大米蛋白與蒸煮品質(zhì)相關(guān)性研究進(jìn)展

石彥國， 賀殷媛， 陳鳳蓮， 管哲賢， 孫貴堯， 鄭夢彤， 張紅玉

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院/黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點實驗室/黑龍江省谷物食品與資源綜合加工重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150076)

我國稻谷資源豐富，其以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價值高等優(yōu)勢，在國民糧食安全保障中占據(jù)重要的地位。以稻谷磨制的大米在人類能量與蛋白質(zhì)供給中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來關(guān)于大米中淀粉含量及支鏈淀粉直鏈淀粉構(gòu)成與大米蒸煮品質(zhì)的相關(guān)性方面已有一些研究及成果報道，如Reddy等[1]研究發(fā)現(xiàn)大米中支鏈淀粉中的長B鏈和其外鏈的比例隨著不溶性直鏈淀粉含量的增加而升高，支鏈中長B鏈可能與其他支鏈互相纏結(jié)互相作用，形成更為致密的結(jié)晶區(qū)，進(jìn)而限制蒸煮時水分遷移和膨脹，米飯的質(zhì)構(gòu)發(fā)生變化，變硬。近期，我國學(xué)者Li等[2]研究表明，大米中直鏈淀粉分子量較小、直鏈淀粉長鏈比例較高的水稻品種，經(jīng)蒸煮后質(zhì)地越硬，與直鏈淀粉含量無關(guān)。研究表明，大米蛋白氨基酸配比合理，具有高營養(yǎng)價值和低過敏性，是谷物蛋白中營養(yǎng)價值較高的一種，同時不同的大米蛋白含量，蛋白組成也會對其蒸煮品質(zhì)產(chǎn)生不同的影響，包括大米的黏度分析曲線(rapid viscosity analyzer，RVA)特性及米飯的光滑性、黏性、硬度等。本文就大米蛋白組成、結(jié)構(gòu)及其與蒸煮食味品質(zhì)的相關(guān)性研究進(jìn)展及成果進(jìn)行了歸納分析，對測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行比對分析，希望對大米蛋白的研究提供參考。

1 大米蛋白的組成

大米蛋白是公認(rèn)優(yōu)質(zhì)的植物蛋白之一，其氨基酸組成平衡合理，生物價(biological value，BV)、蛋白價(protein value，PV)與其他谷物蛋白質(zhì)相比較高。Osborne將大米蛋白依據(jù)溶解性分類為：清蛋白(水溶)、球蛋白(鹽溶)、谷蛋白(酸、堿溶)和醇溶蛋白(醇溶)[3]。

大米中蛋白質(zhì)含量受品種、產(chǎn)地、生長條件等因素影響而不同。稻米中蛋白質(zhì)分布不均勻，一般從米粒的外層到米芯蛋白質(zhì)含量呈逐漸降低的趨勢，因此加工精度不同，大米的蛋白質(zhì)含量也會不同。Cagampang等[4]通過3個品種稻谷磨制的精米、米粉、米糠進(jìn)行了研究，證實了蛋白質(zhì)含量從大米胚乳內(nèi)部逐漸向糊粉層升高。許多研究也通過不同品種稻米原料和磨制方法驗證了Cagampang的結(jié)論，并證實大米中4種蛋白質(zhì)組分也均是向胚乳內(nèi)部逐漸減少，但不同品種的稻米向內(nèi)逐步減少的趨勢有一定的差別[5-8]。Ohdaira等[8]發(fā)現(xiàn)，大米腹部的蛋白質(zhì)含量比背部的高。樸鐘澤等[9]發(fā)現(xiàn)，在糙米各部位中胚內(nèi)蛋白質(zhì)含量最高。Han等[10]研究表明，米糠蛋白的營養(yǎng)質(zhì)量高于水稻胚乳蛋白。

