玉米粉对面条的蛋白质二级结构及微观结构的影响

张 剑，王亚运，胡广甫，李梦琴

(农业部大宗粮食加工重点实验室∥郑州市小麦精深加工与安全控制重点实验室∥河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002)



玉米粉对面条的蛋白质二级结构及微观结构的影响

张 剑，王亚运，胡广甫，李梦琴

(农业部大宗粮食加工重点实验室∥郑州市小麦精深加工与安全控制重点实验室∥河南农业大学食品科学技术学院，河南 郑州 450002)

研究玉米粉及谷朊粉对面条品质的影响，并通过傅立叶变换红外光谱和扫描电镜研究玉米粉及谷朊粉对面条蛋白质二级结构和微观结构的影响。结果表明：随着玉米粉的添加，面条的质构及感官品质明显下降，添加一定量的谷朊粉后，玉米面条质量得到明显的改善；红外光谱结果发现，随着玉米粉的添加，面条的β-折叠片层、β-折叠、α-螺旋及β-转角逐渐降低，且差异性显著，玉米粉添加量大于60%时，无序结构显著增大；添加谷朊粉，β-折叠片层、β-折叠结构增加，且在6%～8%存在显著性差异，α-螺旋、β-转角、分子间非平面弱氢键呈降低趋势，且α-螺旋存在显著性差异；扫描电镜结果发现，添加玉米粉后，面筋网络遭到破坏，颗粒之间缝隙较大，连接不紧密;添加谷朊粉改良后，面筋蛋白含量有所增加，颗粒之间愈发紧密，面筋网络逐渐形成。

玉米粉；谷朊粉;小麦粉；面条；红外光谱；蛋白质二级结构;微观结构

面条是我国的主要传统主食，随着时代和产业技术的升级和发展，传统的食品也需要不断提高及向制作工业化、营养合理化、风味多样化、食用方便化革新[1]。近年来，我国正大力推动和发展传统主食产业化及全谷物食品。玉米是重要的粮食作物及饲料和工业原料，其籽粒中含有丰富的蛋白质、脂肪、维生素及活性抗癌物质等，被誉为“未来的谷物”[2]。因此,将玉米与主食面条结合起来，对于提高玉米的产业价值，具有十分重要的意义。

玉米粉与小麦粉的性质差别很大，玉米粉中不含麦谷蛋白，加水混合和面不能形成面筋结构。关于玉米粉对面团流变学特性的影响及玉米面条加工工艺的研究已有很多[3-5]，但目前研究的玉米面条中玉米粉添加量大多在30%以下，高添加量的玉米面条制作技术研究还很少见。玉米粉对混合面团蛋白质二级结构的影响尚未见报道，高含量玉米粉对混合面团中面筋网络的形成情况及蛋白质与淀粉的结合状态研究较少。

本试验将玉米粉按不同的比例(50%以上)与小麦粉进行混合制作成面条，应用傅里叶红外光谱技术及扫描电镜研究玉米粉和谷朊粉对玉米面条蛋白质二级结构和微观结构的影响，分析玉米粉对面条品质的影响，为高含量玉米面条的生产加工提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高筋小麦粉：蛋白质质量分数为11.9%；

玉米粉：市售，过CB42筛；

谷朊粉。

1.2 主要仪器设备

TA-XT物性测试仪，Spectrum GX傅立叶红外光谱仪，台式真空冷冻干燥机(ALPHA1-4LD-plus)，S-3400NⅡ型扫描式电子显微镜，JYS-7家用面条机，JMTD 168/140 试验面条机，JSY30×8圆形验粉筛，A6102电子天平。

1.3 试验方法

1.3.1 玉米面条的制作及评价方法

称量300 g混合粉置于面条机样品缸中，添加44%的水(以原料粉质量计)，和面成松散的颗粒团状，装入自封袋，在室温熟化25 min。压片过程参考SB/T 10137—93,连续压片6道，最终面片厚1.0 mm，切成宽3.0 mm、长220 mm的面条，装入自封袋内。根据LS/T 3202—1993中“面条质量评价方法”进行面条感官评价。

