小麥加工前中后路粉面筋蛋白特性差異性分析

蔣家睿,樊祥埼,鄭學玲

(河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450001)

小麥面筋蛋白,俗稱谷朊粉或活性小麥面筋[1],是小麥粉的重要組成部分,約占小麥粉的13%。面筋蛋白具有優良的黏彈性、吸水性、延展性和薄膜成型性等[2],憑借這些物理特性,面筋蛋白被廣泛應用于食品和飼料工業中。以食品行業為例,在我國古代就有食用面筋蛋白制成的食品的慣例,如素雞、香腸、肉凍等,隨著現代科技發展,人們對面筋蛋白也有了更加充分的認知,于是面筋蛋白作為食品添加劑被廣泛應用于各類食品制造中。有研究證明,在制作面條時加入面筋蛋白可以有效地改善其蒸煮品質,且可以提升其抗拉強度與韌性[3]。除此之外,人造肉作為一個新興領域,面筋蛋白也在其中起到相當的作用,MASTROMATTEO等[4]發現面筋蛋白獨特的形成網絡的能力可以促進人造肉所用蛋白的組織化,張丙虎[5]通過實驗發現面筋蛋白可以改善人造肉的質構特性。

小麥制粉工藝中將小麥胚乳粉碎后進行重組,分為前路粉、中路粉和后路粉,前路粉主要來自于小麥胚乳芯部的物料,后路粉主要來自小麥胚乳外部的物料。國內外已有不少對前中后路粉的相關研究,賈祥祥等[6]發現,前路粉的水分、灰分、降落數值等顯著高于后路粉,而灰分和蛋白質含量則是后路粉顯著高于前路粉;李巍[7]發現從前路粉到后路粉的白度呈下降趨勢,吸水率則是呈上升趨勢。出于經濟因素考慮,我國目前小麥谷朊粉的生產主要采用中后路粉,面條、饅頭等蒸煮類面食食品主要采用前路和中路的小麥粉。本文通過對小麥生產線前、中、后路不同出粉部位的小麥粉分離出的面筋蛋白進行特性測定與差異化分析,明確小麥前中后路粉的面筋蛋白差異規律性,為工業中谷朊粉生產的原料選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

某面粉廠生產線基礎粉：AF1、AF2、AF3、ABZ(AF1為前路粉,AF2為中路粉,AF3、ABZ為后路粉);Tris、甘氨酸、EDTA二鈉、5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)[5,5′-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid),DTNB]、十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)、磷酸緩沖液(pH=7)、溴酚藍,以上試劑均為分析純級。

1.2 儀器與設備

JHMZ型針式和面機,北京東方孚德科技發展中心;冷凍干燥機,北京亞星儀科科技發展有限公司;馬弗爐,上海躍進醫療器械廠;FossKjeltec8400全自動凱氏定氮儀,福斯分析儀器公司;恒溫水浴振蕩器,金壇市華峰儀器有限公司;DL-5-B離心機,上海躍進醫療器械廠;紫外分光光度計,上海奧析科學儀器有限公司;哈克RS6000流變儀,德國Haake公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 制樣

面筋蛋白的制備參考徐小青等[8]的方法并稍加修改,取30 g面粉與15 mL蒸餾水放置和面機中和面3 min,和面完成后置于室溫醒發25 min,醒發完成后用足量蒸餾水揉洗面團,并將蒸餾水中的面團碎片收集重新加入面團,如此反復直至揉洗后的蒸餾水清澈無渾濁且加入碘液后碘液不變藍。將洗出的濕面筋置于冰柜冷凍10 h后在放入冷凍干燥機里干燥36 h,再將干燥完成的面筋用研磨磨成粉過100目篩即得樣品,樣品放于5 ℃環境下保存。

1.3.2 基本理化指標

水分的測定參考GB 5009.3—2016方法;灰分的測定參考GB 5009.4—2016方法;蛋白質的測定參考GB 5009.5—2016方法;吸水率的測定參考GB/T 21924—2008方法;面筋指數的測定參考LS/T 6102—1995方法。

