李翠翠 陸啟玉 馬宇翔 閆慧麗 劉紫鵬

（1 河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院 鄭州450001 2 南陽理工學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院 河南南陽473000）

小麥面筋蛋白，又稱谷朊粉，是小麥粉與水揉和，洗掉淀粉、糖類等物質(zhì)后得到的天然蛋白質(zhì)，也是人類獲取植物蛋白的重要來源[1]。它為加工業(yè)尤其是食品加工業(yè)提供了一種廉價(jià)易得、安全營養(yǎng)的原材料，為了提高其性質(zhì)，以及更好地被人類利用，研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開了大量的研究[2-3]。其功能性質(zhì)如起泡性、持水性、持油性等是生產(chǎn)糕點(diǎn)、飲料、冰激凌等食品的重要質(zhì)量指標(biāo)[4]。圍繞谷朊粉性質(zhì)展開了大量研究。Yalcin 等[5]認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)室條件下微波處理可顯著改善面筋蛋白的起泡性和乳化性。0.1%的殼聚糖與pH 值為3 的醋酸聯(lián)合使用可改善面筋蛋白的乳化性及持水性，起泡性和持油性卻有一定程度的下降[6]。面制品凍藏時(shí)常因冰晶的破壞致使面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，從而導(dǎo)致其功能特性變差，添加一定量的食品膠（如黃原膠）可提高面筋蛋白的持水力，蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也變得更均勻[7]。王凱強(qiáng)等[8]認(rèn)為，適量的胰蛋白酶限制性酶解和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶合用可明顯改善面筋蛋白的流變性和熱特性。邵俊花等[9]指出，β-巰基乙醇可阻斷蛋白質(zhì)中的二硫鍵（SS），使蛋白溶液中的游離巰基（SH）含量增加，導(dǎo)致蛋白溶液的黏彈性和凝膠速度下降，即SS 鍵含量利于蛋白質(zhì)凝膠特性的改善。

作為蛋白質(zhì)分子表面的功能鍵，游離SH 對(duì)蛋白質(zhì)的交聯(lián)作用及形成凝膠均有重要影響[10]。而SH 氧化以及和SS 鍵的交換反應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生新的SS鍵，從而將同一條肽鏈不同部位或者不同肽鏈的氨基酸殘基聚攏起來，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)分子的排列更有序，從而穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象[11]。對(duì)SH、SS 鍵的研究很多，而大多數(shù)是直接引入巰基乙醇、尿素等有毒試劑進(jìn)行試驗(yàn)，且易引入或生成新物質(zhì)。本文選用食品級(jí)亞硫酸鈉（Na2SO3）處理面筋蛋白，可得到含有不同SH、SS 鍵含量的谷朊粉，通過研究其起泡性、持水性、持油性以及流變學(xué)特性，系統(tǒng)分析SH、SS 鍵的變化與面筋蛋白性質(zhì)的關(guān)系，為后續(xù)研究SS 鍵和面條品質(zhì)之間的關(guān)系提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試劑

谷朊粉，河南德大食品公司，基本成分：蛋白質(zhì)77.68%，淀粉8.71%，水分11.50%，粗脂肪0.95%，灰分1.48%；無水Na2SO3，濟(jì)南昌諾生物技術(shù)有限公司；一級(jí)精煉大豆油，益海糧油工業(yè)有限公司；其它試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

FW-200 高速萬能粉碎機(jī)，北京中興偉業(yè)儀器有限公司；LGJ-18C 型真空冷凍干燥機(jī)，北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；UV-7504 單光束-紫外分光光度計(jì)，上海欣茂儀器有限公司；DT5-4B 離心機(jī)，北京時(shí)代北利離心機(jī)有限公司；FA25 高剪切分散乳化機(jī)，上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司；DHR-1 流變儀，美國TA 儀器公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 小麥面筋蛋白的制備及測(cè)定 在攪拌狀態(tài)下配制一定濃度的面筋蛋白懸浮液，混合均勻后加入Na2SO3，加入量分別為0，0.1，0.3，0.5，0.7，1，1.5 mg/g 蛋白質(zhì)，并依次記為樣品1，2，3，4，5，6，7，高壓均質(zhì)20 s，再勻速攪拌20 min，靜置10 min，使Na2SO3和蛋白質(zhì)充分反應(yīng)，用等量蒸餾水反復(fù)洗滌至溶液中不含Na2SO3，將收集的樣品冷凍干燥，粉碎后過CB42 圓形粉篩。然后依據(jù)Beveridge 等[12]和Hu 等[13]的方法測(cè)定各樣品的SH、SS 鍵含量。