1.3.2 面条质构特性的测定

取500 ml蒸馏水放入2 000 ml烧杯中煮沸后，保持微沸状态，取40根面条，煮制4 min，迅速捞出，放入500 ml冷水中浸冷2 min，进行质构试验，样品测定7次，除去最大值和最小值，求出平均值。探头选用：TPA试验选用P50探头，剪切试验选用A/LKD探头，拉伸试验选用A/SPR探头。参数设定[6]：测前速度2.00 mm/s，测试速度1.00 mm/s，测后速度2.00 mm/s；TPA 试验压缩比：70.00%，剪切试验压缩比：90.00%。

1.3.3 傅里叶红外光谱测定玉米面条的蛋白质二级结构

将玉米面条冷冻干燥、磨粉，过100目实验筛后备用。取适量与溴化钾按1∶100质量比混合压片，做全波段扫描测定，以溴化钾做空白。

试验参数：分辨率为4.0 cm-1，扫描波数范围为4 000～400 cm-1。

红外谱图的处理：利用Peakfit 4.12软件进行分析,首先进行基线校正，然后用Deconvolve Gaussian IRF去卷积，进行二阶导数拟合，直至拟合相关系数R2不小于0.99，且稳定不再变化为止，确定各子峰与各二级结构的对应关系，计算各子峰面积的相对百分含量[7]。

1.3.4 扫描电镜测定玉米面条的微观结构

将冷冻干燥的面条，自然掰断一小段，用导电胶带粘贴于样品台后，离子溅射喷金35 s，放入扫描电镜内对其断面进行扫描，并不断放大至500倍观察样品的微观结构，选择清晰位置拍摄照片。

1.4 数据处理

用Excel 2007及SPSS 13.0软件进行数据分析，用Origin8.0作图。

2 结果与分析

2.1 玉米粉及谷朊粉对面条品质的影响

根据预实验结果，确定谷朊粉添加量为6%～10%，玉米粉添加量50%～70%。固定谷朊粉添加量为8%，与混合粉制作面条，研究玉米粉添加量对面条品质的影响，结果如表1所示。

表1 玉米粉对面条品质的影响

由表1可知，与对照组相比，添加玉米粉后，面条质构的各项指标均有所下降。随着玉米粉添加量的增加，玉米面条的硬度逐渐增大，弹性、剪切力和拉伸距离均显著减小，这与蔡宇洁[8]研究结果一致。这是因为玉米粉的加入降低了面条中面筋蛋白的含量，面筋网络结构疏松，并最终导致面条质构变差。

固定玉米粉的添加量为60%，研究谷朊粉添加量对面条品质的影响。结果如表2所示。

表2 谷朊粉对面条品质的影响

由表2可知，随谷朊粉添加量的增加，玉米面条的硬度、弹性、剪切力及拉伸距离都会有所提高，且硬度、剪切力及拉伸距离具有显著性。这与安红周[9]研究结果相似。谷朊粉主要成分为面筋蛋白，在混合粉中使用增加了面筋蛋白的含量，使混合粉中面筋网络形成更加充分；一定量的谷朊粉能够改善面团中淀粉与蛋白质大分子颗粒之间的相互作用，从而提高面条质构品质。面条的感官评分随着谷朊粉的增加呈先增后减的趋势，谷朊粉添加8%时，感官评分最高，高于8%时，面条口感明显变硬，适口性变差，面条的色泽也逐渐变暗。

2.2 玉米粉及谷朊粉对面条蛋白质二级结构的影响

FT-IR测定玉米粉及谷朊粉对玉米面条中蛋白质二级结构的变化，如图1及图2所示。FT-IR常用于蛋白质结构分析，其中酰胺Ⅰ带的理论研究较为成熟，常被用来指认蛋白质的二级结构[10]。将蛋白质酰胺Ⅰ带(1 700～1 600 cm-1)的光谱进行去卷积，求二阶导数并拟合曲线，可以计算出蛋白质二级结构的相对含量，如图3、表3和表4所示。

