小麥粉中水溶性阿拉伯木聚糖對面筋蛋白黏彈性的影響

馬福敏 郭乃菲 徐美玲 郭小瑞 謝 明

（遼寧中醫(yī)藥大學(xué)，大連 116600）

小麥粉加入適量的水揉搓成面團(tuán)后，放置30～60 min，用清水洗揉面團(tuán)，直至洗出的水中不再含有淀粉，剩下的即為具有彈性的物質(zhì)，稱為面筋［1］。面筋中含80%～90%的蛋白質(zhì)（干基）。組成面筋的蛋白質(zhì)即為面筋蛋白，主要為醇溶蛋白（gliadin）和麥谷蛋白（glutenin），這2種蛋白的組成和結(jié)構(gòu)特征對面團(tuán)的黏彈性起很大作用，其作用受多種因素的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對面筋蛋白的結(jié)構(gòu)及其對面團(tuán)黏彈性和面包質(zhì)量的影響作了大量研究，但對面筋蛋白與小麥粉中其他重要組分的相互作用機(jī)理研究較少［2］。全麥粉中 AX含量是普通小麥粉中的3.5倍［3］，蛋白質(zhì)與AX之間的相互作用對面團(tuán)的黏彈性質(zhì)存在較大影響。Michniewics等［4］認(rèn)為AX和面筋蛋白之間的相互作用直接影響到面團(tuán)的黏彈性質(zhì)。Courtin等［5］研究發(fā)現(xiàn)高分子質(zhì)量的 WEAX可增大面包體積。Wang等［6］提出AX與面筋蛋白之間可能存在物理作用和化學(xué)作用，前者主要是AX與面筋蛋白之間的物理吸附，后者指面筋蛋白與AX之間通過阿魏酸（Ferulic acid，F(xiàn)A）形成化學(xué)鍵。

關(guān)于阿拉伯木聚糖（Arabinoxylan，AX）與面筋蛋白相互作用大多集中于用間接的方法推測兩者之間的相互作用，并且各學(xué)者就阿拉伯木聚糖與蛋白質(zhì)之間通過何種方式相互作用存在分歧［7］。

本研究通過測定面筋蛋白及面筋蛋白和AX混合體系的黏彈性，直接從宏觀上研究AX對面筋蛋白黏彈性的影響，對小麥粉加工具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與主要試劑

全麥粉:中糧鵬泰面粉有限公司；WEAX（純度93.10%）:自制；其他化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

MP2000D型電子天平:上海第二天平廠；501型超級恒溫水浴:上海實(shí)驗(yàn)儀器廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；UV—1100紫外可見分光光度計(jì):北京瑞利分析儀器公司；AR—1000流變儀:英國TA儀器公司；LGJ—50冷凍真空干燥機(jī):北京勤誠盛達(dá)科學(xué)儀器有限公司；微量定氮裝置:杭州科特華實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 全麥粉中WEAX的提取

根據(jù)周素梅［3］的方法并略作改動。

稱取脫脂全麥粉，過110μm篩，取篩下物以水∶面粉（1∶5）加入去離子水，室溫?cái)嚢?0 min，離心15 min（3 600 r/min），取上清液加熱（100℃，10 min），離心（8 000 r/min，20 min），上清液加硅藻土攪拌20 min，過濾，濾液煮沸，加入耐高溫α－淀粉酶和高轉(zhuǎn)化率糖化酶去除淀粉，超濾（截留分子質(zhì)量100 000 u），濾液用65%乙醇沉淀，4℃下過夜，離心（8 000 r/min，20 min），沉淀重新分散于水，用 60%的乙醇沉淀，4℃下過夜，離心（8 000 r/min，20 min），沉淀重新分散于水，離心（8 000 r/min，20 min），收集上清液，冷凍干燥得WEAX。

