小麦粉中水溶性阿拉伯木聚糖对面筋蛋白黏弹性的影响

马福敏 郭乃菲 徐美玲 郭小瑞 谢 明

（辽宁中医药大学，大连 116600）

小麦粉加入适量的水揉搓成面团后，放置30～60 min，用清水洗揉面团，直至洗出的水中不再含有淀粉，剩下的即为具有弹性的物质，称为面筋［1］。面筋中含80%～90%的蛋白质（干基）。组成面筋的蛋白质即为面筋蛋白，主要为醇溶蛋白（gliadin）和麦谷蛋白（glutenin），这2种蛋白的组成和结构特征对面团的黏弹性起很大作用，其作用受多种因素的影响。

国内外学者对面筋蛋白的结构及其对面团黏弹性和面包质量的影响作了大量研究，但对面筋蛋白与小麦粉中其他重要组分的相互作用机理研究较少［2］。全麦粉中 AX含量是普通小麦粉中的3.5倍［3］，蛋白质与AX之间的相互作用对面团的黏弹性质存在较大影响。Michniewics等［4］认为AX和面筋蛋白之间的相互作用直接影响到面团的黏弹性质。Courtin等［5］研究发现高分子质量的 WEAX可增大面包体积。Wang等［6］提出AX与面筋蛋白之间可能存在物理作用和化学作用，前者主要是AX与面筋蛋白之间的物理吸附，后者指面筋蛋白与AX之间通过阿魏酸（Ferulic acid，FA）形成化学键。

关于阿拉伯木聚糖（Arabinoxylan，AX）与面筋蛋白相互作用大多集中于用间接的方法推测两者之间的相互作用，并且各学者就阿拉伯木聚糖与蛋白质之间通过何种方式相互作用存在分歧［7］。

本研究通过测定面筋蛋白及面筋蛋白和AX混合体系的黏弹性，直接从宏观上研究AX对面筋蛋白黏弹性的影响，对小麦粉加工具有重要的理论指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料与主要试剂

全麦粉:中粮鹏泰面粉有限公司；WEAX（纯度93.10%）:自制；其他化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

MP2000D型电子天平:上海第二天平厂；501型超级恒温水浴:上海实验仪器厂；电热恒温鼓风干燥箱:上海跃进医疗器械厂；UV—1100紫外可见分光光度计:北京瑞利分析仪器公司；AR—1000流变仪:英国TA仪器公司；LGJ—50冷冻真空干燥机:北京勤诚盛达科学仪器有限公司；微量定氮装置:杭州科特华实验仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 全麦粉中WEAX的提取

根据周素梅［3］的方法并略作改动。

称取脱脂全麦粉，过110μm筛，取筛下物以水∶面粉（1∶5）加入去离子水，室温搅拌30 min，离心15 min（3 600 r/min），取上清液加热（100℃，10 min），离心（8 000 r/min，20 min），上清液加硅藻土搅拌20 min，过滤，滤液煮沸，加入耐高温α－淀粉酶和高转化率糖化酶去除淀粉，超滤（截留分子质量100 000 u），滤液用65%乙醇沉淀，4℃下过夜，离心（8 000 r/min，20 min），沉淀重新分散于水，用 60%的乙醇沉淀，4℃下过夜，离心（8 000 r/min，20 min），沉淀重新分散于水，离心（8 000 r/min，20 min），收集上清液，冷冻干燥得WEAX。

1.3.2 全麦粉中面筋和面筋蛋白的提取

参照 Weegels等［8］和陆启玉等［9］所采用的方法并稍加改动。称取500 g全麦粉，过110μm筛，取300 g于不锈钢和面盆中，加入一定量去离子水（室温25℃），用手充分揉成面团后，放到盛有200 mL蒸馏水的不锈钢桶中，静置20 min。然后用手轻轻揉洗，揉洗过程中尽量保持面团完整。再经过一系列蒸馏水揉洗将面筋组分分离出来。在每一步揉洗后，将乳状液留存并通过500μm的筛网，收集小片的面团或面筋，加回到面团中。在揉洗完成后，洗出的面筋进行冷冻真空干燥，得到面筋，备用。

