小麥醇溶蛋白磷酸化改性工藝及性質(zhì)的研究

張利兵，趙妍嫣，姜紹通

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

小麥醇溶蛋白磷酸化改性工藝及性質(zhì)的研究

張利兵，趙妍嫣*，姜紹通

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

小麥醇溶蛋白是一種新型的食品添加劑和品質(zhì)改良劑，為了探討其在增稠劑方面的應(yīng)用，采用多聚磷酸鈉對(duì)小麥醇溶蛋白進(jìn)行磷酸化改性，以粘度為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，確定了最佳改性工藝條件，并研究磷酸化改性后小麥醇溶蛋白的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳改性工藝為聚磷酸鈉添加量與底物小麥醇溶蛋白添加量之比為1∶2，反應(yīng)時(shí)間1.0h，反應(yīng)溫度25℃以及pH9.5，改性后的蛋白粘度、溶解性、乳化性及乳化穩(wěn)定性、起泡性及其穩(wěn)定性均有顯著改善。

小麥醇溶蛋白，磷酸化改性，粘度

小麥醇溶蛋白約占小麥面筋蛋白總量的40%～50%，是胚乳的主要貯藏蛋白之一［1］。小麥醇溶蛋白的氨基酸組成比較齊全，是小麥面筋蛋白的主要組成成分之一，它賦予面筋延展性，是影響小麥面筋烘烤品質(zhì)的重要因素，具有強(qiáng)的吸水性、粘彈性、薄膜成型性、黏附熱凝固性和吸脂乳化性，具有清淡醇香或略帶谷物品味等多種獨(dú)特的物理特性。因此，小麥醇溶蛋白被廣泛應(yīng)用于面粉和面包品質(zhì)的改善、蛋白復(fù)合膜和脂肪模擬物的制備［2－5］。然而由于小麥醇溶蛋白不易溶于水而限制了其在食品添加劑方面的應(yīng)用，經(jīng)過改性后，其溶解性增加，乳化性及起泡性等功能特性都得到較大的改善，有利于提升其應(yīng)用價(jià)值。目前，蛋白的改性方法主要有化學(xué)法、物理法、基因工程法和生化法(即酶促改性)等［6］，其中化學(xué)改性是研究的熱點(diǎn)。本研究利用多聚磷酸鈉對(duì)小麥醇溶蛋白進(jìn)行修飾改性，以改善小麥醇溶蛋白的功能特性，來拓寬小麥醇溶蛋白的應(yīng)用范圍，以期為食品工業(yè)提供一種新的品質(zhì)改良劑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥面筋蛋白 安徽瑞福祥食品有限公司;多聚磷酸鈉 化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;大豆油 上海嘉里食品工業(yè)有限公司;其他所用試劑均為分析純。

NDJ－旋轉(zhuǎn)式粘度儀、721G可見分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UDK152全自動(dòng)定氮儀嘉盛(香港)科技有限公司;TDL－40B高速臺(tái)式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;FK－A組織攪碎機(jī) 江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;DZF－6020真空干燥箱上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 小麥醇溶蛋白的提取及含量測(cè)定 參照榮建華等［7］的方法并加以優(yōu)化提取醇溶蛋白，并采用自動(dòng)凱氏定氮法測(cè)定提取蛋白質(zhì)的含量。

1.2.2 磷酸化小麥醇溶蛋白的制備［8］

1.2.3 小麥醇溶蛋白磷酸化改性優(yōu)化工藝

1.2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn) 分別選取改性pH、溫度、時(shí)間、蛋白底物(小麥醇溶蛋白)添加量和改性劑添加量5個(gè)因素，以改性蛋白的粘度作為指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，做為正交實(shí)驗(yàn)的依據(jù)。

1.2.3.2 正交實(shí)驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因素水平表如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experimental design

1.2.4 粘度測(cè)定 采用NDJ－旋轉(zhuǎn)式粘度儀測(cè)定醇溶蛋白溶液的粘度。

1.2.5 溶解度測(cè)定 采用雙縮脲法測(cè)定［9］。

1.2.6 乳化性及乳化穩(wěn)定性測(cè)定 測(cè)定方法參照文獻(xiàn)［10］。

1.2.7 起泡性及起泡穩(wěn)定性測(cè)定 測(cè)定方法參照文獻(xiàn)［11］。

2 結(jié)果與分析

2.1小麥醇溶蛋白的提取

小麥醇溶蛋白的提取率為29.5%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)自動(dòng)凱氏定氮測(cè)定為96.88%。

