不同加工方式對面筋蛋白的影響

王 立， 周若昕， 李 言， 錢海峰， 張 暉， 齊希光， 吳港城

（江南大學 食品學院，江蘇 無錫 214122）

中國是世界上最大的小麥生產國，產量約占全球總產量的17%，2012—2013年度小麥總產量突破1.2億噸，其后一直保持該水平[1]。小麥作為重要的糧食作物，一般加工成各種面制品食用，如饅頭、面條、面包、餅干等。小麥粉中蛋白質質量分數約為12%～15%，其中大部分蛋白質在加工過程中可形成獨特的面筋網絡結構，其品質與小麥制品品質密切相關[2]。面制品加工過程中，常用到發酵、擠壓、油炸、冷凍等加工技術，不同的加工方法制備的產品具有不同的口感與風味。冷凍加工中一般是將面制品制成成品（大多為冷凍面團），采用冷凍技術延長其保質期，解凍后進一步熟化食用[3-4]，如冷凍餃子、饅頭、餛飩、包子以及生產面包所用的冷凍面團等，約占冷凍食品總量的30%以上[5]。油炸加工是用油脂作為熱交換介質，使面制品發生一系列物化反應，如淀粉糊化，蛋白質變性，水分以蒸汽形式逸出，最終產品具有酥脆的特殊口感[6]，同時高溫也具有殺滅細菌、延長貨架期、提高營養成分消化率等作用[7]，如油條、麻花、沙琪瑪、方便面等。發酵加工是利用微生物使一些高分子物質，如淀粉、蛋白質、纖維素等，降解為低分子糖、氨基酸、醇類等易被人體消化和吸收的物質，從而提高最終產品的營養價值[8]，主要包括蒸制和焙烤兩類產品，如饅頭、花卷、蒸糕、面包、披薩等產品[9]。擠壓加工通過高壓、高溫和機械剪切，食品原料迅速潤濕、膨脹、熟化，使得食品成分的功能特性改變[10-11]，時間短，生產率高，能有效保留或改善面團的感官和營養特性[12]。

在冷凍、油炸、發酵、擠壓這4種加工方法在實際生產過程中，均能顯著影響面筋蛋白的理化性質，但缺乏對其機理的研究，有待更為深入的探索。作者主要綜述了冷凍、油炸、發酵、擠壓在面制品中的應用，分析了在加工過程中面筋蛋白所受到的作用及其機理，以期為面制品的深入開發提供一定的參考。

1 冷凍加工對面筋蛋白的影響

冷凍技術是食品加工和保存中最重要的單元操作之一，幾乎所有的食品，包括半成品和預制品都可以通過冷凍來保存[13]。面制品常溫保質期較短，且易發生一些化學和物理變化，甚至發霉、變質[14]。而冷凍面制品具有便于冷藏、運輸、能夠標準化生產等優點，越來越受到青睞[5]。但冷凍面制品也存在蒸煮質量差、抗凍裂能力弱、微生物超標等質量問題[15]。大量研究表明，冷凍對面筋蛋白以及最終產品品質有重要影響，因此，研究冷凍對面筋蛋白的影響對于冷凍面團技術和最終產品質量有重要意義。

