刘海荣，沈益荣，舒满夫

(中国储备粮管理集团有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310013)

小麦面筋蛋白(俗称谷朊粉)是小麦淀粉生产过程中的副产物，因其自然资源丰富、营养价值高、食用安全、物美价廉，在食品和饲料加工行业中作为一种优质蛋白原料而得到广泛应用。从20世纪70年代开始，小麦面筋蛋白已经在全球范围内广泛生产。到21世纪，我国小麦面筋蛋白年产量高达30万t，占全球小麦面筋蛋白年产量的17%[1]，而实际需求量只有10万t左右。

总体上，全国的小麦面筋蛋白市场仍处于“供大于求”的过饱和状态[2]。随着全球小麦面筋蛋白产量和使用量之间不对等关系的增大，也必将造成大量小麦面筋蛋白库存无法及时转换应用于实际食品工业中，加之小麦面筋特殊的氨基酸组成和结构，使得该蛋白的水溶性相对较差，限制了其在食品工业和其他领域中的开发和广泛应用。如何使小麦面筋蛋白能够在各类食品及非食品领域中得到广泛地应用，从而拓宽其应用空间，发挥出小麦面筋蛋白本身所应有的功效，关键技术在于对小麦面筋蛋白进行改性。

1 小麦面筋蛋白的结构组成

小麦面筋蛋白是自然界中一类结构相对复杂的纯天然植物蛋白，小麦籽粒约含有13%的小麦面筋蛋白质。1907年，根据小麦面筋蛋白溶解性的不同，Osborne[3]把小麦面筋蛋白分为清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白和麦谷蛋白4种蛋白，后2种蛋白是构成小麦面筋蛋白的主要成分。麦谷蛋白是天然存在的非均质的大分子聚合体蛋白质，其可分为2种麦谷蛋白亚基，分别是高分子量麦谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量麦谷蛋白亚基(LMW-GS)，这2种亚基是由多肽键通过分子间二硫键连接而成[4]。麦醇溶蛋白是一种分子量较小的蛋白质，其可以与麦谷蛋白通过非共价键结合，嵌入到麦谷蛋白的三维网络结构中，从而会导致小麦面筋蛋白加工性能(溶解性、分散性等)极差，加之受基因、生长环境和加工工艺等因素影响，小麦面筋氨基酸序列具有多样性和整体结构复杂性的特点，限制了其应用领域(图1)[5]。

图1 面筋的形成过程示意图

因此对于这类非传统的蛋白资源则可以采用物理、化学、酶解等多种技术方法来改善其功能和各类特性，提高其营养价值。

2 小麦面筋蛋白的改性方法

关于小麦面筋蛋白结构和功能的研究已有大量报道。专家和学者通过深入了解其氨基酸序列、单个蛋白的结构以及蛋白亚基间相互作用方式，有选择的采取改性方法，促进面筋蛋白的优化利用。天然小麦面筋蛋白分子中含有大量的谷氨酰胺、脯氨酸和非极性氨基酸，较少的带电氨基酸，某些氨基酸侧链易形成氢键或疏水残基之间易产生疏水相互作用，使得小麦面筋蛋白在水中易水化聚集成面筋球团，水溶性差。所以，天然小麦面筋蛋白很难同时具有多种加工功能特性，但在实际生产中往往需要具有最佳靶向功能或同时具备几种功能特性平衡点的产品[6]。因此，有必要对小麦面筋蛋白采取适当的改性方法，以改善和拓宽其功能特性，从而获得满足不同领域行业需要的特定小麦面筋蛋白产品。

2.1 物理改性

物理改性是通过采用适度的物理手段，例如超高压、加热、共混、微射流、辐照、超声波、冷冻等方式对蛋白质分子的高级结构包括其构象、聚集形态、多肽链的松散程度和相应的理化性质等进行改变，从而达到对蛋白质功能特性和营养特性改善的目的。这种改性方法属于蛋白质的定向改性，一般不涉及蛋白质一级结构[7]，具有费用低、处理时间短、无毒副作用以及营养损耗小等优点。

