面筋蛋白的组成、分离方法及应用研究进展

2013-09-04郭俊杰连喜军

食品工业科技 2013年19期

郭俊杰，吴宏，张楠，连喜军，*

(1.天津商业大学理学院化学系，天津300134;2.新疆农垦科学院农产品加工研究所，新疆石河子832000;3.天津商业大学天津市食品生物技术重点实验室生物技术与食品科学学院，天津300134)

(小麦面筋蛋白，又称为谷朊粉(wheat gluten)，是从小麦(面粉)中提取出来的天然蛋白质［1］，呈淡黄色，是小麦籽粒主要储藏蛋白，蛋白质含量高达75%～85%，含有15种人体必需的氨基酸［2］，此外还含有少量淀粉、纤维、糖、脂肪、类脂和矿物质等，是营养丰富的植物蛋白资源。

1 小麦面筋蛋白的组成

20世纪初，Osborne［3］根据小麦蛋白在不同溶剂中的溶解性将小麦籽粒中的蛋白质分为清蛋白(albumin):溶于水和稀的缓冲液，占蛋白总量的3%～5%;球蛋白(globulin):不溶于水但溶于盐溶液，占6%～10%;麦谷蛋白(glutenin):溶于稀酸和稀碱溶液，占30%～40%和醇溶蛋白(gliadin):溶于70%～90%乙醇，占40%～50%。

1.1 麦谷蛋白的组成及结构

麦谷蛋白分子是自然界最大的蛋白质分子之一［4］，内含β－折叠结构较多，富含谷氨酰胺(Gln)和半胱氨酸(Cys)，是由17～20个多肽键通过分子间二硫键连接而成的非均质的大分子聚合体蛋白，分子量为5×104～1×107u。

麦谷蛋白在还原条件下分解为高分子量谷蛋白亚基(high molecular weight gluten subunit，HMW－GS)和低分子量谷蛋白亚基(low molecular weight gluten subunit，LMW－ GS)［5］，HMW－ GS 的分子量为 80～130ku，占谷蛋白的10%，赋予小麦面筋弹性;LMWGS的分子量为10～70ku，占谷蛋白90%，部分溶解于70%的乙醇，与一些高相对分子质量醇溶蛋白类似。LMW－GS含半胱氨酸，形成分子间的二硫键。麦谷蛋白依靠二硫键连结，呈纤维状，易发生聚集作用，主要为面团提供弹性(如图1所示)。

图1 醇溶蛋白与麦谷蛋白结构示意图Fig.1 The structure diagram of gliadin and glutenin

LMW－GS比HMW－GS有更高的表面疏水性。麦谷蛋白亚基在S－S键被还原后表现出和醇溶蛋白相似的溶解性［6］。LMW－GS包含 8个半胱氨酸(Cys)，其中6个残基形成链内S－S键，另外2个半胱氨酸残基由于空间位置，它们只能和其它的谷蛋白形成链间S－S键。

1.2 醇溶蛋白组成及结构

醇溶蛋白可用70%乙醇或其它有机溶剂从面筋蛋白中抽提得到，在组成上具有高度异质性和复杂性。醇溶蛋白为单体蛋白，结构紧密呈球(如图1)，表面积小，分子间相互作用不强;因此，缺少弹性，具有流动性，决定小麦粉面团粘性和延伸性，分子量为3×104～7.5×104u。富含谷氨酰胺和脯氨酸，醇溶蛋白分子中二硫键都分布在分子内部(如图2)。醇溶蛋白分子无亚基结构，单肽依靠分子内二硫键和分子间的氢键、范德华力、静电力及疏水键连结，形成较紧密的三维结构，其氨基酸组成多为非极性。

图2 面筋形成过程示意图Fig.2 The formation diagram of gluten

麦谷蛋白和醇溶蛋白共同形成面筋，麦谷蛋白的分子结构起到面粉加工及应用过程中控制蛋白质相互作用的功能［7］。正是由于面筋的存在，小麦粉与水拌和后可形成面团，经发酵烘烤后得到体积较大、质地均匀、松软可口的食品。