1.1 面筋蛋白結構的變化

研究發現冷凍面制品質量下降主要是由于冷凍過程破壞面筋蛋白網絡結構[16]。從能量的角度來看，蛋白質總是處于最低能量狀態，以保持在新環境中的相對穩定。一旦暴露于冷凍環境，蛋白質就會自行折疊或展開導致構象變化進而變性。Zhao等人[17]發現冷凍面團在儲存過程中面筋蛋白的相對分子質量和回轉半徑減小，說明面筋蛋白在此期間發生了解聚變性，他們發現谷朊粉貯藏120 d后高相對分子質量的麥谷蛋白質量分數下降了40.83%，表明冷凍面團的面筋已經降解從而破壞了面筋網絡。面團中的面筋蛋白網絡結構是一個多孔基質，在水合之后，孔隙被水填充，冷凍后則被冰晶填充。在低溫收縮過程中，分離相鄰冰晶的蛋白質間質區域變小，導致面筋蛋白微觀結構受到機械損傷[18]。蛋白質和水分子在冰晶積壓作用下產生位移，彼此接近后產生凝聚沉淀反應[19]。Berglund等人[20]認為在面團凍融過程中，面團的結構性變化導致了面筋網絡的破壞，而面筋結構的破壞主要體現在二級結構的變化上，涉及二硫鍵、氫鍵和疏水性相互作用的復雜相互變化[21]。有研究表明[22]α-螺旋結構會部分轉變為β-轉折和β-折疊結構，使得面筋網絡結構變得不穩定。王世新等人[23]發現面團經冷凍以后，淀粉和蛋白質的線性分子重新排列并通過氫鍵使面筋網絡結構發生改變。

冷凍加工會破壞面筋蛋白網絡結構，進而導致面團的持氣能力下降、營養物質和酵母代謝產物的擴散受到限制[24]。劉亞楠等人[25]實驗發現在小麥粉中添加質量分數2%的面筋蛋白，能使冷凍面團形成更多更強的面筋網絡結構，以此提高冷凍過程中抗重結晶破壞能力。Kontogiorgos等人[26]報道零度以下的高水分含量蛋白質體系（包括肌紅蛋白、血紅蛋白、溶菌酶、麥谷蛋白），在冷卻過程中玻璃化，對面筋蛋白網絡結構傷害小，他們將這一現象歸因于水與蛋白質的相互作用，認為這些相互作用增加了水合結構中原子-原子間相互作用。

1.2 面筋蛋白表面疏水性的變化

趙雷[27]發現面團在凍融過程中，可以在較短時間內發生重結晶，同時氧氣與面團接觸也會通過破壞分子間二硫鍵而造成麥谷蛋白分子的解聚。二硫鍵斷裂會破壞面筋蛋白的結構，使面筋蛋白分子構象發生改變，導致分子內部一些疏水基團暴露，顯著提高面筋蛋白的表面疏水性[28]。Schofield等人[29]觀察到麥谷蛋白亞基部分緊密折疊，并通過芳香族和脂肪族側鏈的疏水基團相互作用而結合，導致蛋白質疏水性增大。冷凍加工處理后面筋蛋白疏水基團暴露，導致蛋白質熱穩定性變差、無序結構減少。Wang等人[30]認為在冷凍儲存期間，小麥蛋白質更多的疏水性結合位點暴露，導致蛋白質基質和水之間的關聯減弱。凍藏誘導α-螺旋結構向無規則卷曲結構轉變，使分子鏈柔性變差，并降低蛋白表面疏水性，使蛋白質在氣液界面吸附能力變差。而Wang等人[31]發現凍藏后麥谷蛋白和麥醇溶蛋白的α-螺旋結構含量分別下降了17.57%和23.44%，同時，麥谷蛋白和麥醇溶蛋白的β-折疊結構含量增加了8.89%和10.49%，麥谷蛋白和麥醇溶蛋白的β-轉折結構含量增加了10.27%和11.60%，表明冷凍保存不利于α-折疊結構，同時β結構的增多也意味著蛋白質成為了疏水性更強的剛性結構。小麥面筋蛋白更多的疏水部分暴露，導致其吸水能力較低，面團中水流動性較高，使得蛋白質變性溫度升高。

冷凍工藝是影響冷凍面制品品質的關鍵因素，目前相關的研究主要集中在冷凍對面筋蛋白二級結構以及面筋網絡結構的影響，但是面團是個復雜體系，除面筋外的其他成分（如木聚糖）都在面團中發揮重要的作用，有待深入研究。