2.2 小麥醇溶蛋白磷酸化改性條件優(yōu)化

2.2.1 pH對(duì)小麥醇溶蛋白磷酸化改性的影響 從圖1中可以看出改性蛋白質(zhì)的粘度隨著pH的增大而增大，當(dāng)pH在9左右達(dá)到最大值，達(dá)到了1.82mPa·s。在醇溶蛋白中引入大量磷酸根基團(tuán)后，增加了蛋白質(zhì)體系的電負(fù)性，提高了蛋白質(zhì)分子之間的靜電斥力。使之在水中更易分散，相互排斥，分子鏈較為舒展，從而粘度增大，而隨著pH的增大，進(jìn)一步增加了溶液體系的電負(fù)性，粘度也就隨之增大。

圖1 pH對(duì)改性醇溶蛋白粘度的影響Fig.1 Effect of pH on viscosity ofmodified gliadin

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)小麥醇溶蛋白磷酸化改性的影響 從圖2中可以看出在0.5～1h，改性蛋白的粘度η不斷增大，在1h時(shí)達(dá)到最大值1.74mPa·s，1～1.5h中間雖有波折但粘度值總體呈下強(qiáng)趨勢(shì)，1.5～2.5h間改性蛋白的粘度基本不變。由于在0.5～1h之間由于磷酸根的加入，溶液電負(fù)性增加，提高了分子間靜電斥力，分子鏈更為分散，粘度值增大，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，原來蛋白質(zhì)內(nèi)部的親水基團(tuán)可能暴露出來，與磷酸化的氨基酸以氫鍵相連使蛋白質(zhì)又重新聚合，導(dǎo)致蛋白質(zhì)的粘度下降。

2.2.3 底物(小麥醇溶蛋白)添加量對(duì)小麥醇溶蛋白磷酸化改性的影響 由圖3可以看出改性蛋白的粘度在醇溶蛋白濃度5%時(shí)達(dá)到最大，η值為1.41mPa·s，在蛋白質(zhì)濃度3%～5%范圍內(nèi)，改性蛋白的粘度值直線增大，5%～7.5%則開始下降，7.5%之后則趨于穩(wěn)定。隨著小麥面筋蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，磷酸化程度逐漸增加后趨于平緩。可能當(dāng)醇溶蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)蛋白質(zhì)分子處于溶解狀態(tài)，和多聚磷酸鈉分子碰撞的幾率多，磷酸化程度也大。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大時(shí)，磷酸化的反應(yīng)程度不再發(fā)生明顯變化。因蛋白質(zhì)通過磷酸化反應(yīng)引入凈負(fù)電荷使溶解度增加，水合作用增加，蛋白的粘度也不再增大，還有稍下降的趨勢(shì)。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性蛋白粘度的影響Fig.2 Effect of reaction time on viscosity ofmodified gliadin

圖3 小麥醇溶蛋白添加量對(duì)改性蛋白粘度的影響Fig.3 Effect of gliadin concentration on viscosity ofmodified gliadin

2.2.4 多聚磷酸鈉添加量對(duì)小麥醇溶蛋白磷酸化改性的影響 從圖4中可以看出在多聚磷酸鈉添加量為10%～50%范圍內(nèi)時(shí)，改性蛋白的粘度值持續(xù)增大，在50%達(dá)到最大值1.70mPa·s，可能因?yàn)槎嗑哿姿徕c用量增加，小麥醇溶蛋白的磷酸化程度也增加，能夠被磷酸化的－OH殘基已基本反應(yīng)完畢，在50%～100%范圍內(nèi)改性蛋白的粘度值開始平緩下降。

2.2.5 溫度對(duì)小麥醇溶蛋白磷酸化改性影響 從圖5中可以看出，改性蛋白的粘度先隨著溫度升高而升高，在25℃是最大，隨后顯著下降。在一定的溫度范圍內(nèi)，隨反應(yīng)溫度的升高，小麥醇溶蛋白的磷酸化程度和粘度由低到高;溫度繼續(xù)升高，則蛋白引入親水性基團(tuán)的數(shù)目增加以及蛋白質(zhì)分子的伸展程度提高，使得蛋白的粘度呈下降趨勢(shì)。

2.2.6 小麥醇溶蛋白磷酸化改性條件的優(yōu)化 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮選取pH、時(shí)間、溫度和多聚磷酸鈉添加量與底物之比四個(gè)因素設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，選取L9(34)正交表，具體方案和結(jié)果見表2。

圖4 多聚磷酸鈉添加量對(duì)改性蛋白粘度的影響Fig.4 Effect of sodium polyphosphate concentration on viscosity ofmodified gliadin

圖5 反應(yīng)溫度對(duì)改性蛋白粘度的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on viscosity ofmodified gliadin

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental design scheme and results