1.3.3 蛋白质含量的测定

微量凯氏定氮法，参照GB/T 5009.5—2003。

1.3.4 AX含量的测定

地衣酚 －盐酸法［3］。

1.3.5 面筋蛋白及面筋蛋白－AX（G－AX）混合体系的黏弹性质

1.3.5.1 样品的制备

为研究水分含量对面筋蛋白和面筋蛋白－WEAX体系（AX与面筋蛋白的质量比为1:20）黏弹性的影响，加水量分别为45%、50%、55%及57.5%（m/V）；分别在体系黏弹性达到最大时的水分含量下，使用不同浓度的NaCl溶液观察离子强度对体系的黏弹性的影响。并在25～95℃的温度范围内研究温度对面筋蛋白－AX体系黏弹性的影响。

将面筋蛋白与AX按照上述比例加到5.0 mL的离心管中，加入不同浓度的NaCl溶液，按照Fessas等［7］所采用的方法，室温下用镊子搅拌5 min，手工揉搓5 min。面筋蛋白与WEAX混合得到的混合物记为G－WEAX。

1.3.5.2 蠕变试验

根据Stathopoulos等［10］的方法并略作改动。采用AR—1000流变仪，选用直径20 mm，1°不锈钢锥板测量系统。在25℃条件下保持恒定的应力50 Pa（约30%应变）100 s，撤去外力后样品回复形变200 s。记录0～300 s蠕变柔量（J）随时间的变化。试验结果取3次试验的平均值。

1.3.5.3 小振幅振荡动态流变性质的测定

选用直径20 mm，1°不锈钢锥板测量系统，测试温度设定为 25℃，频率为 0～100 rad/s，应变为10%。当温度达到设定温度时，将制备好的样品置于AR1000流变仪的样品台上，夹具降至设定距离，轻轻刮掉周围挤压出来的多余样品，用甲基硅油密封以防止水分蒸发。记录G′和G″随频率的变化情况。温度扫描在10.0 rad/s频率下进行，扫描范围为25～95℃，升温速率为1℃/min。试验结果取3次试验的平均值。测量数据用AR Instrument control version 1.0.74软件分析。

1.3.6 理论数学模型

面筋蛋白及面筋蛋白－AX的黏弹性可用蠕变模型描述，蠕变模型是描述黏弹性物质的流变性质的基本力学模型，它由虎克模型和阻尼（黏壶）模型采用不同的方式组合而成。虎克模型（代表弹性）、阻尼模型（代表黏性）都是组成更为复杂模型的最基本的元件［10－11］。Maxwell模型由一个虎克模型和一个阻尼模型串联而成，Kelvin—Voigt模型是由一个虎克模型和一个阻尼模型并联而成，以上两种模型被称为两元模型。两元模型能表达黏弹性体系的某些流变性质规律，但这2个模型不能完全描述实际的黏弹性体体系。为了更确切地用数学模型来描述实际黏弹性体的力学性质，就需要更多的元件组成所谓的多元模型［12］。四元模型Burger模型是较多用于研究黏弹性体系的力学模型，它是由2个虎克模型和两个阻尼模型组成，即一个Maxwell模型和一个Kelvin—Voigt模型串联组成［13］，如图 1。

图1 Burger模型

根据流变学的Burger模型，蠕变柔量与蠕变时间的关系可以用以下公式来表示［14］:

式中:J（t）为时间为t时样品总的柔量；G0为瞬时弹性模量；G1为延迟弹性模量；η0为残余黏度（residue viscosity）；η1为固有黏度（internal viscosity）。

1.3.7数据处理与绘图

用软件1stop1.0对蠕变试验数据进行Burger模型的拟合，用SPSS 11.0、Excel 2003处理数据，用软件Origin 7.0和Excel 2003绘图。