图1 FT-IR测定玉米粉对面条蛋白质结构的影响

图2 FT-IR测定谷朊粉对面条蛋白质结构的影响

(a)小麦粉面条

(b)玉米粉添加量为50%的面条

(c)玉米粉添加量为60%的面条

(d)玉米粉添加量为70%的面条

(e)谷朊粉添加量6%的

(f)谷朊粉添加量8%的面条

(g)谷朊粉添加量10%的面条

由图1及2可知，随玉米粉及谷朊粉的添加，酰胺Ⅰ带吸收峰的吸收强度逐渐增大，但与空白相比，仍低于空白组的吸收强度。由图3可知，添加玉米粉及谷朊粉后，玉米面条的蛋白质特征峰的峰个数、位置和峰面积均发生了变化。这是因为维持蛋白质二级结构的作用力有多种，其中最重要的是氢键，二级结构不同，其氢键强度也不同，而FT-IR光谱图的酰胺Ⅰ带对羰基的几何振动和氢键结构都非常敏感[11]。所以当蛋白质二级结构发生相应变化，反映在FT-IR是形状和强度发生了改变。

蛋白质二级结构中的α-螺旋、β-折叠、β-转角和无序结构在酰胺Ⅰ带都有各自特殊的吸收频率，不同谱峰对应面条中的蛋白质各结构不同，现参考Rocha[12]的研究，对实验中酰胺I带各子峰位置及二级结构归属，如表3所示。

表3 酰胺Ⅰ带各波数蛋白质二级结构指认

将玉米面条图谱的酰胺Ⅰ带基线校正，进行特征峰去卷积及拟合后，可知，玉米面条的蛋白质二级结构的酰胺Ⅰ带吸收波段共出现了6种特征结构，分别是：β-折叠片层、β-折叠、无规则卷曲、α-螺旋、β-转角、分子间非平面弱氢键等，计算玉米面条的蛋白质二级结构的百分含量，如表4所示。蛋白质的二级结构是多肽链沿同一方向排列，通过氢键结合形成的周期性结构[13]。

由表4可看出，添加玉米粉及谷朊粉可以使蛋白质的二级结构发生变化。其中随着玉米粉的添加，β1、β-折叠、α-螺旋及β-转角逐渐降低，且差异性显著，当玉米粉添加量高于60%后，无规则卷曲明显增大，这可能是因为随着玉米粉的加入，蛋白质密度降低，面团中蛋白质三股肽链之间的氢键减弱，分子内相互作用减弱，每条肽链因伸直使整个蛋白的无序结构增加。

另外，随谷朊粉的增加，β1及β-折叠有增加趋势，且在6%～8%区域，存在显著性差异；而α-螺旋、β-转角、β2呈下降趋势，在6%～10%内，α-螺旋和β-转角有显著性差异。

表4 玉米粉及谷朊粉对玉米面条蛋白质二级结构的影响

2.4 玉米粉及谷朊粉对玉米面条微观结构的影响

面团是淀粉-面筋蛋白网络中包裹气泡的体系，在此体系中，面筋蛋白以膜状形态存在，构成面团的网络结构，淀粉颗粒分布于网络结构之中，起到支撑面筋网络结构的作用[14]。

从图4(a)可以清晰地观察到，面筋与淀粉形成丝状的网络结构及片状的面筋蛋白，且淀粉颗粒被包裹于蛋白质网络结构中。

由图4(b)～图4(d)可以看出，面筋网络形成不明显，淀粉颗粒游离于网络结构外而不被包裹，尤其是玉米粉添加量在70%时，视野范围内主要是淀粉颗粒，且颗粒之间缝隙较大，连接不紧密；另外，面筋网络结构较散乱，淀粉颗粒裸露在网络结构之外。这是由于玉米粉本身不含面筋蛋白，随着玉米粉的添加，玉米面团中面筋蛋白被稀释，蛋白质之间的相互作用力减小；另一方面，玉米粉的加入破坏了面筋蛋白的片层网络结构。

