小麥蛋白質研究與開發(fā)現(xiàn)狀*

呂一鳴，田瀟凌，王曉曦，馬 森

（河南工業(yè)大學糧油食品學院，鄭州 450001）

小麥(Triticum aestivum L.)是世界范圍內重要的主糧作物，是30%人口的食物來源，小麥中含有8%～20%的蛋白質，主要存在于小麥胚乳中 （70%～75%），少量存在于小麥皮層（19%）和麥胚中（8%）[1]。根據(jù)溶解性的不同可以將小麥蛋白分成四種，分別是清蛋白（溶于水）、球蛋白（僅溶于鹽溶液）、麥醇溶蛋白（溶于70%～90%乙醇）以及麥谷蛋白（溶于稀酸和稀堿溶液）[1]。小麥蛋白以生物學功能分類，可以分為貯藏蛋白質和代謝蛋白質，貯藏蛋白質主要是指面筋蛋白約占小麥籽?？偟鞍椎?0%，主要包括麥醇溶蛋白和麥谷蛋白，面筋蛋白的含量會影響小麥粉的品質和加工用途，面筋蛋白具有水化性質，可以吸水膨脹但不溶于水，有著較好的親油性和乳化性；在面筋或面團的形成過程中，麥谷蛋白形成連續(xù)的網(wǎng)狀蛋白基質，麥醇溶蛋白則填充在蛋白基質中，兩者共同作用，使得面筋蛋白具有黏彈性[2]。代謝蛋白質包括各種酶、調控蛋白和轉運蛋白，α-淀粉酶、蛋白酶抑制因子、調控酶等清蛋白可以調節(jié)小麥籽粒的生長，還可以作為發(fā)芽胚的營養(yǎng)物質，清蛋白和球蛋白的氨基酸組成更加平衡，賴氨酸、色氨酸及蛋氨酸含量相對較高；小麥的清蛋白與球蛋白的功能性質相似，具有很好的乳化性、起泡性、泡沫穩(wěn)定性，小麥球蛋白和大豆球蛋白性質相似，有著較好的乳化穩(wěn)定性[1]。然而目前關于小麥蛋白的應用更多的是局限于面制品方面，形式單一。因此，本文通過對小麥蛋白質的提取、改性和應用進行綜述，旨在為充分利用小麥蛋白質資源、提高小麥的附加值、擴大其應用范圍提供理論指導。

1 小麥蛋白質的提取

小麥中總蛋白質的提取需要首先將原料粉碎，再加入堿液溶解蛋白質，通過離心除去不溶性物質(例如淀粉和不可溶性纖維)，然后將溶液pH調節(jié)至小麥蛋白質的等電點使蛋白質沉淀，洗滌沉淀物后并再次離心除去其中可溶性物質(糖、可溶性纖維)，將沉淀物水洗并干燥后，即得到濃縮的小麥蛋白[3]。而對于小麥中清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白以及麥谷蛋白的提取，主要是利用各個蛋白質在不同溶液中溶解性的差異依次分級提取，但是用這種方法獲得的蛋白組分具有廣泛的異質性，組分之間存在重疊的現(xiàn)象，在分離蛋白質的過程中還容易受到非蛋白組分的干擾[1]。

