改性小麦蛋白的研究进展

张士凯 贾朝爽 张启月 吴 澎 李向阳

(山东农业大学食品科学与工程学院；山东省高校食品加工技术与质量控制重点实验室，泰安 271018)

小麦起源于亚洲西部，为单子叶植物，其播种面积大，种植范围广，是我国北方主要的粮食作物[1]。小麦蛋白质含量丰富，是人体蛋白质的主要来源。小麦蛋白经改性处理后可以在多个领域应用，增加了小麦蛋白的利用价值与发展空间，直接或间接影响着小麦的商业价值[2]。因此加强小麦蛋白质改性研究对扩大小麦蛋白的应用范围有着重大意义[3]。

1 小麦蛋白质改性技术研究

随着对小麦蛋白研究的深入，小麦蛋白在多个领域的研究已逐渐出现在公众视野。如何扩大小麦蛋白在非食品领域的应用范围，发挥其应有的作用，就迫切需要小麦蛋白质改性技术的研究，改善小麦蛋白品质及相应功能，获得具有专一特性的小麦蛋白，进而达到其目的[4]。常用的改性方法为物理改性、化学改性、生物改性和复合改性等，几种改性方式都有利弊(见表1)，通过了解小麦蛋白界面特性对其进行改性处理也是目前研究热门之一。

表1 几种小麦蛋白改性方式比较

1.1 物理改性

物理改性是利用机械处理、超高压、超声波、电辐射、冷冻、超微粉碎等物理方式改变食品中蛋白质空间结构与理化特性的方法，通常不会改变蛋白质一级结构，其耗时短、功耗低、节约成本、对食品无毒害，可明显改善小麦蛋白质的溶解性、起泡性及乳化性质等功能特性。超微粉碎技术是利用机械等方式打破固体内部作用力而使固体物料破碎的技术，可使固体物料直径低至1μm左右，达到超细粉水平的一种方法[5]，程敏等[6]以小麦为原料，借助超微粉碎技术进行处理，研究粉碎前后小麦面筋蛋白溶解度、乳化性质、性能变化发现，随着粒度减小，小麦面筋蛋白乳化性质明显改善，泡沫稳定性更好，蛋白质溶解度显著提高，巯基含量明显下降，猜测小麦面筋蛋白溶解度、起泡性、乳化性等性能变化是因为处理过程中巯基氧化产生二硫键，从而达到改善小麦面筋蛋白综合品质的目的；WANG等[7]通过圆二色谱法试验与微量掺粉试验研究冻藏对小麦蛋白的影响发现，对于面制品蛋白质二级结构，冻藏后发生解聚现象，网状结构变得疏松，网络结构强度与流变学性能随着时间增加发生下降，面筋蛋白相对分子质量下降，热稳定性下降，自由氨基无明显变化，自由巯基增加，推断面筋蛋白相对分子质量下降与二硫键的断裂导致的大分子蛋白解聚有关[8];刘国琴等[9]通过研究动态高压微射流(DHPM)对小麦蛋白的影响发现，微射流可以增加小麦蛋白的溶解度，经处理后乳化性能和动态流变特性都显著提高，经过SDS-PAGE及DSC图谱分析[10]，发现小麦蛋白直径减小，大分子质量亚基被分解成为小分子亚基，使空间变得紧凑，进而影响了小麦蛋白的溶解度、起泡性及乳化性能;王维军等[11]探讨了光量子对小麦蛋白质影响机制，表明光量子可有效的防止小麦蛋白在贮藏过程中溶解度、乳化性等性能的下降，保证了小麦蛋白的功能性质；黄薇等[12]研究了超高压对小麦蛋白质影响，实验显示面筋蛋白溶解度与压力的升高呈正相关，在200～400MPa范围内，面筋蛋白起泡性能得到明显改善，但当压力大于600MPa时则相反，乳化性质随着压力升高呈先提升后降低的趋势，还可有效的提高小麦蛋白的消化性; 钱建亚等[13]发现臭氧可降低小麦蛋白界面张力，改变面筋蛋白流变学特性，使其溶解度、持水力等性能得到显著提高。小麦蛋白物理改性研究目前很多，正逐渐深入，相信在未来小麦在其他领域的应用中会起到关键作用。

