劉海榮，沈益榮，舒滿夫

(中國儲備糧管理集團有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310013)

小麥面筋蛋白(俗稱谷朊粉)是小麥淀粉生產過程中的副產物，因其自然資源豐富、營養(yǎng)價值高、食用安全、物美價廉，在食品和飼料加工行業(yè)中作為一種優(yōu)質蛋白原料而得到廣泛應用。從20世紀70年代開始，小麥面筋蛋白已經在全球范圍內廣泛生產。到21世紀，我國小麥面筋蛋白年產量高達30萬t，占全球小麥面筋蛋白年產量的17%[1]，而實際需求量只有10萬t左右。

總體上，全國的小麥面筋蛋白市場仍處于“供大于求”的過飽和狀態(tài)[2]。隨著全球小麥面筋蛋白產量和使用量之間不對等關系的增大，也必將造成大量小麥面筋蛋白庫存無法及時轉換應用于實際食品工業(yè)中，加之小麥面筋特殊的氨基酸組成和結構，使得該蛋白的水溶性相對較差，限制了其在食品工業(yè)和其他領域中的開發(fā)和廣泛應用。如何使小麥面筋蛋白能夠在各類食品及非食品領域中得到廣泛地應用，從而拓寬其應用空間，發(fā)揮出小麥面筋蛋白本身所應有的功效，關鍵技術在于對小麥面筋蛋白進行改性。

1 小麥面筋蛋白的結構組成

小麥面筋蛋白是自然界中一類結構相對復雜的純天然植物蛋白，小麥籽粒約含有13%的小麥面筋蛋白質。1907年，根據小麥面筋蛋白溶解性的不同，Osborne[3]把小麥面筋蛋白分為清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白和麥谷蛋白4種蛋白，后2種蛋白是構成小麥面筋蛋白的主要成分。麥谷蛋白是天然存在的非均質的大分子聚合體蛋白質，其可分為2種麥谷蛋白亞基，分別是高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)和低分子量麥谷蛋白亞基(LMW-GS)，這2種亞基是由多肽鍵通過分子間二硫鍵連接而成[4]。麥醇溶蛋白是一種分子量較小的蛋白質，其可以與麥谷蛋白通過非共價鍵結合，嵌入到麥谷蛋白的三維網絡結構中，從而會導致小麥面筋蛋白加工性能(溶解性、分散性等)極差，加之受基因、生長環(huán)境和加工工藝等因素影響，小麥面筋氨基酸序列具有多樣性和整體結構復雜性的特點，限制了其應用領域(圖1)[5]。

圖1 面筋的形成過程示意圖

因此對于這類非傳統(tǒng)的蛋白資源則可以采用物理、化學、酶解等多種技術方法來改善其功能和各類特性，提高其營養(yǎng)價值。

2 小麥面筋蛋白的改性方法

關于小麥面筋蛋白結構和功能的研究已有大量報道。專家和學者通過深入了解其氨基酸序列、單個蛋白的結構以及蛋白亞基間相互作用方式，有選擇的采取改性方法，促進面筋蛋白的優(yōu)化利用。天然小麥面筋蛋白分子中含有大量的谷氨酰胺、脯氨酸和非極性氨基酸，較少的帶電氨基酸，某些氨基酸側鏈易形成氫鍵或疏水殘基之間易產生疏水相互作用，使得小麥面筋蛋白在水中易水化聚集成面筋球團，水溶性差。所以，天然小麥面筋蛋白很難同時具有多種加工功能特性，但在實際生產中往往需要具有最佳靶向功能或同時具備幾種功能特性平衡點的產品[6]。因此，有必要對小麥面筋蛋白采取適當的改性方法，以改善和拓寬其功能特性，從而獲得滿足不同領域行業(yè)需要的特定小麥面筋蛋白產品。

2.1 物理改性

物理改性是通過采用適度的物理手段，例如超高壓、加熱、共混、微射流、輻照、超聲波、冷凍等方式對蛋白質分子的高級結構包括其構象、聚集形態(tài)、多肽鏈的松散程度和相應的理化性質等進行改變，從而達到對蛋白質功能特性和營養(yǎng)特性改善的目的。這種改性方法屬于蛋白質的定向改性，一般不涉及蛋白質一級結構[7]，具有費用低、處理時間短、無毒副作用以及營養(yǎng)損耗小等優(yōu)點。

