)都是先升高后降低，且峰值均在水解度8.8%～10.5%范圍內(nèi)。Li等[43]發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶—木瓜蛋白酶連續(xù)處理小麥粉比單一酶處理可更有效地降低麥醇溶蛋白含量，在連續(xù)酶處理的最佳條件下，麥醇溶蛋白幾乎被完全去除，導(dǎo)致小麥粉提取物顯示出最低的lgE結(jié)合。A Amiri等[44]研究了葡萄糖氧化酶(GOX)和木聚糖酶(XYL)對谷蛋白—淀粉分離和谷蛋白物理化學(xué)性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，80 mg/kgGOX的添加水平提高了谷蛋白產(chǎn)量，改善了面筋質(zhì)量，降低了谷蛋白的可延伸性和游離巰基量，使其具有較高的面筋網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度；XYL可提高谷蛋白產(chǎn)量，通過水解木聚糖和降低粘度，增加了聚集的趨勢，增加酶劑量可增加面筋的延伸性。王凱強(qiáng)等[45]對小麥面筋蛋白經(jīng)胰蛋白酶限制性酶解和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶(TG酶)交聯(lián)后流變特性和熱特性變化進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)限制性酶解和TG酶交聯(lián)可提高小麥面筋蛋白的彈性模量(G＇)和熱變性溫度(Tg)；適當(dāng)?shù)南拗菩悦附庥欣赥G酶催化小麥面筋蛋白形成致密的小麥面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。孫婕等[46]以小麥面筋蛋白粉為原料，采用復(fù)合酶法制備小麥面筋蛋白多肽，結(jié)果表明在反應(yīng)時(shí)間2 h、反應(yīng)溫度50 ℃、酶比例2∶1，反應(yīng)pH 8.5的條件下，小麥面筋蛋白的水解度最高，達(dá)到29.9%；通過DPPH清除率和Fe3+還原力測定，可初步判定采用復(fù)合酶法得到的小麥面筋蛋白多肽具有抗氧化活性。

2.4 復(fù)合改性

隨著食品工業(yè)的迅猛發(fā)展，2種或2種以上復(fù)合的改性技術(shù)能更有效地改善小麥面筋蛋白的功能特性，高效制備目標(biāo)產(chǎn)物，拓寬應(yīng)用范圍。趙謀明等[47]采用脫酰胺處理和雙酶協(xié)同作用方式對小麥面筋蛋白進(jìn)行酶解，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)熱處理對酶解效率無顯著影響，添加檸檬酸溶液后可顯著提高酶解效率，在一定水解作用時(shí)間內(nèi)添加谷氨酰胺酶和胰酶，可使水解度達(dá)9.88%，酶解產(chǎn)物自由基清除能力ABTS+值和氧化自由基吸收能力值分別達(dá)478.95 mmol/g和213.85 μmol/g。李娟等[48]采用殼聚糖—醋酸對小麥面筋蛋白進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)其溶解度由0.35 g/L提高到了7.69 g/L，二級結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化。邵平等[49]對小麥面筋蛋白進(jìn)行琥珀?；偷鞍酌笍?fù)合改性，發(fā)現(xiàn)復(fù)合改性的面筋蛋白溶解度隨水解度的增大而增大，比單一改性的產(chǎn)物都高，起泡性和起泡穩(wěn)定性先增大后降低，且添加復(fù)合改性面筋蛋白的面團(tuán)粘彈性和延伸性都得到提高，面包蜂窩均勻、細(xì)膩，口感較好。周非白等[50]對琥珀酸脫酰胺改性后的小麥面筋蛋白進(jìn)行超聲處理研究，優(yōu)化最佳條件后發(fā)現(xiàn)小麥面筋蛋白的氮溶解指數(shù)達(dá)到77.28%，起泡性提高約11%，泡沫穩(wěn)定性提高20%，其乳化性以及穩(wěn)定性都有明顯提高。臧艷妮等[51]采用超聲對小麥面筋蛋白進(jìn)行糖基化改性，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)某曁幚碛欣谛←溍娼畹鞍椎奶腔男裕谔幚?0 min時(shí)，乳化活性及乳化穩(wěn)定性分別達(dá)到56.82 m2/g和36.27 min。

2.5 基因工程改性

基因工程改性是通過重組蛋白質(zhì)的基因，改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而改善其功能性質(zhì)。小麥的烘烤品質(zhì)主要取決于小麥粉中的面筋蛋白，其中高分子量谷蛋白亞基決定著面團(tuán)的彈性和延展性，通過定點(diǎn)改變相應(yīng)位點(diǎn)基因，可改善面筋蛋白的功能性質(zhì)，從而提高小麥的烘烤品質(zhì)[52]。但由于該技術(shù)周期較長，見效較慢，目前仍不能廣泛應(yīng)用，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

3 展望

近些年來，國際上對小麥面筋蛋白的需求量一直呈上升趨勢。我國作為一個(gè)小麥生產(chǎn)大國，有很大的市場潛力。但目前我們對小麥面筋蛋白的一些改性機(jī)理研究還不夠深入，尤其是改性后所產(chǎn)生的營養(yǎng)學(xué)和毒理學(xué)問題研究更少，因此，尋求小麥面筋蛋白科學(xué)合理的改性方法以減少其改性后產(chǎn)生的營養(yǎng)學(xué)和毒理學(xué)問題將是今后的研究重點(diǎn)。此外，我們?nèi)孕杓訌?qiáng)小麥面筋蛋白在可降解熱塑料性材料、污水處理固化劑等非食品領(lǐng)域的研究，拓寬其應(yīng)用范圍，提高產(chǎn)品附加值，以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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