1.2 化学改性

化学改性是通过化学方式处理蛋白质使其内部基团及多肽链发生断裂或聚合反应，而使蛋白质空间结构、理化特性等发生明显变化，达到定向改造蛋白质功能特性的目的。目前常利用磷酸化作用、水解作用、酰化作用、糖基化作用等对小麦蛋白进行化学改性处理。马庆保等[14]综述了小麦蛋白经三聚磷酸铵处理后的变化，经磷酸化后小麦蛋白成为一种高乳化性能的蛋白；姜力凤等[15]通过粒度仪分析发现，亚硫酸钠用于小麦蛋白后，蛋白质分子中二硫键断裂形成游离巯基，蛋白结构变得疏松，二硫键断裂导致蛋白质颗粒变小，比表面积值增大，无法交联到一块，从而破坏其三级结构；龚本前等[16]研究发现，乳化剂对不同加工过程的面制品产生不同效果，和面阶段增强面团弹性和柔韧性，醒发阶段加快酵母菌发酵和提高面团保留气体能力，蒸制烘烤阶段高面制品抗老化能力，从而改善小麦制品品质；任顺成等[17]采用荧光光谱法证实了芦丁和槲皮素对小麦蛋白的荧光猝灭作用； 张德欣等[18]确定了盐酸处理小麦蛋白的最佳工艺条件，即在65℃环境下，盐酸：8%谷朊粉为3.5∶100时，盐酸可显著提高小麦蛋白溶解性等理化性能。虽然化学改性易于操作，成果显著，但是其产生很多毒副作用会影响食品安全性[19]。

1.3 生物改性

生物法目前主要用酶进行改性，酶法改性是蛋白酶在适宜的条件下对蛋白质进行催化水解从而使蛋白质分子结构功能及性质发生改变的方式，其具有效率高、无毒副产物产生，过程易控等优势，酶法改性可赋予酶解产物多种功能，如降血压、抗氧化、抗疲劳、提高免疫等[20]。酶法改性主要有脱酰胺改性、酶法水解和酶交联改性三种[21]，其中酶交联改性技术运用最为广泛，能有效改善蛋白质结构功能。有学者分别用胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶对小麦蛋白进行处理[22]，发现小麦蛋白水解度和消化率均明显提高，其中碱性蛋白酶效果最为显著，后经过SDS-PAGE及DSC图谱分析发现随着水解度的提高，小分子多肽含量也逐渐升高[23]。利用酶对小麦蛋白进行改性有着天然的优势，对扩大小麦蛋白应用范围提供了良好基础。

1.4 复合改性

复合改性就是根据实际情况将几种改性方法结合到一起对蛋白进行改性的方式，可以整合各种改性方式的优缺点，使其优势互补，从而能到达更好的改性效果[24]。对小麦蛋白进行物理改性时，往往会因为热变性而导致膜抗张强度降低，如果把酶法改性与物理改性结合运用，可以通过真菌发酵将小麦蛋白多肽的肽键打断，增强小麦蛋白溶解性，从而改善物理改性中小麦蛋白乳化性与溶解性不足的劣势[25]。小麦蛋白复合改性具有几种改性方式独特的优势，又可以避其劣势，可达到一举多得效果，在未来肯定会得到越来越多的应用。

