冀世敏，張連富

（江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫214122）

小麥面筋蛋白（又稱谷朊粉），作為一種小麥加工副產(chǎn)品，是一種蛋白質(zhì)含量高，氨基酸種類齊全，且來源廣泛的植物性蛋白[1-2]。小麥面筋蛋白具有應(yīng)用范圍廣、價格低廉、經(jīng)濟(jì)性好、自然資源豐富等諸多優(yōu)點，但低的溶解性卻限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此，提高小麥面筋蛋白的溶解性對小麥面筋蛋白的進(jìn)一步應(yīng)用具有重大的意義。Kato等[3]通過在小麥面筋蛋白溶液中加入無機(jī)鹽酸，研究發(fā)現(xiàn)利用無機(jī)鹽酸對小麥面筋蛋白進(jìn)行脫酰胺改性，雖然能提高一些功能特性，但是容易生成有害物質(zhì)，對小麥面筋蛋白的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞。Ribotta等[4]研究發(fā)現(xiàn)卡拉膠可與小麥面筋蛋白形成親水復(fù)合物，強化小麥面團(tuán)的筋力，此外海藻酸鈉和果膠能改善面包體積，所有測試的膠體均降低了面包屑的初始堅硬性和咀嚼感。Leon等[5]利用SDS-PAGE和FTIR等手段對小麥面筋蛋白與卡拉膠的復(fù)合物進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)這種復(fù)合物的功能性質(zhì)發(fā)生變化，且持水性明顯提高。張紅印等[6]采用乙酸酐對小麥面筋蛋白質(zhì)進(jìn)行?；男?，其溶解度、乳化能力和起泡能力均得到了提高。

果膠作為一種常見的多糖在食品行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[7]。余映慧等[8]利用高甲氧基果膠所制成的面制品貨架期能大大提高。在果膠的實際應(yīng)用中，陶民強[9]發(fā)現(xiàn)低酯果膠可以減小面包的比容積；而高酯果膠酯化度與面包比容積正相關(guān)?，F(xiàn)有資料表明，特定多糖能顯著提高蛋白的溶解性，國內(nèi)外學(xué)者利用果膠和大豆多糖等多糖對面粉中主要成分小麥面筋蛋白和淀粉的影響已經(jīng)做了一些研究。所以研究一種高溶解度的小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物具有實際應(yīng)用意義。

本文通過研究小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物濕熱條件下的最優(yōu)制備工藝，探討評價該條件下復(fù)合物的持水性、持油性、起泡性與泡沫穩(wěn)定性，以及乳化性與乳化穩(wěn)定性等功能性質(zhì)，為小麥面筋蛋白的改性研究提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

小麥面筋蛋白：河南雪梨花有限公司；果膠：煙臺安德利果膠股份有限公司；大豆油：益海嘉里食品有限公司；氫氧化鈉、檸檬酸三鈉、鹽酸、檸檬酸等分析純：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

多功能數(shù)顯恒溫水浴鍋：江蘇榮華儀器制造有限公司；DELTA320型pH計：梅特勒-托利多儀器上海有限公司；真空冷凍干燥機(jī)：德國CHRIST公司；ME204E型電子天平：梅特勒-托利多儀器上海有限公司；EBA20型離心機(jī)：德國CHRIST公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 吸取一定量的10 mg/mL牛血清蛋白溶液放置在試管中，分別加蒸餾水至1 mL，然后加4 mL雙縮脲試劑，充分混勻后室溫下放置30 min，然后于540 nm測定其吸光度。以濃度為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.2 樣品溶解度的測定 配制1%的樣品溶液，室溫靜置30 min，在離心機(jī)上于3 000 r/min下離心30 min，取上清液1 mL于試管中，再添加4 mL雙縮脲試劑，混合均勻，室溫下靜置30 min，測定540nm波長處的吸光度，將所得數(shù)值代入1.3.1節(jié)標(biāo)準(zhǔn)曲線中，計算蛋白濃度。同時測定1%的小麥面筋蛋白的溶解度。

1.3.3 小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物的制備 參考孫漣漪等[10]的方法，并做適當(dāng)?shù)男薷摹＞_稱取10 g小麥面筋蛋白溶解于100 mL蒸餾水中，稱取一定質(zhì)量的果膠溶解于上述溶液中并調(diào)整其pH，500 r/min條件下反應(yīng)一定時間后，把懸浮液倒入培養(yǎng)皿中，冷凍干燥。最后將冷凍干燥好的復(fù)合物粉碎，過100目篩，待用。

1.3.4 小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物最佳制備工藝的確定 以復(fù)合物的溶解度為評價指標(biāo)，分別考察果膠添加量、pH、溫度、反應(yīng)時間這4個因素對小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物溶解度的影響。

