小麥谷朊蛋白的改性研究及其在食品工業中的應用

王建中，姚 虹

(1.河南省食品工業科學研究所有限公司，河南 鄭州 450053；2.鄭州工程技術學院 化工食品學院，河南 鄭州 450044)

小麥谷朊蛋白又稱面筋蛋白。1728 年意大利科學家BECCARI首次從小麥粉中分離出小麥谷朊蛋白，1745年他又找到了從小麥面粉中得到小麥谷朊蛋白的方法。隨著各國經濟的發展和研究的深入，小麥谷朊蛋白的價值逐漸受到重視，使用量也逐年增加。我國盛產小麥，谷朊蛋白作為小麥淀粉加工的副產品，具有量大價廉、蛋白質含量高、風味特性好、氨基酸組成齊全等特點，在食品工業中發揮著重要作用。但是，由于小麥谷朊蛋白的溶解性、乳化性及乳化穩定性、起泡性及起泡穩定性等性能較差，極大地限制了其在食品工業中的應用。通過對谷朊蛋白進行改性，改善其溶解性、乳化性、起泡性、凝膠性等是拓寬谷朊蛋白應用范圍的重要手段。

1 小麥谷朊蛋白的組成及結構

1907年，OSBORNE根據溶解性的不同，把小麥谷朊蛋白分為麥醇溶蛋白、麥谷蛋白、清蛋白和球蛋白4種。清蛋白可溶于水或稀的鹽溶液，占小麥蛋白總量的3%～5%，熱穩定性差，60℃變性[1]。球蛋白不溶于水，可溶于稀鹽溶液，占小麥蛋白總量的6%～10%，加熱可凝固。麥醇溶蛋白可溶于70%的乙醇溶液，為單體蛋白，分子量較小，其含量約占小麥總蛋白的40%～50%，富含谷氨酰胺和脯氨酸。麥谷蛋白可溶于稀酸或稀堿溶液，由17～20種不同的氨基酸組成。由于其組成氨基酸多為極性氨基酸，麥谷蛋白以分子量在40 kD～300 kD的聚合體存在，其含量約占小麥谷朊蛋白總蛋白含量的30%～40%[2]。

清蛋白和球蛋白富含賴氨酸、色氨酸和精氨酸，營養價值高，含有較多生理活性蛋白質，對加工品質影響小。麥醇溶蛋白是通過共價的二硫鍵以及分子間作用力氫鍵、疏水鍵等作用連接在一起的單體球狀蛋白，麥醇溶蛋白賦予面團延展性。麥谷蛋白是由多個蛋白亞基組成的大分子聚合體，通過二硫鍵連接，賦予面團黏彈性。依據在聚丙烯酰胺凝膠電泳的遷移率不同，將麥谷蛋白分為低分子量麥谷蛋白亞基和高分子量麥谷蛋白亞基。麥谷蛋白和醇溶蛋白按照一定比例通過氫鍵、疏水作用等非共價鍵和二硫鍵等共價鍵形成的緊密交聯的三維網狀結構，賦予面團特有的黏彈性[3]，兩者的功能性質對面團品質有重要影響[4]。圖1為面筋的形成過程，圖2為小麥醇溶蛋白、麥谷蛋白及面筋蛋白的SEM圖。

圖1 面筋的形成過程示意圖

圖2 小麥蛋白SEM圖

2 小麥谷朊蛋白的改性

小麥谷朊蛋白中含有大量疏水氨基酸和不帶電荷的氨基酸，由于疏水作用區域較大使其溶解度較低，限制了其在食品工業中的應用。通過物理、化學等技術手段改變小麥谷朊蛋白的結構，從而改變其功能性質，進而改善谷朊蛋白加工性能，拓展其應用范圍是目前小麥谷朊蛋白研究的熱點[5]。目前，小麥谷朊蛋白改性的方法有化學法、物理法、酶法、基因工程法、復合改性法等。

2.1 物理改性

物理改性是通過對蛋白質進行超高壓、機械處理、熱加工、冷凍、微波、超聲波、脈沖電場等方法，改變蛋白質的高級結構和分子間的聚集方式，從而改善植物蛋白的功能性和營養特性[6-7]。

