不同品種小麥面筋蛋白的功能性質

張令文，李欣欣，王雪菲，胡新月，計紅芳, ，畢繼才

（1.河南科技學院食品學院，河南新鄉(xiāng) 453003；2.信陽農(nóng)林學院食品學院，河南信陽 464399）

小麥蛋白是小麥粉的第二大組分。根據(jù)小麥蛋白在不同溶劑溶解度不同，可將小麥籽粒中的蛋白質分為溶于水和稀鹽溶液的清蛋白、不溶于水但溶于10% NaCl溶液的球蛋白、溶于70%～90%乙醇溶液的醇溶蛋白和溶于稀酸和稀堿溶液的麥谷蛋白四類[1]。其中，醇溶蛋白和麥谷蛋白被稱為貯藏蛋白或面筋蛋白，是小麥蛋白重要組成成分，具有極高的營養(yǎng)價值[2]。

面筋蛋白具有獨特的黏彈性、延伸性、吸水性、薄膜成型性和阻油能力，其含量、組成和性質能夠影響面粉及其面制品，甚至肉制品的品質。面筋蛋白的添加能夠改善面團的粉質參數(shù)指標[3]。隨著面筋蛋白含量的增加，混粉的面團粉質質量指數(shù)升高，但面團吸水率影響較小[4]。面筋蛋白質量能夠影響蒸煮面條浸泡過程中的質構穩(wěn)定性，添加面筋蛋白可以提高豬肉糜凝膠的形成能力[5-6]。不同品種小麥來源的面筋蛋白在生產(chǎn)加工時常被混合使用，這不僅有礙優(yōu)良品種的小麥被充分利用，一定程度上也造成了小麥原料的極大浪費。本文較系統(tǒng)研究了10種不同品種小麥面筋蛋白的水化性質和表面性質，并探討了面筋蛋白的巰基、二硫鍵及二級結構，研究結果有望為面筋蛋白的選擇性利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

10個品種小麥：豫保1號、鄭麥103、周麥18Ⅱ、百農(nóng)307、百農(nóng)201、百農(nóng)207、百農(nóng)418、百農(nóng)4199、師欒02-1、新麥26 均來自河南新鄉(xiāng)延津小麥產(chǎn)區(qū)（2018年產(chǎn)）；牛血清蛋白 上海金穗生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉、考馬斯亮藍 天津市光復精細化研究所；氯化鈉、硫酸鉀 天津市德恩化學試劑有限公司；氯化鉀、氫氧化鈉、磷酸氫二鉀、尿素、濃硫酸、乙醇 天津市光復科技發(fā)展有限公司；硫酸銅、磷酸二氫鉀 天津市科密歐化學試劑有限公司；以上試劑均為分析純。

TGL-15B高速離心機 上海安亭科學儀器廠；WFG7200可見分光光度計 上海尤尼柯儀器有限公司；ME-104電子天平 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；DZKW-4電子恒溫水浴鍋 北京中興偉業(yè)儀器有限公司；XHF-D高速分散器內切式勻漿機 寧波新芝生物科技股份有限公司；101-1AB電熱鼓風干燥箱 天津賽得利斯實驗分析儀器制造廠；XK96-B快速混勻器 姜堰市醫(yī)療器械有限公司；SHA-C水浴振蕩器 江蘇金壇市中大儀器廠；TM2300凱氏定氮儀 美國FOSS KJELTEC。

1.2 實驗方法

1.2.1 小麥面筋蛋白的制備 將10個品種的小麥實驗室制粉（出粉率65%左右）后參照張克等[7]的方法制備面筋蛋白。制備的濕面筋真空冷凍干燥后粉碎過80目篩，避光保存。

1.2.2 蛋白含量測定 參照GB/T 5009.5-2010凱氏定氮法測定小麥粉和面筋蛋白中的粗蛋白含量，蛋白質的換算系數(shù)取5.7。

1.2.3 持水性 參考Benelhadj等[8]的方法并部分修改。稱取蛋白樣品1 g（記作m0）置于離心管稱重（記作m1）。加入15 mL蒸餾水，快速混勻后室溫靜置0.5 h。6000 r/min轉速下離心15 min。棄去上清液后稱重（記作m2）。持水性計算公式為：

