聚葡萄糖對面筋蛋白功能特性的影響

謝新華 郝明遠 張 蓓 王 娜 張佳帆 尹 琦 武飛揚

(河南農業大學食品科學技術學院，鄭州 450002)

聚葡萄糖(Polydextrose, PD)是主要由葡萄糖無規則交聯的聚合體，還含有一些山梨醇端基和檸檬酸酯鍵，平均分子量在2 000左右，是一種水溶性膳食纖維。聚葡萄糖具有熱量值低、溶解度高、穩定性好等特性，已廣泛應用于飲料、乳制品、糖類巧克力、焙烤食品等領域[1-2]。Kocer等[3]研究發現具有良好乳化性的聚葡萄糖可以替代重油蛋糕中的糖與脂肪；Schirmer等[4]研究發現利用聚葡萄糖完全可以替代蔗糖應用于烘烤食品中，來降低食品的熱量，同時在貯藏過程中聚葡萄糖可提高面包柔軟性，是烘焙食品中重要的品質改良劑；林歡等[5]研究發現聚葡萄糖可以改善低鈉鹽香腸品質的品質，能增強香腸的保水性、硬度、咀嚼性和膠黏性。

小麥面筋蛋白主要有麥醇蛋白和麥谷蛋白組成，兩者的功能性質對面團有重要的影響，它們構成面筋軟膠骨架[6]。研究發現，隨小麥面筋蛋白的水合程度變化，其流變學特性、蛋白二級結構及空間網絡結構等均會發生改變[7-9]。為了解聚葡萄糖對面筋蛋白功能性質的影響，本實驗對添加不同含量聚葡萄糖的小麥面筋蛋白的持水率、水分子存在狀態、流變學特性、蛋白二級結構、微觀結構進行研究分析，為聚葡萄糖在面筋蛋白的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

谷朊粉(小麥面筋蛋白)，蛋白質量分數為79%；聚葡萄糖Ⅲ型。

Micro型核磁共振成像分析儀、DHR-2旋轉流變儀、TENSOR Ⅱ 型傅里葉紅外光譜儀、Quanta FEG 250型發射掃描電鏡。

1.2 方法

1.2.1 小麥面筋蛋白持水率的測定

取面筋蛋白粉1.0 g緩慢加入到10 mL的不同濃度的聚葡萄糖溶液中(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m:m)，為避免面筋蛋白加入時結塊，采用漩渦振蕩的方式。面筋蛋白與聚葡萄糖溶液混勻后在20 ℃靜置3 h，10 000 r/min離心15 min，棄去上清液后稱重，每個樣品3次平行。面筋蛋白的持水率按公式計算[10]：

式中：M1為面筋蛋白粉質量/g；M2為離心管質量/g；M3為濕的面筋蛋白+離心管質量/g。

1.2.2 小麥面筋蛋白水分子存在狀態的測定

準確稱取1.0 g面筋蛋白采用漩渦振蕩的方式分別緩慢加入到1.5 mL不同濃度聚葡萄糖溶液(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)，參照WANG等[11]方法，測定其橫向弛豫時間T2。每個樣品3次平行。

1.2.3 小麥面筋蛋白流變學特性的測定

準確稱取10.0 g面筋蛋白緩慢加入15.0 mL(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)制成濕面團。將濕面團切成2 g大小相同的面團用保鮮膜包裹于25 ℃恒溫靜置1 h;參照Tuhumury等[12]方法，參數設置：平板直徑為40 mm，夾具間隙為1.2 mm，掃描頻率為0.1～10 Hz，應力1%，溫度為25 ℃。每個樣品3次平行。

1.2.4 小麥面筋蛋白二級結構的測定

將添加不同聚葡萄糖濃度的面筋蛋白(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)，經冷凍干燥后磨成粉過100目篩備用。用傅里葉紅外法測定蛋白質二級結構，測定參數：掃描范圍400～4 000 cm-1；掃描256次；分辨率4 cm-1[13]。結果對酰胺I吸收峰(1 600～1 700 cm-1) 用PeakFit v4.12r軟件進行分析，各特征峰與面筋蛋白二級結構對應關系參考文獻[14]。每個樣品3次平行。

1.2.5 小麥面筋蛋白微觀結構的測定

將添加不同聚葡萄糖濃度的面筋蛋白樣品冷凍干燥后(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)，取中心部位制成5 mm×5 mm×3 mm待測樣品，噴金在場發射掃描電鏡進行300倍觀察[15]。

1.3 小麥面筋蛋白數據處理

用SPSS20.0對數據進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 小麥面筋蛋白持水率的影響

由圖1可知，聚葡萄糖的加入使得面筋蛋白的持水率增大。空白組的持水率為154%，添加3%聚葡萄糖后上升至163%，添加6%聚葡萄糖持水率為168%，較空白增長了24%，隨著聚葡萄糖濃度的增大，當添加9%聚葡萄糖時持水率為169%增長幅度變小，添加12%聚葡萄持水率為167%，持水率同添加6%和9%的聚葡萄糖相比有所降低。由于小麥醇溶蛋白和麥谷蛋白水合形成的水合面筋蛋白具有空間網絡結構，可以束縛水分，使其有優良的持水性[16]。添加聚葡萄糖后，由于聚葡萄糖含有大量的羥基，可以同水及蛋白形成氫鍵從而一定程度上增加了小麥面筋蛋白的溶解度，同時可能改變小麥面筋蛋白的結構，形成復合結構，可以束縛更多的水分，從而使得小麥面筋蛋白的持水率增大。隨著聚葡萄糖濃度的進一步增大，當濃度增大到9%和12%時，持水率增長緩慢，甚至出現下降的趨勢，這可能是因為聚葡萄濃度的增大會增加面團外部水的滲透壓產生反滲透作用導致的。

