超声波改性对谷朊粉性质的影响

李国强 李晓明

（烟台南山学院，山东烟台265713）

小麦面筋蛋白由醇溶蛋白和谷蛋白组成，其中醇溶蛋白是一种单体蛋白，结构紧密呈球形，分子量较小,由-S-S-结构相连，水合后无弹性，具有很强的黏性、韧性。谷蛋白相对分子量较大，由分子内和分子外-S-S-组成，因此化合键力较强，赋予面筋蛋白良好的弹性。这两种蛋白赋予了面筋蛋白粘弹的网络结构特性，是其它动植物蛋白无以媲美的[1]。

当谷朊粉吸水经水合作用后形成一定网络结构的湿蛋白，形成良好的黏弹性、热稳定性、延伸性及乳化特性。但由于谷朊粉含有较多的疏水性氨基酸，分子内与分子间疏水作用区域较大，很难符合食品的加工需求。近些年，为了拓宽谷朊粉在食品生产和加工中的应用，国内外一些学者对谷朊粉分别进行了物理改性、化学改性、生物改性，取得了一定的研究成果。鉴于此，本文分析了超声波改性对谷朊粉性质的影响，以期为谷朊粉在食品生产和加工中的应用提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 实验材料

面粉，购于青岛白樱花实业有限公司；

金龙鱼维生素A营养大豆油，购于益海（烟台）粮油工业有限公司；

90 %乙醇、NaOH溶液、HCl溶液、85%（W/V）的磷酸均购于青州鑫海科技公司。

2.2 仪器设备

DHG-9070A烘箱，上海精宏实验设备有限公司；

JJ-2组织捣碎匀浆机，金坛市精达仪器制造厂；

721 型紫外可见光光度计，上海光谱仪器有限公司；

TE612-L电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；

LXJ-IIB离心机，上海安亭科学仪器厂；

电热恒温水浴锅，龙口市先科仪器公司；

85 -2恒温磁力搅拌器，北京华人新创科技有限公司；

超声波清洗机，昆山市超声波仪器有限公司；

pH酸度计，意大利HANNA；

冷冻干燥机，由青岛农业大学组装。

2.3 试验方法

2.3.1 样品处理

将40g水与100g面粉混匀后放入和面机中和成面团。然后将面团在流水上冲洗以去除其中的淀粉等物质，用碘液测试至不再变蓝为止，即得到所需的小麦面筋蛋白，将其冷冻在-20℃下备用。

将待超声波处理的小麦面筋蛋白放于烧杯中，浸没在超声波清洗器的水槽中，处理功率是350W、560W和 700W；处理时间依次为5min、10min、15min、20min。将小麦面筋蛋白冷冻干燥后将其磨成粉备用。

2.3.2 谷朊粉溶解性与持水能力的测定

取1g样品加入100mL水，调节pH值，用恒温磁力搅拌器室温下搅拌20min，然后将混合物移入已称重的离心管中，以3000r/min离心分离10min，将上清液移至100mL容量瓶中定容，将沉淀物称重，用考马斯亮蓝法测定蛋白质的含量。小麦面筋蛋白持水性和蛋白质溶解性分别用式（1）和式（2）计算

式（2）中，P1为每1mL上清液中蛋白质的质量，g/mL；

M为样品水分，%；

Pr为样品中粗蛋白质量分数，%；

PS即为蛋白质溶解度[2]，g/mL。

2.3.3 乳化性质的测定

取1g谷朊粉样品，用水溶解并调节不同的pH值，然后定容至100mL，取100mL样品溶液和100mL大豆色拉油混合，以8000r/min转速搅打90s，将搅打后的样品在4000r/min下离心20min，测量试管中上层乳化层的高度和下层液体的高度。在20℃下重复实验3次，取相近的数值以平均值作为测定结果。按公式（3）计算蛋白的乳化能力EA：

式（1）中，W为样品的质量，g；

W1为沉淀物的质量，g；

WR为持水能力。

将乳化后的样品置于80℃水浴锅中，加热30min后，立即用冷凝水冷却至室温，然后在4000r/min下离心20min，测量离心管中上层乳化层的高度，在20℃下重复试验3次，取相近的数值以平均值作为测定结果。按公式（4）计算蛋白的乳化稳定性ES：

