小麦麸皮对面团及面筋蛋白特性的影响

安兆鹏，王然，赵文哲，黄莲燕，张小爽，张慧娟，王静

（北京工商大学，北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京100048）

小麦是我国主要的粮食作物之一，年产量约1.1亿吨。麸皮是小麦制粉的主要副产物，我国每年约有2 000万吨小麦麸皮资源，85%以上用于饲料、传统酿造业[1]。小麦麸皮中含有丰富的膳食纤维、蛋白质、植酸、维生素、矿物质。

麸皮特有的生理保健功能越来越受到人们的重视[2]。研究表明，便秘患者补充适量的含有麸皮的全谷物，可以缓解便秘发病症状[3-4]。膳食纤维能够减少大部分结肠癌的发生[5-6]。日常饮食中多食用膳食纤维有利于血糖的控制[7]。目前，多数面粉厂家都是直接将麸皮卖给饲料厂，很少用于深加工和再利用[8]。并且，近年来我国居民膳食日趋精细化，日膳食纤维摄入量不足的趋势逐年增加，生活习性的改变及工作压力的增大，导致一些慢性病如肥胖、便秘、结肠癌、心血管疾病发病率升高。因此我们提倡每日补充一定量的膳食纤维，均衡营养。小麦麸皮是一个很好的选择，传统的面食是膳食纤维的最佳载体[9]。但是目前的研究表明，添加麸皮后面团的流变学特性及面制品品质会降低，小麦麸皮水不溶戊聚糖对面团特性有明显的弱化作用[10]；随着小麦麸皮的添加比例增加面粉的品质呈现出劣变趋势。馒头的比容、感官评分等品质指标与小麦麸皮添加量呈负相关[11]；而目前关于麸皮物质如何影响面筋蛋白网络的机制尚未明确。

本试验选用小麦麸皮分别以0%、5%、10%、15%、20%的添加量添加到小麦粉中，通过Mixolab谷物综合测定仪、傅里叶红外光谱（fourier transform infrared spectrometer，FTIR）、扫描电子显微镜（scanningelectron microscope，SEM）等仪器来探究不同添加量对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响，以期为麸皮的添加对面制品的改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦麸皮：河北热河有限公司提供；金沙河富强高筋小麦粉：当地超市。

异丙醇、丙酮、冰醋酸、无水乙醇、Tris-Hcl缓冲液、5，5-二硫代（二硝基苯甲酸）（Ellman's试剂）、二硫糖醇（dithiothreitol，DTE）（均为分析纯）：北京半夏科技有限公司。

1.2 仪器与设备

FW-100高速万能粉碎机：北京中兴伟业仪器有限公司；FDV-气引式超细粉碎机：佑崎有限公司；JA5003电子天平：上海精密科学仪器有限公司；HM730和面机：青岛汉商电气有限公司；Mixolab谷物综合特性测定仪、Mixolab混合实验仪：法国Chopin仪器公司；Anton Paar MCR 302动态流变仪：奥地利安东帕有限公司；Free ZoneR真空冷冻干燥机：美国LABCONCO公司；Nicolet6700傅立叶叶红外光谱Nicolet6700：赛默飞世尔科技有限公司；Nova Nano SEM 450扫描电子显微镜：美国FEI公司。

1.3 方法

1.3.1 麸皮的制备、小麦粉-麸皮混合粉的制配

面团及面制品的品质会受到麸皮粒径大小的影响，试验选择使用中等粒径（80目）的麸皮来研究小麦麸皮添加量对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响[3]，采用超微粉碎机对小麦麸皮进行研磨，过80目筛，将未能过筛的小麦麸皮继续研磨，直至所有小麦麸皮能够通过80目筛，将磨碎后的小麦麸皮分别以5%、10%、15%、20%的添加量加入小麦粉中，充分混匀制得不同添加量的小麦麸皮混合粉，未添加小麦麸皮的小麦粉作为空白对照组，在4℃的冰箱中密封保存备用。

1.3.2 面团热机械学性质的测定

混合实验仪设定参数按照“Chopin+”标准：根据样品粉的水分含量，计算样品粉的重量，使加水后面团总重量为75 g，加入Mixolab混合实验仪中。将混合粉放入搅拌钵中进行搅拌。首先以达到最佳稠度时最大扭矩（C1）为1.1Nm[12]使面团扭矩达到1.1Nm，混合实验仪经过变温过程30℃恒温8min；以4℃/min的速率升温至90℃，并保持7min；再以4℃/min的速率冷却至50℃，保持5min。整个过程面团搅拌速度保持在80 r/min。由试验曲线得到以下参数：吸水率（mixolab water absorption，MWA）（%），面团形成时间（mixolab developmeht time，MDT）（min），面团稳定时间（mixolab stability time，MST）（min），C1-C5 扭矩值，黏度崩解值，回生值等数据[13-15]。

