加工方式對面筋蛋白結構及性質影響的研究進展

崔國庭

王 緞1,2

郭金英1,2

任國艷1,2

(1. 河南科技大學食品與生物工程學院,河南 洛陽 471023;2. 食品加工與安全國家級教學示范中心,河南 洛陽 471023)

面筋蛋白又稱為貯藏蛋白,主要由麥醇溶蛋白和麥谷蛋白組成,面筋蛋白約占小麥蛋白總量的80%。面筋蛋白形成三維空間網狀結構受到原料中麥谷蛋白和麥醇溶蛋白比例、外源添加物、加工方式、冷凍變性等因素的影響。饅頭、面條、油條等面制品通常需要進行冷凍冷藏、酵母發酵、蒸煮、油炸等處理,經過這些物理或生物加工處理,面筋蛋白的結構會發生改變,進而影響面筋蛋白的功能性質以及面制品的品質。國內外學者廣泛研究了加工條件對面筋蛋白結構和功能性質的影響,文章擬綜述物理和生物等加工手段對面筋蛋白結構與功能性質的影響,以期為面制品等相關食品領域研究提供依據。

1 熱加工技術對面筋蛋白的影響

以小麥為基礎的面制品的生產過程中,經常需要經過蒸煮、焙烤、油炸或微波等熱加工工藝。適宜的熱加工能提高面制品的感官特性,改變面筋蛋白相對分子質量、麥谷蛋白與麥醇溶蛋白比例、面筋蛋白分子高級結構,延長面制品的保質期,其功能特性如溶解度、持水力、乳化性、起泡性以及致敏性/抗原性等理化性質亦隨之改變[1]。

蒸煮是面條等面制品常用的熱加工方法之一。面筋蛋白經過高溫高濕處理,面筋蛋白分子高級結構趨向于紊亂,理化性質發生改變(見表1)。麥醇溶蛋白分子中的β-折疊比例下降,無規卷曲比例上升,隨著溫度增加至100 ℃后結構出現紊亂;麥谷蛋白在低于80 ℃加熱過程中逐步展開分子鏈,加熱溫度高于80 ℃,麥谷蛋白重新折疊、聚合,其聚體質量分數顯著升高、粒徑增大、α-螺旋和β-折疊等有序結構比例降低,無規卷曲等無序結構比例上升。隨著加熱時間的延長,麥谷蛋白占比增高、麥醇溶蛋白則相反,面筋蛋白網絡中的孔隙增大[2],蛋白質分子鏈伸展、柔性增加,分子中的二硫鍵斷裂、暴露出大量的疏水性基團,導致其表面的疏水性增高、起泡能力和泡沫穩定性增加,溶解度下降;此外,熱處理還會導致麥醇溶蛋白分子聚集,降低其致敏性[3];熱變性會使麥醇溶蛋白暴露不同的功能基團,使其抗原特性降低64%,降低了醇溶蛋白被免疫球蛋白識別的概率[4]。

表1 溫度對面筋蛋白結構與性質的影響

油炸是油條等面食常用的另一種熱加工方法。油炸能夠影響面筋蛋白的分子結構、含量、增強面筋網絡結構、降低面筋蛋白的營養[5]。維系面筋蛋白網絡穩定性的因素主要為二硫鍵和疏水相互作用,高溫油炸造成面筋蛋白分子斷裂,破壞了維系蛋白質二級結構的氫鍵、二硫鍵和疏水相互作用等作用力,顯著改變了面筋蛋白的二級結構。油炸之后,面筋蛋白中的α-螺旋和β-轉角含量顯著降低,β-折疊和無規卷曲含量顯著升高[6],高溫油炸造成面筋蛋白分子斷裂,再以二硫鍵、疏水相互作用進行聚合,形成了分子量更高的麥谷蛋白聚合體。張媛[7]認為在高溫油炸過程中,蛋白分子發生高溫熱聚合形成麥谷蛋白聚合體,是面筋網絡結構得到增強的原因之一;α-螺旋含量降低、β-折疊含量增加,是面筋網絡結構增強的另一個原因。此外,還有學者[8]認為,面筋網絡結構的增強是由于糊化后的淀粉與面筋蛋白相結合,形成了強度和彈性更高的結構,從而增強了面筋網絡結構。油炸過程中,面筋蛋白的氨基酸殘基與還原糖發生美拉德反應,在提高面制品香氣與色澤的同時,蛋白質的消化率降低、生成具有健康威脅的化合物丙烯酰胺[9]。

焙烤是食品工業常用的另一種熱加工工藝。焙烤食品種類繁多,蛋白質經過焙烤與還原糖進行美拉德反應,增加了食品的風味、色澤,降低了蛋白質的營養價值。有研究[10]顯示,經過焙烤處理,增加了麥谷蛋白大聚體分子之間的二硫鍵,降低了面筋蛋白的消化率。目前研究焙烤對蛋白質結構影響文獻報道較少,且主要集中在焙烤對于面筋蛋白質消化率的影響,焙烤對于面筋蛋白質結構的影響有待研究者繼續深入探索。