1.3.2 全麥粉中面筋和面筋蛋白的提取

參照 Weegels等［8］和陸啟玉等［9］所采用的方法并稍加改動。稱取500 g全麥粉，過110μm篩，取300 g于不銹鋼和面盆中，加入一定量去離子水（室溫25℃），用手充分揉成面團(tuán)后，放到盛有200 mL蒸餾水的不銹鋼桶中，靜置20 min。然后用手輕輕揉洗，揉洗過程中盡量保持面團(tuán)完整。再經(jīng)過一系列蒸餾水揉洗將面筋組分分離出來。在每一步揉洗后，將乳狀液留存并通過500μm的篩網(wǎng)，收集小片的面團(tuán)或面筋，加回到面團(tuán)中。在揉洗完成后，洗出的面筋進(jìn)行冷凍真空干燥，得到面筋，備用。

1.3.3 蛋白質(zhì)含量的測定

微量凱氏定氮法，參照GB/T 5009.5—2003。

1.3.4 AX含量的測定

地衣酚 －鹽酸法［3］。

1.3.5 面筋蛋白及面筋蛋白－AX（G－AX）混合體系的黏彈性質(zhì)

1.3.5.1 樣品的制備

為研究水分含量對面筋蛋白和面筋蛋白－WEAX體系（AX與面筋蛋白的質(zhì)量比為1:20）黏彈性的影響，加水量分別為45%、50%、55%及57.5%（m/V）；分別在體系黏彈性達(dá)到最大時的水分含量下，使用不同濃度的NaCl溶液觀察離子強(qiáng)度對體系的黏彈性的影響。并在25～95℃的溫度范圍內(nèi)研究溫度對面筋蛋白－AX體系黏彈性的影響。

將面筋蛋白與AX按照上述比例加到5.0 mL的離心管中，加入不同濃度的NaCl溶液，按照Fessas等［7］所采用的方法，室溫下用鑷子攪拌5 min，手工揉搓5 min。面筋蛋白與WEAX混合得到的混合物記為G－WEAX。

1.3.5.2 蠕變試驗(yàn)

根據(jù)Stathopoulos等［10］的方法并略作改動。采用AR—1000流變儀，選用直徑20 mm，1°不銹鋼錐板測量系統(tǒng)。在25℃條件下保持恒定的應(yīng)力50 Pa（約30%應(yīng)變）100 s，撤去外力后樣品回復(fù)形變200 s。記錄0～300 s蠕變?nèi)崃浚↗）隨時間的變化。試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)的平均值。

1.3.5.3 小振幅振蕩動態(tài)流變性質(zhì)的測定

選用直徑20 mm，1°不銹鋼錐板測量系統(tǒng)，測試溫度設(shè)定為 25℃，頻率為 0～100 rad/s，應(yīng)變?yōu)?0%。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，將制備好的樣品置于AR1000流變儀的樣品臺上，夾具降至設(shè)定距離，輕輕刮掉周圍擠壓出來的多余樣品，用甲基硅油密封以防止水分蒸發(fā)。記錄G′和G″隨頻率的變化情況。溫度掃描在10.0 rad/s頻率下進(jìn)行，掃描范圍為25～95℃，升溫速率為1℃/min。試驗(yàn)結(jié)果取3次試驗(yàn)的平均值。測量數(shù)據(jù)用AR Instrument control version 1.0.74軟件分析。

1.3.6 理論數(shù)學(xué)模型

面筋蛋白及面筋蛋白－AX的黏彈性可用蠕變模型描述，蠕變模型是描述黏彈性物質(zhì)的流變性質(zhì)的基本力學(xué)模型，它由虎克模型和阻尼（黏壺）模型采用不同的方式組合而成。虎克模型（代表彈性）、阻尼模型（代表黏性）都是組成更為復(fù)雜模型的最基本的元件［10－11］。Maxwell模型由一個虎克模型和一個阻尼模型串聯(lián)而成，Kelvin—Voigt模型是由一個虎克模型和一個阻尼模型并聯(lián)而成，以上兩種模型被稱為兩元模型。兩元模型能表達(dá)黏彈性體系的某些流變性質(zhì)規(guī)律，但這2個模型不能完全描述實(shí)際的黏彈性體體系。為了更確切地用數(shù)學(xué)模型來描述實(shí)際黏彈性體的力學(xué)性質(zhì)，就需要更多的元件組成所謂的多元模型［12］。四元模型Burger模型是較多用于研究黏彈性體系的力學(xué)模型，它是由2個虎克模型和兩個阻尼模型組成，即一個Maxwell模型和一個Kelvin—Voigt模型串聯(lián)組成［13］，如圖 1。