由图4(e)～图4(g)可以看出，玉米面条随谷朊粉的添加，视野中面筋蛋白明显增多，且淀粉颗粒与蛋白质连接越来越紧密，尤其是谷朊粉添加8%时，面筋网络形成连续致密，淀粉颗粒被很好包裹于面筋蛋白网络中，这说明添加谷朊粉可以明显改善面筋蛋白网络结构，使生产面条的品质明显增加。

(a)小麦粉面条(空白组)的电镜图片(×500)

(b)谷朊粉添加8%时，玉米粉添加50%的玉米

(c)谷朊粉添加8%时，玉米粉添加60%的玉米

(d)谷朊粉添加8%时，玉米粉添加70%的玉米

(e)玉米粉添加60%时，谷朊粉添加6%的玉米

(f)玉米粉添加60%时，谷朊粉添加8%的玉米

(g)玉米粉添加60%时，谷朊粉添加10%的玉米

3 结论

随着玉米粉的添加，玉米面条的硬度增加，弹性下降，感官评分降低，使用一定量的谷朊粉后，玉米面条品质得到明显的改善，可以达到工业生产的品质要求。

添加玉米粉可以使蛋白质二级结构中无序结构及分子间非平面弱氢键增加，分子内相互作用力减弱；添加谷朊粉后，β-折叠、β-折叠片层及无规则卷曲含量升高，α-螺旋、β-转角降低，蛋白质组分交联度增加，蛋白质分子内和分子间相互作用力增强，提高了蛋白质稳定性。

扫描电镜结果发现，添加玉米粉后，玉米面条面筋网络的连续性受到破坏，淀粉颗粒之间的缝隙较大，连接不紧密；添加谷朊粉后，颗粒之间连接变得紧密，面筋网络形成连续的膜状结构。

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(责任编辑：赵琳琳)

Effects of corn flour on protein secondary structures and microstructure of the noodles

ZHANG Jian，WANG Ya-yun，HU Guang-fu，LI Meng-qin

(Key Laboratory of Staple Grain Processing,Ministry of Agriculture;Key Laboratory of Wheat processing & Safety control Technology in Zhengzhou;College of Food Science and Technology,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)

It has been studied that the effect of corn flour and gluten on texture and sensory quality of the noodles and the changes of basic parameters of protein structure and microstructure of the noodle by Fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR)and scanning electron microscope.The results showed that with the addition of corn flour,texture and sensory quality of the noodle were significantly decreased,with a certain amount of gluten,the quality of corn noodles improved significantly;FT-IR results showed that with the addition of corn flour,the amount of β-pleated sheet,β-sheet,α-helix,and β-angle decreased gradually,and the difference was significant (P<0.05),when corn flour was greater than 60%,the unorder structure increased significantly;Adding gluten,β-pleated sheet and β-sheet increased,and there were significant differences in 6%-8%,meanwhile α-helix,β-angle and non planar intermolecular weak hydrogen bonds were decreased,and there was significant difference of α-helix (P<0.05);The result of scanning electron microscopy showed that adding corn flour,the network of gluten was destroyed,the gap between the particles was larger,the connection was not close;after adding gluten,the content of gluten protein increased,and the particles became more and more closely,and the network gradually formed

corn flour;gluten;wheat flour；noodles;FT-IR;protein secondary structure;SEM observation

2017-02-21；

2017-05-13

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD37B04-03);郑州市金水区科技攻关项目(2013NY013)。

张 剑(1973-)，男，副教授，硕士，研究方向为谷物深加工。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.06.004

TS213.4;TS213.24

A

1003-6202(2017)06-0014-05