2.3.4 起泡性的测定

取1.000g蛋白样品，用水溶解并调节不同的pH值，然后定容至100mL，在组织捣碎机中以8000r/min速度搅打混合2min，将乳化液转移到量筒中。

用乳化层的体积（cm3）表示样品的乳化能力，样品的乳化层体积降低一半的时间（min）表示样品的乳化稳定性。

3 结果与讨论

3.1 溶解性与持水性

3.1.1 pH对谷朊粉溶解性与持水性的影响

由图1可知，谷朊粉的溶解性随pH呈现“U”形，在酸性条件下，谷朊粉溶解性随着pH值的增大而减小；在碱性条件下，谷朊粉的溶解性随pH的增大而增大，而在pH=6的中性条件下谷朊粉溶解性最低。这主要是因为谷朊粉的等电点在pH5～8之间，在此条件下蛋白质发生凝聚沉淀，溶解度变差[3]。在酸性或碱性条件下，偏离了谷朊粉的等电点，蛋白质分子带净电荷，产生电荷排斥促进了谷朊粉在水溶液中的溶解度。

图1 pH对谷朊粉溶解性与持水性的影响Fig.1 Effect of pH value on solubility and water retention of wheat gluten

图1显示，谷朊粉的持水性随pH的变化较为平缓，pH值在5～8之间，持水能力较低；pH值较低和较高时，持水能力较高。

3.1.2 超声波改性对谷朊粉溶解性与持水性的影响

图2 超声波处理功率和时间对谷朊粉溶解性(a)以及持水性(b)的影响Fig.2 Effects of ultrasonic power and treatment time on the solubility(a)and the water retention ability(b)of wheat gluten

蛋白质的吸水性与持水性是产品质量控制的一项重要指标，生产的优质活性谷朊粉，水合作用后要吸收接近于其自身重量2倍的水分，国内活性谷朊粉的吸水率在150%～180%[4]。在本实验中，由图2(a)可知，随着处理时间的延长谷朊粉的溶解性逐渐增加；超声波处理功率越大，其溶解性越大。由图2(b)可知，随着超声波处理时间的延长，小麦面筋蛋白持水性逐渐下降。

这可能是因为超声波处理后，谷朊粉蛋白质的表面疏水性发生了明显变化，当谷朊粉蛋白发生折叠时，其蛋白表面疏水性降低；当谷朊粉蛋白伸展时，其蛋白表面疏水性增加[5]。

3.2 乳化性及乳化稳定性

3.2.1 pH值对谷朊粉乳化性的影响

图3 pH对谷朊粉乳化能力和乳化稳定性的影响Fig.3 Effect of pH on emulsion capacity and emulsion stability of wheat gluten

如图3所示，谷朊粉的乳化性以及乳化稳定性的曲线呈现“U”型，即在较低pH时，谷朊粉的乳化性及乳化稳定性随pH的升高而降低；在pH=6时，乳化性以及乳化稳定性最低；在较高pH时，乳化性以及乳化稳定性随pH的升高而升高。其趋势跟小麦面筋蛋白的溶解度的曲线相似。

这可能是因为pH对于乳化性以及乳化稳定性的影响是间接的，通常是通过影响溶解度、结构、表面特性来实现的。因此pH对冷冻干燥小麦面筋蛋白的乳化性以及乳化稳定性曲线与pH对溶解度的曲线相似。

3.2.2 超声波功率和处理时间对谷朊粉乳化性与乳化稳定性的影响

图4 超声波功率和时间对小麦面筋蛋白的乳化性(a)以及乳化稳定性(b)的影响Fig.4 Effects of ultrasonic power and treatment time on the emulsifying activity(a)and the emulsifying stability(b)of wheat gluten

由图4(a)可知，随着超声波时间的延长，谷朊粉的乳化性逐渐增加；由图4(b)可知超声波处理的谷朊粉的乳化稳定性略有下降，350W超声波处理的谷朊粉的乳化稳定性最高。

这可能是因为超声波的处理使蛋白质分子的紧密构象破坏，使包埋于分子内部疏水性氨基酸侧链基团暴露，在乳化体系形成易溶性的脂类复合物，使谷朊粉的乳化性提高。但是谷朊粉的水解时间延长，其水解度也在增大，包裹在油滴表面的肽段变小，油滴表面的保护层越来越薄，最终导致了乳化性的降低[6]。较低的超声波处理功率使得冷冻干燥的小麦面筋蛋白的乳化稳定性较高，其原因可能是，经超声波处理后，小麦面筋蛋白分子柔性降低，乳化稳定性也随之降低[7]。

3.3 起泡性及起泡稳定性

3.3.1 pH值对谷朊粉起泡性、起泡稳定性的影响

图5 pH值对谷朊粉起泡性、起泡稳定性的影响Fig.5 Effect of pH value on foam ing ability and foam ing stability of wheat gluten