醇溶蛋白与麦谷蛋白相互作用形成面筋模型如图2和图3所示:即麦谷蛋白亚基通过二硫键、氢键连接形成三维网络状的主干结构，较小的球状麦醇溶蛋白通过非共价键(氢键和疏水键)嵌入麦谷蛋白形成的网络主干结构中。醇溶蛋白和麦谷蛋白是影响面团流变特性和小麦粉烘焙品质主要因素［8］。

2 小麦面筋蛋白的分离

从小麦中分离面筋蛋白是对其进行研究的前提，面筋蛋白可以采用小麦面粉提取或小麦籽粒直接湿磨得到。

图3 面筋模型结构示意图Fig.3 The model structure of gluten

2.1 以面粉为原料生产小麦面筋蛋白

以面粉为原料分离小麦面筋蛋白的方法主要有马丁法、面糊法、氨法和Fesca法四种。

2.1.1 马丁法(Martin)马丁法又称为面团法，包括和面、淀粉清洗、面筋干燥等几个步骤。首先将面粉和水以2∶1的比例揉和成光滑的面团，静置0.5～1h后用水冲洗面团，由于面筋自身的粘结作用使其在冲洗过程中保持较大的结块，借助筛分作用与淀粉分离。马丁法是最早并且广泛应用的小麦淀粉和谷朊粉的生产方法，改进的马丁法为通过增加过程水的重新循环，以及采用新型淀粉和蛋白有效分离设备而降低新鲜水用量，分离每吨面粉的耗水量从(传统马丁法)面粉质量的15倍降低到7～9倍［9］。

2.1.2 面糊法面糊法是将面粉与水以大致相同的比例混合成面糊状，再经筛分、清洗、干燥得到面筋。由于面糊比面团更耐搅拌，因此该法可以提高湿面筋的质量。

2.1.3 氨法氨法是在剧烈机械搅拌下将面粉喷入5%氢氧化铵水溶液中，离心分离所得上清液经喷雾干燥得到活性面筋粉，其蛋白含量为75%。

2.1.4 Fesca法 Fesca法是将面粉与水快速搅拌成稀糊状，并用高剪切力作用使其进一步分散，防止面筋形成。用离心机将淀粉沉淀物与蛋白悬浮液分离，蛋白浓缩液蒸发干燥得含22%蛋白和67%淀粉的产品。该方法所得蛋白粉无活性，复水后不能得到具有粘弹性的面筋组织结构。

2.2 整粒小麦直接湿磨法

面筋也可以小麦为原料直接生产，可以节省掉小麦研磨的成本。

2.2.1 Farmarco分离法 Farmarco分离法首先对小麦加水软化使其含水量达到14%～22%，然后用针磨进行研磨，经筛分除去麸皮与胚芽即得胚乳。再用胚乳制作成面团，经过冲洗除去面团中的淀粉，即为面筋。

2.2.2 Pillsbury法 Pillsbury方法首先将小麦籽粒浸泡在37～40℃、pH 为0.8～1.7的酸溶液中12～24h，粉碎后分散于pH为2.4～3.4的酸性水溶液中，强力搅拌并经700～1200μm的细筛筛分去除麸皮与胚芽。将乳浆溶于pH为5.6～6.5的酸性溶液而将淀粉与蛋白质分开。该方法所得的面筋粉活性不受影响，复水后仍能形成具有粘弹性的面筋结构。

2.2.3 Chwallek法 Chwallek法，先对小麦进行干磨去除麸皮与胚芽，然后用(2～4)×10－3mol/L的亚硫酸水溶液浸泡小麦籽粒15min～2h，然后进行研磨、分离与精制。该法能够节省麸皮和胚芽干燥时所耗去的能量，但所得面筋粉没有活性。

2.3 小麦麦谷蛋白和醇溶蛋白的分离

小麦面筋蛋白中的麦谷蛋白和醇溶蛋白由于特性不同，因此也需要分离后进行研究。可用市售谷元粉为原料，也可直接使用小麦面粉。

2.3.1 以谷朊粉为原料将市售谷朊粉置于乙醇溶剂中，充分搅拌后离心分为上清液和沉淀，将沉淀干燥后即得麦谷蛋白;将上清液蒸除溶剂乙醇后，真空低温干燥即得到醇溶蛋白(如图4所示)［10］，该法得到的麦谷蛋白和醇溶蛋白具有较高的纯度。