1.3.2 小麥面筋蛋白起泡性和泡沫穩(wěn)定性測(cè)定配制100 mL 0.5%的小麥面筋蛋白溶液，先慢慢攪拌20 min，待形成均勻混合液后，置于均質(zhì)機(jī)中以10 000 r/min 的速度攪打1 min，結(jié)束后迅速倒入200 mL 的量筒中，讀取泡沫的體積記為V1，靜止10 min 再次測(cè)量泡沫體積記為V2。計(jì)算方法見式1、式2。

1.3.3 小麥面筋蛋白持水性測(cè)定 參考劉晶等[14]的方法，并做適當(dāng)修改。準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為m0（1.0 g左右）的小麥面筋蛋白置于離心管中，稱取離心管和樣品質(zhì)量并記為m1，先加少量水并攪拌一段時(shí)間，再次加少量水?dāng)嚢?，靜置30 min 后在4 000 r/min 離心機(jī)中離心20 min，棄去上清液，稱取離心管和樣品質(zhì)量記為m2，若沒有出現(xiàn)上清液，則繼續(xù)加水?dāng)嚢桦x心，直至出現(xiàn)少量上清液為止。計(jì)算方法見式3。

1.3.4 小麥面筋蛋白持油性測(cè)定 參考Vioque等[15]的方法，并做適當(dāng)修改。準(zhǔn)確稱取質(zhì)量為w0（1.0 g 左右）的小麥面筋蛋白置于離心管中，稱取離心管和樣品質(zhì)量記為w1，先加少量大豆色拉油并攪拌一段時(shí)間，再次加少量大豆油攪拌，靜置30 min 后置于4 000 r/min 離心機(jī)中離心20 min，棄去離心出來的油，稱取離心管和樣品質(zhì)量記為w2，若沒有出現(xiàn)油狀物，則繼續(xù)加油攪拌離心，直至出現(xiàn)少量大豆油為止。計(jì)算方法見式4。

1.3.5 小麥面筋蛋白流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定 流變儀測(cè)定可得兩個(gè)主要指標(biāo)儲(chǔ)能模量（G′） 和損耗模量（G′′），前者是物質(zhì)發(fā)生可逆的彈性形變時(shí)儲(chǔ)存能量的大小，表征彈性的好壞，后者是物質(zhì)發(fā)生不可逆的黏性形變時(shí)損耗的能量大小，表征黏性大小[16]。Tanδ 是G′和G′′的比值，能反應(yīng)小麥面筋蛋白的質(zhì)量好壞。本文采用振蕩模式下的頻率掃描研究濕面筋的流變學(xué)性質(zhì)，具體操作為：面筋蛋白樣品置于25 mm 圓形平板上，平行板間距設(shè)置為1 050 μm，刮掉平板周圍多余的面團(tuán)，在25 ℃下分別對(duì)樣品進(jìn)行小振幅振蕩測(cè)試，采用的頻率范圍為0.1～100.0 rad/s；應(yīng)變振幅調(diào)整為1%，該值在所測(cè)樣品的線性黏彈性區(qū)域范圍內(nèi)。該試驗(yàn)最終能得到G′及G′′隨頻率的變化曲線。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

采用Excel 2013 和Origin 9.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 SH、SS 鍵含量的變化

由圖1可知，原始小麥面筋蛋白中的硫元素主要以二硫鍵的形式存在，這是面筋蛋白具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其中游離SH 和SS 鍵的含量分別為12.82 μmol/g 和56.78 μmol/g。Na2SO3處理后，面筋蛋白中游離SH 含量顯著升高，SS 鍵含量顯著降低，總SH 含量變化幅度不大，說明Na2SO3作為一種還原劑，可將SS 鍵斷裂形成游離SH。隨著Na2SO3濃度的增加，游離SH 和SS 鍵含量的增幅先大而后變小，總SH 含量變化基本平穩(wěn)。經(jīng)計(jì)算得出游離SH 與SS 比值如表1所示，Na2SO3添加量越大，比值越大。為了更全面的考察SH 和SS鍵對(duì)蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響，后文將以此比值為指標(biāo)進(jìn)行表述。

圖1 亞硫酸鈉處理對(duì)面筋蛋白中SH、SS 鍵和總疏基的影響Fig.1 Effect of Na2SO3 on the content of SH，SS，and total SH in wheat gluten

表1 游離SH 與SS 鍵比值的變化Table 1 Changes of the ratio of free SH to SS

2.2 起泡性及泡沫穩(wěn)定性的變化

圖2 SH、SS 鍵變化對(duì)小麥面筋蛋白起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of changes of SH and SS on foaming ability and foaming stability of wheat gluten protein