2.1.1高压微射流处理技术

高压微射流处理技术(DHPM)是一种集强烈剪切、高速撞击、压力瞬时释放、高频振荡、膨爆和气穴等一系列综合作用力于一体的新兴技术，它被认为是食品加工业中最具有潜力和发展前景的物理改性方法。阎乃珺[8]研究发现，经高压微射流改性后，小麦面筋蛋白粒径均变小，大分子量亚基被破坏生成更多的小分子量亚基，产生更多的小分子聚集体，溶解度上升。随着蛋白质的解缔和伸展，一些原本包埋在蛋白分子内部的疏水基团暴露，疏水性增加，但蛋白的二级、三级结构变化不大。

2.1.2超声波技术

超声波技术(US)是一种使用频率高于人耳阈值声波的绿色、低成本、节约资源的非热处理方法，被认为是食品加工业中的绿色技术[9]。超声波在液态体系中传播，会导致气泡产生、生长和破裂的一系列过程，即声腔空化现象，这种现象会使体系产生热效应、机械效应和化学效应[10]。Zhang等[11]用不同频率的超声波对小麦面筋蛋白进行处理，结果显示，经超声处理后的小麦面筋蛋白分子结构松散，分子间力减弱，水溶性提高，原本包埋在蛋白分子内部的部分疏水性基团暴露，疏水性增加，部分分子侧链展开，蛋白分子吸油性增加。张海华[12]分别采用三种输出功率(540、720、900 W)超声处理质量体积比为6%的小麦面筋蛋白悬浮液，蛋白的乳化性、乳化稳定性及动态流变特性都显著提高，在900 W的输出功率下，其乳化性能达到最大值。邹晶[13]通过对比分析加热、均质和超声预处理3种不同处理方式对小麦面筋蛋白结构特性的影响，发现与前两种处理方式相比，超声预处理效果明显。经超声和TG 酶联合改性后，蛋白二级结构中的β-转角显著降低，β-折叠显著增加，蛋白疏水性降低，蛋白酶解效率提高。

2.1.3超高压处理技术

超高压处理技术(UHPP)是一种新型柔和的非热处理技术，其原理是以流体(油或水)作为传递压力的介质，对密封于弹性耐高压容器里的食品,施加通常为100～1 000 MPa的静压，并维持一段时间以达到杀菌钝酶，改变样品物化特性，改进食品加工工艺的目的[14-16]。黄薇[17]采用200 MPa超高压处理面筋蛋白，其持水性下降，起泡性提高，麦谷蛋白的持油性下降；采用400 MPa超高压处理后的面筋蛋白，其持水性没有显著变化，起泡性提高；采用600 MPa超高压处理后的面筋蛋白，其起泡性下降，麦谷蛋白的持水性増加，β-转角含量降低；随着压力的增加，面筋蛋白和麦醇溶蛋白的乳化稳定性增加，麦谷蛋白的乳化稳定性先升髙后减小。王炳智[18]通过采用不同压力(100～400 MPa)处理小麦面筋蛋白，得出结论：高压处理能提高小麦面筋蛋白的交联程度，从而增强其乳化性质和热稳定性，弹性模量G′提高，观察到高压预处理后的改性小麦面筋蛋白其内部结构更加均匀致密，β-折叠和无规则卷曲的含量增加，而α-螺旋和β-转角的含量降低。

2.2 化学改性

蛋白质的化学改性就是用化学试剂(如酸、碱、盐等)与蛋白质的多肽链或氨基酸残基的侧链基团发生反应，导致其多肽链或一些特殊基团产生断裂、聚合或引入新的基团，从而改变蛋白质分子的空间结构、理化性质，使蛋白质溶解性、热稳定性等功能特性得到改善。常见的蛋白质化学改性方法包括酰基化、糖基化、水解、脱酰胺、酸处理、碱处理、磷酸化、共价交联等。小麦面筋蛋白中谷氨酰胺含量很高，脱酰胺增加面筋蛋白溶解度，从而改善面筋蛋白乳化性、乳化稳定性的相关研究一直是大家研究的热点。