2 油炸加工對面筋蛋白的影響

油炸是以高溫油脂為介質，使物料在高溫下快速脫水并熟化的過程[32]。面制品油炸過程中，蛋白質和其他成分會發生物理化學變化或互相作用而產生特殊風味[33]。油炸面制品種類繁多，如沙琪瑪、方便面、油條、麻花等[34]。隨著人們對健康意識的加強，越來越多的研究人員關注油炸面制品中較高的含油量、可能的毒害物質以及油炸過程中營養素破壞等問題[35]。研究表明，面筋蛋白在其中起到很重要的作用，因此，研究油炸對面筋蛋白品質的影響有重要意義。

2.1 面筋網絡結構增強

油炸過程中的高溫，會改變蛋白質等營養素的結構，破壞蛋白質的氨基酸鏈，引起氨基酸之間相互作用形成凝膠網絡的球形聚集體[36]。Anderson等人[37]發現面團經油炸后，游離巰基含量的下降與二硫鍵含量的上升不平衡，推測高溫油炸使半胱氨酸殘基形成分子間C-S鍵。張媛[38]發現油炸過程中，小麥蛋白α-螺旋的含量下降，而β-折疊含量上升，蛋白質有序結構含量增加，無序結構含量減少，蛋白質骨架更穩定，面筋網絡結構強度增強。Chen等人[39]認為油炸過程中面筋蛋白能形成熱塑性薄膜，可以有效防止食物內的水蒸發。Jamshid等人[40]認為面筋形成過程中，在其網絡結構中容納的空氣和水，能增大蛋白質薄膜的機械強度。Bouchon等人[41]認為油炸后糊化的淀粉填充在變性的蛋白質中[36]，形成強度更大、更有彈性的蛋白質網絡，使面糊殼層滲透性變差，從而最終產品的油脂殘留量少，這與Gazmuri等人[42]的研究結果一致，他們發現面筋含量較高的油炸面制品中含油量明顯低于面筋含量低的。張媛[38]發現油炸之后，谷蛋白大聚體（GMP）的提取率大幅上升，推測高溫油炸使蛋白質發生熱變性，低相對分子質量蛋白質或單體蛋白質聚集形成蛋白質大聚體。GMP與面筋強度關系密切，其含量越高，面筋的強度和彈性越大[43]。安紅周等人[44]發現，油炸之前在面團中添加乳化劑，與淀粉形成復合物來抑制淀粉老化。而未老化的淀粉能與面筋蛋白結合，促使蛋白質聚集，從而面團網絡結構更加均勻[45]。

2.2 面筋蛋白營養價值下降

油炸使蛋白質分子通過共價健形成大聚合物，使提取率下降。師俊玲[46]發現，蛋白質在高溫下熱變性，麥谷蛋白的提取率急劇下降。氧化的脂類分子如過氧化氫、羰基和環氧化物易與胺、硫醇族的蛋白質反應生成大分子，使油炸面制品消化率下降[47]。氨基酸、多肽、蛋白質的游離氨基與還原糖的羰基發生美拉德反應，賦予食品金黃色澤和獨特香味[48]，同時參與反應的氨基酸可利用性和蛋白質的消化率下降。有研究發現[49]，植物蛋白油炸過程產生的多環芳烴化合物可能引起呼吸道癌癥。面制品中高含量的還原糖和天冬酰胺通過美拉德反應生成了丙烯酰胺[50]。然而，Huang等人[51]發現發酵會降低油炸面團中的丙烯酰胺含量，他們推測是由于酵母減少了面團中游離天冬酰胺含量從而限制了丙烯酰胺的形成。

目前油炸過程中面筋的變化，主要集中在利用面筋蛋白網絡的成膜性開發新型油炸食品外裹層材料，以及油炸可能導致最終產品含有某些毒害物質等方面。關于油炸對面筋蛋白二級結構的影響及面筋蛋白與其他組分相互作用的研究較少，有待后續深入研究。

