膳食纤维与阿魏酸复配对面团和面筋蛋白性质的影响

王红娜，曹欣然，黄莲燕，张慧娟*，刘英丽，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）

膳食纤维（dietary fiber，DF）被称为“第七大营养素”，虽不能被人体小肠消化吸收，但对高血压、糖尿病及肥胖等病症有明显的预防作用[1-2]。有研究表明，DF具有极强的吸水能力，可吸水膨胀并促进胃肠道的蠕动，改善便秘；DF还可被大肠中的微生物利用，减少肠道中的肠毒素，保护肠道健康[3]。

阿魏酸（ferulic acid，FA）存在于谷物糊粉层和果皮中，是小麦麸皮的主要酚酸（0.5%～0.7%），具有良好的抗氧化性、抗炎、抗血栓和抗癌活性[4-5]。谷物中大部分FA以结合态存在，通过酯键与阿拉伯木聚糖侧链的阿拉伯糖残基连接；另一小部分FA以游离态存在[6]。Masuda等[7]研究发现谷物阿魏酰低聚糖的体外抗氧化潜能比游离的FA更强，FA与DF的交联及相互作用增强了FA的功能活性。

将DF和FA添加到面粉中有助于提高面制品的健康益处，但是DF和FA的加入会对面粉的加工特性和产品品质造成影响。研究[8-9]发现DF会使面团的吸水率增加、面包变硬、面包体积减小。Koh等[10]研究发现，面粉中FA的添加给面团的流变学特性和面包品质带来不利的影响，降低了面团的混合耐受性和面包体积。面团流变学特性及面制品品质与面筋的网络结构密切相关，强化面筋网络结构的成分对面团流变学特性和面制品品质具有改善作用，而破坏面筋网络结构的成分则起到劣化作用[11]。但是，当前研究集中在DF对面团及面制品的影响，关于FA与DF共同作用对面筋蛋白的影响这一机理研究较少。因此，研究DF和FA及二者共同作用对面筋蛋白性质的影响具有重要意义。

本实验研究DF、FA单一及复配添加对面团流变学及面筋蛋白结构和性质的影响，探究DF、FA及二者共同作用对面团及面筋蛋白性质的影响，以期从机理上进一步解释DF和FA对面粉及面制品造成的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

高筋小麦粉 市购；水不溶性DF 波兰Inter Fiber公司；FA、盐酸、三羟甲基氨基甲烷、丙酮、冰醋酸、异丙醇、5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸)、甲基硅油（黏度≥100 mPa·s） 北京半夏科技发展有限公司；二硫糖醇 北京百灵威科技有限公司；二硫糖醇还原液：用80 mmol/L Tris-HCl缓冲液（pH 8.5）配制浓度为40 mmol/L的二硫糖醇溶液；Ellman's试剂：异丙醇、250 mmol/L Tris-HCl缓冲液（pH 8.5）、4 g/L 5,5’-二硫代双(2-硝基苯甲酸)按体积比为5∶5∶1配制而成。所用化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

JA5003电子天平 上海精密科学仪器有限公司；S-3000N扫描电子显微镜、CR22N高速离心机 日本Hitachi公司；SHZ-82A恒温振荡器 常州国华电器有限公司；Free Zone®真空冷冻干燥机 美国Labconco公司；DHR-2混合型流变仪 美国TA仪器公司；Mixolab谷物综合特性测定仪 法国Chopin公司；Cary 100紫外分光光度计 安捷伦科技（中国）有限公司；TGA 8000热重分析（thermogravimetric analysis，TGA）仪珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 混合粉制备

准确称量高筋小麦粉、DF、FA，分别配制如下3 组混合粉，各组混合粉置于4 ℃冰箱待用。1）DF组：DF质量分数分别为3%、6%、9%、12%的混合粉[12]；2）FA组：FA质量分数分别为1%、2%、3%、4%的混合粉[13]；3）复配组：a. 2% FA和6% DF组；b. 3% FA＋9% DF组[14]。