1.3.3 面团动态流变学特性的测定

参照Moreira等[16]的方法，并做了适当调整：利用Mixolab混合实验仪得面团，采用动态流变仪（dynamic rheometer，DHR）测定湿面筋的黏弹性模量。测量参数为：40mm圆形平板检测探头，1mm平行板间距，温度25℃，应力为0.5%，频率变化范围为0.01Hz～100Hz，测定储能模量（G′）、损失模量（G′′）和损耗角正切值（tan δ）随频率的变化[12]。

1.3.4 面筋蛋白洗涤

参照Day等[17]的方法稍作修改。称取100 g样品粉放入揉面机中，根据Mixolab测定的吸水率调整加水量，揉混5min，面团揉好后静置30min，以便更好地形成面筋蛋白。然后用去离子水洗涤，直至洗出的清水遇碘不变蓝色，剩下的便是面筋蛋白。将得到的面筋蛋白立即放入-80℃冰箱中冷冻，随后用真空冷冻干燥机冷冻干燥48 h～72 h，得到冷冻干燥的面筋蛋白，留一小块面筋蛋白用于扫描电镜的测试，其余面筋蛋白均用高速万能粉碎机粉碎并过80目筛，储存于4℃冰箱中备用。

1.3.5 热重分析法对蛋白的热降解情况进行的分析

参照Nawrocka等[18]的方法，采用热重分析仪（thermogravimetric analysis，TGA）对添加了不同比例的小麦麸皮的面团中各组分蛋白的热降解情况进行分析。

称取约10mg冷冻干燥后的蛋白样品，置于坩埚中，用惰性气体氮气作为保护气体，升温速率为10℃/min，从50℃升高温度至900℃，得到TGA曲线，采用Pyris软件进行分析，计算各蛋白样品的热降解温度及600℃时的质量损失。

1.3.6 游离巯基/总巯基含量的测定

参照Riener等[19-20]的方法并修改，游离巯基含量的测定：取40mg粉碎后面筋蛋白加入5.5mLEllman′s试剂[异丙醇，250mmol/L Tris-HCl缓冲液（pH 8.0），4 g/L 5，5'-二硫代-2-硝基苯甲酸（5∶5∶1，体积比）]，4 800 r/min离心10min，在412 nm下用分光光度计测定吸光度值。总巯基含量的测定：30mg粉碎后面筋蛋白，用二硫糖醇还原（用80mmol/LTris-HCl缓冲液配制40mmol/L的DTE溶液，pH 8.0），60℃反应2 h后，加入3mL 100mmol/L的冰醋酸丙酮溶液终止反应，4℃条件下6 000 r/min离心10min，沉淀物悬浮于300μL 100mmol/L冰醋酸溶液中，然后再用3mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液洗涤沉淀，离心，重复3次，沉淀用Ellman′s试剂溶解，412nm处测定吸光度。

式中：C为待测物浓度，mol/L；A为样品在412 nm处的吸光度；ε为消光系数，ε=13 600M-1cm-1；b为比色皿厚度，b=1 cm；S-S 为样品待测物含量，μmol/g；C1、C2分别为样品的总巯基和游离巯基浓度，mol/L；V1、V2分别是样品测定巯基和游离巯基时样品总体积，mL；M为样品质量，g。

1.3.7 扫描电镜

将冷冻干燥所得的面筋蛋白用小锤破裂，取其内表面进行喷金镀膜，将处理好的样品放入电镜载物腔内抽真空，加压至5 kV，然后分别用从小到大的放大倍数进行观察，拍照。

2 结果与分析

2.1 不同小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响

图1是面团的热机械学性质图。

图1 不同小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响Fig.1 Effectof differentwheatbran addition on therm al mechanicalpropertiesofwheat dough

从图1可以看出添加小麦麸皮之后，面团的热机械学性质发生了改变，从图1可得到表1中的数据。小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响见表1。

表1 小麦麸皮添加量对面团热机械学特性的影响Table1 Effectsofwheatbran addition on on thermostatically propertiesof dough