图4 麦谷蛋白和醇溶蛋白的分离过程Fig.4 The separation process of gliadin and glutenin

2.3.2 以小麦粉为原料将小麦粉用乙醇溶剂搅拌溶解，离心后将上清液稀释并调节pH得沉淀，离心后沉淀干燥即得小麦醇溶蛋白［11］。将充分提取小麦醇溶蛋白后的沉淀，经不同提取液多次提取、离心、分离干燥得小麦谷蛋白［12］。该方法得到了麦谷蛋白在小麦籽粒生长发育过程中的合成积累情况，为今后小麦品质改良的研究提供一定的科学依据。

将得到的谷蛋白采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS－PAGE)法进一步分离，可以分出 LMW－GS和HMW－GS［13－14］产品。分离效果好、重复性好、简单易行［15］。

2.4 小麦清蛋白和球蛋白的分离

小麦胚蛋白中主要是清蛋白和球蛋白［16－17］，小麦胚清蛋白主要是一些酶和酶的抑制剂，目前在小麦胚中已经确认存在46种酶［18］，这些酶类在小麦的萌芽和生长期间起着十分关键的作用。

清蛋白和球蛋白的提取工艺:

超临界脱脂:将小麦胚放入超临界装置萃取罐内，进行CO2临界萃取小麦胚油:萃取温度45℃;萃取压力30MPa;分离温度35℃;分离压强4～8MPa;CO2循环量8kg/h;萃取时间2～3h。将脱脂后的小麦胚粉粹成脱脂小麦胚粉，过60目筛，装袋置于冰箱4℃ 保存备用［19－20］。

清蛋白提取:将粉碎后(粒度0.125mm)的脱脂麦胚置于烧杯中，加蒸馏水于30℃进行提取，离心分离，上清液中即为清蛋白，提取率可达 29.2%［21－22］，实现了对小麦胚芽清蛋白最大程度的提取。

球蛋白的提取:将提取清蛋白后的沉淀用盐溶、酸析的方法得到球蛋白沉淀，水洗离心后将沉淀置于玻璃培养皿中，冷冻干燥即为小麦胚球蛋白(DWGG)［23］，该方法对小麦胚芽球蛋白的提取是十分充分的。

3 小麦面筋蛋白的应用研究进展

小麦面筋蛋白主要用于烘焙食品行业及其相关行业:a.在面包、蛋糕等烘焙食品中，可改良面粉的品质，并能防止食品老化。b.在方便面制作中，使面条更有弹性，不易起糊，不易断裂，改善口感。c.小麦面筋蛋白的高粘合及营养成分特别适用于多种鱼用饲料。d.小麦面筋蛋白可使早餐麦片更为松脆及更富营养价值。e.用于专用粉的生产，提高面筋含量和面团结构强度，改善面团的加工性能［24－25］。

3.1 食品工业

小麦面筋蛋白及其深加工产品在食品工业中得到了相当广泛的应用，如面筋、烤麸、古老肉、素肠、素鸡、面制品、肉制品等。

3.1.1 面制品小麦面筋蛋白是一种优良的面团改良剂，广泛用于面包、面条等面制品的生产［26］。利用小麦面筋能增强面团筋力，留存气体、控制膨胀使面包体积一致;小麦面筋的吸水性和留存性能提高产品得率，保持面包柔软，延长货架寿命，增强天然口味等［27］。研究认为，添加质量分数为2%的活性小麦蛋白的面包比容量最大，柔软度最好。添加量为1%～2%活性面筋的挂面，面片成型及筋力均较好。以小麦淀粉、小麦蛋白、马铃薯淀粉等原料制备的蛋白粉丝，口味好、复水性好、粉丝糊化度高，富含多种人体必需的氨基酸和有益的矿物质元素，且低脂肪、无胆固醇［28］。