2.1.1高壓微射流處理技術

高壓微射流處理技術(DHPM)是一種集強烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴等一系列綜合作用力于一體的新興技術，它被認為是食品加工業(yè)中最具有潛力和發(fā)展前景的物理改性方法。閻乃珺[8]研究發(fā)現，經高壓微射流改性后，小麥面筋蛋白粒徑均變小，大分子量亞基被破壞生成更多的小分子量亞基，產生更多的小分子聚集體，溶解度上升。隨著蛋白質的解締和伸展，一些原本包埋在蛋白分子內部的疏水基團暴露，疏水性增加，但蛋白的二級、三級結構變化不大。

2.1.2超聲波技術

超聲波技術(US)是一種使用頻率高于人耳閾值聲波的綠色、低成本、節(jié)約資源的非熱處理方法，被認為是食品加工業(yè)中的綠色技術[9]。超聲波在液態(tài)體系中傳播，會導致氣泡產生、生長和破裂的一系列過程，即聲腔空化現象，這種現象會使體系產生熱效應、機械效應和化學效應[10]。Zhang等[11]用不同頻率的超聲波對小麥面筋蛋白進行處理，結果顯示，經超聲處理后的小麥面筋蛋白分子結構松散，分子間力減弱，水溶性提高，原本包埋在蛋白分子內部的部分疏水性基團暴露，疏水性增加，部分分子側鏈展開，蛋白分子吸油性增加。張海華[12]分別采用三種輸出功率(540、720、900 W)超聲處理質量體積比為6%的小麥面筋蛋白懸浮液，蛋白的乳化性、乳化穩(wěn)定性及動態(tài)流變特性都顯著提高，在900 W的輸出功率下，其乳化性能達到最大值。鄒晶[13]通過對比分析加熱、均質和超聲預處理3種不同處理方式對小麥面筋蛋白結構特性的影響，發(fā)現與前兩種處理方式相比，超聲預處理效果明顯。經超聲和TG 酶聯(lián)合改性后，蛋白二級結構中的β-轉角顯著降低，β-折疊顯著增加，蛋白疏水性降低，蛋白酶解效率提高。

2.1.3超高壓處理技術

超高壓處理技術(UHPP)是一種新型柔和的非熱處理技術，其原理是以流體(油或水)作為傳遞壓力的介質，對密封于彈性耐高壓容器里的食品,施加通常為100～1 000 MPa的靜壓，并維持一段時間以達到殺菌鈍酶，改變樣品物化特性，改進食品加工工藝的目的[14-16]。黃薇[17]采用200 MPa超高壓處理面筋蛋白，其持水性下降，起泡性提高，麥谷蛋白的持油性下降；采用400 MPa超高壓處理后的面筋蛋白，其持水性沒有顯著變化，起泡性提高；采用600 MPa超高壓處理后的面筋蛋白，其起泡性下降，麥谷蛋白的持水性増加，β-轉角含量降低；隨著壓力的增加，面筋蛋白和麥醇溶蛋白的乳化穩(wěn)定性增加，麥谷蛋白的乳化穩(wěn)定性先升髙后減小。王炳智[18]通過采用不同壓力(100～400 MPa)處理小麥面筋蛋白，得出結論：高壓處理能提高小麥面筋蛋白的交聯(lián)程度，從而增強其乳化性質和熱穩(wěn)定性，彈性模量G′提高，觀察到高壓預處理后的改性小麥面筋蛋白其內部結構更加均勻致密，β-折疊和無規(guī)則卷曲的含量增加，而α-螺旋和β-轉角的含量降低。

2.2 化學改性

蛋白質的化學改性就是用化學試劑(如酸、堿、鹽等)與蛋白質的多肽鏈或氨基酸殘基的側鏈基團發(fā)生反應，導致其多肽鏈或一些特殊基團產生斷裂、聚合或引入新的基團，從而改變蛋白質分子的空間結構、理化性質，使蛋白質溶解性、熱穩(wěn)定性等功能特性得到改善。常見的蛋白質化學改性方法包括?；?、糖基化、水解、脫酰胺、酸處理、堿處理、磷酸化、共價交聯(lián)等。小麥面筋蛋白中谷氨酰胺含量很高，脫酰胺增加面筋蛋白溶解度，從而改善面筋蛋白乳化性、乳化穩(wěn)定性的相關研究一直是大家研究的熱點。