對(duì)表2正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差分析后結(jié)果表明，影響小麥醇溶蛋白改性效果(以粘度為指標(biāo))的因素大小依次是A＞B＞D＞C，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出其最佳組合為A1B3D3C3，而直接分析的最佳組合是A1B2D2C2，與計(jì)算分析結(jié)果不一致。為了確定最優(yōu)的改性工藝條件，對(duì)方案A1B3D3C3和A1B2D2C2同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果為改性后的粘度分別為1.94、2.31mPa·s。因此，從節(jié)約開支和時(shí)間的角度考慮，選擇最優(yōu)方案A1B2D2C2，即磷酸化改性醇溶蛋白的最佳條件為pH9.5，反應(yīng)時(shí)間1.0h，多聚磷酸鈉與小麥醇溶蛋白的用量比為1∶2，反應(yīng)溫度設(shè)為25℃，這時(shí)的得到的改性蛋白質(zhì)粘度可達(dá)2.31mPa·s。與之前未改性的醇溶蛋白在相同條件下比較，即pH7.0，溫度25℃下測(cè)得的粘度1.21mPa·s，提高了1.9倍。

2.3 磷酸化改性后小麥醇溶蛋白的性質(zhì)研究

2.3.1 溶解度 從圖6中可以看出改性醇溶蛋白的溶解度與未改性相比有了相當(dāng)顯著地提高，在pH為7時(shí)，原始小麥醇溶蛋白的溶解度為0.218g/L，改性后則為0.734g/L，提高了3.37倍。

圖6 不同pH下的溶解度Fig.6 Solubility in different pH

2.3.2 乳化性及乳化穩(wěn)定性 由圖7a可以看出未改性醇溶蛋白在pH3時(shí)乳化性達(dá)到68.2%;而pH 7時(shí)乳化性僅為40.7%。改性后小麥醇溶蛋白的乳化性得到了顯著提高，pH為3時(shí)，達(dá)到92.2%。從圖7b可以看出改性蛋白質(zhì)的乳化度比較穩(wěn)定，小麥醇溶蛋白經(jīng)磷酸化處理后，帶上大量親水的磷酸根基團(tuán)，蛋白質(zhì)分子伸展，與水作用的極性基團(tuán)或離子基團(tuán)增多，親水性增加，乳化性能得到提高。

圖7 不同pH下的乳化性和乳化穩(wěn)定性Fig.7 Emulsifying capacity and emulsion stability in different pH

2.3.3 起泡性及起泡穩(wěn)定性 由圖8可以看出，與未改性的小麥醇溶蛋白相比，磷酸化改性后的小麥醇溶蛋白的起泡性和起泡穩(wěn)定性均有了明顯提高。起泡性在pH9.0有最大值120%，比原始蛋白提高了1.9倍。改性后的小麥醇溶蛋白的起泡穩(wěn)定性隨著pH的增大而增大，在pH9左右，達(dá)到最大值70%，相比未改性的增大了2倍。

圖8 不同pH下蛋白起泡性和起泡穩(wěn)定性Fig.8 Foaming capacity and foam stability in different pH

3 結(jié)論

以粘度為指標(biāo)，得到了磷酸化改性小麥醇溶蛋白的最優(yōu)制備工藝，即多聚磷酸鈉添加量與小麥醇溶蛋白添加量之比為1∶2，反應(yīng)時(shí)間1.0h，反應(yīng)溫度25℃以及pH9.5。小麥醇溶蛋白經(jīng)磷酸后改性后，粘度、溶解度、乳化性及乳化穩(wěn)定性和起泡性及起泡穩(wěn)定性都有顯著提高。這可以說明小麥醇溶蛋白有可能作為新型的蛋白類增稠劑使用，要真正的應(yīng)用還需更進(jìn)一步地探索實(shí)驗(yàn)。

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Study on phosphorylated modification technology and properties ofwheat gliadin

ZHANG Li－bing，ZHAO Yan－yan*，JIANG Shao－tong
(School of Biotechnology and Food，Hefei University of Technology，Hefei230009，China)

Wheat g liad in p rotein was one kind of w idely used food add itive，in order to study the app lication in thickener，Sod ium polyphosphate was used to phosphorylate wheat g liad in w ith the viscosity index for the evaluation of sing le fac tor experiments and orthogonalexperimental，the functionalp roperties ofwheatg liadin after being phosphorylated was studied.The op timum cond itions were sod ium polyphosphate/wheat g liadin 1∶2 at25℃and pH9.5 for 1.0h.Com pared to the originalg liadin，the solubility，emulsib ility，em ulsion stability and foam ab ility of mod ified g liad in was im p roved obviously.

wheat g liadin;phosphorylated modify;viscosit

TS210.1

B

1002－0306(2012)12－0318－04

2011－10－19 *通訊聯(lián)系人

張利兵(1988－)，男，碩士研究生，研究方向:農(nóng)產(chǎn)品生物技術(shù)。

安徽省2008年科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2008A08010302209)。