1）果膠添加量的確定。分別配制果膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的反應(yīng)體系，調(diào)整溶液pH至4.5，于45℃，500 r/min條件下攪拌120 min，按照1.3.3節(jié)的方法制備小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物，并測定所得復(fù)合物的溶解度，篩選最佳果膠添加量。

2）pH的確定。將篩選的最佳果膠添加量，分別配制 pH 為 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 的反應(yīng)體系，500 r/min條件下反應(yīng)120 min，按照1.3.3節(jié)的方法制備小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物，并測定所得復(fù)合物的溶解度，篩選最佳pH。

3）反應(yīng)溫度的確定。以上述最佳果膠添加量和最佳 pH，將反應(yīng)體系分別于 20、30、40、50、60 和 70℃下反應(yīng)，攪拌120 min，按照1.3.3節(jié)的方法制備小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物，并測定所得復(fù)合物的溶解度，篩選最佳反應(yīng)溫度。

4）反應(yīng)時間的確定。以上述最佳果膠添加量和最佳pH，將反應(yīng)體系置于最佳反應(yīng)溫度下分別反應(yīng) 15、30、60、90、120、150 和 180 min，按照 1.3.3 節(jié)的方法制備小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物，并測定所得復(fù)合物的溶解度，篩選最佳反應(yīng)時間。

1.3.5 小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物制備工藝的優(yōu)化為進(jìn)一步優(yōu)化小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物的制備工藝條件，選取 A：果膠添加量（%）、B：pH、C：溫度（℃）、D：反應(yīng)時間（min）為實驗因素，進(jìn)行 4 因素 3水平的正交實驗（表1）。

表1 因素水平表Table 1 Table of factors and levels

1.3.6 小麥面筋蛋白-果膠混合物的制備 將果膠粉末和小麥面筋蛋白粉末按小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在干燥環(huán)境下混勻。以不添加果膠的小麥面筋蛋白為對照樣品。

1.3.7 持水性的測定 持水性的測定參照Zhao等[11]的方法，并做適當(dāng)修改。稱取0.10 g（m1）樣品置于離心管中并稱重（m2）。以1∶20質(zhì)量比的比例加入蒸餾水，攪拌30 min后于3 000 r/min條件下離心10min，倒去上清液后記錄離心管和沉淀物的質(zhì)量（m3）。根據(jù)式（1）計算小麥面筋蛋白的持水性。

1.3.8 持油性的測定 持油性的測定參考Javier等[12]的方法，并進(jìn)行修改。稱取0.50 g（m1）樣品置于離心管中并稱重（m2）。加5 mL大豆油，用玻璃棒攪均，于2 200 r/min條件下離心25 min，倒去上清液后記錄離心管和沉淀物的質(zhì)量（m3）。根據(jù)式（2）計算小麥面筋蛋白的持油性。

1.3.9 起泡性與泡沫穩(wěn)定性的測定 配制1%的樣品溶液100 mL，10 000 r/min剪切2 min，然后立刻將溶液倒入量筒中，并記錄泡沫與液體的總體積（V0）。 上述起泡性（FC）的測定參考 Bernardi等[13-14]的方法，并做適當(dāng)?shù)男薷?。按式?）計算FC。

泡沫穩(wěn)定性（FS）的測定：將上述剪切后的溶液室溫靜置30 min后，記錄泡沫與液體的總體積（V30），按照式（4）計算 FS。

1.3.10 乳化性與乳化穩(wěn)定性的測定 乳化性的測定：參考趙冬艷等[15-16]的方法，并做適當(dāng)?shù)男薷?。配?.2%的樣品溶液20 mL于離心管中，加入20 mL大豆油，10 000 r/min剪切60 s，于1 500 r/min離心300 s后，靜置，記錄液體總高度（h）和乳化層高度（h1）。按式（5）計算乳化性。

乳化穩(wěn)定性的測定：將上述離心管置于85℃水浴鍋中加熱30 min，室溫靜置20 min后，再次在離心機(jī)上用1 500 r/min離心5 min，記錄此時的離心管中乳化層高度（h2）及總高度（h3）。 按式（6）計算乳化穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物制備條件的確定

2.1.1 果膠添加量對小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物溶解度的影響 由圖1可知，隨著果膠添加量的增加，復(fù)合物的溶解度逐步升高，在果膠添加量為1%時，復(fù)合物溶解度達(dá)到最大，達(dá)到9.80 mg/mL，相比未添加果膠的對照樣品（溶解度2 mg/mL），溶解度提高了3.7倍。這是由于果膠的加入，使親水集團(tuán)增加，從而使復(fù)合物穩(wěn)定；果膠含量大于1%時，復(fù)合物的溶解度呈現(xiàn)下降趨勢，但基本保持不變，其原因可能是過量果膠使復(fù)合物生成反應(yīng)飽和，從而導(dǎo)致其溶解度出現(xiàn)下降。故果膠的最佳添加量為1%。