圖1 聚葡萄糖對面筋蛋白持水率的影響

2.2 聚葡萄糖對面筋蛋白水分子存在狀態的影響

由圖2可知，面筋蛋白中水分子主要以3種狀態存在，與面筋蛋白結合緊密結合水T21、與面筋蛋白結合較弱的弱結合水T22和游離的自由水T23[17]。由表1可知，同空白組對比，6%聚葡萄糖使結合水A21從14.53%升至17.05%，弱結合水A22由83.71%下降至80.46%，自由水由1.61%升至2.49%。聚葡萄糖的添加使得小麥面筋蛋白的結合水含量增加說明聚葡萄糖可以使面筋蛋白中弱結合水部分轉換成結合水，這可能是因為聚葡萄糖的羥基同小麥面筋蛋白中的氨基基團發生相互作用，形成復合網絡結構可以更多的吸附面團中游離的水分，有效控制了水分遷移。隨著聚葡萄糖濃度的進一步增大，結合水含量有所降低，這可能是因為聚葡萄糖具有強吸水性，較高濃度的聚葡萄糖同面筋蛋白產生競爭性不利于面筋蛋白同水的結合使得結合水含量降低[18]。

圖2 聚葡萄糖對面筋蛋白T2的影響

聚葡萄糖/%A21/%A22/%A23/%0%14.53±0.96b83.71±1.53a1.61±0.55bcd3%16.17±0.85ab82.36±0.85ab1.46±0.33bcd6%17.05±0.97a80.46±0.22bc2.49±0.78b9%16.83±0.57a78.67±0.17c4.50±0.73a12%16.01±1.50ab81.91±1.34ab2.08±0.28bc

注：A21、A22、 A23、分別代表T21、T22、T23、對應峰面積比；結果以平均值±標準偏差的形式表示，同一列均值有不相同字母上標的表示存在顯著性差異(P<0.05)，下同。

2.3 聚葡萄糖對小麥面筋蛋白流變學特性的影響

由圖3可知，小麥面筋蛋白的儲能模量G′(彈性模量)、損耗模量G″(黏性模量)隨振動頻率的增大而增大，且隨聚葡萄糖濃度的增加而升高說明聚葡萄糖的增加使得小麥面筋團的彈性和黏性增加，機械強度增大，并且小麥面筋蛋白的儲能模量G′大于損耗模量G″，tanδ值始終小于1，為弱凝膠動態流變學譜圖[19]，表明面筋蛋白體系的彈性比黏性更大，具有類固體特性，當聚葡萄糖添加量為6%時 tanδ最小，說明此時面筋蛋白聚合程度最大。隨著聚葡萄糖濃度的增加儲能模量G′和損耗模量G″逐漸增大，說明聚葡萄糖可能作為增稠劑使得面筋蛋白體系的凝膠性質更加的明顯[20]。

圖3 聚葡萄糖對面筋蛋白流變學特性的影響

2.4 聚葡萄糖對小麥面筋蛋白二級結構的影響

由表2可知，小麥面筋蛋白的二級結構以β-折疊結構為主。隨著聚葡萄糖濃度的增加小麥面筋蛋白二級結構發生變化，β-折疊呈下降趨勢，聚葡萄糖濃度在9%時降到最低34.02%，聚葡萄糖濃度為12%有所回升為37.74%；α-螺旋呈上升趨勢，聚葡萄糖濃度在6%時達到最大值15.66%，聚葡萄糖在9%時有所下降。α-螺旋作為肽鏈的骨架，含量的增加說明聚葡萄糖的添加提高了面筋蛋白的蛋白穩定性；當聚葡萄糖濃度為9%時，β-轉角顯著升高，說明聚葡萄糖在小麥蛋白體系，與小麥面筋蛋白有化學交聯作用。這種交互作用影響小麥面筋蛋白的二級結構，從而導致其功能特性的變化。

表2 聚葡萄糖對面筋蛋白二級結構的影響

圖4 聚葡萄糖對小麥面筋蛋白微觀結構的影響

2.5 聚葡萄糖對小麥面筋蛋白微觀結構的影響

由圖4可以看出聚葡萄糖對面筋蛋白網絡結構的影響，空白組的面筋蛋白網絡結構孔洞大小不均，最大孔徑可達到80 μm左右。添加3%和6%聚葡萄糖時面筋蛋白網絡結構變均一整齊，孔徑多保持在20～30 μm之間。聚葡萄糖濃度的增大，面筋蛋白空間網絡結構開始變差，這可能是因為聚葡萄糖具有強吸水性，高濃度的聚葡萄糖與面筋蛋白產生競爭性吸水，不利于面筋蛋白空間網絡結構的形成[18]。

3 結論

聚葡萄糖的添加使小麥面筋蛋白的持水率、水分遷移、流變學特性、蛋白二級結構及微觀結構得改善。當添加6%的聚葡萄糖時小麥面筋蛋白持水能力增強，增加了24%，結合水含量最多；α-螺旋達到最大值15.66%，小麥面筋蛋白的穩定性更強；彈性模量G′和黏性模量G″均得到提升，面團體系中的高聚物含量最多，聚合度最大；小麥面筋蛋白的空間網絡結構更均勻，孔徑更小，由此顯示聚葡萄糖能夠改善小麥面筋蛋白的功能特性。