3 發酵加工對面筋蛋白的影響

發酵技術是利用微生物的發酵作用，運用一些技術手段控制發酵過程，大規模生產發酵產品的技術[52]。發酵能抑制微生物腐敗、增加面團體積、延緩老化、改善面制品風味、降低產品血糖指數以改善其營養質量[53]。小麥蛋白與水結合形成面筋網狀結構，在發酵過程中容納CO2氣體，膨脹成海綿狀結構[54]。研究表明，影響面團發酵的因素不僅是蛋白質含量，更是蛋白質質量[55]。因此，研究發酵、微生物的代謝活動對面筋蛋白的影響，可以為生產高品質發酵面食提供依據。

3.1 蛋白質與其他組分相互作用

在發酵過程中，蛋白質和面團中的還原糖、脂質、維生素等組分反應生成復合物，改變了蛋白質的溶解性[56]。研究發現[55]，在面團攪拌過程中，蛋白質和內源極性半乳糖脂相互作用，形成復合物。Steertegem等人[57]認為面筋蛋白在淀粉顆粒周圍相互交聯，形成面筋網絡屏障以減少淀粉受損。張一[58]發現發酵過程中，蛋白質和維生素B6、還原糖發生化學反應。Nutter等人[59]發現蜂蜜使面筋蛋白亞基之間鍵合更緊密，面筋網絡結構強度增強。面團發酵常加入氯化鈉，中和麥谷蛋白上的電荷，減少蛋白質之間的靜電排斥，影響麥谷蛋白之間的氫鍵和疏水相互作用而使其β結構增多，進而形成更緊密有序的面筋網絡結構[60]。研究發現[61]，全麥面團中阿拉伯木聚糖與面筋蛋白通過阿魏酸與麥谷蛋白的酪氨酸-酪氨酸鍵合，進而阻礙面筋網絡的形成。

3.2 蛋白質的分解

王香玉[62]報道面團發酵過程中，面筋蛋白發生一定程度解聚，面筋蛋白網絡從粗糙、不均勻變得連續、均勻，具有良好的延展性和粘彈性。Wang等人[63]發現，發酵初期氣泡不斷擠壓面團，形成粗糙、不均勻的面筋網絡結構，隨著發酵的進行，面筋蛋白不斷展開重聚，形成均勻、緊密的面筋網絡。劉長虹等人[64]發現在發酵過程中，酵母產生乙醇，部分溶解麥醇溶蛋白，而麥谷蛋白也因氧化、醇和酸作用而減弱分子間的作用。Gerez等人[65]報道，乳酸菌產酸降低酸面團的pH，激活內源蛋白酶，使其水解麥谷蛋白、解聚GMP、增大面筋網絡的強度，進而改善面團的粘彈性。Rizzello等人[66]發現麥谷蛋白的降解程度與發酵時間成正比。Thiele等人[67]發現，發酵過程中pH下降激活天然酶類，使蛋白質水解。李永強[68]發現，GMP提取率下降的原因可能是蛋白質鏈間的二硫鍵或氫鍵斷裂，形成低相對分子質量蛋白質。研究發現[58]，面團發酵過程中很偶然會發生斯蒂克蘭降解，少數厭氧梭菌能利用蛋白質分解的氨基酸作碳源、氮源和能源。

發酵過程中，蛋白質被分解為小肽和氨基酸，改善了發酵面食的口感、風味、質構。氨基酸和小肽不僅可以影響發酵面食的風味，還通過微生物代謝或熱反應轉化為揮發性風味物質[69]。Thiele等人[70]發現，酸面團發酵過程中蛋白質水解為氨基酸，改善了面包風味。Siddiqi等人[71]發現，面團短時發酵過程中酵母產酸，酸性環境激活小麥中的酶如天冬氨酸蛋白酶和羧肽酶，水解蛋白質為多肽。Salmenkalliomarttila等人[72]發現，黑麥酸面團發酵過程中，內源性蛋白酶特別是天冬氨酸蛋白酶會水解黑麥蛋白來產生特殊的風味前體物質——氨基酸和小肽。Thiele等人[73]發現，微生物會影響小麥蛋白質水解產生的多肽聚合度大小。Cagno等人[74]認為乳酸菌促進了小麥蛋白質的水解。異型發酵乳酸桿菌酸化面團并減少了面筋蛋白的二硫鍵含量，增加面筋蛋白的溶解度，使面筋蛋白更易被酶解[75]。無微生物作用時，蛋白質水解產物大多為多肽；乳酸桿菌存在的情況下，則主要是相對分子質量較小的二肽和氨基酸。植物乳酸菌發酵的酸面團降解蛋白質，提高人體對蛋白質的吸收利用率，改善了發酵面食的營養價值[76]。