1.2.4 持油性 參考Benelhadj等[8]的方法并部分修改。稱取蛋白樣品1 g（記作m0）置于離心管稱重（記作m1）。加入15 mL大豆油，快速混勻后室溫靜置0.5 h。6000 r/min轉速下離心15 min。棄去上清液后稱重（記作m2）。持油性計算公式為：

1.2.5 起泡性及泡沫穩(wěn)定性 參考He等[9]的方法并稍作修改。取20 mL（記作V）的1.5%（w/v，g/mL）面筋蛋白樣品混懸液進行均質，并讀取此時樣品體積（V1，mL），室溫放置0.5 h，再次讀取體積（V2，mL）。起泡性和泡沫穩(wěn)定性計算公式為：

1.2.6 乳化性 參考Jain等[10]的方法。將0.5 g樣品與20 mL蒸餾水攪拌混勻，置于搖床0.5 h后4000 r/min離心15 min。取15 mL的上清液并與5 mL大豆油攪拌均勻，均質后由底部吸0.5 mL與5 mL的0.1% SDS搖勻。以0.1% SDS（w/v，g/mL）為對照，立即于500 nm測定吸光度（記作A0）。乳化性（EAI）計算公式為：

式中：N表示稀釋倍數(shù)（10）；θ表示油相體積（0.25）；L表示比色皿厚度（0.1 cm）；C表示蛋白質濃度（0.025 g/mL）。

1.2.7 表面疏水性 參考賈娜等[11]的方法。用0.02 mol/L PBS（pH7.0）緩沖液將面筋蛋白配制為濃度為8 mg/mL的蛋白溶液，取1 mL蛋白溶液中加入200 μL 1 mg/mL溴酚藍（BPB），混勻后，于4800 r/min下離心15 min，留上清液去沉淀，將上清液稀釋10倍，595 nm處測定其吸光度，以PBS緩沖溶液為對照組。表面疏水性計算公式為：

1.2.8 游離巰基和二硫鍵 參考王洪偉等[12]的方法，采用DTNB比色法測定面筋蛋白的游離巰基和總巰基含量，通過計算得出二硫鍵含量。計算公式分別為：

式中：73.53=106/（1.36×104），1.36×104為Ellan試劑的摩爾消光系數(shù)，L/（mol·cm）；A412nm為波長412 nm處所測得的吸光度；ρ為蛋白質樣品的質量濃度，mg/mL；D為稀釋因子，對游離巰基測定中的D值取6.04。

式中：D為稀釋因子，取值為15；ρ為蛋白質樣品的質量濃度，mg/mL；A412nm為412 nm波長處所測得的吸光度。

二硫鍵含量計算公式為：

1.2.9 傅里葉紅外光譜的測定 參考Liu等[13]的方法，將面筋蛋白與KBr在紅外燈下以1:100（w/w）混合，在400～4000 cm-1范圍內以4 cm-1分辨率進行掃描。利用蛋白質的酰胺I區(qū)（1600～1700 cm-1）定量分析β-折疊、α-螺旋、無規(guī)則卷曲和β-轉角的含量。使用Omnic和Peakfit v4.12軟件進行計算。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本試驗中的數(shù)據(jù)均為3次平行試驗的平均值。采用Microsoft Excel 2010計算整理數(shù)據(jù)，Origin10.0進行作圖，SPSS13.0軟件（SPSS公司）進行統(tǒng)計分析，差異顯著性分析采用LSD檢驗法。