高温条件下高浓度盐酸水解脱酰胺蛋白，将产生致癌物氯丙醇(欧盟要求食品及食品原料中氯丙醇含量必须小于0.01 mg/kg，我国GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》的要求是小于1 mg/kg)，导致食品安全问题。同时，过高的温度会引起一些氨基酸(如色氨酸、丝氨酸、苏氨酸以及含硫氨基酸)的异构化。高温会破坏小麦面筋中的大部分单糖和多糖，导致水解液颜色呈棕黑色。另外，脱酰胺蛋白产物复杂(随机破坏一部分肽键)，产品重现性难以控制。廖兰[19]研究了采用有机酸协同湿热技术改性小麦面筋蛋白，达到64%的脱酰胺效果；再采用胰蛋白酶水解脱酰胺的小麦面筋蛋白，大大改善了酶解液的呈味效果。对比盐酸脱酰胺样品的酶解液，有机酸脱酰胺样品显示了最高的鲜味效果。王淑敏[20]研究了蛋白质谷氨酰胺酶处理小麦面筋蛋白脱酰胺，当蛋白质谷氨酰胺酶添加量为20 U/g时，达到41.84%的脱酰胺效果，适度的脱酰胺化能显著提高小麦蛋白表面疏水性，增加游离巯基含量，提高溶解度和蛋白酶酶解敏感性。

2.3 酶法改性

蛋白质酶法改性技术就是将大分子的蛋白质通过蛋白酶的内切或外切作用切割成较小的分子，从而使蛋白的空间结构及其功能特性发生变化。其优点是酶解效率高，条件温和，易于控制，对蛋白质营养破坏小。谷氨酰胺转氨酶，简称TGase，其作用机理是通过催化谷氨酰胺残基上的酰基供体与酰基受体间发生酰基转移反应，从而使蛋白质发生共价交联，形成强有力的凝胶，有效改善蛋白质产品的弹性、保水性等功能特性[21]。董建云等[22]在小麦蛋白中添加14 U/g的TGase，提高了其乳化性、起泡性和吸水性，有效改善小麦蛋白的凝胶性，相比未改性的小麦蛋白,TGase改性过的小麦蛋白凝胶性提高了一倍以上。

小麦面筋蛋白因富含谷氨酰胺而被称为一种潜在富含酸味肽的蛋白资源。在制备热反应香精前体物质过程中，既需要酶的高度水解，又要避免苦味肽的大量产生，因此也有相关研究采用合适的酶水解谷朊粉制备氮源前体物质。吴爽[23]研究中发现碱性蛋白酶应用于小麦面筋中，其水解度相对较好，但存在苦味值较高的问题。因此使用复合蛋白酶和风味蛋白酶复配水解，最终发现分步法比同步法降低苦味效果更好。由于风味蛋白酶是一种真菌羧肽酶，可以释放C-端大多数疏水性氨基酸，所以碱性蛋白酶和风味蛋白酶的组合在降低小麦面筋苦味上效果更佳。

3 小麦面筋蛋白的应用研究

小麦面筋蛋白因其独一无二的结构特征，在饲料、烘焙食品、面制品等行业中发挥着独特功能特性，但在以往的应用中，该蛋白一般都是以配料的形式参与发挥功效的，所以对该蛋白总体需求量不大。现实工业生产中缺乏以小麦面筋蛋白为主体原料的工业领域，现在研究的当务之急就是加快小麦面筋蛋白的深度开发利用，扭转其配角地位，积累核心技术。

3.1 肉味香精

在食品行业中肉味香精占据重要地位，是香精市场中投资最大、开发研究十分活跃的香精之一。当今研究的热点是将美拉德反应与生物技术相结合，制备热反应型调香基料，该技术以热反应型调香基料为主体香韵，结合调香技术、混合工艺制备出种类繁多的香精。我国国内厂家制备香精采用较多的是动物源蛋白，即所谓的“味料同源”理念。但动物源蛋白也存在一些缺点，比如肉价格成本高、肉源运输成本高、蛋白资源转化率低、有安全性隐患(动物蛋白的生长周期较长，经常人为使用抗生素、合成药物及激素促进其快速生长繁殖，加速了动物产品的污染，从而降低了调味品的食用安全性)、质量不稳定等问题。植物蛋白除了在上述比较中有其独特优势外，还能服务于素食主义者这类特殊群体的喜好。

