李翠翠 陆啟玉 马宇翔 闫慧丽 刘紫鹏

（1 河南工业大学粮油食品学院 郑州450001 2 南阳理工学院生物与化学工程学院 河南南阳473000）

小麦面筋蛋白，又称谷朊粉，是小麦粉与水揉和，洗掉淀粉、糖类等物质后得到的天然蛋白质，也是人类获取植物蛋白的重要来源[1]。它为加工业尤其是食品加工业提供了一种廉价易得、安全营养的原材料，为了提高其性质，以及更好地被人类利用，研究人员对其结构特点展开了大量的研究[2-3]。其功能性质如起泡性、持水性、持油性等是生产糕点、饮料、冰激凌等食品的重要质量指标[4]。围绕谷朊粉性质展开了大量研究。Yalcin 等[5]认为，在实验室条件下微波处理可显著改善面筋蛋白的起泡性和乳化性。0.1%的壳聚糖与pH 值为3 的醋酸联合使用可改善面筋蛋白的乳化性及持水性，起泡性和持油性却有一定程度的下降[6]。面制品冻藏时常因冰晶的破坏致使面筋蛋白网络结构强度减弱，从而导致其功能特性变差，添加一定量的食品胶（如黄原胶）可提高面筋蛋白的持水力，蛋白网络结构也变得更均匀[7]。王凯强等[8]认为，适量的胰蛋白酶限制性酶解和谷氨酰胺转氨酶合用可明显改善面筋蛋白的流变性和热特性。邵俊花等[9]指出，β-巯基乙醇可阻断蛋白质中的二硫键（SS），使蛋白溶液中的游离巯基（SH）含量增加，导致蛋白溶液的黏弹性和凝胶速度下降，即SS 键含量利于蛋白质凝胶特性的改善。

作为蛋白质分子表面的功能键，游离SH 对蛋白质的交联作用及形成凝胶均有重要影响[10]。而SH 氧化以及和SS 键的交换反应都会产生新的SS键，从而将同一条肽链不同部位或者不同肽链的氨基酸残基聚拢起来，形成的网络结构中蛋白质分子的排列更有序，从而稳定蛋白质的构象[11]。对SH、SS 键的研究很多，而大多数是直接引入巯基乙醇、尿素等有毒试剂进行试验，且易引入或生成新物质。本文选用食品级亚硫酸钠（Na2SO3）处理面筋蛋白，可得到含有不同SH、SS 键含量的谷朊粉，通过研究其起泡性、持水性、持油性以及流变学特性，系统分析SH、SS 键的变化与面筋蛋白性质的关系，为后续研究SS 键和面条品质之间的关系提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试剂

谷朊粉，河南德大食品公司，基本成分：蛋白质77.68%，淀粉8.71%，水分11.50%，粗脂肪0.95%，灰分1.48%；无水Na2SO3，济南昌诺生物技术有限公司；一级精炼大豆油，益海粮油工业有限公司；其它试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

FW-200 高速万能粉碎机，北京中兴伟业仪器有限公司；LGJ-18C 型真空冷冻干燥机，北京四环科学仪器厂有限公司；UV-7504 单光束-紫外分光光度计，上海欣茂仪器有限公司；DT5-4B 离心机，北京时代北利离心机有限公司；FA25 高剪切分散乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司；DHR-1 流变仪，美国TA 仪器公司。

1.3 试验方法

1.3.1 小麦面筋蛋白的制备及测定 在搅拌状态下配制一定浓度的面筋蛋白悬浮液，混合均匀后加入Na2SO3，加入量分别为0，0.1，0.3，0.5，0.7，1，1.5 mg/g 蛋白质，并依次记为样品1，2，3，4，5，6，7，高压均质20 s，再匀速搅拌20 min，静置10 min，使Na2SO3和蛋白质充分反应，用等量蒸馏水反复洗涤至溶液中不含Na2SO3，将收集的样品冷冻干燥，粉碎后过CB42 圆形粉筛。然后依据Beveridge 等[12]和Hu 等[13]的方法测定各样品的SH、SS 键含量。

1.3.2 小麦面筋蛋白起泡性和泡沫稳定性测定配制100 mL 0.5%的小麦面筋蛋白溶液，先慢慢搅拌20 min，待形成均匀混合液后，置于均质机中以10 000 r/min 的速度搅打1 min，结束后迅速倒入200 mL 的量筒中，读取泡沫的体积记为V1，静止10 min 再次测量泡沫体积记为V2。计算方法见式1、式2。

1.3.3 小麦面筋蛋白持水性测定 参考刘晶等[14]的方法，并做适当修改。准确称取质量为m0（1.0 g左右）的小麦面筋蛋白置于离心管中，称取离心管和样品质量并记为m1，先加少量水并搅拌一段时间，再次加少量水搅拌，静置30 min 后在4 000 r/min 离心机中离心20 min，弃去上清液，称取离心管和样品质量记为m2，若没有出现上清液，则继续加水搅拌离心，直至出现少量上清液为止。计算方法见式3。

