超聲波改性對谷朊粉性質的影響

李國強 李曉明

（煙臺南山學院，山東煙臺265713）

小麥面筋蛋白由醇溶蛋白和谷蛋白組成，其中醇溶蛋白是一種單體蛋白，結構緊密呈球形，分子量較小,由-S-S-結構相連，水合后無彈性，具有很強的黏性、韌性。谷蛋白相對分子量較大，由分子內和分子外-S-S-組成，因此化合鍵力較強，賦予面筋蛋白良好的彈性。這兩種蛋白賦予了面筋蛋白粘彈的網絡結構特性，是其它動植物蛋白無以媲美的[1]。

當谷朊粉吸水經水合作用后形成一定網絡結構的濕蛋白，形成良好的黏彈性、熱穩定性、延伸性及乳化特性。但由于谷朊粉含有較多的疏水性氨基酸，分子內與分子間疏水作用區域較大，很難符合食品的加工需求。近些年，為了拓寬谷朊粉在食品生產和加工中的應用，國內外一些學者對谷朊粉分別進行了物理改性、化學改性、生物改性，取得了一定的研究成果。鑒于此，本文分析了超聲波改性對谷朊粉性質的影響，以期為谷朊粉在食品生產和加工中的應用提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

面粉，購于青島白櫻花實業有限公司；

金龍魚維生素A營養大豆油，購于益海（煙臺）糧油工業有限公司；

90 %乙醇、NaOH溶液、HCl溶液、85%（W/V）的磷酸均購于青州鑫海科技公司。

2.2 儀器設備

DHG-9070A烘箱，上海精宏實驗設備有限公司；

JJ-2組織搗碎勻漿機，金壇市精達儀器制造廠；

721 型紫外可見光光度計，上海光譜儀器有限公司；

TE612-L電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司；

LXJ-IIB離心機，上海安亭科學儀器廠；

電熱恒溫水浴鍋，龍口市先科儀器公司；

85 -2恒溫磁力攪拌器，北京華人新創科技有限公司；

超聲波清洗機，昆山市超聲波儀器有限公司；

pH酸度計，意大利HANNA；

冷凍干燥機，由青島農業大學組裝。

2.3 試驗方法

2.3.1 樣品處理

將40g水與100g面粉混勻后放入和面機中和成面團。然后將面團在流水上沖洗以去除其中的淀粉等物質，用碘液測試至不再變藍為止，即得到所需的小麥面筋蛋白，將其冷凍在-20℃下備用。

將待超聲波處理的小麥面筋蛋白放于燒杯中，浸沒在超聲波清洗器的水槽中，處理功率是350W、560W和 700W；處理時間依次為5min、10min、15min、20min。將小麥面筋蛋白冷凍干燥后將其磨成粉備用。

2.3.2 谷朊粉溶解性與持水能力的測定

取1g樣品加入100mL水，調節pH值，用恒溫磁力攪拌器室溫下攪拌20min，然后將混合物移入已稱重的離心管中，以3000r/min離心分離10min，將上清液移至100mL容量瓶中定容，將沉淀物稱重，用考馬斯亮藍法測定蛋白質的含量。小麥面筋蛋白持水性和蛋白質溶解性分別用式（1）和式（2）計算

式（2）中，P1為每1mL上清液中蛋白質的質量，g/mL；

M為樣品水分，%；

Pr為樣品中粗蛋白質量分數，%；

PS即為蛋白質溶解度[2]，g/mL。

2.3.3 乳化性質的測定

取1g谷朊粉樣品，用水溶解并調節不同的pH值，然后定容至100mL，取100mL樣品溶液和100mL大豆色拉油混合，以8000r/min轉速攪打90s，將攪打后的樣品在4000r/min下離心20min，測量試管中上層乳化層的高度和下層液體的高度。在20℃下重復實驗3次，取相近的數值以平均值作為測定結果。按公式（3）計算蛋白的乳化能力EA：

式（1）中，W為樣品的質量，g；

W1為沉淀物的質量，g；

WR為持水能力。

將乳化后的樣品置于80℃水浴鍋中，加熱30min后，立即用冷凝水冷卻至室溫，然后在4000r/min下離心20min，測量離心管中上層乳化層的高度，在20℃下重復試驗3次，取相近的數值以平均值作為測定結果。按公式（4）計算蛋白的乳化穩定性ES：