在稻米胚乳中蛋白質(zhì)聚集成兩種顆粒狀的蛋白體形態(tài)存在，即Ⅰ型(protein bodies-Ⅰ, PB-Ⅰ)蛋白體和Ⅱ型(protein bodies-Ⅱ，PB-Ⅱ)蛋白體，如圖1。PB-Ⅰ呈球形，具有片層狀結(jié)構(gòu)，蛋白體的直徑約為0.5～2 μm，主要組分為醇溶蛋白；PB-Ⅱ呈不規(guī)則形狀，具有晶體結(jié)構(gòu)，直徑約4 μm，主要組分為谷蛋白和球蛋白[11]。

圖1 PB-Ⅰ和PB-Ⅱ微觀結(jié)構(gòu)Fig.1 Microstructure of PB-Ⅰ and PB-Ⅱ

1.1 谷蛋白

谷蛋白不溶于水，但易溶于稀堿或稀酸中，其分子量比較高，且不均一。谷蛋白是由多肽鏈彼此通過二硫鍵鏈接而成的大分子蛋白質(zhì)，其分子量在19～90 kDa，更高可達(dá)上百萬。谷蛋白的3個亞基的分子量分別為38、25、16 kDa，構(gòu)成比例為1∶1∶1。也有研究認(rèn)為2個較大的多肽鏈組成了谷蛋白，而分子量較小的多肽(16 kDa)則是醇溶蛋白的構(gòu)成肽。谷蛋白中，廣泛存在于分子間和分子內(nèi)的二硫鍵及分子內(nèi)的巰基，對大米蛋白的工藝特性具有極重要的影響。據(jù)報道，谷蛋白首先作為多肽合成，分子量在51～57 kDa；谷蛋白前體被酶解以產(chǎn)生蛋白質(zhì)的α和β亞基。隨后谷蛋白亞基通過二硫鍵聚合，形成大分子復(fù)合物，所以天然米谷蛋白缺乏功能特性的原因可能是形成了高分子量不易溶于水的結(jié)構(gòu)[12]，這也限制了谷蛋白的應(yīng)用。

1.2 球蛋白

球蛋白，易溶于鹽溶液，分子量16～130 kDa，是由單肽鏈構(gòu)成的蛋白質(zhì)。球蛋白中堿性氨基酸含量最高，達(dá)到15%以上，谷氨酸和精氨酸是其主要的氨基酸，含硫氨基酸含量也較高，并且因為其帶電荷球蛋白易被鹽溶液溶解[12]。

1.3 清蛋白

清蛋白，分子量很小，只有10～200 kDa，清蛋白分子內(nèi)存在大量的可電離基團(tuán)且缺少二硫鍵交聯(lián)作用，因此易溶于水。當(dāng)清蛋白被水提取時，球蛋白容易被污染[13]。Hamada[14]通過高效液相凝膠色譜法(size exclusion-high performance liquid chromatography，SE-HPLC)測定米糠清蛋白多肽的分子量為10～100 kDa。

1.4 醇溶蛋白

醇溶蛋白，相對分子量比較小，它的亞基分子量大多為10、13、15、16 kDa。醇溶蛋白含有大量的疏水性氨基酸殘基，并形成集聚區(qū)域，因此即使其N末端和C末端有親水性基團(tuán)，仍會表現(xiàn)出非常強(qiáng)的疏水性，而不溶于水，但會溶解到體積百分比為70%的乙醇中[11]。