1.3.4 小麦面筋蛋白持油性测定 参考Vioque等[15]的方法，并做适当修改。准确称取质量为w0（1.0 g 左右）的小麦面筋蛋白置于离心管中，称取离心管和样品质量记为w1，先加少量大豆色拉油并搅拌一段时间，再次加少量大豆油搅拌，静置30 min 后置于4 000 r/min 离心机中离心20 min，弃去离心出来的油，称取离心管和样品质量记为w2，若没有出现油状物，则继续加油搅拌离心，直至出现少量大豆油为止。计算方法见式4。

1.3.5 小麦面筋蛋白流变学性质测定 流变仪测定可得两个主要指标储能模量（G′） 和损耗模量（G′′），前者是物质发生可逆的弹性形变时储存能量的大小，表征弹性的好坏，后者是物质发生不可逆的黏性形变时损耗的能量大小，表征黏性大小[16]。Tanδ 是G′和G′′的比值，能反应小麦面筋蛋白的质量好坏。本文采用振荡模式下的频率扫描研究湿面筋的流变学性质，具体操作为：面筋蛋白样品置于25 mm 圆形平板上，平行板间距设置为1 050 μm，刮掉平板周围多余的面团，在25 ℃下分别对样品进行小振幅振荡测试，采用的频率范围为0.1～100.0 rad/s；应变振幅调整为1%，该值在所测样品的线性黏弹性区域范围内。该试验最终能得到G′及G′′随频率的变化曲线。

1.4 数据统计和分析

采用Excel 2013 和Origin 9.0 进行数据整理和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 SH、SS 键含量的变化

由图1可知，原始小麦面筋蛋白中的硫元素主要以二硫键的形式存在，这是面筋蛋白具有网络结构的基础，其中游离SH 和SS 键的含量分别为12.82 μmol/g 和56.78 μmol/g。Na2SO3处理后，面筋蛋白中游离SH 含量显著升高，SS 键含量显著降低，总SH 含量变化幅度不大，说明Na2SO3作为一种还原剂，可将SS 键断裂形成游离SH。随着Na2SO3浓度的增加，游离SH 和SS 键含量的增幅先大而后变小，总SH 含量变化基本平稳。经计算得出游离SH 与SS 比值如表1所示，Na2SO3添加量越大，比值越大。为了更全面的考察SH 和SS键对蛋白质性质的影响，后文将以此比值为指标进行表述。

图1 亚硫酸钠处理对面筋蛋白中SH、SS 键和总疏基的影响Fig.1 Effect of Na2SO3 on the content of SH，SS，and total SH in wheat gluten

表1 游离SH 与SS 键比值的变化Table 1 Changes of the ratio of free SH to SS

2.2 起泡性及泡沫稳定性的变化

图2 SH、SS 键变化对小麦面筋蛋白起泡性和泡沫稳定性的影响Fig.2 Effect of changes of SH and SS on foaming ability and foaming stability of wheat gluten protein

通常，起泡性能的好坏由蛋白质浓度、疏水性、带电基团、分子柔性以及极性基团的数量、分布等决定，泡沫的稳定性则主要受蛋白质膜的流变学特性影响。图2的趋势变化表明，SH、SS 键的不同可导致蛋白质起泡性差异，随游离SH/SS 比值的增大，面筋蛋白的起泡性及其稳定性均有一定程度提高。蛋白质在气-液界面形成的薄膜可促使大量空气进入并稳定一段时间，因此，当蛋白质受到强烈机械搅打时，大量气体会混入体系中，同时蛋白质分子被吸附到气-液界面以降低表面张力，最终产生大量泡沫。SS 键断裂为游离SH，破坏了面筋蛋白网络结构，使盘旋的多肽链伸展成为线状多肽链，伸展的面筋蛋白通过肽链间相互作用吸附在气-液界面上，降低了界面张力，分子柔性增加，疏水性变大，从而形成了一层具有强内聚力和韧度的界面膜，使更多可溶的蛋白分子参与进来形成液膜，从而提高了起泡性。然而，随着伸展程度的不断推进，界面张力逐渐增强，液膜的流变学性质被改变，薄膜厚度会逐渐减小，同时强度下降，对泡沫的包裹作用也逐渐减弱，直至不足以长时间稳定液膜，最终致使泡沫破裂，起泡性、泡沫稳定性不增反减。

2.3 持水性的变化

蛋白质的持水性决定了其在食品体系中与水分子的相互作用，反映出蛋白质内部结构的均一性和稳定性。它与蛋白分子中的亲、疏水基团的数量和分布、面筋网络的物理截留能力相关。被Na2SO3处理后，蛋白样品的持水性随游离SH/SS比值的升高而增大，由原始小麦面筋蛋白的140.5%提高到172.3%，增幅为22.6%，面筋蛋白中的SS 键打断后，更多的极性氨基酸被释放出来，吸引更多的水分子进入蛋白网络，肽链伸展开来，提高了面筋蛋白与水分子之间的水合能力，改善了持水性。