微波以其高效的熱加工效率逐漸被應用于食品加工中。微波加熱之后,面筋蛋白的二級結構被破壞、面筋網絡結構增強、面筋蛋白消化率下降(見表1)。劉海波等[11]研究發現,面筋蛋白經100～800 W的微波處理,其二級結構被破壞,α-螺旋含量顯著降低,β-折疊、β-轉角和無規卷曲含量上升,可能是微波的熱作用破壞了蛋白質分子間的二硫鍵、氫鍵、范德華力等作用力,導致了面筋蛋白的空間結構的改變;張海華等[12]使用200～1 000 W微波處理面筋蛋白,微波的熱效應引起面筋蛋白二級結構β-折疊結構、擴展結構、α-螺旋和β-轉角結構的形成。陸毅等[13]使用微波預處理面筋蛋白,發現面筋蛋白的凝膠強度得到顯著提高,微波改善了面筋蛋白體系中的疏水相互作用、促使面筋蛋白形成更致密、均勻的三維空間網狀結構。Xiang等[14]的研究還顯示,使用1 000 W微波處理5 min后,面筋蛋白在體外消化4 h的消化率僅為空白對照組面筋蛋白的34%,消化率顯著下降;面筋蛋白的消化率隨微波處理時間延長或微波功率增大而下降。其下降原因可能是微波處理促進了面筋蛋白分子間的交聯,并且隨著微波功率和處理時間的增加,面筋蛋白分子間交聯程度也隨之上升,從而影響了胃蛋白酶和胰蛋白酶與面筋蛋白分子的接觸,導致消化率下降。

2 冷凍對面筋蛋白的影響

隨著冷凍食品的快速發展,冷凍面團以其加工方便,工業化、標準化程度高等優點,在面制品市場中越來越受到廣泛的關注和應用[15]。但是冷凍面團存在一些問題,如凍藏破壞了面筋蛋白的網絡結構,造成面團醒發時間長,面制品黏彈性變差、感官評價下降等問題[16]98-119(見表2)。為克服這個問題,國內外對面筋蛋白在凍融過程中的結構和理化特性等方面的變化進行了大量的研究。

表2 冷凍對面筋蛋白結構與性質的影響

面筋蛋白在冷凍及凍融過程中的結構變化是冷凍面制品品質下降的主要原因,其結構變化主要體現在面筋蛋白二級結構的改變[20]。面筋蛋白在冷凍過程中蛋白的二級結構變化受到冷凍溫度和時間的影響。在-18 ℃條件下凍藏時間高于90 d,易溶于SDS的面筋蛋白中α-螺旋含量相對于凍藏初期降低了10%、β-折疊含量上升了7.9%、β-轉角增加了1.9%;難溶于SDS的面筋蛋白中α-螺旋和無規卷曲含量分別上升了10.7%和3.2%,β-折疊降低了12.6%、β-轉角下降了1.4%。面筋蛋白在冷凍貯藏過程中分子量降低、二硫鍵比例下降、游離巰基含量升高,面筋蛋白分子表面疏水性增加,面筋蛋白網絡結構變得破碎,從而引起面筋蛋白的起泡性、黏彈性、熱穩定性等功能性質發生變化,導致冷凍面制品品質劣化[21]。面筋蛋白相對分子質量在凍融過程中隨著冷凍時間的延長(10～120 d)而降低,可能是蛋白質分子內、分子間的二硫鍵斷裂、巰基含量增加,二硫鍵比例下降引起的,這與面筋蛋白在凍融過程中溫度的波動有關[22]。

面筋蛋白結構與相對分子質量的改變導致了面筋蛋白起泡性、流變特性和熱穩定性等功能性質的變化。面筋蛋白的氣泡能力和黏彈性隨凍藏時間的延長而下降,Wang等[17]研究顯示,凍藏45 d后,醇溶蛋白的氣泡體積降低了26.18%,可能是由于冷凍破壞了面筋蛋白的結構,導致小麥面筋蛋白表面疏水性提高、水合能力下降。面筋蛋白在凍藏過程中黏性模量(G″)、彈性模量(G′)及損耗角(tanδ)均呈下降趨勢,這主要是凍藏過程中冰晶破壞了面筋蛋白網絡結構造成的結果[18]。面筋蛋白凍藏60 d的熱變性溫度由凍藏前的52.95 ℃增加至60.35 ℃,可能是在凍藏過程中面筋蛋白分子鏈伸長,內部的疏水性基團暴露引起蛋白質的疏水性增加,面筋蛋白表面疏水性上升,導致了其熱變性溫度升高[19]。在凍藏初期面筋蛋白的表面光滑、組織緊密,凍藏后期(120 d)表面粗糙、結構部分碎片化,可能是在凍藏期間冰晶對面筋蛋白的結構造成了破壞,從而在微觀上表現出結構的變化[16]100-105。