1.5 利用小麦蛋白界面特性进行改性

Tschoegl等[26]研究发现小麦蛋白质薄膜稳定，耐压。之后小麦粉蛋白质界面特性研究少之又少。目前所掌握的蛋白质功能技术很多是由经验判断的，随着基因工程和植物育种技术发展，人们可以在分子基因水平上将蛋白质化学性质与其功能相联系，进一步对其进行定向改性，得到理想的改性蛋白多肽[27]。小麦主要表面活性成分是蛋白质，占7%～20%。蛋白质分子上的几个基团可以同时与界面发生相互作用，如果蛋白质在相互作用时未发生折叠，熵值则会增加，在小麦粉蛋白质界面处产生吸附的驱动力，可进一步稳定薄膜，产生动力学稳定的蛋白质界面层[28]。小麦蛋白质界面特性的研究主要运用表面膜平衡技术，经显微镜观察发现，小麦蛋白粉粒在加热加压的条件下界面特性发生了奇特变化，其气-液界面总面积增加，疏水基团和游离巯基也暴露出来；小麦蛋白在此处理下会产生原纤维，形成的原纤维氨基酸组成与谷蛋白氨基酸组成相似，并且该过程在暴露在空气后立即发生，并在5s内完成[29]。理解小麦蛋白界面性质及在高温下的界面变化并将其运用在改性研究中将更有利于小麦蛋白利用的全面发展，但由于难以获得纯净、完整的小麦蛋白，在此方向的研究受到了重重阻碍，通过技术与设备的发展改善，利用研究小麦粉蛋白质表面特性进一步加大对小麦蛋白质的认识受到科学界青睐，具有广大前景与挑战[30]。

表2 改性小麦蛋白多领域应用

2 改性小麦蛋白应用领域研究

随着科学技术进步及研究的加深，小麦蛋白在多个领域的研究利用也得以发展。通过物理、化学和酶对小麦蛋白进行改性，可以得到不同功能性质的蛋白产物，在很多领域中也发挥着重要作用(见表2)，极大丰富了小麦蛋白质的可利用价值。

2.1 小麦蛋白质在某些疾病中作为靶抗原

2.1.1儿童自闭症

自闭症谱系障碍是一种由神经免疫基因遗传或环境因素如感染、有毒化学物质等造成的疾病，临床表现为社会交往障碍、交流障碍、兴趣狭窄、刻板重复的行为方式、智力低下等症状[31]。近期研究发现小麦蛋白可作为儿童自闭症的靶抗原，Aristo Vojdani等[32]检测儿童自闭症中抗醇溶蛋白的抗体，对其血液样本分析显示，大多数患病儿童产生了抗α-醇溶蛋白33-肽的IgG和IgA抗体;后对48例儿童ASD患者血清中的谷蛋白和非面筋蛋白IgG和IgA抗体进行检测，数据分析表明[33]，48份样品中有16份(约33%)与小麦蛋白和α-醇溶蛋白33-肽的混合物产生强烈的反应，12份(约25%)的样本与抗面筋蛋白的IgG反应，IGA对小麦蛋白质混合物的免疫反应性最强，其次是CXCR3结合的醇溶蛋白，验证了小麦蛋白可作为儿童自闭症中靶抗原的作用。

2.1.2克罗恩症

克罗恩病是一种发病原因不清楚的炎症性肠道病，经常发病于回肠末端，临床表现为腹痛、腹泻、发烧等症状，该病目前无法根治，易复发，因此如何快速检测该疾病受到关注。有人用ELISA法测定克罗恩病患者血清中谷蛋白和非面筋蛋白的IgG和IgA抗体发现[34]，对于IgG抗体，在OD值为0.5时，约有46%的样品与小麦蛋白混合物反应，约有38%样品与面筋蛋白和非面筋蛋白都有很强的反应，与IgG相比，克罗恩病患者IgA阳性标本的检出率要低得多，其中面筋蛋白CXCR3结合的醇溶蛋白肽最强[35]。小麦蛋白在此领域的研究，为快速检测该疾病提供了一种全新思路。