面筋蛋白通常被加工成谷朊粉后用來提高面包、饅頭、面條等面制品的品質。提取面筋蛋白的第一步就是將淀粉和面筋分離，分離方法主要有馬丁法、高速離心分離法、旋流法和三相臥螺工藝等。馬丁法是傳統(tǒng)面筋提取方法，用水沖洗生面團，將其中的淀粉與水溶性蛋白質洗出，剩下的即為面筋蛋白；高速離心分離法是將小麥粉和水混合勻質后形成面漿，然后再高速離心使淀粉、可溶性蛋白與面筋蛋白分離；三相臥螺工藝是規(guī)模化生產小面筋蛋白的首選方法，小麥粉與水充分混合后，不同組分間吸水率相差較大，吸水后出現(xiàn)密度差，從而在離心時將物料分為A淀粉相、B淀粉和面筋相、戊聚糖相，然后再用分離篩將B淀粉與面筋分離[4-5]。還可以將乙醇溶液調至酸性后作為面筋蛋白的提取液，小麥粉與提取液混合均勻后再離心分離，即可得到面筋蛋白[6]。面筋蛋白和淀粉通過水處理分離后，為了提高谷朊粉的貯藏期和方便運輸，需要進行干燥，由于面筋蛋白對溫度很敏感，因此合適的干燥溫度極為重要。一般認為面筋蛋白可以被加熱到70℃而不會對其功能特性產生有不利的影響；然而，在80℃以上時，面筋蛋白就會發(fā)生變性。面筋在環(huán)形干燥器中干燥，促進濕面筋(濕度約70%)與之前干燥的面筋混合。濕面筋的干燥速度和溫度必須小心控制，因為它的功能特性很容易受到濕熱破壞。其它可用于工業(yè)的干燥工藝還有滾筒干燥和噴霧干燥。除高溫烘箱干燥外，還可采用冷凍干燥和真空干燥。干燥完成后，再磨成細顆粒粉即為谷朊粉[7]。此外，值得一提的是小麥感染赤霉病以后，籽粒干癟，品質降低，加工出粉率降低，嚴重影響小麥加工品質，造成產量損失[8]。然而這些真菌毒素主要分布在皮層，由于嘔吐毒素易溶于水，水洗或表面清理后能夠除去大量的嘔吐毒素，所以針對僅感染鐮刀菌的小麥可以通過研磨制粉后再提取谷朊粉，能夠顯著降低提取物中嘔吐毒素含量；但是黃曲霉毒素 B1、玉米赤霉烯酮以及赭曲霉毒素A不易溶于水難以在水洗工藝中除去，會導致這些毒素在谷朊粉中富集，所以針對真菌污染嚴重以及混合污染的小麥不適合提取谷朊粉[9]。

2 小麥蛋白質的改性

2.1 小麥蛋白質的改性

由于面筋蛋白中含有大量的谷氨酸、亮氨酸及脯氨酸等疏水性氨基酸，使得面筋蛋白分子內疏水區(qū)域較大，最終導致其水溶性差、起泡性差，從而限制了應用范圍[2]。為了使面筋蛋白應用范圍更廣，對其進行改性處理非常重要。面筋的結構由共價鍵(二硫鍵)和非共價鍵(氫鍵、離子鍵、疏水鍵)組成，通過各種改性處理后容易發(fā)生改變。蛋白質的改性可分物理改性、酶法改性、化學改性等，改性對其結構、功能特性都有很大的影響。

2.1.1 物理改性

物理改性涉及面筋蛋白的聚集和降解，其二級和三級結構受到離子、氫鍵、二硫鍵以及靜電和疏水相互作用的影響，它們在決定面團流變學性質和功能性特性方面起著主導作用[10]。物理改性的方法一般都是通過熱能、機械能使小麥蛋白質分子的高級結構和相應的理化性質等發(fā)生改變。小麥面筋蛋白經(jīng)微波處理后，二級結構發(fā)生改變，同時促進了二硫鍵和異肽鍵的形成，導致α-螺旋和β-轉角增多，但是分子間β-折疊則有明顯的減少；微波功率達到1000 W時，會破壞面筋結構，且隨著功率的升高和處理時間的增長，蛋白質分子之間發(fā)生的交聯(lián)愈加明顯[11]。微波處理通常還伴隨著熱作用，熱能通過改變離子鍵、氫鍵和二硫鍵以及靜電和疏水相互作用，導致蛋白質的構象改變[12]。微波處理后的面筋蛋白的乳化穩(wěn)定性和起泡穩(wěn)定性提高，蛋白質的受控熱變性還增加了蛋白質的表面疏水性[13]。超聲處理會導致小麥蛋白質的水合、分子大小以及構象發(fā)生變化，進一步導致其功能性質的改變[14-15]。面筋蛋白超聲處理后網(wǎng)絡結構變得松散，面筋網(wǎng)絡的孔隙增大，這可能是由于超聲波處理引起的微射流、剪切力、沖擊波和湍流，導致多肽鏈中氫鍵和范德華相互作用的破壞，以及蛋白質分子之間的交聯(lián)，進一步導致了面筋蛋白的膨脹及其空間構象和二級結構的變化；隨著超聲頻率的增加，面筋的溶解度、持水能力和持油能力顯著提高，面筋表面疏水性增加[16]。輻照處理會對面筋的物理化學性質和流變性質產生影響[17]。根據(jù)γ輻射的范圍，觀察到輻射對蛋白質的破碎和聚集有兩種不同的影響[18]。根據(jù)SDS-PAGE圖譜，由于多肽鏈的輕微斷裂，在低劑量范圍的γ射線照射下，隨著照射劑量的增加，谷蛋白誘導高分子量和低分子量谷蛋白亞基的強度顯著降低；然而，在高劑量范圍降解蛋白分子的交聯(lián)產物是通過靜電相互作用、交聯(lián)反應、二硫鍵和二酪氨酸交聯(lián)產生的[19]。