由表1可知，小麦麸皮的添加使面团的形成时间增加，可能是小麦麸皮中的膳食纤维和阿拉伯木聚糖凝胶会与面筋蛋白之间竞争吸水，部分水分从小麦面筋蛋白网络结构迁移到膳食纤维或阿拉伯木聚糖凝胶体系中，导致小麦面筋蛋白形成面筋网络结构的时间延长[21-23]这说明，加入小麦麸皮后需要更长的稳定时间去形成稳定的面团。随着小麦麸皮添加量的增加，吸水率升高，可以提高面团的出品率，这是由于小麦麸皮中具有丰富的膳食纤维[24]。膳食纤维持水性较好，可以相应提高面团的吸水率，进而增加面制品的保水性，这也有利于产品的凝固及保鲜，同时可使产品成本降低。小麦麸皮添加量的增加使其黏度崩解值有明显增大，而黏度崩解值代表面团的糊化稳定性，黏度崩解值越小表示面团的糊化稳定性越好[25]。淀粉的回生值与面制品的老化有关，可以看出小麦麸皮添加量增加，面团的回生值有明显的下降，这表明小麦麸皮的添加可以在一定程度上抑制淀粉的回生。

2.2 不同小麦麸皮添加量对面团动态流变特性的影响

小麦麸皮添加量对面团储能模量、损失模量的影响见图2，麸皮添加量对损耗角正切值的影响见表2。

图2 小麦麸皮添加量对面团储能模量、损失模量的影响Fig.2 Effectsofwheatbran addition on storagem odulus，loss m odu lusofwheat flour dough

表2 麸皮添加量对损耗角正切值的影响Table2 Effectsofwheatbran addition on tanδ

储能模量（G′）又称为弹性模量，代表的是物质的弹性本质；损失模量（G′′）又称为黏性模量，代表的是物质的黏性本质。当材料性质类似固体，即其线性范围内的变形是可压缩和恢复的，那么弹性模量（G′）会大于黏性模量（G′′）且 tan δ＜1。损耗角正切 tan δ=G′′/G′，表示所测物体中黏性和弹性的比例。若tanδ越小，表明体系的弹性比例越大，流动性越差，体系组分中高聚物数量越多或聚合度越大[26]。

由图2可以看出，在小麦麸皮添加量为5%、10%、15%时，储能模量（G′）和损失模量（G′′）均随小麦麸皮添加量的升高而升高；在小麦麸皮添加量为20%时，储能模量（G′）和损耗模量（G′′）因小麦麸皮的添加而降低。随着麸皮比例的增大，G′与G′′均呈现先升高后降低的趋势。这可能是由于小麦麸皮的少量加入（5%、10%、15%）使得面粉吸水率上升，延长了面团的形成时间，面团筋力受到强化[27]。而继续添加小麦麸皮时（20%），弹性模量（G′）与黏性模量（G′′）均降低，可能是因为小麦麸皮添加量过高，面团的吸水率大大提高，反而阻碍了面筋蛋白的正常交联反应，交联密度降低导致储能模量下降从而使得面团黏弹性降低[28]。

由表2可以看出在频率为10Hz时，损耗角正切值随小麦麸皮添加量的增加大致呈现出降低的趋势，且损耗角正切值（tanδ）均小于1，即所测样品的G′均大于 G′′。

2.3 不同小麦麸皮添加量对面筋蛋白热力学性质的影响

不同小麦麸皮添加量对面团质量的影响见图3，麸皮添加量对面筋蛋白热性质的影响见表3。

图3 不同小麦麸皮添加量对面团质量的影响Fig.3 Effectof differentwheatbran addition onweightofwheat dough

表3 麸皮添加量对面筋蛋白热性质的影响Tab le3 Effectofwheatbran addition on thermodynam ic p roperty of gluten protein

从图3a热重分析（thermal gravimetric analysis，TGA）曲线上不能明显的看出具体的裂解温度。因此，做了图3b微商热重法（derivative thermogravim etry，DTG）曲线，DTG曲线是TGA曲线对温度的一阶倒数，即质量变化率（dW/dT）。DTG曲线上出现的峰与TGA曲线上的两个台阶间质量发生变化的部分相对应；峰的面积与样品对应的质量变化成正比；峰顶与失重变化速率的最大值相对应[29]。图3b所示为不同小麦麸皮添加量对面筋蛋白DTG曲线的影响。

从表3中可以发现，对照样品面筋蛋白的最大失重率发生318.5℃即面筋蛋白的裂解温度，当小麦麸皮添加量分别达到5%、10%、15%、20%时，裂解温度分别为 320.56、321.38、323.34、320.71 ℃，由此说明，随着小麦麸皮添加量的增加，其裂解温度呈现先上升后下降的趋势，面筋蛋白的热稳定性呈现先上升后下降的趋势，15%小麦麸皮添加量时面筋蛋白的裂解温度最高，热稳定性也最高。