1.3.2 面团热机械学特性的测定

谷物综合测定仪可用于研究面团的热机械学特性，通过测定两个揉捏臂之间面团的扭矩，从而研究在加热和冷却过程中面团中蛋白质和淀粉的性质[15]。混合实验仪设定参数：首先使面团扭矩达到1.1 N·m，30 ℃恒温8 min后以4 ℃/min的升温速率升温至90 ℃，保持7 min后以4 ℃/min降温速率冷却至50 ℃，保持5 min，整个过程面团搅拌速率保持在80 r/min。

1.3.3 面筋蛋白的制备

参照Day等[16]的方法稍作修改。称量25 g混合粉加入15 mL蒸馏水揉捏成均匀的面团，面团用塑料薄膜包裹静置30 min，使蛋白质充分作用更好地形成面筋蛋白。然后使用蒸馏水洗涤至洗出的清水遇碘不变蓝，所剩余物质即为湿面筋蛋白，各组样品重复3 次。湿面筋蛋白一部分立即用于湿面筋蛋白动态流变学性质的测定；其余湿面筋蛋白进行真空冷冻干燥得到干面筋蛋白，取部分面筋蛋白进行扫描电子显微镜测试，剩余部分干面筋蛋白用粉碎机粉碎过筛，制得面筋蛋白粉，于－4 ℃冰箱中保存备用。

1.3.4 湿面筋蛋白动态流变性质的测定

参照文献[17]的方法，利用动态流变仪进行湿面筋蛋白动态流变学性质研究。取1.3.3节中制得的湿面筋蛋白中心部位4 g左右蛋白质，揉成小球，放在动态流变仪的底盘中心，调整上平板与下平板间距，滴加甲基硅油密封。为使加样过程中受到破坏的面筋蛋白结构恢复，样品在测量开始前应在平行板上稳定6 min。设定应力扫描测量参数和频率扫描测量参数，测定弹性模量（G’）、黏性模量（G”）随频率的变化。

1.3.5 面筋蛋白热性质的测定

差示扫描量热法（differential scanning calorimetry，DSC）根据Wang Pei等[18]的方法稍作修改。以一个空盘为参照，在铝盘中称取3 mg左右1.3.3节中制得的面筋蛋白，在40 mL/min的氮气环境下，以5 ℃/min的升温速率从25 ℃加热至130 ℃。使用TA60软件分析获得蛋白热变性温度（Tp）和焓值（ΔH）。

TGA参照Nawrocka等[12]的方法稍作修改。称取10 mg左右的1.3.3节中制得的面筋蛋白粉，由50 ℃升温至900 ℃，升温速率为20 ℃/min，得到TGA曲线，采用Pyris软件进行分析，计算各面筋蛋白的热降解温度（Td）及600 ℃时的质量损失率。

1.3.6 游离巯基、总巯基和二硫键含量的测定

游离巯基含量的测定[17]：取40 mg面筋蛋白粉加入5.5 mL Ellman's试剂，6 000 r/min离心15 min，在412 nm波长处测定吸光度。

总巯基含量的测定：取40 mg面筋蛋白粉加入二硫糖醇还原液，60 ℃反应2 h后，加入3 mL 100 mmol/L的冰醋酸-丙酮溶液终止反应，4 ℃、6 000 r/min离心10 min，用3 mL 100 mmol/L的冰醋酸-丙酮溶液洗涤沉淀，离心，沉淀用Ellman's试剂溶解，412 nm波长处测定吸光度。

总巯基、游离巯基和二硫键含量[17]按公式（1）～（4）计算：

式中：A为样品在412 nm波长处的吸光度；ε为消光系数（13 600 L/（mol·cm））；b为比色皿厚度（1 cm）；C1、C2分别为样品的总巯基和游离巯基浓度/（μmol/mL）；V1、V2分别为样品测定总巯基和游离巯基时样品总体积/mL；M为样品质量/g。