2.1.3乳糜泻

乳糜泻又名麦胶性肠病，是因人体对麦胶不耐受而引起的原发肠源性吸收不良综合征，患病者在大便时排出过多脂肪，出现营养不良、体重变轻并伴有发烧、水肿等症状，严重可诱发骨质疏松或肠道恶性肿瘤等疾病。由于克罗恩病和CD之间存在一些症状学重叠，Huebener等[36]对克罗恩病患者的血清应用针对各种小麦抗原和相关肽的IgG和IgA测量，检查对非面筋蛋白的免疫反应的可能性，而不是对面筋蛋白的免疫反应，与健康对照相比，发现克罗恩病患者血清中的IgG抗体在38%的测试样本中对来自谷蛋白和非谷蛋白的抗原高度升高，IgA抗体对谷蛋白和非谷蛋白的反应性也都很强。Siniscalco等[37]检测腹腔病患者血清中抗面筋蛋白和非面筋蛋白的IgG和IgA抗体发现，OD值在一定范围内时，IgG抗体对CXCR3结合的醇溶蛋白肽的反应性最强，其次是小麦蛋白和丝氨酸的混合物，大多数样品对面筋和非面筋蛋白都有较强的反应。通过检测抗小麦蛋白的IgG或IgA抗体，为乳糜泻患者小麦免疫反应的检测提供了最灵敏的方法。

2.2 小麦蛋白在化妆品中应用

水解小麦蛋白因其保水性而被广泛运用于化妆品中，小麦蛋白通过木瓜蛋白酶等酶或者酸碱水解后得到最终产品为25%的小麦水解溶液[38]。水解小麦蛋白性质温和，无刺激，对皮肤亲和性强，过敏性皮肤也可使用，可作为皮肤和头发调理剂[39]。小麦水解蛋白近些年在化妆品中的报道很多，达到1077篇，其中一半应用于非染发产品[40]。日本一家公司已经尝试将喷雾护肤品和皮肤清新剂中加入小麦水解蛋白[41]。水解小麦蛋白应用于化妆品中会引起一些人群过敏反应和荨麻疹，国外一项研究比较了16名接触性过敏反应患者发现[42]，16名患者都使用了同一款含有水解小麦蛋白的香皂，皮肤点刺试验显示，0.1%的肥皂溶液在生理盐水中和0.1%的水解小麦蛋白在生理盐水中呈阳性反应。但是，因化妆品中小麦蛋白而引起的荨麻疹并不常见[43]。关于小麦蛋白在化妆品中的应用在积极的探索中，相信逐步会有更深的认识。

2.3 小麦蛋白对人体胃肠的保护作用

肠胃病在我们生活中很常见，越来越多的人受到此病的折磨，特别是在中老年人群中更为多见，如治疗不及时甚至有可能发展为癌症，典型的肠胃病如胃溃疡、慢性肠炎、胃出血、胃穿孔等[44]。小麦蛋白经酶或酸碱水解后得到的水解小麦蛋白肽具有免疫活性、抑制癌变和抑制肽基二肽酶A活性等功效[45]。肠上皮层是由一层上皮细胞组成的物理生化屏障，它决定了肠组织和外部环境之间的边界，完整的肠上皮层能起到最好保护效果，肠杯状细胞是一种特殊的分泌细胞，位于上皮层，它们负责粘蛋白的产生，这可以防止大颗粒和细菌侵入上皮细胞层，Carmela等[46]对照普通面包与小麦水解肽面包对人体肠上皮层肠杯状细胞的分泌影响，通过跨上皮电阻(TEER)测量评估细胞单层的屏障功能发现，小麦蛋白肽增加了黏蛋白的分泌，鉴于肠道微生物也可调节杯状细胞功能和肠粘液层，推断肠上皮粘液的产生不仅与小麦蛋白肽本身的直接作用有关，还可能是由小麦蛋白肽调节引起的肠道微生物学调节的结果；杨贤等[47]通过小鼠实验发现，小麦活性肽能明显改善小鼠酒精性胃黏膜损伤，提高小鼠肠胃消化吸收能力，促进胃肠上皮细胞生长，能够起到肠胃保护作用。小麦蛋白肽对肠胃的调节保护机制逐渐受到大众关注，相信在不远的将来一定会有突飞的进展。