2 结果与分析

2.1 面筋蛋白和G－WEAX混合体系的蠕变动力学

2.1.1 不同加水量的面筋蛋白的蠕变曲线

由于加水量是全麦面包制作过程中影响面团黏弹性的一个重要因素，因此，在NaCl质量浓度为4.0 mg/mL时，研究4个不同的加水量对面筋蛋白蠕变性质的影响。面筋蛋白在不同加水量下的蠕变试验所得实际数据拟合公式1得各参数G0、G1、η0及η1值见表1。

由表1可以看出加水量在45%～55%时，试验数据拟合Burger模型的R2≥0.991 7，说明实际曲线与理论曲线拟合较好。当加水量达到57.5%时，R2＜0.99，说明实际曲线与理论曲线存在一定的偏差。从表1看出面筋蛋白在加水量为50%时，G0、G1、η1达到最大值。说明加入50%水的面筋蛋白其弹性最大。这是由于蛋白质分子可以充分伸展，彼此连接形成二硫键，形成凝胶强度较大的网状结构。当加水量达55%时，η0增大，说明此时面筋蛋白黏弹性体系的黏度较大，而G0和G1明显降低（P＜0．05），说明该体系弹性降低，凝胶强度减弱。继续增大加水量，各参数值都显著降低（P＜0．05），黏性弹性均降低。

表1 加水量对面筋蛋白和G－WEAX体系黏弹性的影响

2.1.2 不同加水量的G－WEAX的蠕变曲线

由G－WEAX在不同加水量下的蠕变试验所得数据拟合公式1得各参数G0、G1、η0及 η1值见表1。

由表1可以看出在G－WEAX混合体系中加水量为45%时，G0、G1、η0及 η1均较其他加水量时高50%以上。在样品的制备过程中，发现加水量为45%时，GWEAX混合体系较硬，并不显示黏弹性，说明在此加水量下G－WEAX没有形成典型的黏弹体系。这是由于加入WEAX时，WEAX的吸水性很强，因此，当加入45%水时，WEAX竞争吸水，使面筋蛋白分子不能充分展开形成网状结构。当加水量为50%时，G0、G1、η0及η1较45%时低，但比其他加水量时高，说明G－WEAX黏弹性均较强，且样品制备的过程中，G－WEAX体系的感官黏弹性较好。继续增大加水量，G0、G1、η0及η1低。由表1还可看出，在不同的加水量的情况下，GWEAX混合体系的G0、G1及η0高于面筋蛋白，其中η0增加最明显（P＜0.000 1），可见WEAX能明显提高面筋蛋白的弹性及黏性。黏性的增加是由于WEAX溶于水形成较高黏度的溶液，而弹性的增加可能是面筋蛋白与WEAX之间的相互作用引起的。

综上所述，面筋蛋白及G－WEAX混合体系在加水量为50%时，呈现较好的黏弹性质。

2.2 加水量对面筋蛋白及G－WEAX混合体系的动态流变性质的影响

用流变仪对面筋蛋白和G－WEAX混合体系在不同含水量下进行小振幅振荡频率扫描，结果见图2。

图2 加水量对面筋蛋白和G－WEAX黏弹性质的影响

由图2a和图2b可看出，在扫描的频率范围内，不同加水量的面筋蛋白和G－WEAX混合体系的G′和G″都随频率的增大而增大。由图2a可以看出，面筋蛋白的加水量为45%时G′和G″较大，且在制备样品的过程中，此加水量的面筋蛋白在感官上呈现黏弹性体系。随着加水量增加至50%，G′和G″达到最大值，继续增大加水量则G′和G″显著降低（P＜0.05）。

加水量为45%时，制备G－WEAX样品时，发现很难形成均一的黏弹性体系，而在频率扫描的过程中，G′和G″远远高于其他样品（图2b）。这一结果与蠕变试验结果一致。这是因为WEAX的吸水性很强，蛋白质和WEAX分子在此加水量时不能吸收足够的水充分展开相互缠绕形成黏弹性体系。当加水量提高到50%时，G′和G″较大，继续增大加水量，则G′和G″明显降低（P＜0.05），这是由于过高的加水量使分子间相互缠绕及交联的几率降低［15］。