發酵面食歷史悠久，國內外已開展較多研究，主要圍繞面筋蛋白與其他組分相互作用形成網絡結構，以及發酵過程中降解面筋蛋白以提高發酵面食的營養價值等方面。而對新型面團發酵技術、酵母的選育等方面研究較少，有待后續深入研究。

4 擠壓加工對面筋蛋白的影響

擠壓是指經預處理后的物料經過高溫、高壓和剪切處理，最后通過模具而形成一定形狀和組織狀態的產品過程[77]。擠壓過程中包括蛋白質在內的多種組分發生物理化學變化或相互作用，會形成特殊的組織結構[78]，可用于生產富含營養、風味多樣化、食用方便的新型食品[79]。這一技術目前已被廣泛用于一系列食品的生產，如早餐麥片、肉類替代品、嬰兒輔食、零食小吃等[80]。大量研究表明，擠壓對面筋蛋白以及最終產品品質有重要影響。

4.1 蛋白質與其他組分相互作用

擠壓過程中，蛋白質展開，與其他成分交聯形成新的結構，如淀粉-蛋白質復合物、蛋白質-脂質復合物[81]。Teresai等人[82]發現，蛋白質-脂質復合物的存在減少了脂質與淀粉的結合，增加了最終產品的熔融粘度。杜雙奎等人[83]發現在擠壓過程中生成的脂肪復合體，脂肪受到淀粉和蛋白質的保護，能有效降低其被氧化的速度和程度，從而延長產品的貨架期。Mario等人[84]發現在擠壓加工中，淀粉大顆粒被面筋蛋白與小分子淀粉顆粒結合的基質包裹，形成緊密的結構。Cabrera等人[85]發現，在擠壓過程中，蛋白質的變性加強了與淀粉、脂肪等組分的復合程度，改善了產品的質構特性。

Peighambardoust等人[86]剪切處理小麥蛋白質和淀粉的混合物發現，淀粉顆粒均勻分布在面筋網絡中。若擠壓過程中有大量淀粉存在，糊化的淀粉與蛋白質結合，影響分散系數 （PDI值）的測定[83]。Fabrizio等人[87]認為水分影響面團的面筋網絡形成，同時在擠壓過程中起到潤滑作用。Maud等人[88]認為在高溫干燥條件下擠壓面制品，可以增大蛋白質網絡結構的強度，進而包裹淀粉不被酶分解。

4.2 蛋白質聚合與交聯變性

擠壓過程中，蛋白質發生了許多變化，其中最重要的是變性[89]。蛋白質受到擠壓機腔內高溫高壓及強機械剪切作用，其表面電荷重新分布且趨于均一化，二硫鍵被部分還原為巰基，蛋白質分子間鍵重排使蛋白質聚集、組織化和變性。Rebello等人[90]發現在擠壓面粉中蛋白質的降解和交聯是以氮和硫為中心的自由基作為重要介質。李誠等人[91]發現小麥蛋白在擠壓過程中發生了變性和分子間重排，形成了具有類似肉質特性的纖維化結構。剪切速率低，蛋白質分子隨機排列，剪切速率高，蛋白質在剪切方向上排列，進而降低面團的粘度[92]。擠壓過程中，面筋蛋白在熱剪切、摩擦等作用下，維持網絡結構的交聯鍵被破壞，蛋白質呈線性、活性基團暴露的狀態，高壓作用下，蛋白質重新交聯，形成具有各向異性的纖維結構和分層結構[93]。Osen等人[94]認為蛋白質由于壓力和溫度的共同作用，在擠出方向上重新排列形成各向異性的面筋蛋白網絡。張丙虎等人[95]發現，麥谷蛋白含量越高，擠壓的最終產品黏聚性越高，硬度越高，但組織化程度變低。