2.1.2 化學改性

化學改性與其它處理方法相比具有許多優(yōu)點，包括反應時間短、成本低、不需要專門設備和改性效果明顯。面筋蛋白的化學改性主要可以通過?；⑻腔?、磷酸化和脫酰胺化進行?；瘜W改性導致面筋蛋白變性、分解蛋白質基質和蛋白質表面必需氨基酸的可用性增加而改善營養(yǎng)質量，改善面筋蛋白的功能特性（起泡和乳化能力）；盡管各種化學改性在理論上是可行的，但是必須注意其改性后的安全性，當賴氨酸發(fā)生美拉德反應和堿性降解等反應時，會產生類似賴丙氨酸等有毒的化合物，改性過程中可能會殘留化學物質[20]。磷酸化的面筋蛋白能夠吸收大約85倍至200倍于自身重量的水，水的吸收率的提高是由于面筋蛋白中的氨基酸的羥基(包括酪氨酸、絲氨酸和蘇氨酸)形成的酯，帶負電荷的磷酸基可能導致蛋白質聚合鏈相互排斥，導致吸水量的增加[21]。通過使用葡萄糖、乳糖和右旋糖酐生成糖基化面筋蛋白，與未處理的面筋蛋白相比，糖基化面筋的溶解度、乳化能力和穩(wěn)定性增強，而且糖基化面筋的表面疏水性有所提高[22]。?；瘯е旅娼畹鞍字械臍滏I斷裂、靜電斥力引起的蛋白質展開、高分子量蛋白質的解離、蛋白質與水之間的相互作用增多、高分子量麥谷蛋白、麥醇溶蛋白含量降低，從而使面筋蛋白的吸水、發(fā)泡、乳化及持水等功能特性增強[23-24]。面筋蛋白乙?；笳承?、彈性、硬度及咀嚼性降低，這表明氫鍵作用于谷蛋白酰胺基，改變了疏水相互作用和分子量分布[23]。

2.1.3 酶法改性

酶法改性是一種清潔的工藝，其所需的能耗低，產生的廢棄物少，以及更安全的工作條件。與化學改性不同，酶法改性不影響面筋蛋白的營養(yǎng)價值，同時酶也是生物可降解的蛋白質，在熱加工的過程中會發(fā)生變性。酶法改性提高了面筋蛋白的持水能力、黏彈性和流變學特性，進一步影響產品的風味、體積、內部結構以及保質期[25]。此外，酶能根據(jù)酶的類型水解或交聯(lián)谷蛋白，并能增強面筋蛋白的乳化性、溶解度和起泡性[26]。酶能夠通過影響面筋蛋白的交聯(lián)和鍵合來影響其性質和面筋網(wǎng)絡的形成。谷氨酰胺轉胺酶催化谷氨酰胺殘基上的?；w與酰基受體間發(fā)生?；D移反應，從而使蛋白質發(fā)生共價交聯(lián)，形成強有力的凝膠，有效改善蛋白質產品的彈性、持水性等功能特性[27]。通過使用水解酶，面筋蛋白二級結構的變化可以使其乳化能力增強，肽鍵的破壞可以促進肽和脂質之間的相互作用，并增加油水界面肽殘基的可用性，從而降低界面張力并提高乳化性[28]。