2.3 温度对面筋蛋白和G－WEAX混合体系黏弹性

在面包的制作过程中，温度也是影响面团黏弹性及面包品质的重要因素之一。根据以上试验结果，选取 NaCl质量浓度为 4.0 mg/mL，加水量为50%的面筋蛋白及G－WEAX黏弹性体系进行温度扫描，结果见图3。

在温度扫描的过程中，面筋蛋白的G′和G″随温度的升高而降低，并且当温度为75℃左右时降至最低。这是由于蛋白质受热产生变性。

图3 温度对面筋蛋白和G－WEAX黏弹性质的影响

当加入WEAX时，G′随温度降低较面筋蛋白缓慢，即弹性对温度的敏感性降低。可能是由于面筋蛋白与WEAX发生了相互作用，使得蛋白质对温度的稳定性提高。

3 结论

3.1 由面筋蛋白、G－WEAX混合体系在不同加水量下的蠕变曲线拟合Burger模型，结果表明当加水量为50%时，面筋蛋白、G－WEAX混合体黏弹性最佳。因而WEAX可显著提高面筋蛋白的黏弹性（P＜0.000 1）。

3.2 由小振幅振荡动态流变性质的测定结果可知，面筋蛋白、G－WEAX混合体系混合体系在加水量为50%时，贮能模量和损耗模量达到最大。WEAX大大提高了面筋蛋白的凝胶强度。温度扫描结果表明G－WEAX体系的G′随温度降低较面筋蛋白的缓慢，弹性对温度的敏感性降低，蛋白质对温度的稳定性提高。

参考文献

［1］李里特，江正强，卢山.焙烤食品工艺学［M］.北京:中国轻工出版社，2000

［2］Mingwei W.Effect of pentosans on gluten formation and properties［D］.The Nether－lands:Thesis Wageningen U-niversity，2003

［3］周素梅.阿拉伯木聚糖在烘焙制品中的功能性质的研究［D］.无锡:无锡轻工大学，2000

［4］Michniewics J，Biliaderis C G，Bushuk W.Effect of added pentosans on some properties of wheat bread［J］.Food Chemistry，1992，43（4）:251－257

［5］Courtin CM，Delcour JA.Relative activity of endoxylanases towards water－extractable and water－unextractable arabinoxylan［J］.Journal of Cereal Science，2001，33:301－312

［6］Wang M，Vliet T V，Hamer R J.How gluten properties are affected by pentosans［J］.Journal of Cereal Science，2004，39:395－402

［7］Fessas D，Schiraldi A.Interactions between arabinoxylans and wheat proteins［J］.Food Chemistry，2003，23:221－225

［8］Weegels PL，Marseille JP，Hamer R J.Small scale separation of wheat flour in starch and gluten［J］.Starch，1988，40:342－346

［9］陆启玉，章绍兵.蛋白质及其组分对面条品质的影响研究［J］.中国粮油学报，2005（6）:13－17

［10］Stathopoulosa C E，Tsiamib A A，et al.Effect of heat on rheology，surface hydrophobicity and molecular weight distribution of glutens extracted from flours with different bread－making quality［J］.Journal of Cereal Science，2007，53:155－161

［11］李云飞，殷永光，金万镐.食品物性学［M］.北京:中国轻工出版社，2005

［12］Barnes，H A A.Handbook of elementary rheology aberystwyth:institute of non－newtonian fluid mechanics wales［M］//Steffe，J F.Rheological methods in food process engineering.East Lansing:Freeman press University ofWales，1996

［13］Dolz M，Hernández M J，Delegido J.Creep and recovery experimental investigation of low oil content food emulsions［J］.Food Hydrocolloids，2008，22:421－427

［14］Kokelaar J，van Vliet T，Prins A.Strain hardening properties and extensibility of flour and gluten doughs in relation to breadmaking performance［J］.Journal of Cereal Science，1996，24（3）:199－214.