圖1 Burger模型

根據(jù)流變學(xué)的Burger模型，蠕變?nèi)崃颗c蠕變時間的關(guān)系可以用以下公式來表示［14］:

式中:J（t）為時間為t時樣品總的柔量；G0為瞬時彈性模量；G1為延遲彈性模量；η0為殘余黏度（residue viscosity）；η1為固有黏度（internal viscosity）。

1.3.7數(shù)據(jù)處理與繪圖

用軟件1stop1.0對蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Burger模型的擬合，用SPSS 11.0、Excel 2003處理數(shù)據(jù)，用軟件Origin 7.0和Excel 2003繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 面筋蛋白和G－WEAX混合體系的蠕變動力學(xué)

2.1.1 不同加水量的面筋蛋白的蠕變曲線

由于加水量是全麥面包制作過程中影響面團(tuán)黏彈性的一個重要因素，因此，在NaCl質(zhì)量濃度為4.0 mg/mL時，研究4個不同的加水量對面筋蛋白蠕變性質(zhì)的影響。面筋蛋白在不同加水量下的蠕變試驗(yàn)所得實(shí)際數(shù)據(jù)擬合公式1得各參數(shù)G0、G1、η0及η1值見表1。

由表1可以看出加水量在45%～55%時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合Burger模型的R2≥0.991 7，說明實(shí)際曲線與理論曲線擬合較好。當(dāng)加水量達(dá)到57.5%時，R2＜0.99，說明實(shí)際曲線與理論曲線存在一定的偏差。從表1看出面筋蛋白在加水量為50%時，G0、G1、η1達(dá)到最大值。說明加入50%水的面筋蛋白其彈性最大。這是由于蛋白質(zhì)分子可以充分伸展，彼此連接形成二硫鍵，形成凝膠強(qiáng)度較大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)加水量達(dá)55%時，η0增大，說明此時面筋蛋白黏彈性體系的黏度較大，而G0和G1明顯降低（P＜0．05），說明該體系彈性降低，凝膠強(qiáng)度減弱。繼續(xù)增大加水量，各參數(shù)值都顯著降低（P＜0．05），黏性彈性均降低。

表1 加水量對面筋蛋白和G－WEAX體系黏彈性的影響

2.1.2 不同加水量的G－WEAX的蠕變曲線

由G－WEAX在不同加水量下的蠕變試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)擬合公式1得各參數(shù)G0、G1、η0及 η1值見表1。

由表1可以看出在G－WEAX混合體系中加水量為45%時，G0、G1、η0及 η1均較其他加水量時高50%以上。在樣品的制備過程中，發(fā)現(xiàn)加水量為45%時，GWEAX混合體系較硬，并不顯示黏彈性，說明在此加水量下G－WEAX沒有形成典型的黏彈體系。這是由于加入WEAX時，WEAX的吸水性很強(qiáng)，因此，當(dāng)加入45%水時，WEAX競爭吸水，使面筋蛋白分子不能充分展開形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)加水量為50%時，G0、G1、η0及η1較45%時低，但比其他加水量時高，說明G－WEAX黏彈性均較強(qiáng)，且樣品制備的過程中，G－WEAX體系的感官黏彈性較好。繼續(xù)增大加水量，G0、G1、η0及η1低。由表1還可看出，在不同的加水量的情況下，GWEAX混合體系的G0、G1及η0高于面筋蛋白，其中η0增加最明顯（P＜0.000 1），可見WEAX能明顯提高面筋蛋白的彈性及黏性。黏性的增加是由于WEAX溶于水形成較高黏度的溶液，而彈性的增加可能是面筋蛋白與WEAX之間的相互作用引起的。