大米蛋白質(zhì)中的4種蛋白有一定相關(guān)性，但其含量、聚集形態(tài)等均有一定的差異性，見表1。

2 大米蛋白含量與蒸煮品質(zhì)的關(guān)系

大米蛋白不僅是大米的重要營養(yǎng)成分，而且影響著大米的蒸煮和食味品質(zhì)。大米的適口性(硬度、黏性等)是衡量大米食用品質(zhì)的主要指標(biāo)之一，客觀反映了大米的質(zhì)地和組織結(jié)構(gòu)[16]。諸多研究表明，不同品種大米的蛋白質(zhì)及其組分含量有一定的差異，這種差異性對稻米的食味和營養(yǎng)品質(zhì)起著重要的作用[17-18]。國內(nèi)外的部分學(xué)者通過添加二硫蘇糖醇(dithiothreitol, DDT)以此打開蛋白質(zhì)肽鏈之間的二硫鍵，來研究大米中蛋白質(zhì)對蒸煮食味品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)米粉的RVA曲線中峰值黏度降低[19]，其蒸煮后的米飯大都變軟變黏[20]，從而推斷由二硫鍵連接形成的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或蛋白質(zhì)水合作用是影響米飯質(zhì)構(gòu)的因素之一，且蛋白質(zhì)之間除了二硫鍵還有非共價鍵的作用[21]。因此可以得出蛋白質(zhì)對大米的蒸煮品質(zhì)有一定的影響作用，但目前其影響機(jī)制認(rèn)識尚不一致，還需進(jìn)一步研究。

表1 大米蛋白各組分的性質(zhì)Tab.1 Properties of rice protein components

2.1 負(fù)相關(guān)性關(guān)系

研究學(xué)者通過控制碾米度和施氮量從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)含量來研究其與蒸煮品質(zhì)的關(guān)系。Park等[22]通過分析同一品種的粳米表明，隨著碾米程度的加強(qiáng)，米飯的內(nèi)聚性和黏著性升高，硬度和咀嚼性降低；可能由于碾磨使蛋白質(zhì)含量減少，削弱了蛋白質(zhì)與直鏈淀粉的相互作用，促進(jìn)了淀粉分子內(nèi)部氫鍵和凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成[23]。Wakamatsu等[24]、Champagne等[25]和Singh等[26]通過增加施氮量來提高稻米蛋白質(zhì)含量，研究結(jié)果表明隨著蛋白質(zhì)含量的增加，蒸煮米飯的硬度逐漸增加，而黏性則減小；蛋白質(zhì)含量過低或過高會降低食味值，蛋白質(zhì)含量在6.0%～7.0%之間被認(rèn)為是最理想的。并且蛋白質(zhì)含量增加及直鏈淀粉含量降低可能是由于施氮所造成的，因此導(dǎo)致了大米理化性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)等特性的改變[26]。Chávez等[27]和王鵬躍等[28]通過研究不同品種的稻米性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)含量影響米飯物理特性，與硬度呈正相關(guān)，蛋白質(zhì)含量的改變可能導(dǎo)致大米的物理化學(xué)特征以及組織特征的變化。并且在丁得亮等[29]研究結(jié)論中發(fā)現(xiàn)，稻米中蛋白質(zhì)的含量和食味值呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。綜上所述，大米蛋白的含量高，相對來說淀粉含量就偏低，吸水速度慢且吸水量小，不能充分糊化，從而導(dǎo)致大米的黏度低、硬度大，影響大米的蒸煮品質(zhì)。

2.2 非相關(guān)性關(guān)系

有一些研究者發(fā)現(xiàn)，稻米蛋白的含量和蒸煮品質(zhì)之間的關(guān)系不可以用單一正負(fù)相關(guān)進(jìn)行表述。也有學(xué)者認(rèn)為，蒸煮品質(zhì)的差異不僅因水稻品種的不同而異，也與測定稻米品質(zhì)的方法和儀器有一定關(guān)系[30]。國內(nèi)外的研究表明[31-32]稻米中蛋白質(zhì)含量與食味值、淀粉糊化特性無必然聯(lián)系，但是品種間略有差別，這主要是由遺傳因素決定的。錢春榮等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，在一定蛋白質(zhì)含量的范圍內(nèi)，降低含量是可以提高稻米的蒸煮品質(zhì)，但蛋白質(zhì)含量出現(xiàn)過低或過高的情況，都會降低其食味品質(zhì)，從而表明蛋白質(zhì)含量和蒸煮品質(zhì)之間不僅僅是簡單的線性關(guān)系，只有蛋白質(zhì)與直鏈淀粉的相互平衡，才會形成優(yōu)良品質(zhì)。Sun等[34]認(rèn)為，大米中蛋白質(zhì)含量高不一定會降低其蒸煮品質(zhì)，高蛋白大米在蒸煮過程中需要更多的水來充分膨脹米粒，而蛋白質(zhì)含量高的大米在溫度變化時，其硬度和黏稠度比蛋白質(zhì)含量低的大米更穩(wěn)定。因此，稻米蛋白質(zhì)含量和蒸煮食味品質(zhì)之間存在的關(guān)系并沒有明確的結(jié)論，也需要進(jìn)一步研究。