3.1.2 肉制品在肉制品加工中，小麦面筋蛋白可作为粘合剂、填充剂或增量剂。在重组化肉品中加入1%～5%的小麦面筋作为粘合剂，可增加肉品的粘弹性、色泽稳定性、硬度、出汁率和保水性，降低肉制品保油性和加工损耗。

小麦面筋蛋白在仿真肉食品中也有广泛应用。植物蛋白通过物理化学作用使蛋白质分子的球状构象解体而变成完全伸展的多肽链，在分子内力的作用下，重新排列组合成像动物肉似的纤维状结构，而呈现出具有动物纤维咀嚼感的仿肉食品［29］。由小麦面筋制备的肉味肽具有典型的肉味，可以广泛应用于香肠制品、方便汤料、肉食类罐头、方便食品中，并可提高植物蛋白的利用率和食品品质［30］。而基于小面面筋蛋白制备的肉味香精具有肉香浓郁柔和，咸香味突出，口感淳厚等特点［31］。

3.1.3 奶酪类似物和比萨利用面筋制造的合成奶酪在质地和口感上与天然奶酪基本一样。谷朊粉也被用来强化比萨表面强度，用同一种面粉产生薄和厚的两种表面。谷朊粉的添加量为面粉基质的1%～2%，提供硬外壳和爽口感，并减少水分向表面的迁移［32］。

3.2 化工工业

3.2.1 蛋白膜蛋白膜具有参与物质运输，进行信息识别，保护糖蛋白和润滑等作用。谷阮粉基蛋白膜具有良好的阻隔性能和机械性能，尤其是阻氧性十分优良。在对易受氧气影响而发生变质的一类食品中，能够起到保鲜作用，而延长农产品的保质期［33］。

3.2.2 蛋白质塑料小麦蛋白质亦可制成可降解塑料［34］，谷朊粉具有黏弹性、延伸性、吸水性、吸脂乳化性、薄膜成型性，优良的热塑性等优点。在小麦蛋白质结构中引入带硫醇终止基的星型分子使其成为韧性可塑性的物质，使小麦蛋白有可能发展成生物降解的高性能工程塑料或复合物。通过加入星型分子增加了本性脆的蛋白质基材料的韧性，提高了屈服应力和应变，而没有减弱其刚性［35］。

3.2.3 胶粘剂和涂料由于麦醇溶蛋白分子较小，具有紧密的三维结构，而使面筋具有粘性。小麦面筋蛋白具有可再生、无毒害、无污染的优点，作为胶粘剂具有广阔的前景［36］。以小麦谷朊粉为主要原料，加入分散剂、助剂和水，制得的纸/金属箔和玻璃粘贴用的蛋白标签胶，具有初粘力强、流动性好、耐冰水性能强、高温水洗脱容易、干固速度快、无毒、无污染，制备工艺简单，成本低廉等优点［37］。

3.3 饲料工业

水产养殖业是一个日益膨大的工业，现代养殖业依靠饲养来提高产量，小麦面筋的特性正好迎合这一需求。其粘合性将小球状或者粒状饲料粘结起来，它的水不溶性防止球溃散，它的粘弹性提供柔软而粘着的质地组织，使其拥有一定的界面张力，悬浮于水中，利于吞食。利用谷朊粉生产的小麦面筋蛋白颗粒饲料，具有生产成本低，操作简便等优点［38］。

4 前景与展望

小麦面筋蛋白是一种营养丰富、物美价廉的植物性蛋白源。小麦面筋蛋白的独特性质越来越被科学家所认识，近几年，国际上对小麦面筋蛋白的生产和需求量也一直呈上升趋势。

我国是一个占世界人口五分之一的农业大国，小麦是我国最主要的粮食作物之一，主要应用于食品领域。而面筋蛋白的研究还处于初级阶段，具有较高附加值的工业利用不多。深入研究小麦面筋蛋白的分离、加工、利用，提高其附加值，对于增加小麦产品的价值具有十分重要的意义。随着科技的发展，我们应借用更多的技术对小麦面筋蛋白的结构和性质进行研究，开发其更加广泛的应用，创造更大的经济效益。

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