2.3.4 起泡性的測定

取1.000g蛋白樣品，用水溶解并調節不同的pH值，然后定容至100mL，在組織搗碎機中以8000r/min速度攪打混合2min，將乳化液轉移到量筒中。

用乳化層的體積（cm3）表示樣品的乳化能力，樣品的乳化層體積降低一半的時間（min）表示樣品的乳化穩定性。

3 結果與討論

3.1 溶解性與持水性

3.1.1 pH對谷朊粉溶解性與持水性的影響

由圖1可知，谷朊粉的溶解性隨pH呈現“U”形，在酸性條件下，谷朊粉溶解性隨著pH值的增大而減小；在堿性條件下，谷朊粉的溶解性隨pH的增大而增大，而在pH=6的中性條件下谷朊粉溶解性最低。這主要是因為谷朊粉的等電點在pH5～8之間，在此條件下蛋白質發生凝聚沉淀，溶解度變差[3]。在酸性或堿性條件下，偏離了谷朊粉的等電點，蛋白質分子帶凈電荷，產生電荷排斥促進了谷朊粉在水溶液中的溶解度。

圖1 pH對谷朊粉溶解性與持水性的影響Fig.1 Effect of pH value on solubility and water retention of wheat gluten

圖1顯示，谷朊粉的持水性隨pH的變化較為平緩，pH值在5～8之間，持水能力較低；pH值較低和較高時，持水能力較高。

3.1.2 超聲波改性對谷朊粉溶解性與持水性的影響

圖2 超聲波處理功率和時間對谷朊粉溶解性(a)以及持水性(b)的影響Fig.2 Effects of ultrasonic power and treatment time on the solubility(a)and the water retention ability(b)of wheat gluten

蛋白質的吸水性與持水性是產品質量控制的一項重要指標，生產的優質活性谷朊粉，水合作用后要吸收接近于其自身重量2倍的水分，國內活性谷朊粉的吸水率在150%～180%[4]。在本實驗中，由圖2(a)可知，隨著處理時間的延長谷朊粉的溶解性逐漸增加；超聲波處理功率越大，其溶解性越大。由圖2(b)可知，隨著超聲波處理時間的延長，小麥面筋蛋白持水性逐漸下降。

這可能是因為超聲波處理后，谷朊粉蛋白質的表面疏水性發生了明顯變化，當谷朊粉蛋白發生折疊時，其蛋白表面疏水性降低；當谷朊粉蛋白伸展時，其蛋白表面疏水性增加[5]。

3.2 乳化性及乳化穩定性

3.2.1 pH值對谷朊粉乳化性的影響

圖3 pH對谷朊粉乳化能力和乳化穩定性的影響Fig.3 Effect of pH on emulsion capacity and emulsion stability of wheat gluten

如圖3所示，谷朊粉的乳化性以及乳化穩定性的曲線呈現“U”型，即在較低pH時，谷朊粉的乳化性及乳化穩定性隨pH的升高而降低；在pH=6時，乳化性以及乳化穩定性最低；在較高pH時，乳化性以及乳化穩定性隨pH的升高而升高。其趨勢跟小麥面筋蛋白的溶解度的曲線相似。

這可能是因為pH對于乳化性以及乳化穩定性的影響是間接的，通常是通過影響溶解度、結構、表面特性來實現的。因此pH對冷凍干燥小麥面筋蛋白的乳化性以及乳化穩定性曲線與pH對溶解度的曲線相似。

3.2.2 超聲波功率和處理時間對谷朊粉乳化性與乳化穩定性的影響

圖4 超聲波功率和時間對小麥面筋蛋白的乳化性(a)以及乳化穩定性(b)的影響Fig.4 Effects of ultrasonic power and treatment time on the emulsifying activity(a)and the emulsifying stability(b)of wheat gluten

由圖4(a)可知，隨著超聲波時間的延長，谷朊粉的乳化性逐漸增加；由圖4(b)可知超聲波處理的谷朊粉的乳化穩定性略有下降，350W超聲波處理的谷朊粉的乳化穩定性最高。

這可能是因為超聲波的處理使蛋白質分子的緊密構象破壞，使包埋于分子內部疏水性氨基酸側鏈基團暴露，在乳化體系形成易溶性的脂類復合物，使谷朊粉的乳化性提高。但是谷朊粉的水解時間延長，其水解度也在增大，包裹在油滴表面的肽段變小，油滴表面的保護層越來越薄，最終導致了乳化性的降低[6]。較低的超聲波處理功率使得冷凍干燥的小麥面筋蛋白的乳化穩定性較高，其原因可能是，經超聲波處理后，小麥面筋蛋白分子柔性降低，乳化穩定性也隨之降低[7]。

3.3 起泡性及起泡穩定性

3.3.1 pH值對谷朊粉起泡性、起泡穩定性的影響

圖5 pH值對谷朊粉起泡性、起泡穩定性的影響Fig.5 Effect of pH value on foam ing ability and foam ing stability of wheat gluten