2.4 小麦粉蛋白肽促酸奶发酵

酸奶营养价值高，风味独特，具有保健功效，越来越受到大众青睐。近些年发现小麦蛋白肽可以替代部分牛乳蛋白进行发酵，此发现扩大了小麦蛋白应用领域。廖兰等[48]将小麦经蛋白酶酶解得到小麦蛋白肽，研究其促发酵机理。通过感官评定，发现经三种酶处理的小麦蛋白肽均能有效的促进酸奶发酵，酶解时间越长，促进发酵效果越好，到达发酵终点时间越短，且成品酸奶酸度处于正常范围，这是因为小麦蛋白肽增加了发酵奶中游离氨基酸与肽的含量，增强了发酵剂繁殖与产酸能力；徐鑫等[49]在小麦促发酵实验对小麦蛋白不同分子肽段样品进行超滤，发现各质量段的肽都具备较好的促发酵能力，但是不同质量段的肽促发酵能力差别较明显，分子质量段越小的肽促发酵能力越强。

2.5 小麦蛋白质澄清作用

果酒是以水果为原料发酵而成，受到广大人们喜爱。但是在其加工、运输、贮藏中经常发生浑浊，严重影响果酒感官品质。果酒发生浑浊主要是因为多酚类化合物与蛋白质结合形成大分子聚合物，目前常用皂土、明胶等作为果酒加工过程中的沉淀剂，但存在诸多问题:皂土在果酒生产中能起到澄清作用，当用量过大时，澄清效果明显但口感下降；明胶对人体存在着安全风险[50]。有研究表明小麦蛋白质运用在果酒加工中，降低了果酒中飘絮物含量，具有澄清作用，并且成本低，无毒无害，对人体没有任何安全风险[51]。黄惠华等[52]以葡萄酒为样品对小麦蛋白澄清作用展开研究，提出了果酒、果汁发生浑浊是蛋白质与多酚物质相互作用引起的；有学者分别用大豆蛋白、扁豆蛋白、小麦蛋白处理浑浊葡萄酒，结果显示小麦蛋白澄清效果较好[53]；用经脱醇溶蛋白后的小麦粉制备小麦澄清蛋白[54]，做果酒澄清实验，验证了果酒发生浑浊是因为酒体中多酚类化合物与蛋白质结合成大分子化合物。以制备的小麦澄清蛋白作为果酒澄清剂，具有安全、无害、来源广、成本低，澄清效率高等优点，可以最大程度保持果酒品质，是澄清果酒很好的选择。

2.6 小麦蛋白作为可食用包装膜

小麦蛋白具有良好的延展性与薄膜成型性，其价格低廉，可降解、无任何污染，满足社会对保护环境的需求，可广泛运用在鲜果产品包装、肉产品包装以及各种油炸类食品等[55]。对小麦面筋蛋白进行酸碱处理，使其亚基解离，暴露出疏水基团，再通过疏水键、二硫键相互作用使其形成立体网络结构，在适当条件下即可得到可食用膜[56]。但是其机械强度差，阻水性能较弱，容易发生破裂现象，在实际生产运用中受到很大限制，很难达到工业化生产标准和实际商业运用规模。丛旭等[57]以方便面内调料包为模型设计制作小麦蛋白膜包装实验，研究了pH、蛋白质含量、乙醇体积分数对小麦面筋蛋白膜性能的影响，发现当蛋白质含量为10.70%、pH为11.25、乙醇体积分数为56.70%左右时，小麦面筋蛋白可食用膜性能最高，在保藏45d后，模拟方便面粉包与蔬菜包均外观完整、无破损，酸价等指标都符合国家标准要求，这也为小麦蛋白为原料制作可食用包装方案提供了基础。

3 小结

国内外对于小麦蛋白质的研究已经较为广泛和深入，尤其是关于小麦蛋白质与小麦制品品质的关系，但是关于小麦粉蛋白质界面特性研究较少；小麦蛋白质其他领域的发展提高了小麦利用率，增加了商业价值，但是目前对于小麦蛋白一些改性机理研究还不够深入。今后应加大对小麦蛋白质界面特性的研究，利用其界面特性加深对小麦蛋白质改性的理解；寻找多种处理小麦的改性方式，加强对小麦蛋白在多个领域的机理研究，扩大小麦的应用范围，增大小麦商业价值以获得最大经济利益。