高溫條件下高濃度鹽酸水解脫酰胺蛋白，將產生致癌物氯丙醇(歐盟要求食品及食品原料中氯丙醇含量必須小于0.01 mg/kg，我國GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的要求是小于1 mg/kg)，導致食品安全問題。同時，過高的溫度會引起一些氨基酸(如色氨酸、絲氨酸、蘇氨酸以及含硫氨基酸)的異構化。高溫會破壞小麥面筋中的大部分單糖和多糖，導致水解液顏色呈棕黑色。另外，脫酰胺蛋白產物復雜(隨機破壞一部分肽鍵)，產品重現性難以控制。廖蘭[19]研究了采用有機酸協(xié)同濕熱技術改性小麥面筋蛋白，達到64%的脫酰胺效果；再采用胰蛋白酶水解脫酰胺的小麥面筋蛋白，大大改善了酶解液的呈味效果。對比鹽酸脫酰胺樣品的酶解液，有機酸脫酰胺樣品顯示了最高的鮮味效果。王淑敏[20]研究了蛋白質谷氨酰胺酶處理小麥面筋蛋白脫酰胺，當蛋白質谷氨酰胺酶添加量為20 U/g時，達到41.84%的脫酰胺效果，適度的脫酰胺化能顯著提高小麥蛋白表面疏水性，增加游離巰基含量，提高溶解度和蛋白酶酶解敏感性。

2.3 酶法改性

蛋白質酶法改性技術就是將大分子的蛋白質通過蛋白酶的內切或外切作用切割成較小的分子，從而使蛋白的空間結構及其功能特性發(fā)生變化。其優(yōu)點是酶解效率高，條件溫和，易于控制，對蛋白質營養(yǎng)破壞小。谷氨酰胺轉氨酶，簡稱TGase，其作用機理是通過催化谷氨酰胺殘基上的酰基供體與?；荏w間發(fā)生酰基轉移反應，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、保水性等功能特性[21]。董建云等[22]在小麥蛋白中添加14 U/g的TGase，提高了其乳化性、起泡性和吸水性，有效改善小麥蛋白的凝膠性，相比未改性的小麥蛋白,TGase改性過的小麥蛋白凝膠性提高了一倍以上。

小麥面筋蛋白因富含谷氨酰胺而被稱為一種潛在富含酸味肽的蛋白資源。在制備熱反應香精前體物質過程中，既需要酶的高度水解，又要避免苦味肽的大量產生，因此也有相關研究采用合適的酶水解谷朊粉制備氮源前體物質。吳爽[23]研究中發(fā)現堿性蛋白酶應用于小麥面筋中，其水解度相對較好，但存在苦味值較高的問題。因此使用復合蛋白酶和風味蛋白酶復配水解，最終發(fā)現分步法比同步法降低苦味效果更好。由于風味蛋白酶是一種真菌羧肽酶，可以釋放C-端大多數疏水性氨基酸，所以堿性蛋白酶和風味蛋白酶的組合在降低小麥面筋苦味上效果更佳。

3 小麥面筋蛋白的應用研究

小麥面筋蛋白因其獨一無二的結構特征，在飼料、烘焙食品、面制品等行業(yè)中發(fā)揮著獨特功能特性，但在以往的應用中，該蛋白一般都是以配料的形式參與發(fā)揮功效的，所以對該蛋白總體需求量不大?，F實工業(yè)生產中缺乏以小麥面筋蛋白為主體原料的工業(yè)領域，現在研究的當務之急就是加快小麥面筋蛋白的深度開發(fā)利用，扭轉其配角地位，積累核心技術。

3.1 肉味香精

在食品行業(yè)中肉味香精占據重要地位，是香精市場中投資最大、開發(fā)研究十分活躍的香精之一。當今研究的熱點是將美拉德反應與生物技術相結合，制備熱反應型調香基料，該技術以熱反應型調香基料為主體香韻，結合調香技術、混合工藝制備出種類繁多的香精。我國國內廠家制備香精采用較多的是動物源蛋白，即所謂的“味料同源”理念。但動物源蛋白也存在一些缺點，比如肉價格成本高、肉源運輸成本高、蛋白資源轉化率低、有安全性隱患(動物蛋白的生長周期較長，經常人為使用抗生素、合成藥物及激素促進其快速生長繁殖，加速了動物產品的污染，從而降低了調味品的食用安全性)、質量不穩(wěn)定等問題。植物蛋白除了在上述比較中有其獨特優(yōu)勢外，還能服務于素食主義者這類特殊群體的喜好。