圖1 果膠添加量對復(fù)合物溶解度的影響Fig.1 Effect of pectin addition on the solubility of wheat gluten-pectin complexes

2.1.2 pH對小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物溶解度的影響 從圖2中看出，隨著pH的升高，復(fù)合物與對照樣品的溶解度均呈先升高后降低趨勢。在pH為5時，復(fù)合物溶解度達(dá)到最大，達(dá)到9.81 mg/mL，相比對照樣品，提高了38.0%。其原因可能是在強酸的環(huán)境下，面筋蛋白的肽鍵斷裂，此時多糖所帶電荷也較少，不宜發(fā)生靜電相互作用，而pH為5左右時，多糖所帶的負(fù)電荷明顯增多，小麥面筋蛋白與多糖發(fā)生了靜電相互作用。當(dāng)pH大于5時，溶解度隨著pH的升高而降低，分析其原因：小麥面筋蛋白的等電點大約為6～8[17-18]，當(dāng)pH在等電點附近時，蛋白質(zhì)分子帶電量減少，此時溶解度較小。因此，最佳pH為5.0。

圖2 pH對復(fù)合物溶解度的影響Fig.2 Effect of pH on the solubility of wheat glutenpectin complexes

2.1.3 溫度對小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物溶解度的影響 由圖3可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，復(fù)合物的溶解度呈先升高后降低趨勢，而對照樣品的溶解度變化趨勢不顯著。在50℃時，復(fù)合物溶解度達(dá)到最大，為10.09 mg/mL。分析其原因可能是溫度升高，小麥面筋蛋白分子構(gòu)象輕微改變，立體結(jié)構(gòu)伸展開來，這樣可以使得小麥面筋蛋白和水分之間的相互作用提高，從而使其溶解性升高；但當(dāng)溫度再繼續(xù)升高會使小麥面筋蛋白的溶解度降低。因此，最佳反應(yīng)溫度為50℃。

2.1.4 反應(yīng)時間對小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物溶解度的影響 由圖4可以看出，隨著反應(yīng)時間的增加，復(fù)合物的溶解度呈先快速升高再緩慢降低的趨勢，而對照樣品溶解度變化趨勢不顯著。在60 min時，溶解度達(dá)到最高值9.90 mg/mL。分析其原因：隨著反應(yīng)時間的增加，蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)會變得疏松，面筋蛋白分子與果膠分子結(jié)合得更多，復(fù)合物溶解度得到穩(wěn)定；時間過長，產(chǎn)生大量的熱量，使蛋白發(fā)生熱聚集，反而對復(fù)合物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致其疏水基團(tuán)更加暴露造成溶解度下降。故60 min為最佳反應(yīng)時間。

圖3 反應(yīng)溫度對復(fù)合物溶解度的影響Fig.3 Effect of temperature on the solubility of wheat gluten-pectin complexes

圖4 時間對復(fù)合物溶解度的影響Fig.4 Effect of reacting time on the solubility of wheat gluten-pectin complexes

2.2 制備工藝的優(yōu)化

在單因素實驗基礎(chǔ)上，通過正交實驗，考察了1.3.4節(jié)中的各個因素對溶解度的影響，結(jié)果分別見表2和表3。

由表2正交實驗結(jié)果可知，影響小麥面筋蛋白溶解度的因素主次關(guān)系為：果膠添加量，pH，溫度，反應(yīng)時間，其中果膠添加量是最重要指標(biāo)。另外，最佳反應(yīng)組合為A2B2C3D2，即當(dāng)果膠添加量為1%，pH 4.5，溫度50℃，反應(yīng)時間60 min時能最大限度地提高小麥面筋蛋白-多糖復(fù)合物的溶解度。

由表3方差分析結(jié)果可知，果膠添加量、pH和反應(yīng)溫度對小麥面筋蛋白的溶解度影響顯著，而反應(yīng)時間影響不顯著。

表2 正交實驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Orthogonal test design and results

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

按上述結(jié)果所得的最佳組合方案A2B2C3D2進(jìn)行驗證實驗，經(jīng)3次平行重復(fù)實驗，求得平均溶解度為10.44 mg/mL，與正交實驗結(jié)果相符。

2.3 最優(yōu)制備工藝條件對小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物功能性質(zhì)的影響