超高壓技術最早用于金屬、陶瓷等材料的加工，在一定的溫度和壓力下，物質的晶體結構發生變化，如在高溫、高壓下，石墨可以轉化為金剛石。超高壓技術在食品生產中的應用起源于19世紀末20世紀初，最初是用于滅菌，其基本原理是在高壓下，微生物的形態結構、細胞壁膜等發生不可逆的變化，從而達到保藏食品的目的。1986年，日本京都大學糧食科學研究所林力丸教授首次將超高壓技術用于食品加工，1989年日本農林水產省設立專項計劃，資助超高壓技術在食品中的應用研究。在食品生產中，超高壓技術是將物料置于超高壓設備中，在100 MPa～1000 MPa的壓力和一定的溫度下，對物料進行處理，使物料組分中的分子間力等弱作用發生變化，導致食品中蛋白質、淀粉等大分子的結構發生變化，從而使其性質發生變化，而超高壓對共價小分子影響較小，因此對食品中的維生素及色、香、味影響較小[8]。

超高壓技術用于蛋白質的改性是食品超高壓技術應用研究的重要方向之一，目前常見的有靜態超高壓和動態超高壓均質處理技術[9]。靜態超高壓技術是用水或其他液體傳遞壓力于真空柔性密封包裝中的被加工食品，動態超高壓均質技術是利用高壓作用于液體,產生強大的剪切力、撞擊力和空穴爆炸力等綜合作用于被加工食品。

研究表明，超高壓處理對麥醇溶蛋白和麥谷蛋白的溶解度、起泡性有一定的影響，且呈現一致的規律性。在壓力為0～500 MPa的范圍內，麥醇蛋白和麥谷蛋白的溶解性、起泡性均呈現先增后減的趨勢，在300 MPa時，溶解性和起泡性均呈現最佳狀態[10]。超高壓處理破壞蛋白質的氫鍵、疏水作用和靜電相互作用等非共價鍵作用, 影響蛋白質的水合性質, 使溶解度發生變化。壓力在300 MPa以下，隨著壓力的增大，破壞了蛋白質分子間作用力，使蛋白質分子的三級結構被破壞，蛋白質的伸展程度發生變化，增強了其側鏈親水基與水的作用，從而使其溶解度增大；但當壓力過大時，更多的疏水基團暴露出來，使蛋白質的溶解度降低[11]。

蛋白質具有乳化性是由于其結構中既有親水基團又有疏水基團，在超高壓作用下，不僅使其親水基團增加，同時也使疏水基團增加，從而提高了其乳化性。因此，蛋白質的溶解性和乳化性變化通常是一致的[9]。

超高壓改性是物理過程，不引入化學物質，對食品的安全性、食品營養素及風味物質的保留都非常有益。但國產超高壓設備性能不穩定，易損壞；實現超高壓的設備昂貴，且多數是間歇式的，實際生產效率會受到一定的影響[12]。

微波改性、超聲波改性等對小麥谷朊蛋白的改性，是通過微波或超聲波作用于物料，通過破壞蛋白質分子間的氫鍵、疏水作用等弱作用力，使蛋白質松散，更多的親水基團或疏水基團暴露出來，從而改變蛋白質的溶解性及乳化性等[13]。

2.2 化學改性

化學改性是利用化學物質作用于谷朊蛋白側鏈上的基團，使組成蛋白質的氨基酸殘基發生變化，從而影響到蛋白質的結構，引起谷朊蛋白功能和性質變化。化學改性有水解、酰化、磷酸化、脫酰胺、糖基化及蛋白質的交聯等方法。

酰化是指蛋白質分子的親核基團與酰化試劑作用而將酰基引入蛋白質分子的過程，如乙酰化、琥珀酰化等。酰基的引入改變了蛋白質分子的構成及結構，從而改變其性質。乙酰化改性是利用乙酰基替換小麥蛋白質分子側鏈上的賴氨酸ε-氨基，從而改變其性能。張紅印等[14]對小麥谷朊蛋白質乙酰化改性后,表明其溶解度、乳化性、起泡性等有較大的提高。張紅印等[15]還對谷朊蛋白的乙酰化和琥珀酰化進行了對比研究，結果表明，乙酰化和琥珀酰化改性對小麥面筋蛋白功能性的提高程度有所不同, 琥珀酰化改性明顯優于乙酰化改性。李玉瑩等[16]對乙酰化麥醇溶蛋白溶液及與麥谷蛋白共混液流變性能進行研究，結果表明，乙酰化降低了麥醇溶蛋白-麥谷蛋白共混溶液的結構黏度指數，改善了成膜、纖維化等性質，進而改善了其應用效果。

脫酰胺是將谷朊蛋白中天冬氨酰胺和谷氨酰胺的酰胺側鏈轉變為帶負電荷的羧基基團，改變了蛋白質的電荷分布，提高其溶解度。化學脫酰胺的方法有堿法、酸法，根據使用的酸不同，酸法分為無機酸法和有機酸法。考慮到安全性，目前多利用可食性有機弱酸，如醋酸、琥珀酸、檸檬酸等[17]。