通常，起泡性能的好壞由蛋白質(zhì)濃度、疏水性、帶電基團(tuán)、分子柔性以及極性基團(tuán)的數(shù)量、分布等決定，泡沫的穩(wěn)定性則主要受蛋白質(zhì)膜的流變學(xué)特性影響。圖2的趨勢(shì)變化表明，SH、SS 鍵的不同可導(dǎo)致蛋白質(zhì)起泡性差異，隨游離SH/SS 比值的增大，面筋蛋白的起泡性及其穩(wěn)定性均有一定程度提高。蛋白質(zhì)在氣-液界面形成的薄膜可促使大量空氣進(jìn)入并穩(wěn)定一段時(shí)間，因此，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)受到強(qiáng)烈機(jī)械攪打時(shí)，大量氣體會(huì)混入體系中，同時(shí)蛋白質(zhì)分子被吸附到氣-液界面以降低表面張力，最終產(chǎn)生大量泡沫。SS 鍵斷裂為游離SH，破壞了面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使盤旋的多肽鏈伸展成為線狀多肽鏈，伸展的面筋蛋白通過肽鏈間相互作用吸附在氣-液界面上，降低了界面張力，分子柔性增加，疏水性變大，從而形成了一層具有強(qiáng)內(nèi)聚力和韌度的界面膜，使更多可溶的蛋白分子參與進(jìn)來形成液膜，從而提高了起泡性。然而，隨著伸展程度的不斷推進(jìn)，界面張力逐漸增強(qiáng)，液膜的流變學(xué)性質(zhì)被改變，薄膜厚度會(huì)逐漸減小，同時(shí)強(qiáng)度下降，對(duì)泡沫的包裹作用也逐漸減弱，直至不足以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定液膜，最終致使泡沫破裂，起泡性、泡沫穩(wěn)定性不增反減。

2.3 持水性的變化

蛋白質(zhì)的持水性決定了其在食品體系中與水分子的相互作用，反映出蛋白質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均一性和穩(wěn)定性。它與蛋白分子中的親、疏水基團(tuán)的數(shù)量和分布、面筋網(wǎng)絡(luò)的物理截留能力相關(guān)。被Na2SO3處理后，蛋白樣品的持水性隨游離SH/SS比值的升高而增大，由原始小麥面筋蛋白的140.5%提高到172.3%，增幅為22.6%，面筋蛋白中的SS 鍵打斷后，更多的極性氨基酸被釋放出來，吸引更多的水分子進(jìn)入蛋白網(wǎng)絡(luò)，肽鏈伸展開來，提高了面筋蛋白與水分子之間的水合能力，改善了持水性。

圖3 SH、SS 鍵變化對(duì)小麥面筋蛋白持水性的影響Fig.3 Effect of changes of SH and SS on water holding capacity of wheat gluten protein

2.4 持油性的變化

蛋白質(zhì)與脂類的相互作用是持油性的基礎(chǔ)，脂類可降低強(qiáng)筋粉面團(tuán)的拉伸特性，而對(duì)弱筋粉拉伸特性具有積極作用[17]。圖4為各樣品的持油性隨游離SH/SS 比值的變化曲線，原始樣品的持油性為137.2%，經(jīng)Na2SO3處理后樣品的持油性能變差，且游離SH/SS 比值越大，持油性就越小，最小僅為85.7%，降幅達(dá)37.5%，蛋白質(zhì)的疏水性其實(shí)可分為兩種，第1 種是表面疏水性，取決于疏水基團(tuán)在蛋白質(zhì)表面的暴露程度，第2 種是氨基酸殘基的平均疏水性，取決于氨基酸殘基從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)物相的自由能[18]。當(dāng)S-S 斷裂后，面筋蛋白分子發(fā)生一定程度的解聚，可能會(huì)導(dǎo)致氨基酸殘基從水相轉(zhuǎn)移到油相的自由能提高，使平均疏水性升高，阻礙親油基團(tuán)對(duì)大豆油的吸附，同時(shí)面筋網(wǎng)絡(luò)對(duì)油的物理截留能力也會(huì)下降，面筋蛋白的持油性也隨之下降。Marison 等[19]用無干擾光譜技術(shù)結(jié)合冷凍斷裂電子顯微技術(shù)研究得出，并不存在脂-蛋白復(fù)合物，隨后Hargreaves 等[20]聯(lián)合應(yīng)用核磁共振、電子自旋共振、冷凍分離電子顯微鏡證實(shí)，面粉中的游離脂（尤其是極性脂）是鑲嵌在蛋白質(zhì)基質(zhì)中，并在氣液相交處與蛋白質(zhì)作用，以提高面團(tuán)的持氣性。所以，二者的作用并不涉及共價(jià)鍵的形成，而只涉及蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的非極性基團(tuán)或殘基間的疏水作用。持油性能越好，蛋白質(zhì)對(duì)脂質(zhì)的吸收和保留能力就越強(qiáng)，從而改善食品的營養(yǎng)和風(fēng)味[21]。這一特性與蛋白質(zhì)和脂類的疏水、親水情況聯(lián)系較大。