由圖5可知，冷凍干燥小麥面筋蛋白的起泡性隨pH的變化不顯著。在pH<6時，冷凍干燥小麥面筋蛋白起泡性隨著pH的增大而減小；pH=6時，起泡性最小；pH>6時，冷凍干燥小麥面筋蛋白的起泡性隨著pH的增大而增大。

冷凍干燥小麥面筋蛋白的起泡穩定性則隨著pH的變化顯著。在pH<8時，冷凍干燥小麥面筋蛋白起泡穩定性隨pH的增大而增大；pH=8時，起泡穩定性最大；pH>8時，冷凍干燥小麥面筋蛋白的起泡穩定性隨pH的增大而減小。

這可能是因為，在pH=6時，冷凍干燥小麥面筋蛋白的溶解度最低，較低的溶解度影響了其起泡性。pH=8時，起泡穩定性最大，這是因為在此pH下蛋白質內部靜電斥力最小，通過非共價鍵相連的蛋白質分子之間的凝聚力最大，且蛋白質水合作用造成其吸附力在空氣與水的界面更大，這增加了泡沫薄膜厚度并提高了泡沫薄膜的流變力學性能[8]。

3.3.2 超聲波功率和時間谷朊粉起泡性、起泡穩定性的影響

由圖6(a)可知，谷朊粉的起泡性隨著處理時間的延長先增大后減小，處理功率越大起泡性越強，在700W處理10min時起泡性達到最大值。由圖6(b)可知，冷凍干燥小麥面筋蛋白的起泡穩定性隨著處理時間的延長而降低，超聲波處理功率越大，冷凍干燥小麥面筋蛋白的起泡穩定性越小。

圖6 超聲波功率和時間對冷凍干燥小麥面筋蛋白起泡性(a)及起泡穩定性(b)的影響Fig.6 Effects of ultrasonic power and treatment time on the foam ing capacity(a)and foam ing stability(b)of wheat gluten

這可能是因為隨著超聲波功率和處理時間進一步延長，谷朊粉蛋白分子表面疏水性降低，這樣由蛋白分子間相互作用形成的穩定網絡結構和界面膜遭到破壞，產生的泡沫界面膜由于缺乏韌性而容易破裂。因此，小麥面筋蛋白的起泡性開始下降[9]。

4 結論

1）pH值為3～12范圍內，谷朊粉的溶解度、持水特性、乳化特性、乳化穩定性及起泡特性呈現“U”型，pH6時值最小，起泡穩定性先增大后減小，在pH8時值最大。

2）隨著超聲波處理處理時間的延長，谷朊粉的溶解度、起泡穩定性、乳化穩定性均逐漸降低，350W處理時較大；冷凍干燥小麥面筋蛋白的持水性隨著處理時間的延長而先降低后增加，在5min時達到最低點，700W處理時值較大；冷凍干燥小麥面筋蛋白的乳化性、起泡性隨著超聲波時間的延長先略有增加后又降低，在5min時達到最高點，700W時值較大。

[1]RogersW J,Payne PI,Seekings JA,etal.Effecton breakmaking quality of x-type and y-type high molecular weight subunits of glutenin[J].JournalofCerealScience,1991(14):209-211.

[2]李迎秋,陳正行.高壓脈沖電場對大豆分離蛋白功能性質的影響[J].農業工程學報,2006,22(8):194-198.

[3]TEBAPDIN JY.Functionalpropertiesofenzymatically hydrolyzed glutens[J].Gluten Proteins,1990(4):27-280.

[4]馬凡賽,周大捷,夏明珊.小麥活性小麥面筋蛋白理化指標的剖析[J].糧食與飼料工業,1993,15(4):51-53.

[5]Wang X S,Tang C H,Li B S,et al.Effects of High-pressure Treatment on Some Physicochemical and Functional Properties of Soy Protein Isolates[J].Food Hydrocolloids,2008,22(4):560-567.

[6]張根生,岳曉霞,李繼光,等.大豆分離蛋白乳化性影響因素的研究[J].食品科學,2006(7):48-51.

[7]賈俊強,馬海樂.超聲波處理對麥胚清蛋白結構和功能性質的影響[J].過程工程學報,2009(9):107-112.

[8]Kinsella JE.Functionalpropertiesofsoy proteins[J].Journalof the American OilChemists’Society,1979,56(3):242-258.

[9]郭鳳仙,熊幼翎,何志勇,等.熱處理對大豆分離蛋白功能特性的影響.食品與機械,2009(11):9-11.