由图5可知，冷冻干燥小麦面筋蛋白的起泡性随pH的变化不显著。在pH<6时，冷冻干燥小麦面筋蛋白起泡性随着pH的增大而减小；pH=6时，起泡性最小；pH>6时，冷冻干燥小麦面筋蛋白的起泡性随着pH的增大而增大。

冷冻干燥小麦面筋蛋白的起泡稳定性则随着pH的变化显著。在pH<8时，冷冻干燥小麦面筋蛋白起泡稳定性随pH的增大而增大；pH=8时，起泡稳定性最大；pH>8时，冷冻干燥小麦面筋蛋白的起泡稳定性随pH的增大而减小。

这可能是因为，在pH=6时，冷冻干燥小麦面筋蛋白的溶解度最低，较低的溶解度影响了其起泡性。pH=8时，起泡稳定性最大，这是因为在此pH下蛋白质内部静电斥力最小，通过非共价键相连的蛋白质分子之间的凝聚力最大，且蛋白质水合作用造成其吸附力在空气与水的界面更大，这增加了泡沫薄膜厚度并提高了泡沫薄膜的流变力学性能[8]。

3.3.2 超声波功率和时间谷朊粉起泡性、起泡稳定性的影响

由图6(a)可知，谷朊粉的起泡性随着处理时间的延长先增大后减小，处理功率越大起泡性越强，在700W处理10min时起泡性达到最大值。由图6(b)可知，冷冻干燥小麦面筋蛋白的起泡稳定性随着处理时间的延长而降低，超声波处理功率越大，冷冻干燥小麦面筋蛋白的起泡稳定性越小。

图6 超声波功率和时间对冷冻干燥小麦面筋蛋白起泡性(a)及起泡稳定性(b)的影响Fig.6 Effects of ultrasonic power and treatment time on the foam ing capacity(a)and foam ing stability(b)of wheat gluten

这可能是因为随着超声波功率和处理时间进一步延长，谷朊粉蛋白分子表面疏水性降低，这样由蛋白分子间相互作用形成的稳定网络结构和界面膜遭到破坏，产生的泡沫界面膜由于缺乏韧性而容易破裂。因此，小麦面筋蛋白的起泡性开始下降[9]。

4 结论

1）pH值为3～12范围内，谷朊粉的溶解度、持水特性、乳化特性、乳化稳定性及起泡特性呈现“U”型，pH6时值最小，起泡稳定性先增大后减小，在pH8时值最大。

2）随着超声波处理处理时间的延长，谷朊粉的溶解度、起泡稳定性、乳化稳定性均逐渐降低，350W处理时较大；冷冻干燥小麦面筋蛋白的持水性随着处理时间的延长而先降低后增加，在5min时达到最低点，700W处理时值较大；冷冻干燥小麦面筋蛋白的乳化性、起泡性随着超声波时间的延长先略有增加后又降低，在5min时达到最高点，700W时值较大。

[1]RogersW J,Payne PI,Seekings JA,etal.Effecton breakmaking quality of x-type and y-type high molecular weight subunits of glutenin[J].JournalofCerealScience,1991(14):209-211.

[2]李迎秋,陈正行.高压脉冲电场对大豆分离蛋白功能性质的影响[J].农业工程学报,2006,22(8):194-198.

[3]TEBAPDIN JY.Functionalpropertiesofenzymatically hydrolyzed glutens[J].Gluten Proteins,1990(4):27-280.

[4]马凡赛,周大捷,夏明珊.小麦活性小麦面筋蛋白理化指标的剖析[J].粮食与饲料工业,1993,15(4):51-53.

[5]Wang X S,Tang C H,Li B S,et al.Effects of High-pressure Treatment on Some Physicochemical and Functional Properties of Soy Protein Isolates[J].Food Hydrocolloids,2008,22(4):560-567.

[6]张根生,岳晓霞,李继光,等.大豆分离蛋白乳化性影响因素的研究[J].食品科学,2006(7):48-51.

[7]贾俊强,马海乐.超声波处理对麦胚清蛋白结构和功能性质的影响[J].过程工程学报,2009(9):107-112.

[8]Kinsella JE.Functionalpropertiesofsoy proteins[J].Journalof the American OilChemists’Society,1979,56(3):242-258.

[9]郭凤仙,熊幼翎,何志勇,等.热处理对大豆分离蛋白功能特性的影响.食品与机械,2009(11):9-11.