3 大米蛋白組分對蒸煮品質(zhì)的影響

大米蛋白的含量差異并不能全面解釋大米在蒸煮過程中產(chǎn)生的差異，大米蛋白組分有不同溶解度特性及結(jié)構(gòu)，這也可能是出現(xiàn)蒸煮品質(zhì)差異的原因。到目前為止，對大米蛋白質(zhì)含量與蒸煮品質(zhì)關(guān)系的研究較多[35-36]，但蛋白組成、結(jié)構(gòu)對其影響的深入研究較少。Singh等[26]認(rèn)為秈米糊化特性不同的原因之一是蛋白質(zhì)組分和含量的差異。Baxter等[37-38]通過把分離提取的各蛋白組分加入大米淀粉中和從米粉中去除各蛋白組分的研究比較，發(fā)現(xiàn)不同組分對米粉和大米淀粉RVA黏滯性及質(zhì)構(gòu)特性的影響不盡一致，并認(rèn)為通過改變蛋白組分比例也許能控制大米淀粉和米粉的糊化及質(zhì)構(gòu)特性，以期獲得理想的感官品質(zhì)。

3.1 谷蛋白的影響

谷蛋白是大米蛋白的主要組成，對大米的蒸煮品質(zhì)有重要影響。徐國慶等[15]通過研究45種水稻蛋白組分表明，谷蛋白的含量與碾米、外觀和蒸煮品質(zhì)密切相關(guān)，而清蛋白和球蛋白的含量對稻米品質(zhì)影響不大。吳洪愷等[39]分析前人的研究結(jié)果認(rèn)為：稻米食味品質(zhì)受到谷蛋白含量的影響比醇溶蛋白和總蛋白質(zhì)含量更大，并且總蛋白質(zhì)含量對蒸煮食味品質(zhì)的影響因蛋白組成含量的改變而改變，這可能就是以前的學(xué)者僅分析總蛋白質(zhì)含量和食味品質(zhì)關(guān)系所得結(jié)論不一致的原因之一。盧薇等[40]人研究表明，大米谷蛋白的添加(0～20%)會逐漸降低大米淀粉的持水能力，延遲其水化過程，淀粉的RVA曲線、糊化焓值、峰值黏度、崩解值和回生值隨谷蛋白添加量的增加而逐漸降低，從而影響蒸煮食味品質(zhì)。Baxter等[37]通過添加谷蛋白到大米淀粉中表明，谷蛋白的添加使RVA的糊化溫度升高，但黏度參數(shù)降低，谷蛋白的添加量與淀粉凝膠的硬度與黏附性也呈正相關(guān)；淀粉中添加谷蛋白會減慢吸水速率，谷蛋白的存在似乎限制水分子在糊化過程中進(jìn)入淀粉顆粒的作用，這是由于谷蛋白和水可以多種方式形成氫鍵。