2 結果與分析

2.1 不同品種小麥粉和面筋蛋白的總蛋白含量

10個品種小麥粉和面筋蛋白的總蛋白含量如圖1所示。不同品種小麥粉總蛋白含量有差異，其值介于8.20%～13.95%之間，與張艷[14]報道的61個不同品種小麥粉總蛋白含量接近（面粉蛋白質含量變幅為10.70%～16.19%）。10種小麥粉中，豫保1號和鄭麥103兩個品種小麥粉屬于低筋粉、師欒02-1和新麥26兩個品種小麥粉屬于高筋粉、其余六個品種小麥粉屬于中筋粉；其中，鄭麥103小麥粉的總蛋白含量最低，師欒02-1小麥粉的總蛋白含量最高（圖1）。

圖 1 不同品種小麥粉和面筋蛋白的總蛋白含量Fig.1 Crude protein content of flour and gluten from different wheat cultivars

不同品種小麥面筋蛋白的總蛋白含量較高，盡管鄭麥103小麥面筋蛋白的總蛋白含量最低（其值為77.92%），但仍高于文獻[15-16]使用的面筋蛋白總蛋白含量。李翠翠等[15]研究亞硫酸鈉對小麥面筋蛋白的影響時使用的面筋蛋白的粗蛋白含量為77.68%。臧艷妮等[16]以粗蛋白含量為76.25%的小麥面筋蛋白為試驗材料，考察了超聲波和糖基化復合改性對面筋蛋白性質的影響。因此，本實驗室制備的面筋蛋白可用于后續(xù)的功能特性測定。

2.2 不同品種小麥面筋蛋白的持水性和持油性

蛋白在吸水充足、離心后結合保留水的能力，被稱為蛋白持水性。持水性是面筋蛋白用于焙烤食品的一個重要的參數(shù)，可影響面筋網(wǎng)絡的形成。持油性是指蛋白質的非極性側鏈結合游離脂肪酸的能力，可影響食品的營養(yǎng)和風味[17]。蛋白質的制備方法、蛋白的二級結構均能影響蛋白的持油性[18]。

面筋蛋白的持水性和持油性在不同品種小麥間存在差異（圖2）。高筋小麥面筋蛋白持水性顯著高于低筋和中筋小麥面筋蛋白，低筋小麥中的鄭麥103面筋蛋白樣品持水性最低（P＜0.05），僅為175.95%；高筋小麥中的新麥26面筋蛋白持水性最高（P＜0.05），為356.58%。本文所考察的面筋蛋白持水性的數(shù)值與文獻報道相近。Schopf等[19]報道了39種商品用面筋蛋白的持水性范圍為117.4%～190.3%，Kaushik等[20]研究發(fā)現(xiàn)4種不同面筋蛋白的持水性范圍為249.94%～354.22%。

圖 2 不同品種小麥面筋蛋白的持水性和持油性Fig.2 Water and oil holding capacity of gluten from different wheat cultivars

高筋小麥面筋蛋白的持油性明顯高于低筋和高筋小麥面筋蛋白，中筋小麥面筋蛋白的持油性相對較高。持油性最差的是鄭麥103面筋蛋白樣品，為275.90%；師欒02-1面筋蛋白樣品的持油性最強，其值為392.05%（圖2）。本文所考察面筋蛋白持油性高于Schopf等[19]的研究結果（持油性數(shù)值為98.5%～129.1%），而與Kaushik等[20]報道的結果類似，其值在246.19%～356.00%之間。這可能與面筋蛋白的來源、持油性的測定方法不同有關[19]。

2.3 不同品種小麥面筋蛋白的起泡性和泡沫穩(wěn)定性

面筋蛋白分子既含有親水基團，也含有疏水基團，從而使得面筋蛋白具有表面活性。在劇烈攪拌時，面筋蛋白能夠形成泡沫。不同品種小麥面筋蛋白的起泡性不同，隨著筋力的增加，起泡性呈下降趨勢；豫保1號面筋蛋白的起泡性（該值為183.33%）顯著高于其它面筋蛋白（P＜0.05）；師欒02-1面筋蛋白樣品的起泡性最差，僅為101.67%（圖3）。高筋小麥面筋蛋白具有較高的泡沫穩(wěn)定性，其中師欒02-1面筋蛋白樣品的泡沫穩(wěn)定性最好，其值高達97.54%；而低筋小麥面筋蛋白的泡沫穩(wěn)定性較弱，鄭麥103面筋蛋白樣品的泡沫穩(wěn)定性最差，其值僅為64.70%（圖3）。