1.3.3 游離巰基

參考LUO等[9]的方法并稍加修改。先制備Tris-Gly緩沖液(取5.214 g Tris、3.378 g甘氨酸與0.744 5 g EDTA二鈉溶于一定量蒸餾水再定容至500 mL),取50 mL Tris-Gly緩沖液加入0.2 g DTNB混勻制得DTNB溶液,再稱量2.5 g SDS溶于100 mL Tris-Gly緩沖液得到SDS-Tris-Gly緩沖液。取50 mg面筋蛋白溶于6 mL SDS-Tris-Gly緩沖液中于水浴振蕩器反應70 min(反應期間每10 min取出樣品并渦旋振蕩30 s),再于2 000×g的條件下離心15 min,取1 mL離心后上清液加入50 μL DTNB,反應30 min后,在412 nm處測定吸光度(空白組設為蒸餾水)。游離巰基含量計算如公式(1)所示：

(1)

式中：A412為空白組在412 nm處測得的吸光度;C取8 mg/mL,代表蛋白質質量濃度。

1.3.4 表面疏水性

參考CHELHI等[10]的方法并稍加修改,取15 mg面筋蛋白置于1.5 mL 20 mmol/L磷酸鹽緩沖液中(pH 7.0)中充分混勻,再加入300 μL 1 mg/mL溴酚藍指示劑于渦旋振蕩器上振蕩2 min,之后于4 000×g的條件下離心10 min,取上清液再稀釋至10 mL,用酶標儀在595 nm下測其吸光度(空白組設為蒸餾水)。溴酚藍結合量計算如公式(2)所示：

(2)

式中：A空為空白組在595 nm處測得的吸光度,A樣為樣品在595 nm處測得的吸光度。

1.3.5 麥谷蛋白大聚體(glutenin macropolymer,GMP)

參考任佳影等[11]的方法并加以修改,取0.5 g面筋蛋白溶于10 mL 1.5 g/100 mL SDS提取液,于室溫條件下置于水浴振蕩器振蕩1 h,在9 000×g條件下離心15 min,棄去上清液,重復上述步驟一次。得到的沉淀使用自動凱氏定氮儀測定蛋白質含量。

1.3.6 流變學特性

按照1.3.1節的方法制取濕面筋,再將濕面筋放置于哈克流變儀2個35 mm平行板之間,板間間隙設置為1 mm。濕面筋安置好后掛掉溢出的濕面筋,再用礦物油封存間隙四周,靜置5 min后開始頻率掃描與蠕變回復。頻率掃描參數設置為溫度(25±0.1) ℃;固定應力15 Pa;頻率范圍0.1～10 Hz,蠕變回復參數設置為溫度(25±0.1) ℃;固定應力15 Pa;蠕變時間300 s;恢復時間600 s。

1.4 數據處理與分析

將實驗數據匯總于Excel 2021進行整理,使用Origin2022 64bit進行繪圖,IBM SPSS20進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 小麥前中后路粉面筋蛋白基本理化指標分析

表1是小麥前中后路粉的基礎理化指標。由表1可知,前中后路粉面筋蛋白的灰分與蛋白含量呈現上升趨勢,吸水率、白度與面筋指數總體呈現下降趨勢。這可能是因為灰分物質主要集中在小麥麩皮處,而前路粉主要是由小麥胚乳部分研磨而成,灰分物質在小麥粉分離面筋蛋白時不溶于水,故后路粉面筋蛋白灰分含量顯著高于前路粉面筋蛋白。前中后路粉面筋蛋白的蛋白含量呈現上升趨勢,這是因為小麥粉的蛋白質主要集中在小麥顆粒的胚乳與糊粉層中,其胚乳蛋白含量由內到外逐步增加,蛋白品質逐步下降[12],且后路粉研磨過程中會摻有表皮等雜質導致后路粉面筋蛋白含量顯著高于前路粉面筋蛋白。面筋蛋白的面筋強度是指小麥粉濕面筋在離心力的作用下通過一定孔徑篩板后篩下物與原濕面筋質量之比,它體現了該面筋蛋白的強度,在制粉過程中,后路粉經過多次研磨,其面筋網絡結構可能遭到破壞,因此面筋指數低于前路粉。