圖4 SH、SS 鍵變化對(duì)小麥面筋蛋白持油性的影響Fig.4 Effect of changes of SH and SS on oil holding capacity of gluten protein

圖5 SH、SS 鍵變化對(duì)面筋蛋白頻率掃描測(cè)試中G′的影響Fig.5 Effect of changes of SH and SS on G′ in the frequency sweep test of gluten protein

2.5 流變學(xué)特性的變化

由圖5、6 可知，小麥面筋蛋白的G′和G′′均隨頻率的增加而不斷增加，且整個(gè)過程G′均顯著大于G′′，換句話說，面筋蛋白表現(xiàn)出更多的彈性性質(zhì)，它屬于類固體的黏彈性體系，這是其加工多樣性的基礎(chǔ)，對(duì)提高食品口感、風(fēng)味意義重大[22]。對(duì)原始面筋蛋白而言，G′從852.542 Pa 增至5 471.69 Pa，G′′則從345.578 Pa 增至3 226.62 Pa，縱向比較Na2SO3處理的各組樣品發(fā)現(xiàn)，G′和G′′均下降，且二者的變化趨勢(shì)一致，所用Na2SO3濃度越大，所得蛋白的游離SH/SS 比值就越大，G′和G′′也就越小，這意味著Na2SO3的還原作用對(duì)該體系的破壞較明顯。麥谷蛋白分子間的SS 鍵被打斷后，分子質(zhì)量變小，分子構(gòu)象改變，折疊的多肽鏈?zhǔn)嬲归_來，對(duì)醇溶蛋白的包裹能力變差，彈性變差，而黏性主要由醇溶蛋白貢獻(xiàn)，黏性變小說明醇溶蛋白分子內(nèi)的SS 鍵也遭到破壞。

圖6 SH、SS 鍵變化對(duì)面筋蛋白頻率掃描測(cè)試中G′′的影響Fig.6 Effect of changes of SH and SS on G′′ in the frequency sweep test of gluten protein

3 結(jié)論

本文以小麥面筋蛋白作為研究對(duì)象，對(duì)比分析了經(jīng)不同濃度Na2SO3處理前、后面筋蛋白中SH、SS 鍵的變化與其起泡特性、持水性、持油性及流變學(xué)特性之間的關(guān)系變化情況。結(jié)果表明，原始小麥面筋蛋白的游離SH、SS 鍵含量分別為12.82 μmol/g 和56.78 μmol/g。隨著Na2SO3濃度的增加，SS 鍵含量降低，SH 含量升高，而總巰基含量保持平穩(wěn)。SH、SS 鍵的變化可影響蛋白質(zhì)的起泡性，伴隨著游離SH/SS 比值的增大，面筋蛋白的起泡性及其穩(wěn)定性都有一定程度的提高。持水性由原始小麥面筋蛋白的140.5%提高到172.3%，增幅為22.6%。原始樣品的持油性為137.2%，經(jīng)Na2SO3處理后樣品的持油性能變差，且游離SH/SS 比值越大，持油性越小，最小僅為85.7%，降幅達(dá)37.5%。小麥面筋蛋白G′和G′′均隨頻率的增加而不斷增加，且整個(gè)過程G′均顯著大于G′′，對(duì)原始面筋蛋白而言，G′從852.542 Pa 增至5 471.69 Pa，G′′則從345.578 Pa 增至3 226.62 Pa，比較Na2SO3處理的各組發(fā)現(xiàn)，G′和G′′均下降，且二者的變化趨勢(shì)一致，所得蛋白的游離SH/SS 比值就越大，G′和G′′也就越小，這意味著Na2SO3的還原作用對(duì)該體系的破壞較明顯。本研究為后續(xù)二硫鍵和面條品質(zhì)的關(guān)系探討和作用機(jī)理提供了理論依據(jù)，拓寬了面筋蛋白在食品加工中的應(yīng)用。