圖 3 不同品種小麥面筋蛋白的起泡性及泡沫穩(wěn)定性Fig.3 Foaming ability and foaming stability of gluten from different wheat cultivars

2.4 不同品種小麥面筋蛋白的乳化活性

蛋白質的乳化性是指蛋白質能使油與水形成穩(wěn)定的乳化液的能力。乳化性可受分子結構、溶解性、表面張力等影響[21]。試驗范圍內的10個品種小麥面筋蛋白的乳化活性普遍較低，且都低于1 m2/g。高筋小麥面筋蛋白的乳化活性較強，其中師欒02-1面筋蛋白樣品乳化活性最大，其值為0.68 m2/g；部分中筋小麥面筋蛋白的乳化性較低，其中周麥18Ⅱ面筋蛋白樣品的乳化活性最低，僅為0.12 m2/g。此外，低筋小麥中的豫保1號面筋蛋白樣品乳化活性較高，其值高達0.47 m2/g（圖4）。小麥蛋白的乳化活性與面制品的柔軟度有關，乳化活性越大，其三維網(wǎng)絡結構越穩(wěn)定，對其制品的口感能夠產(chǎn)生一定影響[22]。因此，在實際生產(chǎn)中，應根據(jù)加工制品需要選擇適宜的面筋蛋白。

2.5 不同品種小麥面筋蛋白的表面疏水性

表面疏水性是對蛋白質表面疏水基團數(shù)量、三級結構的一種反映，也是衡量分子間相互作用強弱的重要參數(shù)[23]。表面疏水性對極性條件下的蛋白質的穩(wěn)定性、構象中起著重要作用，能從側面反映蛋白質構象變化[24,25]。低筋小麥面筋蛋白的表面疏水性顯著高于中筋和高筋小麥面筋蛋白（P＜0.05），中筋小麥的表面疏水性最低。中筋小麥面筋蛋白表面疏水性普遍偏低，百農(nóng)307、百農(nóng)207和百農(nóng)4199小麥面筋蛋白樣品的表面疏水性差異不顯著（P＞0.05）。低筋小麥中的鄭麥103面筋蛋白樣品表面疏水性最高（P＜0.05），其值為44.81 μg；中筋小麥中的百農(nóng)418面筋蛋白樣品表面疏水性最低（P＜0.05），其值僅為15.28 μg（圖5）。這與楊月月[1]研究結果類似，不同面筋含量小麥面筋蛋白的表面疏水性隨小麥筋力的增大呈先下降后上升趨勢，中筋小麥粉面筋蛋白的表面疏水性最低。

圖 4 不同品種小麥面筋蛋白的乳化性Fig.4 Emulsifying capacity of gluten from different wheat cultivars

圖 5 不同品種小麥面筋蛋白的表面疏水性Fig.5 Surface hydrophobicity of gluten from different wheat cultivars