3.2 其他蛋白組分的影響

易翠平[41]認(rèn)為秈米的糊化特性，除蛋白質(zhì)含量外，醇溶蛋白、淀粉結(jié)合粒蛋白等組分以及蛋白質(zhì)間的二硫鍵可能是影響其糊化特性的重要因素。王繼馨等[42]研究表明，PB-I蛋白體的醇溶蛋白亞基含量越低，PB-II蛋白質(zhì)體谷蛋白亞基含量越高，食味品質(zhì)越好。Furukawa等[43]的研究表明，分別加入外源的醇溶蛋白和谷蛋白都會導(dǎo)致米飯硬度增加，黏性下降，整體食味下降，而同時添加以上兩種蛋白則會使米飯的硬度接近對照，黏性增加。Baxter等[44]的研究結(jié)果表明，在淀粉中添加外源醇溶蛋白使RVA崩解值增加，降低了淀粉膠的硬度、黏度和膠黏性；這表明醇溶蛋白的添加減弱了樣品的三維網(wǎng)絡(luò)。Baxter等[38]又研究了清蛋白、球蛋白對米粉的糊化和質(zhì)構(gòu)特性，去除清蛋白的米粉會使RVA曲線的所有參數(shù)都下降，同時清蛋白與凝膠硬度呈負(fù)相關(guān)，與黏度呈正相關(guān)；表明水溶性清蛋白通過氫鍵與溶解的直鏈淀粉和展開的支鏈淀粉側(cè)鏈在凝膠中作用，雖然含量相對較低，但是可能會顯著影響米粉的糊化和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。而球蛋白的存在使所有糊化質(zhì)構(gòu)參數(shù)降低，并且與蛋白質(zhì)添加量相關(guān)；初始吸水速率的增加，表明加入該蛋白促進(jìn)了淀粉顆粒吸水。張春紅等[45]研究發(fā)現(xiàn)清蛋白的含量對粳稻品種的口感影響較大。石呂等[46]通過試驗分析了不同蛋白組分與稻米食用品質(zhì)的關(guān)系。秈稻和粳稻中球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白呈極顯著負(fù)相關(guān)，與清蛋白組分呈顯著負(fù)相關(guān)。Wang等[47]研究表明清蛋白對米飯物性特征有負(fù)作用，而球蛋白則相反，醇溶蛋白與米飯物性特征負(fù)相關(guān)性比谷蛋白高，進(jìn)而影響感官品質(zhì)，但谷蛋白含量最高的優(yōu)勢決定了其在蛋白組分中起到主要作用。

3.3 淀粉與蛋白質(zhì)相互作用的影響

大米蛋白作為一種有機(jī)體，不能單獨存在，而與其他成分相互作用。淀粉和蛋白質(zhì)是大米的兩個主要組成部分，兩者之間的相互作用可能是影響米飯品質(zhì)的重要原因。Saleh等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在蛋白質(zhì)與淀粉互作的模式之中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及特性的變化是造成蒸煮米飯的結(jié)構(gòu)特征變化的最重要因素。國內(nèi)學(xué)者同樣通過實驗得出推論，蛋白質(zhì)對食味品質(zhì)的影響不僅僅是由于蛋白質(zhì)含量的影響，也可能歸因于對大米吸水性的改變，蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)本身或者蛋白質(zhì)和淀粉之間的相互作用等[49]。吳偉等[50]試驗結(jié)果表明，陳化導(dǎo)致大米蛋白形成二硫鍵以及疏水相互作用，通過抑制大米淀粉顆粒的糊化性質(zhì)從而降低稻米的蒸煮食用品質(zhì)。因此，蒸煮大米的過程中，存在于淀粉顆粒旁的蛋白質(zhì)會進(jìn)行水分的吸收，從而降低提供給淀粉水化的水量，形成蛋白網(wǎng)絡(luò)后，對淀粉顆粒的吸收造成一定的影響。當(dāng)其中的二硫鍵被破壞，造成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)毀壞，將會影響蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)與淀粉、淀粉粒之間的相互作用，使之減弱，這可能會造成大米的硬度降低、黏度反而增加。

4 大米蛋白結(jié)構(gòu)的測定方法

大米蛋白的功能是建立在其自身結(jié)構(gòu)和與其他成分相互作用的基礎(chǔ)上的。因此，對大米蛋白結(jié)構(gòu)及其各組成相互作用一直是大米研究的重要方向。目前主要集中在對谷蛋白的結(jié)構(gòu)研究，其中在堿溶液下以及陳化過程中大米谷蛋白結(jié)構(gòu)的變化是研究的主要部分。近年來，傅里葉紅外光譜法(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)、圓二色譜法(circular dichroism, CD)、拉曼光譜法(laser raman spectroscopy, LR)、核磁共振(nuclear magnetic resonance spectroscopy, NMR)等技術(shù)得以應(yīng)用，其快速、無損、簡便的檢測方法，常用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。表2列出已應(yīng)用于大米蛋白結(jié)構(gòu)測定方法。