表1 小麥前中后路粉面筋蛋白基本理化指標 單位：%

2.2 小麥前中后路粉面筋蛋白游離巰基含量分析

小麥面筋蛋白中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白主要依靠二硫鍵來維持結構[13-14],而蛋白質中二硫鍵與游離巰基是相互轉換的關系,游離巰基含量增多說明二硫鍵發生了斷裂,蛋白質三級結構遭到破壞,蛋白質空間穩定性下降,所以游離巰基可以作為觀測蛋白質結構穩定性的一個重要指標[15]。不同出粉點對小麥面筋蛋白的游離巰基含量影響如圖1所示,圖中的a、b、c、d標注代表了前中后路粉的游離巰基含量依次顯著性增加(P=0.014<0.05)。這說明在出粉點靠前的條件下,面筋蛋白更容易聚集,二硫鍵數量增多,空間結構更加穩定,而經過多次篩選聚集研磨的后路粉蛋白質品質沒有前路粉蛋白質品質高,且后路粉中的麥谷蛋白含量沒有前路粉高[16],故游離巰基含量增多,這也與SUTTON等[17]的研究結果相符合。

圖1 小麥前中后路粉面筋蛋白游離巰基含量

2.3 小麥前中后路粉面筋蛋白表面疏水性分析

蛋白質的表面疏水性是指暴露在蛋白質分子表面且可以鍵合疏水鍵團的數量[18],其與蛋白質理化性質、結構特性、加工方法以及條件有關。表面疏水性可以體現出蛋白質空間構象的穩定性,反映出分子間相互作用的強度,一般來說,表面疏水性越強蛋白質空間穩定性越差。此外,表面疏水性還可以體現出蛋白質的變性程度[19]。本次實驗采用更適合溶解度低的溴酚藍法,溴酚藍結合量越多,代表面筋蛋白的表面疏水性越強。前中后路粉的表面疏水性差異如圖2所示,圖中a、b、c、d標注說明了4種面粉面筋蛋白的表面疏水性依次增加且樣品間均存在極顯著性差異(P=0.00<0.01),AF1粉面筋蛋白表面疏水性最弱,表明了其蛋白表面疏水基團數量最少,空間結構最穩定,這是因為前路粉面筋蛋白純度高雜質少,而ABZ粉面筋蛋白表面疏水性最強是因為與后路粉相比,前路粉會經過多次研磨,機械運動破壞了蛋白質空間結構,使得蛋白質之間的疏水相對作用下降,蛋白質分子鏈展開,疏水基團暴露出來,并且后路粉面筋蛋白中還可能存在其他諸如麩皮等雜質影響了其表面疏水性。

圖2 小麥前中后路粉面筋蛋白表面疏水性差異

2.4 小麥前中后路粉面筋蛋白GMP分析

麥谷蛋白可以根據分子質量分為高分子質量亞基和低分子質量亞基,麥谷蛋白亞基通過二硫鍵相互作用集聚而成的聚合體被稱為GMP[20],它是面筋蛋白物理特性的主要決定因素,其數量和特性與蛋白質的流變特性密切相關。前中后路粉面筋蛋白GMP含量如圖3所示,前中后路粉GMP含量呈下降趨勢,其中AF1粉與AF2粉雖符合下降趨勢但是趨勢不明顯,AF3粉與ABZ粉下降趨勢極顯著,這是因為出粉點靠前的面粉中的蛋白質雖然含量較少,但是蛋白純度高質量好,麥谷蛋白聚合程度高,而出粉點靠后的面粉由于多次磨粉機械運動,GMP發生解聚導致GMP含量下降,此外GMP含量可以側面說明該蛋白質二硫鍵數量與游離巰基含量變化,當GMP含量下降時反映了該蛋白二硫鍵數量下降,游離巰基含量增多,這與游離巰基實驗結果相吻合。