綜上所述，面筋蛋白及G－WEAX混合體系在加水量為50%時，呈現(xiàn)較好的黏彈性質(zhì)。

2.2 加水量對面筋蛋白及G－WEAX混合體系的動態(tài)流變性質(zhì)的影響

用流變儀對面筋蛋白和G－WEAX混合體系在不同含水量下進(jìn)行小振幅振蕩頻率掃描，結(jié)果見圖2。

圖2 加水量對面筋蛋白和G－WEAX黏彈性質(zhì)的影響

由圖2a和圖2b可看出，在掃描的頻率范圍內(nèi)，不同加水量的面筋蛋白和G－WEAX混合體系的G′和G″都隨頻率的增大而增大。由圖2a可以看出，面筋蛋白的加水量為45%時G′和G″較大，且在制備樣品的過程中，此加水量的面筋蛋白在感官上呈現(xiàn)黏彈性體系。隨著加水量增加至50%，G′和G″達(dá)到最大值，繼續(xù)增大加水量則G′和G″顯著降低（P＜0.05）。

加水量為45%時，制備G－WEAX樣品時，發(fā)現(xiàn)很難形成均一的黏彈性體系，而在頻率掃描的過程中，G′和G″遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他樣品（圖2b）。這一結(jié)果與蠕變試驗(yàn)結(jié)果一致。這是因?yàn)閃EAX的吸水性很強(qiáng)，蛋白質(zhì)和WEAX分子在此加水量時不能吸收足夠的水充分展開相互纏繞形成黏彈性體系。當(dāng)加水量提高到50%時，G′和G″較大，繼續(xù)增大加水量，則G′和G″明顯降低（P＜0.05），這是由于過高的加水量使分子間相互纏繞及交聯(lián)的幾率降低［15］。

2.3 溫度對面筋蛋白和G－WEAX混合體系黏彈性

在面包的制作過程中，溫度也是影響面團(tuán)黏彈性及面包品質(zhì)的重要因素之一。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，選取 NaCl質(zhì)量濃度為 4.0 mg/mL，加水量為50%的面筋蛋白及G－WEAX黏彈性體系進(jìn)行溫度掃描，結(jié)果見圖3。

在溫度掃描的過程中，面筋蛋白的G′和G″隨溫度的升高而降低，并且當(dāng)溫度為75℃左右時降至最低。這是由于蛋白質(zhì)受熱產(chǎn)生變性。

圖3 溫度對面筋蛋白和G－WEAX黏彈性質(zhì)的影響

當(dāng)加入WEAX時，G′隨溫度降低較面筋蛋白緩慢，即彈性對溫度的敏感性降低。可能是由于面筋蛋白與WEAX發(fā)生了相互作用，使得蛋白質(zhì)對溫度的穩(wěn)定性提高。

3 結(jié)論

3.1 由面筋蛋白、G－WEAX混合體系在不同加水量下的蠕變曲線擬合Burger模型，結(jié)果表明當(dāng)加水量為50%時，面筋蛋白、G－WEAX混合體黏彈性最佳。因而WEAX可顯著提高面筋蛋白的黏彈性（P＜0.000 1）。

3.2 由小振幅振蕩動態(tài)流變性質(zhì)的測定結(jié)果可知，面筋蛋白、G－WEAX混合體系混合體系在加水量為50%時，貯能模量和損耗模量達(dá)到最大。WEAX大大提高了面筋蛋白的凝膠強(qiáng)度。溫度掃描結(jié)果表明G－WEAX體系的G′隨溫度降低較面筋蛋白的緩慢，彈性對溫度的敏感性降低，蛋白質(zhì)對溫度的穩(wěn)定性提高。

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