图3 SH、SS 键变化对小麦面筋蛋白持水性的影响Fig.3 Effect of changes of SH and SS on water holding capacity of wheat gluten protein

2.4 持油性的变化

蛋白质与脂类的相互作用是持油性的基础，脂类可降低强筋粉面团的拉伸特性，而对弱筋粉拉伸特性具有积极作用[17]。图4为各样品的持油性随游离SH/SS 比值的变化曲线，原始样品的持油性为137.2%，经Na2SO3处理后样品的持油性能变差，且游离SH/SS 比值越大，持油性就越小，最小仅为85.7%，降幅达37.5%，蛋白质的疏水性其实可分为两种，第1 种是表面疏水性，取决于疏水基团在蛋白质表面的暴露程度，第2 种是氨基酸残基的平均疏水性，取决于氨基酸残基从水相转移到有机物相的自由能[18]。当S-S 断裂后，面筋蛋白分子发生一定程度的解聚，可能会导致氨基酸残基从水相转移到油相的自由能提高，使平均疏水性升高，阻碍亲油基团对大豆油的吸附，同时面筋网络对油的物理截留能力也会下降，面筋蛋白的持油性也随之下降。Marison 等[19]用无干扰光谱技术结合冷冻断裂电子显微技术研究得出，并不存在脂-蛋白复合物，随后Hargreaves 等[20]联合应用核磁共振、电子自旋共振、冷冻分离电子显微镜证实，面粉中的游离脂（尤其是极性脂）是镶嵌在蛋白质基质中，并在气液相交处与蛋白质作用，以提高面团的持气性。所以，二者的作用并不涉及共价键的形成，而只涉及蛋白质和脂质的非极性基团或残基间的疏水作用。持油性能越好，蛋白质对脂质的吸收和保留能力就越强，从而改善食品的营养和风味[21]。这一特性与蛋白质和脂类的疏水、亲水情况联系较大。

图4 SH、SS 键变化对小麦面筋蛋白持油性的影响Fig.4 Effect of changes of SH and SS on oil holding capacity of gluten protein

图5 SH、SS 键变化对面筋蛋白频率扫描测试中G′的影响Fig.5 Effect of changes of SH and SS on G′ in the frequency sweep test of gluten protein

2.5 流变学特性的变化

由图5、6 可知，小麦面筋蛋白的G′和G′′均随频率的增加而不断增加，且整个过程G′均显著大于G′′，换句话说，面筋蛋白表现出更多的弹性性质，它属于类固体的黏弹性体系，这是其加工多样性的基础，对提高食品口感、风味意义重大[22]。对原始面筋蛋白而言，G′从852.542 Pa 增至5 471.69 Pa，G′′则从345.578 Pa 增至3 226.62 Pa，纵向比较Na2SO3处理的各组样品发现，G′和G′′均下降，且二者的变化趋势一致，所用Na2SO3浓度越大，所得蛋白的游离SH/SS 比值就越大，G′和G′′也就越小，这意味着Na2SO3的还原作用对该体系的破坏较明显。麦谷蛋白分子间的SS 键被打断后，分子质量变小，分子构象改变，折叠的多肽链舒展开来，对醇溶蛋白的包裹能力变差，弹性变差，而黏性主要由醇溶蛋白贡献，黏性变小说明醇溶蛋白分子内的SS 键也遭到破坏。

图6 SH、SS 键变化对面筋蛋白频率扫描测试中G′′的影响Fig.6 Effect of changes of SH and SS on G′′ in the frequency sweep test of gluten protein

3 结论

本文以小麦面筋蛋白作为研究对象，对比分析了经不同浓度Na2SO3处理前、后面筋蛋白中SH、SS 键的变化与其起泡特性、持水性、持油性及流变学特性之间的关系变化情况。结果表明，原始小麦面筋蛋白的游离SH、SS 键含量分别为12.82 μmol/g 和56.78 μmol/g。随着Na2SO3浓度的增加，SS 键含量降低，SH 含量升高，而总巯基含量保持平稳。SH、SS 键的变化可影响蛋白质的起泡性，伴随着游离SH/SS 比值的增大，面筋蛋白的起泡性及其稳定性都有一定程度的提高。持水性由原始小麦面筋蛋白的140.5%提高到172.3%，增幅为22.6%。原始样品的持油性为137.2%，经Na2SO3处理后样品的持油性能变差，且游离SH/SS 比值越大，持油性越小，最小仅为85.7%，降幅达37.5%。小麦面筋蛋白G′和G′′均随频率的增加而不断增加，且整个过程G′均显著大于G′′，对原始面筋蛋白而言，G′从852.542 Pa 增至5 471.69 Pa，G′′则从345.578 Pa 增至3 226.62 Pa，比较Na2SO3处理的各组发现，G′和G′′均下降，且二者的变化趋势一致，所得蛋白的游离SH/SS 比值就越大，G′和G′′也就越小，这意味着Na2SO3的还原作用对该体系的破坏较明显。本研究为后续二硫键和面条品质的关系探讨和作用机理提供了理论依据，拓宽了面筋蛋白在食品加工中的应用。