1.3.7 面筋蛋白微观结构观察

参照Gómez等[19]的方法稍作修改。将1.3.3节中冷冻干燥所得的面筋蛋白用小锤破裂，取内表面较平整的样品块用导电银胶粘到扫描电子显微镜样品台上，将样品台放入喷金仪中进行喷金。将处理好的样品立即放入电镜载物腔内抽真空加压，放大倍数800 倍拍照。

1.4 数据处理

设定3 次平行实验，结果用 ±s表示，并采用Excel 2007和SPSS Statistics 22进行数据处理和分析，P＜0.05，差异显著。

2 结果与分析

2.1 DF与FA复配对面团热机械学特性的影响

表1 DF、FA对面团热机械学特性的影响Table 1 Effects of addition of DF and/or FA on the thermomechanical properties of dough

如表1所示，添加DF后，面团的吸水率与对照组相比显著增加了2.36%～7.76%，这可能是因为DF含有大量的羟基，具有较强的持水能力，从而增强了面团的吸水率[20]。FA组混合粉面团的吸水率与对照组相比无显著性变化，而DF和FA复配后面团的吸水率均低于单独添加等量DF时的面团。面团的形成时间反映面筋蛋白三维网络形成的速率。与对照组相比，DF组的面团形成时间显著增加了18.15%～69.18%，且随DF添加量的增加而延长。李娟等[21]认为阿拉伯木聚糖会吸附在小麦面筋上从而抑制小麦面筋蛋白网络结构的形成。钱建亚等[22]研究也发现在面粉中添加米糠不溶性DF使面团形成时间延长，可能是因为DF影响体系中水分的分布，使面筋的吸水速率减慢，导致形成时间延长。FA组面团形成时间与对照组差异并不显著；但当FA与DF复配添加时，面团的形成时间显著低于添加等量DF。牟振坤等[23]研究发现DF可与FA的酚羟基发生交联，这种交联作用会降低DF吸水基团的数量，从而降低DF的吸水性并减弱DF与面筋蛋白竞争水分的能力。

稳定时间反映面团的耐剪切能力，面团的稳定时间越长，面团耐滚揉能力越强。添加DF使面团的稳定时间显著增加，且随着DF由3%～12%，面团的稳定时间由5.94～8.83 min，显著增加，这与陶颜娟等[24]的研究结果一致。与对照组相比，FA显著降低面团的稳定时间，这与Jackson等[25]的研究结果一致，Labat等[26]认为FA在面团滚揉过程中会与面筋蛋白发生相互作用，弱化面团。DF和FA复配添加时，面团的稳定时间介于单独添加等量DF和FA之间。

黏度崩解值反映了面团中淀粉的破损程度及糊化稳定性，黏度崩解值越大，淀粉破损程度越大或糊化稳定性越弱。与对照组相比，DF使面团的黏度崩解值显著增加了61.11%～283.33%，且黏度崩解值与DF添加量正相关，Brennan等[27]的研究表明DF会影响淀粉的结构，进而影响淀粉的糊化性质。FA对面团黏度崩解值影响并不显著，而2% FA＋6% DF组面团的黏度崩解值接近对照组，3% FA＋9% DF组显著高于对照组，这表明适当添加FA可改善DF对淀粉结构的破坏。有研究表明，FA可与DF和面筋蛋白交联从而限制DF对淀粉分子的破坏作用[23]。

回生现象是面团中淀粉糊化后冷却过程中淀粉分子重结晶的过程，回生值越大说明面团中淀粉分子重结晶程度越大，形成凝胶的能力越强。低含量的DF使面团回生值增加，高含量的DF使面团回生值降低；与对照组相比，FA使面团的回生值显著增加了90.48%～97.62%，这表明DF和FA均会影响淀粉分子的晶体结构。复配组中2% FA＋6% DF组面团的回生值显著高于对照组，而3% FA＋9% DF组与对照组类似。Han等[28]推测FA不仅会直接与淀粉分子发生相互作用，还会影响DF对淀粉的作用。以上实验结果表明，DF显著影响了面团的热机械学特性，而适当的添加FA能够削弱DF对面团热机械学特性产生的影响。