3 小麥蛋白質的應用

3.1 谷朊粉的應用

谷朊粉一般是以小麥粉為原料經(jīng)分離、提取、烘干、粉碎等工藝后得到的一種粉末狀產物。由于其主要成分是面筋蛋白，具有較好的黏彈性、延伸性、吸水性且安全性較好，可作為綠色的面團改良劑，廣泛地應用于面制品中。

3.1.1 谷朊粉在面條中的應用

在面條的生產過程中添加適量谷朊粉，能增加面條的硬度和柔軟度，減小蒸煮損失率，減少斷條或出現(xiàn)面條過軟等現(xiàn)象[29]。目前，關于谷朊粉及其組分添加至面粉中影響面粉的粉質、拉伸、糊化及流變等特性已廣泛研究[30]。研究表明，當谷朊粉添加量為1.5%時，對面粉的粉質和拉伸有改善，但過量則會產生不良影響，如面片亮度下降。當谷朊粉添加量為1.5%～3%時，面粉的面筋特性、粉質和拉伸特性及面帶的色澤和黏彈性較好，并且面條成品具有較佳的硬度和口感[31]。在全麥面條中，麩皮稀釋了面筋蛋白含量，使面條吸水性和溶出性變差，谷朊粉的加入能明顯改善全麥面條品質[32]。谷朊粉對于雜糧面條的加工品質改良也有重要意義，它可以增加雜糧粉面團的面筋強度和耐揉性[33]。

3.1.2 谷朊粉在面包中的應用

在烘焙產品中，谷朊粉可以用來強化蛋白質含量低、質量不理想或不適合制作面包的面粉，添加谷朊粉后能夠提高蛋白質含量，改善面包品質[34]。此外，還有研究表明，在烘焙過程中，谷朊粉蛋白質含量高，有利于發(fā)生美拉德和焦糖化反應，可以產生誘人的香味[35-36]。當使用面包粉制作面包時，谷朊粉通常用作改良劑，以改善面團的吸水性，增加彈性、持氣性、面團耐揉性和穩(wěn)定性。當使用雜糧粉制作面包時，雜糧面筋蛋白少，無法滿足加工需求，而谷朊粉的持水性高，能鎖住雜糧面包內部水分，使其增加黏彈性和獲得較好的質地和口感[33]。此外，谷朊粉作為改良劑在木薯粉、大麥粉等面粉制品中也有一定的應用[37-38]。

3.1.3 谷朊粉在非面制食品中的應用

谷朊粉良好的功能特性使其在食品領域的應用也非常廣泛。谷朊粉具有很好的吸脂乳化性，可以應用于肉制品中，能促進體系中脂肪和水相互結合，還可以增加肉制品的彈性、韌性、持水性[39]。隨著消費者對健康和食品安全的日益關注，谷朊粉還可以作為動物蛋白的替代品，例如與大豆分離蛋白復配后進行擠壓處理后制成植物肉[40]。谷朊粉中的谷氨酸含量較高使其成為制造醬油的理想原料，谷朊粉水解后再參與醬油的發(fā)酵，可以明顯提高醬油的總體滋味，尤其是鮮味，還能夠提高醬油的稠度[41]。谷朊粉用Protamex復合蛋白酶水解后具有良好的乳化性，可作為乳化劑應用在奶油的生產中，從而減少化學乳化劑的添加，F(xiàn)lavourzyme風味蛋白酶酶解后具有獨特的蛋白脫苦性質，提高人造奶油的感官品質和性能[42]。

3.1.4 谷朊粉在飼料中的應用

谷朊粉作為一種天然的、易獲取的植物蛋白質，在飼料工業(yè)中的應用也有其獨特的優(yōu)勢，可以根據(jù)所飼養(yǎng)動物的特點與其他成分合理復配制成專用飼料。在寵物飼料中，谷朊粉具有很好的吸水能力和與脂肪的相互替代作用，因此可以用來制作類似于肉的飼料，也能夠滿足動物的營養(yǎng)需求；對于寵物飼料來說，添加谷朊粉有助于提高飼料抗破損性的能力，便于包裝和運輸[7]。在蝦飼料中添加谷朊粉后不僅能提高飼料在水中的穩(wěn)定性，還提高了飼料效率，蝦的體重明顯增加[43]。谷朊粉可以作為牛奶的代替品添加在牛犢的飼料中，為牛犢提供良好的蛋白質來源，有效地降低了飼料的成本[44]。