磷酸化是用三聚磷酸鈉在谷朊蛋白的側鏈上引入磷酸根，增加蛋白質的負電荷，提高蛋白質的溶解度。唐文婷[18]利用三聚磷酸鈉對小麥谷朊蛋白進行磷酸化改性，結果顯示，蛋白質側鏈氨基上引入的磷酸根數量與蛋白質溶解度、乳化性、乳化穩定性、起泡性和起泡穩定性正相關。

近年來，有添加其他化學物質對小麥谷朊蛋白理化性質影響的研究。穆婉菊等[19]研究了菊粉對小麥谷朊蛋白的理化性質的影響，結果表明，菊粉對小麥蛋白乳化性能有顯著影響，10%的菊粉可以使其乳化活性提高14.4%；7.5%的菊粉可以使蛋白質乳化穩定性提高18.7%。謝新華等[4]考察了γ-聚谷氨酸對面筋蛋白結構的影響，結果顯示，谷朊蛋白的持水率隨γ-聚谷氨酸添加量的增加而增加，其結合水含量由9.52%增加至12.71%，彈性逐漸減弱，黏性逐漸增強。微觀結構表明，隨著γ-聚谷氨酸添加量的增加，蛋白的網絡結構更加均勻，孔徑更加細小。

化學改性反應歷程短、成本低、改性效果明顯，故目前是蛋白質改性的主流方向。但化學改性改變了蛋白質的一級結構，在產生預期效果的同時，可能在營養和毒理方面造成有害效應[20]。

2.3 酶法改性

酶法改性是在蛋白酶的作用下，對谷朊蛋白進行限制性酶解，降低蛋白質的分子質量，増加離子化基團，使包埋在分子內部的疏水性基團暴露出來，提高蛋白質的溶解性、起泡性、乳化性及乳化穩定性等[5]。通常適用的商業化酶包括堿性蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶和胰蛋白酶等。

費國源等[21]的研究表明，堿性蛋白酶比中性蛋白酶的水解速率高，谷朊蛋白的溶解度隨著水解度的增大而增大，起泡性和起泡穩定性隨著水解度的增加而降低。谷中華等[22]考察了胃蛋白酶、胰蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶對谷朊蛋白的水解，在水解度相同時，胃蛋白酶處理組中總多肽含量最高，然后依次是堿性蛋白酶、胰蛋白酶和中性蛋白酶處理組。何林玲等[23]用堿性蛋白酶和Protamex 復合蛋白酶雙酶分步水解的方法水解小麥谷朊蛋白，水解后的蛋白液中小于1 000 Da 分子質量的肽段占40.34%，氨基酸組成豐富，谷朊蛋白的表面結構有明顯變化。李瑩等[24]利用菠蘿蛋白酶對小麥蛋白進行水解，顯著降低了麥醇溶蛋白含量，達到降低小麥致敏的效果。

酶法改性具有安全可靠、特異性強、反應過程溫和、改性效果顯著等特點，對小麥谷朊蛋白改性具有十分重要的應用前景。但由于蛋白質結構復雜，酶法改性水解過程緩慢、產物復雜、目標產物產量低，限制了其在食品工業上的應用。

2.4 復合法改性

復合改性法就是用兩種或者兩種以上的方法復合對小麥谷朊蛋白進行改性，如物理法預處理與酶法改性相結合、化學預處理與酶法相結合等復合改性法。張雪紛[25]研究了超聲-離子液體處理對麥谷蛋白水解度的影響，麥谷蛋白水解度比未處理組提高了49.65%。張淑芬[26]采用0.8 mg/g的亞硫酸鈉溶液在70℃的溫度下對小麥谷朊蛋白溶液預處理20 min，小麥谷朊蛋白的溶解度、乳化性及起泡性也顯著提高，其功能性綜合評分達到最大值。亞硫酸鈉堿性蛋白酶復合改性后的產物具有較強的抗氧化性，抗氧化性隨著樣品濃度的增加而增強，且相對分子質量越小抗氧化性越大。

小麥谷朊蛋白經改性后，其溶解性、乳化性、起泡性、黏彈性等都有不同程度的改善，在食品工業中，針對不同的應用，采用相應的改性技術。

3 小麥谷朊蛋白在食品工業中的應用

小麥谷朊蛋白作為淀粉生產的副產物，早期與膳食纖維等一起作為飼料使用，但隨著谷朊蛋白改性的研究進一步深入，其應用價值逐漸受到人們的重視，在食品工業的應用面也逐漸拓寬。