杜雙奎等人[83]發現蛋白質經擠壓加工變性后，原先在分子內部的疏水性氨基酸殘基暴露，使擠壓蛋白在水合體系中的溶解性降低，蛋白質的分散指數（PDI值）下降。Mei等[93]發現，擠壓最終產品中蛋白質溶解度的降低，可能是蛋白質分子間二硫鍵和疏水相互作用導致小麥蛋白質聚集、相對分子質量增加而造成的。Ke等人[96]發現，在擠出過程中，蛋白質通過加熱筒和剪切螺絲而受到熱應力和機械應力，其天然結構發生改變，形成可溶性/不溶性聚集體。Maud等人[88]發現，擠壓過程中的高溫能促進蛋白質通過肽間交聯或美拉德反應，生成穩定的不可逆蛋白質聚集體。Pietsch等人[97]認為不同擠壓螺桿斷面得到的產品中小麥面筋聚合度不同，進而影響最終產品品質。

4.3 蛋白質營養價值提高

擠壓產品的蛋白質消化率高于非擠壓產品，可能是因為蛋白質變性和阻礙消化的抗營養因子的失活[98]。Maurya等人[99]發現，在擠壓過程中蛋白質的變性提高了其消化率，并使面粉中的抗營養因子失活。Rathod等人[100]認為擠壓破壞酶、抗營養因子，特別是抑制蛋白質消化率的抗營養因子，如胰蛋白酶抑制劑，血凝素，單寧酸和肌醇六磷酸鹽，提高蛋白質的營養價值。Shivendra等人[98]發現，提高擠出溫度能增大面粉中蛋白酶抑制劑的失活程度，進而提高蛋白質的消化率。Bhattacharya等人[101]發現增加螺桿速度以增大剪切力，能使蛋白質更易變性，并提高其消化率。

圍繞擠壓面制品方面的研究主要集中在調整配方、優化工藝以提高擠壓面制品的營養價值和改變產品風味等方面[102]，在擠壓對面筋網絡結構行為方面的研究，還有待深入研究。

5 展 望

冷凍、油炸、發酵、擠壓作為面制品常用的加工方法均對面筋蛋白的理化性質產生影響，所以了解不同加工方法對面筋蛋白的物化性質產生的影響及加工過程中面筋蛋白與面粉中其他組分之間的相互作用，深入研究其作用機理并優化調控加工方法，對于改善和控制面制品產品品質及對其進行進一步開發具有深遠的意義。

雖然目前已經有較多關于面筋蛋白的相關研究，但仍存在一些問題：（1）目前關于加工技術方面的研究主要集中在其對面筋蛋白性質的影響，而面筋蛋白性質發生的變化對后續產品品質的影響還有待進一步的研究。（2）部分加工手段使面筋蛋白消化率下降、發生的副反應可能產生有害副產物，缺乏如何改進加工工藝對其進行有效控制方面的研究。（3）在加工過程中，主要研究關于淀粉-面筋蛋白的相互作用，食品體系中其他食品組分與面筋蛋白的相互作用的相關研究較少。

針對上述存在的問題，建議今后可以圍繞以下方面開展研究：（1）結合面筋蛋白對食品品質的影響，深入研究加工手段、面筋蛋白性質、產品品質三者之間的關系。（2）圍繞實際體系中的各種組分，模擬實際加工過程，研究其相互作用，并探究這些變化對產品品質的影響。（3）不同加工手段對面筋蛋白營養品質會有不同的影響，分別對其進行研究以明確其調控機制。