小麦面筋蛋白一级结构富含呈味肽序列，采用脱酰胺技术，不仅能改善蛋白的功能特性，而且可以使面筋蛋白更宜作为香精的反应前体物质。因此，若以此原料开发制备天然调味基料，进而以呈味肽作为风味前体参与热反应香料的研制，对于拓宽小麦面筋蛋白应用范围、增加附加值、推动肉味香精产业发展等方面深具潜力，可产生良好的经济效益和社会效益。

3.2 组织化蛋白

在欧美国家组织化蛋白的研究应用已有几十年之久，但在我国才处于刚起步阶段，很多人对它还不熟悉。但是随加工技术的不断发展，相信组织化蛋白产品的味道、口感和组织状态将会不断改善，更加适合作为肉类替代品，也会越来越被消费者所认可。目前国内外对植物组织化蛋白的研究主要集中在对大豆组织化蛋白方面的研究。与大豆蛋白相比，谷朊粉价格低廉，还可以显著改善组织化蛋白的组织化和纤维化程度，因此在大豆蛋白中添加谷朊粉有利于提高组织化蛋白的产品质量和竞争力。贾旭[24]在大豆浓缩蛋白中添加31%的高筋谷朊粉，生产的组织化蛋白的组织化度提高到1.67；添加41%的中筋谷朊粉，生产的组织化蛋白的组织化度提到到1.58，添加41%的低筋谷朊粉，生产的组织化蛋白的组织化度提高到1.65。另外，在浓缩蛋白中适量添加谷朊粉，可使组织化蛋白的营养更加平衡。

目前，对谷朊粉的报道主要集中在以谷朊粉为原料的低水分挤压研究，以谷朊粉为原料高水分挤压研究的报道相对较少，对于谷朊粉挤压组织化加工技术还缺乏系统的研究。郑建梅[25]分别探讨了低水分和高水分不同情况下影响谷朊粉的挤压组织化蛋白质量的主次影响因素，得到谷朊粉低水分挤压最优操作参数组合为：物料湿度21.10%～21.83%，套筒温度191.39～193.94℃，螺杆转速 177.12～188.19 r/min，喂料速度67.47～70.63 g/min；高水分挤压最优参数组合为：物料湿度52.70%～53.49%，套筒温度159.08～162.02℃，螺杆转速154.39～165.61 r/min，喂料速度21. 66～23.32 g/min。

3.3 降解薄膜

可食用蛋白质膜的形成是在水-空气界面中，由于蛋白质的疏水基团暴露在空气中，亲水基团保留在水中，从而在此界面形成定向排列的蛋白质层，这层蛋白质膜具有一定阻隔性能和机械强度。这种可降解的高分子聚合物加入到层压膜中或直接与层压材料共混成膜即可得到生物降解包装材料[26]。很多植物蛋白都具有成膜性，其中研究比较多的是小麦面筋蛋白。佟颖[27]以小麦面筋蛋白为主体原料，通过添加醇溶蛋白来对蛋白膜的性能进行优化改良，有效地降低膜的脆性，提高膜的阻水性、韧性、机械性能和阻氧性。在最优化的改性条件下，复合膜的拉伸强度、断裂伸长率和阻氧能力为4.89 MPa、179.1%和 21.7 mmol/kg，比对照组提高了33.2%、17.2%和28.1%。张平安[28]研究了不同增塑剂对小麦面筋蛋白膜力学性能的影响，结果表明甘油、聚乙二醇能有效提高蛋白膜的断裂伸长率，戊二醛能增强薄膜的拉伸强度。

4 发展展望

近些年来，在粮食的深加工利用中，小麦面筋蛋白的开发深受行业人士看好，广泛用于各类面制食品、水产、肉类、保健食品及婴儿食品中。但是在以往的生产应用中，小麦面筋蛋白大多是以配料的形式协助改善产品的功能特性，整体消费量不大，造成市场需求饱和。小麦面筋蛋白原料丰富，价格低廉，安全营养，亟需深层次复合改性提高功能特性，扩宽使用范围，从而提高小麦的附加值，获得较好的经济效益。在制备肉味香精、组织化蛋白、降解薄膜中，小麦面筋蛋白都是以主体原料的形式参与产品的开发与制备，随着加工工艺改善、改性手段的进步、核心技术的突破，小麦面筋蛋白必将有更广泛的应用。