2.3.1 溶解度 從圖5可以看出，與對照組相比，混合物和復(fù)合物的溶解度均顯著提高 （p<0.05），分別為6.10和10.23 mg/mL。相比混合物，復(fù)合物溶解度增加了67.7%，且二者差異顯著。分析其原因：果膠分子中多羥基的親水基團(tuán)使得整個復(fù)合物的親水性增加，同時小麥面筋蛋白分子之間的空間位阻增大，從而防止了面筋蛋白分子的聚集，故小麥面筋蛋白溶解度顯著提高。

圖5 溶解度Fig.5 Solubility

2.3.2 持水性與持油性 從圖6可以看出，與對照組相比，混合物和復(fù)合物的持水性均顯著提高（p<0.05），分別為1.50和2.22。相比混合物，復(fù)合物持水性增加了48.1%，且二者差異顯著。持水性增加是因為果膠是親水性分子，加入后使得小麥面筋蛋白組織結(jié)構(gòu)變得疏松，其比表面積增大，從而更易與水結(jié)合，顯著增大其持水能力。與對照組相比，混合物和復(fù)合物持油性有所下降?；旌衔锏某钟托詾?.80，比對照樣品的1.85下降了2.7%，而復(fù)合物的持油性則下降到1.20，下降了35.1%。持油性下降是因為復(fù)合物使小麥面筋蛋白的可溶性蛋白含量增加，二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，疏水性減小，故持油性下降。

圖6 持水性與持油性Fig.6 Water holding capacity and oil-holding capacity

2.3.3 起泡性與泡沫穩(wěn)定性 從圖7中看出，與對照組相比，混合物和復(fù)合物起泡性有所下降?；旌衔锏钠鹋菪杂稍瓉淼?50.1%下降到145.0%，下降了5.1%。而復(fù)合物起泡性出現(xiàn)了進(jìn)一步的下降，其起泡性為138.2%。起泡性下降是因為加入果膠使體系的黏度增加，而泡沫結(jié)構(gòu)中薄層液體的排出速度與體系黏度呈負(fù)相關(guān)，即黏度增加，速度減慢，從而導(dǎo)致起泡性下降。與對照組相比，混合物和復(fù)合物泡沫穩(wěn)定性均顯著提高（p<0.05）?；旌衔锏呐菽€(wěn)定性由原來的60.1%上升到73.1%，增加了13.0%。而復(fù)合物的泡沫穩(wěn)定性進(jìn)一步升高最終到達(dá)88.2%，比對照樣品的泡沫穩(wěn)定性增加了28.1%，在混合物的基礎(chǔ)上又增加了15.1%。這是因為果膠的加入使蛋白質(zhì)吸附、展開和形成穩(wěn)定的膜，使界面膜加厚，并且增加了泡沫結(jié)構(gòu)中薄層液體的黏度，從而泡沫穩(wěn)定性提高。

圖7 起泡性與泡沫穩(wěn)定性Fig.7 Foaming and foaming stability

2.3.4 乳化性與乳化穩(wěn)定性 從圖8中看出，與對照組相比，混合物和復(fù)合物乳化性與乳化穩(wěn)定性均顯著提高（p<0.05），混合物的乳化性由8.4%上升到35.8%，是對照樣品的4.3倍；而復(fù)合物的乳化性達(dá)到了61.3%，是對照樣品的7.3倍。混合物的乳化穩(wěn)定性由原來的2.3%上升到15.6%，是對照樣品的6.8倍，而復(fù)合物的乳化穩(wěn)定性達(dá)到了26.3%，是對照樣品的11.4倍。分析其原因是果膠的加入提高了蛋白質(zhì)的溶解度，使參與乳化作用的分子大大增加，從而提高了小麥面筋蛋白的乳化性與乳化穩(wěn)定性。

圖8 乳化性與乳化穩(wěn)定性Fig.8 Emulsibility and emulsion stability

3 結(jié)語

通過在小麥面筋蛋白溶液中加入果膠，從而制備了一種小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物來提高其溶解度，并且對制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化；另外，還探究了該復(fù)合物的一些功能性質(zhì)，得出如下結(jié)論：

1）本實驗最佳制備工藝：果膠添加量為1%，pH 4.5，溫度50℃，反應(yīng)時間60 min。在此條下小麥面筋蛋白的溶解度達(dá)到10.44 mg/mL。

2)最佳制備工藝條件下所得小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物與混合物和對照組相比，乳化性與乳化穩(wěn)定性、泡沫穩(wěn)定性、持水性方面均顯著提高，而起泡性和持油性顯著降低。

3）本實驗制得的小麥面筋蛋白-果膠復(fù)合物能較好地改善小麥面筋蛋白的溶解度，并且制備工藝簡單，條件溫和，故其有很大市場應(yīng)用性。