2.2 DF与FA复配对面筋蛋白动态流变特性的影响

面筋蛋白的动态流变学特性与面团加工特性及面制品品质密切相关。G’为物料在发生形变后恢复原始形状的能力，表征物料的弹性特征；G”为物料耗散变形能量的能力，表征物料的黏性特征；G”与G’的比值tanδ反映物料的黏弹性特征，tanδ大于1时物料具有类似于流体或黏性的性质，tanδ小于1时说明物料的性质类似于固体[29]。

图1 DF、FA对面筋蛋白动态流变特性的影响Fig. 1 Effects of addition of DF and/or FA on the viscoelastic modulus of gluten

由图1a、b可知，所有组别样品的G’、G”随着扫描频率的增加而增大，G”均小于G’，表明面筋蛋白的流变学性质类似于固体，这与Khatkar等[30]的研究结果一致。DF组中面筋蛋白的G’、G”显著高于对照组，且随着DF添加量的增加而增大，DF的添加使面筋蛋白的黏性和弹性均得到增强，面筋蛋白的凝胶性质加强。马福敏等[31]也发现阿拉伯木聚糖可显著提高面筋蛋白的黏弹性。与对照组相比，FA组和复配组均使得面筋蛋白的G’、G”增大，其中，3% FA＋9% DF组面筋蛋白具有最大的G’、G”。

扫描频率10 Hz下不同含量DF、FA面筋蛋白的tanδ变化曲线见图1c。DF的添加使面筋蛋白的tanδ值呈下降趋势，并显著低于对照组，表明随着DF添加量的增加，面筋蛋白固体性质增强。FA组、2% FA＋6% DF组面筋蛋白的tanδ值与对照组无显著差异，而3% FA＋9% DF组面筋蛋白的tanδ值显著低于对照组，表明适当添加FA可以抵消单独添加DF时对面筋蛋白的固体性质影响，保护面筋蛋白的性质。Wang Mingwei等[32]也发现FA可介导阿拉伯木聚糖与面筋蛋白的交联，阿拉伯木聚糖还可与面筋蛋白发生物理吸附，这些相互作用直接影响面筋蛋白凝聚状态。由面筋蛋白动态流变学结果可知，DF、FA的添加会增强面筋蛋白的黏弹性，适当添加FA可改善DF单独添加对面筋蛋白固体性质造成的影响。

2.3 DF与FA复配对面筋蛋白热力学性质的影响

图2 DF、FA对面筋蛋白DSC的影响Fig. 2 Effects of addition of DF or/and FA on the DSC of gluten

表2 DF、FA添加量对面筋蛋白热性质的影响Table 2 Effects of addition of DF and/or FA on the thermodynamic properties of gluten

面筋蛋白的热力学性质是反映面筋强度的重要特性，DSC分析和TGA可用于分析面筋蛋白的热力学性质。图2是面筋蛋白DSC分析结果，在程序升温下，面筋蛋白在50～70 ℃发生热变性。由表2可知，对照组的Tp（69.97 ℃）和ΔH（104.46 J/g）最高，DF组和FA组面筋蛋白的Tp和ΔH显著低于对照组，且随DF、FA添加量的增加而降低；2% FA＋6% DF组、3% FA＋9% DF组面筋蛋白的Tp值与对照组相比分别下降了11.81 ℃和13.77 ℃，然而其ΔH与对照组相比无显著性差异。Tp用于评价材料分子流动性和水化程度，当某种材料解聚时，其热变性温度将降低；反之，当某种材料聚集时，其热变性温度将增大[17,33]。Roudaut等[34]的研究也表明当物质交联时，其分子内的氢键、范德华力增加，分子流动性受到限制，物质的Tp值增大，反之降低。DF组、FA组及复配组面筋蛋白的Tp均显著低于对照组，表明DF、FA及复配均会使面筋蛋白网络的空间结构变得更加松散和无序，蛋白更容易变性。Wang Mingwei等[35]也认为FA可通过影响蛋白质分子间的范德华力影响蛋白质的聚集状态，这一作用可能会对面筋蛋白的热稳定性造成影响。ΔH值反映蛋白质分子的疏水性和亲水性，对照组的ΔH值最高（104.46 J/g），表明对照组面筋蛋白分子内部含有较多的疏水性基团，疏水性较强。单独添加DF、FA后，可能由于水分竞争作用，使得面筋蛋白内部的疏水集团暴露，导致面筋蛋白网络结构展开，ΔH值下降。而复配组面筋蛋白的ΔH值与对照组相比并没有显著下降，表明DF和FA的共同作用可能对面筋蛋白网络结构中的疏水区域具有一定的保护效果。