2.6 不同品種小麥面筋蛋白的游離巰基和二硫鍵

巰基在維持蛋白質二級結構方面作用重大[18]，其數(shù)目和分散情況能夠影響面筋蛋白的存在狀態(tài)，與面團的品質有密切關系[1]。二硫鍵的含量與面制品品質呈顯著正相關[26]。不同品種小麥面筋蛋白的游離巰基和二硫鍵含量見圖6。低筋小麥的面筋蛋白游離巰基含量遠高于中筋和高筋小麥。低筋小麥中的豫保1號面筋蛋白樣品游離巰基含量最高，其值為4.61 μmol/g；高筋小麥中的師欒02-1面筋蛋白樣品游離巰基含量最低，僅為2.90 μmol/g（圖6）。王娜[27]研究發(fā)現(xiàn)，高筋粉蛋白質中的游離巰基含量顯著（P＜0.05）低于低筋和高筋粉，低筋粉蛋白質中的游離巰基最高，與本文研究結果類似。不同品種小麥面筋蛋白的二硫鍵含量不同，高筋小麥面筋蛋白的二硫鍵含量顯著（P＜0.05）高于中筋和低筋小麥，其中師欒02-1面筋蛋白樣品二硫鍵含量高達43.78 μmol/g，而豫保1號面筋蛋白樣品的二硫鍵含量僅為27.56 μmol/g（圖7）。王娜[27]研究表明，高筋面粉蛋白中的二硫鍵含量顯著（P＜0.05）高于低筋和中筋面粉，低筋面粉蛋白中二硫鍵含量最低，與本文研究結果類似。含較高游離巰基的面筋蛋白具有較高的表面疏水性（圖5），這可能與游離巰基含量較高時，蛋白分子的解折疊程度大，更多的疏水性殘基暴露于蛋白分子表面，進而引起表面疏水性增大有關[28]。

圖 6 不同品種小麥面筋蛋白的游離巰基含量Fig.6 Free sulfhydryl group content of gluten from different wheat cultivars

2.7 不同品種小麥面筋蛋白的二級結構

蛋白質的二級結構直接影響維持蛋白質高級結構的氫鍵、二硫鍵、疏水鍵等作用力，進而影響面筋蛋白的硬度、彈性、黏性等功能性質。蛋白質二級結構可利用紅外光譜進行分析，各種二級結構的相對含量分析結果見表1。參試樣品中面筋蛋白的二級結構β-折疊比例均最高，可以看出不同品種小麥面筋蛋白的二級結構以β-折疊為主，這與黃蓮艷等[29]的研究結果一致。高筋小麥面筋蛋白的α-螺旋結構比例最高，其次是中筋小麥，低筋小麥的最低；新麥26面筋蛋白樣品的α-螺旋比例高達25.07%（P＜0.05），而豫保1號面筋蛋白樣品的α-螺旋比例僅為19.78%（P＜0.05）。高筋小麥面筋蛋白具有較低的β-折疊和無規(guī)則卷曲結構比例，而低筋小麥面筋蛋白具有高的β-折疊和無規(guī)則卷曲結構比例（P＜0.05）。此外，高筋與部分中筋小麥面筋蛋白β-轉角結構比例差別不大。楊月月[1]、王娜[27]研究顯示的不同筋力小麥粉面筋蛋白二級結構各比例的變化趨勢與本文研究結果類似。含較低比例α-螺旋結構和較高比例無規(guī)卷曲結構的面筋蛋白具有較高的表面疏水性（圖5）。當?shù)鞍追肿又笑?螺旋含量低和無規(guī)卷曲含量高時，蛋白分子的無序性增加，分子結構相對松散，分子結構展開，埋藏在分子內部的疏水性殘基更多的暴露在分子表面，使得表面疏水性較高[28]。

表1 不同品種面筋蛋白的二級結構Table 1 Secondary structure in gluten from different wheat cultivars

圖 7 不同品種小麥面筋蛋白的二硫鍵含量Fig.7 Disulfide bond content of gluten from different wheat cultivars

3 結論

不同品種小麥面筋蛋白各功能特性間存在差異。面筋蛋白的持水性、持油性分布范圍分別為175.95%～356.58%、275.90%～392.05%。面筋蛋白的起泡性隨小麥筋力的上升而下降，而表面疏水性隨筋力的上升先下降后上升。面筋蛋白的游離巰基、二硫鍵含量及二級結構在不同品種間亦存在區(qū)別。低筋小麥面筋蛋白含有較高的游離巰基，而其二硫鍵含量和α-螺旋結構的比例均較低；高筋小麥面筋蛋白含有較低的游離巰基和較高比例的α-螺旋結構。此外，研究顯示，具有較低α-螺旋結構比例和較高的游離巰基含量的低筋小麥面筋蛋白擁有較強的表面疏水性。不同性質的面筋蛋白可滿足不同的食品加工需求。人們可根據(jù)具體領域的應用需要，選擇不同品種的面筋蛋白。