3.1 在面制品中的應用研究

我國面粉存在著“高筋不強，低筋不弱”的問題，已有將改性谷朊蛋白加入面粉中，改善面粉適用性的研究。裴旭東[27]用多糖膠體對小麥谷朊蛋白進行改性，并將改性谷朊粉加入面條中，可有效改善面條的品質。王晶晶[28]研究了乙酰化谷朊蛋白加入面條后，生面條硬度隨著添加量的增加逐漸減小，彈性先增后平穩，拉斷力逐漸減小而拉伸距離明顯增大；熟面條硬度逐漸減小，彈性增大但趨勢不明顯，咀嚼性先增大后減小，但所有性能都高于原面粉。楊天一研究了添加0.01%TG酶和谷蛋白的面包與空白相比硬度減小 13.9%，咀嚼度降低15.6%[29]。王香玉[30]研究了氧化還原劑在饅頭加工過程中對饅頭品質的影響，結果表明在饅頭面團加工過程中，氧化還原劑對麥谷蛋白可萃取率的影響較大，麥谷蛋白的交聯聚合行為的改變決定了面團加工過程中面筋蛋白的變化；而在蒸制過程中，氧化還原劑對麥醇溶蛋白可萃取率的影響較大，麥醇溶蛋白的交聯聚合程度決定了蒸制過程中面筋蛋白聚合程度的變化。

3.2 在肉類加工制品中的應用

在肉制品中, 小麥面筋蛋白作為黏合劑、填充劑或增量劑等，可以增加黏彈性、色澤穩定性、硬度、出汁率和保水性等。戈志成[31]在肉丸中添加3%左右的濕熱-琥珀酸酐酰化小麥面筋蛋白，結果顯示優于小麥面筋蛋白和大豆分離蛋白，能夠顯著提高肉丸的質構特性，降低了肉丸的蒸煮損失率，提高了產品得率。王凱強[5]研究了堿性蛋白酶和TG復合改性的小麥谷朊蛋白對豬肉丸蒸煮特性的影響，結果顯示改性小麥面筋蛋白對肉丸品質有改善明顯，使肉丸蒸煮損失率降低了49.16%，得率提高了15.48%，保水性提高了18.27%，肉丸的硬度、彈性和咀嚼性分別提高了97.05%,6.68%和121.96%。

3.3 在其他食品中的應用

改性谷朊蛋白還可用于嬰幼兒食品及其他的特殊人群的保健品、發酵制品等中。王延州[32]用酶解法水解小麥谷朊蛋白得到谷氨酰胺肽，并通過動物試驗觀察到谷氨酰胺肽可以有效延緩小腸黏膜炎的發生，減輕腸黏膜損傷的程度，促進黏膜炎恢復。奚寬鵬[33]采用中性蛋白酶對小麥谷朊蛋白進行水解，并將水解物用于啤酒發酵的氮源，酶解物提高了發酵過程中糖消耗和酒精生成速率，促進了啤酒酵母發酵。研究表明，水解度越大促進作用越明顯；酶解物可提高啤酒中乙酸乙酯、高級醇的含量，改善啤酒風味，但同時也促進有機酸的形成，不利于啤酒風味，且酶解物水解度越大，影響越大；酶解物可一定程度改善啤酒的泡沫性能。何文猛[34]采用檸檬酸濕熱改性谷朊蛋白，并用20%替代率替代脫脂乳粉制備的冰淇淋具有較低的融化率，粒徑分布相對均勻，粒徑大小合理。叢旭等[35]研究了將一定量的甘油和乙醇加入小麥谷朊蛋白，并用NaOH調分散液為堿性，制備用于方便面調料包的可食性薄膜。結果表明，pH 11.40、蛋白添加量為10.70%、乙醇體積分數為57%時，小麥面筋蛋白膜的綜合性能最優，氧氣透過率為20.74 meq/kg，抗拉強度為12.98 MPa。

4 展望

中國是世界上最大的小麥生產國，也是最大的小麥消費國。近年來，我國淀粉的產量逐年增加，小麥谷朊蛋白的產量也逐年增加，充分利用小麥谷朊蛋白必須對其進行更深入的研究，但我國目前對小麥谷朊蛋白的一些改性機理研究還不夠深入，對改性后的應用研究更少。因此，探索小麥谷朊蛋白科學合理的改性方法，特別是改性后產品的應用并使之產業化將是今后研究的重點。此外，需加強以改性小麥谷朊蛋白為基質的可降解高分子材料等非食品領域的研究，為合理利用資源和能源、減低生產成本、實現綠色化學提供新途徑。