3 機械處理對面筋蛋白的影響

粉碎、揉面、擠壓等機械處理對面筋蛋白結構及其理化性質有重要的影響。超微粉碎技術是一類利用機械作用力粉碎物料的加工技術,采用超微粉碎技術處理之后,面筋蛋白的粒度、二級結構發生顯著變化,總巰基含量降低,分子柔性、起泡性和乳化性顯著提高(見表3)。經超微粉碎面筋蛋白粒度由109.35 μm 減小到3.60 μm,二級結構中β-折疊和無規卷曲結構占比上升,α-螺旋和β-轉角含量顯著下降,面筋蛋白的起泡能力、泡沫穩定性、乳化活性和乳化穩定性分別提高了50.0%,20.0%,6.0%,1.1%。當面筋蛋白粒度為5 μm左右時,面筋蛋白柔性顯著增加、溶解度及消化性能得以提高[23]。球磨技術是一種新型的超微粉碎技術,物料在球磨處理過程中,受到碰撞、剪切、摩擦等機械作用,粒徑減小、蛋白分子結構受到破壞、功能特性發生改變[24]。Liu等[25]采用球磨處理小麥之后,面筋蛋白的結構和功能性質均有不同程度的改變。面筋蛋白的二級結構呈現有序向無序的轉變趨勢,α-螺旋和β-折疊含量降低,β-轉角含量上升;隨著研磨時間的延長(≥20 min),面筋蛋白分子鏈進一步展開、二硫鍵含量顯著降低,蛋白質表面疏水性、發泡能力和溶解度持續增高。通過掃描電鏡觀察,發現球磨處理后的面筋蛋白破碎、表面粗糙、呈碎片狀結構,球磨處理破壞了面筋蛋白的表面結構。

表3 機械處理對面筋蛋白結構與性質的影響

揉面是制作面條、饅頭、油條等食品的關鍵工藝,對面制品的品質有決定性的影響。揉面可以促進面筋蛋白的交聯,穩定面筋網絡的結構,提高面團硬度、彈性和黏性。揉面初期、中期(0～8 min),面團中二硫鍵含量增加、水合作用增強、疏水作用力顯著下降,二級結構中β-折疊含量增加32.34%、無規卷曲降低56.52%,蛋白質二級結構趨于穩定,隨著揉面時間延長,面筋蛋白交聯程度不斷增加。揉面后期(10～15 min)各個指標趨于穩定,或有不同程度的升高或降低[26-27]。

擠壓技術是一種常見的食品加工技術,其是在高溫、高壓條件下,經過剪切處理,形成一定形狀或組織狀態產品的加工技術。擠壓技術具有成本低、能耗少、工藝簡單等特點,適合連續、高效的工業化生產,在谷物類、豆類農產品加工中被大量應用[35-36]。天然蛋白質受到擠壓時,其蛋白質分子會呈現鏈伸展、團聚、聚集、交聯等微觀結構的變化。

面筋蛋白在擠壓過程中由于受到高溫、高壓和剪切力的作用,蛋白分子的高級結構、溶解性降低、消化率和致敏性等性質均會發生改變。對小麥面筋蛋白進行擠壓處理,其二級結構中部分α-螺旋、β-折疊和無規卷曲含量降低,β-轉角含量升高,可能是在擠壓過程中部分二級結構發生了轉化[28]。二硫鍵是穩定蛋白質三級結構的主要作用力之一,面筋蛋白分子中的二硫鍵含量隨擠壓溫度(140～180 ℃)升高而降低、自由巰基含量則隨溫度的升高而增大,表明面筋蛋白的三級結構隨擠壓溫度的升高而加速改變[29]。面筋蛋白經擠壓處理之后會發生蛋白質聚集反應,其機理在于:面筋蛋白質在擠壓過程中受到壓力、熱的作用,破壞了維系蛋白質二級結構穩定性的作用力,如氫鍵、范德華力等,使蛋白質分子鏈伸展,暴露出疏水性基團、硫醇基團,然后通過分子間二硫鍵使蛋白質形成聚集體并逐漸增大[30]。在擠壓過程中,面筋蛋白與其他成分如淀粉、脂質等形成復合物,產生新的結構如擠壓過程中蛋白質與脂肪形成脂肪—蛋白復合體、面筋蛋白—淀粉復合體,形成了緊密的結構,提高了產品的品質[37-38]。面筋蛋白擠壓后溶解性降低,有學者[31]認為是擠壓造成面筋蛋白質變性,蛋白質表面的疏水性氨基酸殘基由內部暴露后增加,降低了面筋蛋白的溶解性;Raffael等[32]和Liu等[33]認為,是擠壓使面筋蛋白分子聚集、相對分子量增加造成的。擠壓處理后面筋蛋白消化率的增加,可能是面筋蛋白在擠壓過程中高級結構被破壞,蛋白質伸展、變性,增加了蛋白酶分解的位點,提高了消化率[34];Shivendra等[39]推測,擠壓處理破壞了面粉中的抗營養因子,尤其是蛋白酶抑制劑的失活,進而提高了面筋蛋白的消化率。