小麥面筋蛋白一級結構富含呈味肽序列，采用脫酰胺技術，不僅能改善蛋白的功能特性，而且可以使面筋蛋白更宜作為香精的反應前體物質。因此，若以此原料開發(fā)制備天然調味基料，進而以呈味肽作為風味前體參與熱反應香料的研制，對于拓寬小麥面筋蛋白應用范圍、增加附加值、推動肉味香精產業(yè)發(fā)展等方面深具潛力，可產生良好的經濟效益和社會效益。

3.2 組織化蛋白

在歐美國家組織化蛋白的研究應用已有幾十年之久，但在我國才處于剛起步階段，很多人對它還不熟悉。但是隨加工技術的不斷發(fā)展，相信組織化蛋白產品的味道、口感和組織狀態(tài)將會不斷改善，更加適合作為肉類替代品，也會越來越被消費者所認可。目前國內外對植物組織化蛋白的研究主要集中在對大豆組織化蛋白方面的研究。與大豆蛋白相比，谷朊粉價格低廉，還可以顯著改善組織化蛋白的組織化和纖維化程度，因此在大豆蛋白中添加谷朊粉有利于提高組織化蛋白的產品質量和競爭力。賈旭[24]在大豆?jié)饪s蛋白中添加31%的高筋谷朊粉，生產的組織化蛋白的組織化度提高到1.67；添加41%的中筋谷朊粉，生產的組織化蛋白的組織化度提到到1.58，添加41%的低筋谷朊粉，生產的組織化蛋白的組織化度提高到1.65。另外，在濃縮蛋白中適量添加谷朊粉，可使組織化蛋白的營養(yǎng)更加平衡。

目前，對谷朊粉的報道主要集中在以谷朊粉為原料的低水分擠壓研究，以谷朊粉為原料高水分擠壓研究的報道相對較少，對于谷朊粉擠壓組織化加工技術還缺乏系統(tǒng)的研究。鄭建梅[25]分別探討了低水分和高水分不同情況下影響谷朊粉的擠壓組織化蛋白質量的主次影響因素，得到谷朊粉低水分擠壓最優(yōu)操作參數組合為：物料濕度21.10%～21.83%，套筒溫度191.39～193.94℃，螺桿轉速 177.12～188.19 r/min，喂料速度67.47～70.63 g/min；高水分擠壓最優(yōu)參數組合為：物料濕度52.70%～53.49%，套筒溫度159.08～162.02℃，螺桿轉速154.39～165.61 r/min，喂料速度21. 66～23.32 g/min。

3.3 降解薄膜

可食用蛋白質膜的形成是在水-空氣界面中，由于蛋白質的疏水基團暴露在空氣中，親水基團保留在水中，從而在此界面形成定向排列的蛋白質層，這層蛋白質膜具有一定阻隔性能和機械強度。這種可降解的高分子聚合物加入到層壓膜中或直接與層壓材料共混成膜即可得到生物降解包裝材料[26]。很多植物蛋白都具有成膜性，其中研究比較多的是小麥面筋蛋白。佟穎[27]以小麥面筋蛋白為主體原料，通過添加醇溶蛋白來對蛋白膜的性能進行優(yōu)化改良，有效地降低膜的脆性，提高膜的阻水性、韌性、機械性能和阻氧性。在最優(yōu)化的改性條件下，復合膜的拉伸強度、斷裂伸長率和阻氧能力為4.89 MPa、179.1%和 21.7 mmol/kg，比對照組提高了33.2%、17.2%和28.1%。張平安[28]研究了不同增塑劑對小麥面筋蛋白膜力學性能的影響，結果表明甘油、聚乙二醇能有效提高蛋白膜的斷裂伸長率，戊二醛能增強薄膜的拉伸強度。

4 發(fā)展展望

近些年來，在糧食的深加工利用中，小麥面筋蛋白的開發(fā)深受行業(yè)人士看好，廣泛用于各類面制食品、水產、肉類、保健食品及嬰兒食品中。但是在以往的生產應用中，小麥面筋蛋白大多是以配料的形式協(xié)助改善產品的功能特性，整體消費量不大，造成市場需求飽和。小麥面筋蛋白原料豐富，價格低廉，安全營養(yǎng)，亟需深層次復合改性提高功能特性，擴寬使用范圍，從而提高小麥的附加值，獲得較好的經濟效益。在制備肉味香精、組織化蛋白、降解薄膜中，小麥面筋蛋白都是以主體原料的形式參與產品的開發(fā)與制備，隨著加工工藝改善、改性手段的進步、核心技術的突破，小麥面筋蛋白必將有更廣泛的應用。