3.1.5 谷朊粉在非食品領域中的應用

谷朊粉具有成膜性、熱塑性等功能特性，因此在非食品的領域也有廣闊的應用前景[45]。谷朊粉具有彈性、延伸性、吸水性和成膜性等，與其它成膜材料如多糖、蛋白質、脂類復合改性使其可以制作成可食性膜[46]。谷朊粉與大豆分離蛋白、甘油和亞硫酸鈉復配后制成的蛋白質膜具有良好的性能[47]。谷朊粉是一種可再生資源，能夠形成纖維網(wǎng)絡，在形成薄膜時可以提供強度、彈性和可塑性[48]。然而，當谷朊粉被用作可食性膜時需要注明，避免乳糜瀉患者誤食。谷朊粉可以經(jīng)脲、十二烷基硫酸鈉和巰基乙醇等化學試劑改性后能夠用于制作膠黏劑[49]。谷朊粉水解后產生的氨基酸再與十二烷基酰氯反應的產物可以作為表面活性劑，應用在化妝品或個人護理產品中[50]。

3.2 小麥肽

小麥肽的獲取方法有化學水解法、化學合成法、DNA重組技術合成法、微生物發(fā)酵法和蛋白質酶解法[51]。小麥蛋白低聚肽是以小麥蛋白質為原料，通過酶制劑定向酶切及特定小肽分離技術獲得的小分子多肽物質，小麥胚芽蛋白中也含有多種生物活性肽，與蛋白質相比，生物活性肽不僅具有更好的消化吸收性能，而且具有重要的抗氧化、調節(jié)免疫、降血壓、降血脂等生理功能[52]?？寡趸允切←滊牡淖钪饕δ芴匦?，這主要是因為小麥肽含有大量的谷氨酰胺，它是谷胱甘肽的主要前體物質，而谷胱甘肽具有很好的抗氧化作用，小麥肽中的氨基酸還能夠直接被機體吸收并參與機體多種代謝反應，從而降低自由基對蛋白質的損傷[53]。小麥肽容易消化吸收，能迅速為機體提供能量、促進脂質代謝和恢復體力特性，可用于運動員食品的制備。采用小麥肽作為運動食品能量膠的主要原料，預防和緩解運動疲勞、運動后損傷組織的修復和減少肌酸激酶在細胞內的外滲具有重要作用[54]。以小麥肽為原料制作的運動飲料，具有抗氧化和抗疲勞活性[55]。小麥肽還可以有效刺激胃饑餓素的分泌，增強食欲[56]。

4 結論

小麥蛋白質的組成、結構及功能特性都已經(jīng)有了較多的研究，但是小麥蛋白質資源的開發(fā)利用還有所欠缺。尤其是小麥清蛋白、球蛋白提取與應用遠不如面筋蛋白，清蛋白、球蛋白良好的營養(yǎng)特性及功能特性也未得到充分的利用，有待進一步開發(fā)研究?？梢酝ㄟ^對現(xiàn)有的面筋蛋白提取工藝進行改良，先利用溶解性差異將清蛋白和球蛋白提取出來，然后再提取面筋蛋白，能夠有效減少蛋白質資源的浪費。小麥蛋白質中面筋蛋白的獨特的功能性質在面制品中發(fā)揮著重要的作用，但同時其應用范圍有一定的局限性，而面筋蛋白在經(jīng)過改性后，通過改變離子健、氫鍵、二硫鍵以及疏水、靜電相互作用，可以改善其功能性質。面筋蛋白經(jīng)過加工后制成的谷朊粉及其衍生產物具有良好吸水性、乳化性、熱塑性及成膜性等功能性質，在非面制品食品以及非食品領域都有廣闊的應用空間。小麥肽還是一種質優(yōu)價廉、健康安全的功能性因子，可以作為功能性食品的原料，為小麥蛋白的增值利用提供新的途徑。