表2 大米蛋白結(jié)構(gòu)測定方法Tab.2 Determination method of rice protein structure

除表2中所列方法外，還有其他蛋白質(zhì)測定方法，如X射線晶體衍射技術(shù)、生物質(zhì)譜法等。通過以上各種測定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法對比，可以看出，圓二光譜法，拉曼光譜法和核磁共振技術(shù)與其他方法相比更加實用，生物質(zhì)譜技術(shù)比較先進(jìn)，但是仍然需要進(jìn)一步改善蛋白質(zhì)成分水平的數(shù)據(jù)分析，X射線晶體衍射過程太復(fù)雜，還需要結(jié)合其他方法。因此，在今后確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)根據(jù)蛋白質(zhì)的情況選擇測定方法，并優(yōu)化組合各種方法，使之互補(bǔ)。

5 結(jié)論與展望

稻米是我國重要的糧食作物，人民對米飯的要求在兼顧營養(yǎng)的同時更注重米質(zhì)和口感。對大米蛋白結(jié)構(gòu)以及其蒸煮品質(zhì)的研究可以為稻米育種、品質(zhì)的改良、深加工以及品質(zhì)評定提供有力的理論基礎(chǔ)。通過國內(nèi)外學(xué)者的研究報道，大米蛋白和蒸煮食味品質(zhì)之間存在的關(guān)系并沒有明確的結(jié)論，還需要進(jìn)一步研究，可能與直鏈淀粉之間的相互作用有一定關(guān)系；大米蛋白組分對蒸煮食味品質(zhì)有著不同的影響，尚需進(jìn)一步研究分析；同時，研究表明大米蛋白與淀粉的相互作用也是影響蒸煮品質(zhì)的重要原因，二者之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會造成食味品質(zhì)降低。

整體看來，大米蛋白質(zhì)的研究現(xiàn)在仍然存在以下問題：大米蛋白含量及組分與蒸煮食味品質(zhì)間的關(guān)系研究不夠系統(tǒng)；淀粉與蛋白以及蛋白質(zhì)之間的互相影響和結(jié)構(gòu)檢測及其對稻米蒸煮品質(zhì)的影響有待進(jìn)一步深入研究，今后的研究可能趨向以下4個方面。

1)原料處理。大米蛋白各組分性質(zhì)不同，提取分離時應(yīng)選取合適方法，為避免污染及破壞結(jié)構(gòu)，針對各種蛋白組分找出其最佳提取方法將成為關(guān)注的熱點之一。

2)深入研究大米蛋白組分互作機(jī)理。大米蛋白質(zhì)由四種蛋白組成，其中不僅存在蛋白間的互相作用，同時也存在著蛋白組分和淀粉間的相互作用，這些作用對米飯的蒸煮品質(zhì)都有一定的影響，可以考慮分離提取各蛋白組分，通過各組分和淀粉重組模擬大米的組成或從米粉中去除一種或幾種蛋白成分，來研究其蛋白組分變化對米飯質(zhì)構(gòu)的影響以及在蒸煮過程中蛋白與淀粉的互作機(jī)理。

3)深入研究大米蛋白二級結(jié)構(gòu)，三級結(jié)構(gòu)變化對蒸煮品質(zhì)的影響。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化一直都是學(xué)者研究的重點，而結(jié)構(gòu)的變化與蒸煮食味品質(zhì)之間的關(guān)系研究尚不多見，是未來進(jìn)行深入研究應(yīng)該關(guān)注的熱點之一。

4)優(yōu)化各種檢測方法的組合。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化的復(fù)雜性，單一檢測手段很難滿足深入研究的需要，根據(jù)蛋白質(zhì)的性質(zhì)探討差異化的檢測方法，及兩種以上方法的組合、聯(lián)用，或?qū)⑹茄芯堪l(fā)展的一個趨向。