目前,國內關于擠壓對于面筋蛋白的研究聚焦于擠壓加工工藝的優化、擠壓對面制品品質的影響方面,對于面筋蛋白的結構、性質的影響還需進一步研究。

4 發酵對面筋蛋白的影響

面團發酵是一類利用乳酸菌、酵母菌等微生物在增殖過程中產生氨基酸、短鏈脂肪酸等各類代謝產物、改善面制品的營養風味與質構等品質的傳統加工技術[40]。發酵引起面筋蛋白分子的水解,改變了面筋蛋白的二級結構和面筋網絡結構、水合能力和面團的持氣性。Siddiqi等[41]和Carlo等[42]研究發現,在乳酸菌或酵母菌發酵過程中產酸,降低了環境的pH、活化了內源性蛋白酶天冬氨酸蛋白酶、羧肽酶,將蛋白水解產生多肽、寡肽、氨基酸等活性成分,蛋白的水解程度與發酵時間呈正相關。韓紅超等[43]研究發現,隨著發酵時間的延長(60～90 min),麥醇溶蛋白二級結構中的無規卷曲含量下降,β-轉角含量增加,α-螺旋和β-折疊含量相對穩定;麥谷蛋白中的β-折疊含量先升后降,β-轉角含量則呈相反的變化(見表4)。面筋網絡結構也隨著面團適度發酵(1.0 h)變得穩定[44]。面筋蛋白在面團發酵初期形成粗糙、疏松、不連續、不均勻的面筋網絡結構,隨著發酵時間的延長,面筋蛋白進一步展開、聚集,面筋網絡強度、穩定性、延展性和黏彈性均得到增加,從而提高了面團的強度和黏彈性[48-49]。然而在長時間(12 h)發酵后,微生物發酵產生的酸化造成面筋蛋白網絡結構被破壞,降低了面筋蛋白網絡結構強度,導致濕面筋無法洗出;隨著發酵時間的延長,面筋蛋白中二硫鍵含量呈先升后降,游離巰基含量呈上升趨勢,二硫鍵的斷裂造成面筋含量與質量的降低[50]。面筋蛋白網絡結構強度減弱,提高了面團的持氣性[51-52]。許可等[44]研究發現,發酵能夠提高面筋蛋白的水合能力,麥醇溶蛋白的水合能力在發酵60～90 min范圍內得到增強。目前國內外聚焦于面筋網絡結構和面筋蛋白與其他組分的相互作用研究,關于面筋蛋白在新型發酵加工工藝中的結構與性質的變化規律還有待于進一步探索。

表4 發酵對面筋蛋白結構與性質的影響

5 展望

面筋蛋白在加工過程中的變化是影響面制品品質的關鍵,面筋蛋白分子鏈伸展、面筋蛋白分子內、分子間二硫鍵和疏水相互作用是形成面筋空間網狀結構的主要因素,能影響這些因素的加工方式均與面筋的形成性質相關。如:油炸能促進面筋蛋白分子斷裂后再以二硫鍵、疏水相互作用進行聚合,增強面筋蛋白的網絡結構;蒸煮、油炸、焙烤、微波處理、揉面和擠壓加工均能促進面筋的形成;冷凍和發酵則破壞面筋的形成。面筋蛋白經不同的加工處理,能提高或降低面筋蛋白的功能性質,因此研究面筋蛋白在不同加工條件下的變化機理及調控方法對于改善、提高面制品品質有重要的意義。

目前國內外有關面筋蛋白的研究主要聚焦于加工方式、共存成分、外源添加物對面筋蛋白結構、性質以及面制品品質的影響,隨著加工技術方法的革新,未來關于面筋蛋白的研究可以從以下方向進行:① 新的加工方法對于面筋蛋白結構、性質與面制品品質的影響;② 不同加工技術對于面筋蛋白與共存成分的相互作用、對面筋蛋白營養與安全的影響機制,以及相應的調控方法和手段;③ 深入研究加工方法影響面筋蛋白結構和功能的機理,建立加工方法、面筋蛋白結構與性質、面制品品質調控方法三者之間的聯系,用于指導面制品加工。