圖3 小麥前中后路粉面筋蛋白GMP含量

2.5 小麥前中后路粉面筋蛋白流變學特性分析

2.5.1 小麥前中后路粉面筋蛋白頻率掃描分析

在流變學實驗中,G′代表儲能模量,它可以反映該物質的彈性,G″代表損耗模量,它可以反映該物質的黏性。小麥前中后路粉面筋蛋白流變學特性差異如圖4-a和圖4-b所示,隨著頻率的上升,無論是儲能模量還是損耗模量,前中后路粉面筋蛋白均呈現上升趨勢,其中AF1粉面筋蛋白的儲能模量和損耗模量最大,AF2、AF3、ABZ三種粉面筋蛋白依次降低,這說明了4種面筋蛋白里AF1的黏彈性最大,ABZ的黏彈性最小,間接說明了AF1粉的面筋蛋白麥谷蛋白與麥醇溶蛋白含量高質量好,面筋網絡結構更加穩定,ABZ粉面筋蛋白面筋質量最差。損耗正切角tanδ是損耗模量與儲能模量的比值,它可以反映該物質的流動性,tanδ越小,說明該物質流動性越差,物質組分中的高聚物占比越大[21],從圖4-c可以看出AF1～ABZ粉面筋蛋白的損耗正切角隨著頻率上升基本呈現上升趨勢,其中ABZ最大,AF1最小,4種面筋蛋白均小于1,說明了4種面筋蛋白均彈性大于黏性,且AF1面筋蛋白流動性最差,高聚物GMP含量最高,ABZ面筋蛋白流動性最好,高聚物GMP含量最低,這也與GMP測定實驗結果相吻合。

a-儲能模量;b-損耗模量;c-損耗正切角圖4 小麥前中后路粉面筋蛋白儲能模量、損耗模量與損耗正切角隨頻率變化曲線圖

2.5.2 小麥前中后路粉面筋蛋白蠕變恢復分析

小麥面筋蛋白的蠕變恢復分為2個階段,第一階段是面筋蛋白受作用于它的外力影響發生一定形變,這一階段被稱為蠕變階段,第二階段是是外力撤銷后面筋蛋白形變量隨時間變化,這一階段被稱為恢復階段。面筋蛋白的蠕變回復特性可以體現出其黏彈特性,在該實驗中,樣品的彈性越大,其越不容易發生形變且越容易恢復到最小形變量,即樣品的彈性與它的最大形變量呈反比[22]。4種面筋蛋白的蠕變回復曲線如圖5所示,AF1粉面筋蛋白的最大形變量與不可恢復形變量明顯低于ABZ粉面筋蛋白,由此可知,前路粉面筋蛋白的彈性最好,后路粉面筋蛋白彈性最差,這也與頻率掃描結果相吻合。

圖5 小麥前中后路粉面筋蛋白蠕變恢復曲線

3 結論與展望

本實驗通過對同種小麥不同出粉點面粉的面筋蛋白進行基本理化指標測定,同時對其結構特性與流變學特性進行評測,發現不同粉路面粉的面筋蛋白的組分分布以及空間結構特性存在一定規律性顯著差異,前中后路粉面筋蛋白的灰分與蛋白含量呈現上升趨勢,而吸水率與面筋指數呈現下降趨勢,4種面筋蛋白游離巰基數量與表面疏水性由前路到后路依次增加,而GMP含量則是后路粉面筋蛋白顯著低于前路粉面筋蛋白。在流變學實驗中,前路粉面筋蛋白的儲能模量與損失模量均顯著高于后路粉面筋蛋白,在蠕變回復階段后路粉面筋蛋白最大形變量與不可恢復形變量顯著高于前路粉面筋蛋白。

目前國內外對系統粉的研究主要集中在不同粉路制品的差異性分析中,而對不同粉路面筋蛋白的研究較少,小麥前路粉蛋白質主要集中在其胚乳部分,而小麥后路粉蛋白質主要集中在小麥籽粒的糊粉層中,故在制作小麥面制品時,選用前路粉制作的面制品其蛋白品質要優于原料為后路粉的制品但經濟性并無優勢。因此在實際生產加工過程中,可以依據前中后路粉的面筋蛋白差異性,在滿足質量與經濟需求的前提下為最終制品選用較為適合的原料粉。