2.4 小麦麸皮添加量对面筋蛋白结构的影响

面筋蛋白是由小麦粉中的蛋白质转化而来的，其特性是赋予小麦良好加工品质的基础。按其在不同溶剂中溶解度的不同可将面筋蛋白分为醇溶蛋白和麦谷蛋白[30]。醇溶蛋白是单体蛋白，分子无亚基结构、无肽链间二硫键，肽链依靠氢键、疏水键及分子内二硫键连接，构成较紧密球形三维结构，占面筋蛋白的30%～40%，能够赋予面筋蛋白弹性；麦谷蛋白是一种非均质大聚合体，由17种～20种不同亚基组成，亚基靠分子内和分子间二硫键连接呈纤维状，占面筋蛋白的40%～50%，能够赋予面筋蛋白黏性[31-32]。麦谷蛋白和麦醇溶蛋白之间通过二硫键、氢键及疏水相互作用形成具有特殊黏弹性质的三维网络结构，赋予小麦面团特殊的流变学特性[33-34]。因此二硫键是面筋蛋白网络结构中重要的化学键，对维持面筋蛋白的稳定及面团的流变学性质有着非常重要的作用。不同麸皮添加量面筋蛋白巯基/二硫键含量见表4。

表4 不同麸皮添加量面筋蛋白巯基/二硫键含量Table4 Differentbran contentgluten protein contentof thiol/disulfidebond μmol/g

由表4可知，加入小麦麸皮后面筋蛋白的游离巯基含量增加，但总巯基含量显著降低，添加5%、10%、15%、20%小麦麸皮，面筋蛋白二硫键含量与对照组相比分别降低了14.7%、18.1%、21.6%、25.5%。二硫键含量的降低表明小麦麸皮的加入阻碍了二硫键的形成，面筋蛋白的稳定性受到了严重的破坏，且随小麦麸的添加比例的增加，面筋蛋白空间结构破坏程度逐渐增加，这与谢洁等[11]研究结果相同。

2.5 小麦麸皮添加量对面筋蛋白微观结构的影响

小麦麸皮添加量对面筋蛋白微观结构的影响如图4所示。

添加不同量的小麦麸皮后面筋蛋白的微观结构明显不同。由图4A所示，未添加小麦麸皮的对照组面筋蛋白呈网眼状紧密相连且蛋白孔洞大小均匀且光滑，这表明小麦粉面筋蛋白结构致密统一，具有较好的稳定性。然而添加小麦麸皮后，面筋蛋白的微观结构发生了明显改变；添加5%小麦麸皮后（图4B）的面筋蛋白网状结构较为疏松，孔洞数量减少，孔洞的大小发生改变；添加10%小麦麸皮后（图4C）面筋蛋白空洞出现崩塌，网状结构遭到破坏；添加15%小麦麸皮后（图4D）面筋蛋白出现锯齿状的边缘，孔洞的大小也不均匀；添加20%小麦麸皮后（图4E）面筋蛋白展现出类似纤维状的结构。面筋蛋白的扫描电镜图表明小麦麸皮的加入会破坏面筋蛋白的微观结构，降低其稳定性，且随小麦麸添加量的增加，面筋蛋白结构破坏程度越显著。

图4 小麦麸面筋蛋白扫描电镜图Fig.4 Scanning electronm icroscopy ofwheatgluten

3 结论

本试验研究结果表明，将不同量的小麦麸皮添加到小麦粉中会对面团的热机械学性质产生很大的影响，面团吸水率增大，利于提高面制品出品率，以及面制品保鲜。随着小麦麸皮的添加比例增加，对面筋蛋白产生稀释作用，破坏面团中面筋的三维网络结构，导致形成时间、稳定时间、黏度崩解值都呈现递增趋势，回生值降低，面团品质下降。

动态流变试验结果表明，随着麸皮比例的增大，面粉吸水率上升，延长了面团的形成时间，面团筋力受到强化，小麦面团的黏弹性特性发生了变化，小麦麸皮比例过高时，面团的吸水率大大提高，反而阻碍了面筋蛋白的正常交联反应，交联密度降低导致储能模量下降，从而使得面团黏弹性降低。

热重分析试验结果表明，随着小麦麸皮比例的增大，面筋蛋白的的裂解温度逐渐升高，热稳定性也逐渐增加。小麦麸皮比例过高时，面筋蛋白的裂解温度和热稳定性降低。

在今后的研究中，依据小麦麸皮不同添加量与面团流变学特性参数间的相关性，可以考虑使用面粉品质改良剂，对面团的流变学特性进行改良，从而改善面团品质。

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