图3 DF、FA对面筋蛋白热力学性质的影响Fig. 3 Effects of addition of DF and/or FA on the thermodynamic properties of gluten

如图3所示，TGA曲线表明在程序控制温度下，面筋蛋白质量损失率随温度变化的累积量，DTG曲线是TGA曲线中质量损失率对温度的一阶导数。DTG曲线上面筋蛋白质量损失速率最大值所对应的温度即热降解温度（Td）及600 ℃时的质量损失率[36]。由表2可知，与对照组相比，DF组面筋蛋白的Td值随DF添加量的增加先减小后增大，FA组则随FA添加量的增加呈下降的趋势；复配组Td值与对照组无显著性差异。Td值变化的复杂性表明，表明DF、FA与面筋蛋白之间存在多种相互作用，复配可改善单独添加对面筋蛋白热稳定性产生的不利影响。DF组、FA组面筋蛋白在600 ℃时的质量损失率均显著高于对照组，这表明DF、FA单独添加使面筋蛋白原本紧密的网络结构遭到破坏，变得松散、开放[37]，这与DSC实验中ΔH值的实验结果一致。复配组面筋蛋白在600 ℃时的质量损失率最大，该现象与ΔH值和Td值的结论相矛盾，这一矛盾结果表明DF和FA与面筋蛋白的相互作用是复杂的，在本实验中尚无法解释，仍待进一步研究。热力学性质结果表明，DF、FA单独添加会降低面筋蛋白热稳定性，而DF与FA复配添加对面筋蛋白热稳定性的影响有待进一步探究。

2.4 DF与FA复配对面筋蛋白巯基、二硫键含量的影响

表3 DF、FA添加量对面筋蛋白巯基、二硫键含量的影响Table 3 Effects of addition of DF and/or FA on the contents of sulfydryl and disulfide groups of gluten

二硫键是影响面筋蛋白流变特性、稳定面筋蛋白网络结构的重要化学键[38-39]。面筋蛋白中的高分子质量麦谷蛋白亚基和低分子质量麦谷蛋白亚基通过二硫键形成具有三维网络结构的蛋白骨架，醇溶蛋白通过氢键和疏水性共价键镶嵌在麦谷蛋白形成的网络结构中，这种特殊的三维网络结构赋予了面团特殊的流变学特性[40-41]。

由表3可知，对照组的二硫键含量最高（70.85 μmol/g），显著高于其他组别（P＜0.05），这表明对照组的面筋蛋白网络稳定性最强。DF的加入使面筋蛋白的二硫键含量和巯基含量显著降低，12% DF组面筋蛋白的二硫键含量和巯基含量显著降低至56.03 μmol/g和1.01 μmol/g，表明DF对面筋蛋白的网络结构稳定性起到破坏作用。Zhou Yun等[42]的研究发现，将魔芋葡甘聚糖添加到小麦粉中会降低面团中二硫键的含量。冯蕾[43]也发现麦麸DF的加入会使面筋蛋白中二硫键含量下降，并显著影响挂面的质构性质，可能是因为DF与蛋白质分子链的物理缠绕阻碍了面筋蛋白中二硫键的正常形成。与对照组相比，FA显著降低了面筋蛋白中二硫键的含量；当FA添加量达到4%时，二硫键含量降为50.90 μmol/g，表明FA的加入限制了面筋蛋白中二硫键的形成。复配组面筋蛋白含量显著降低了26.94%～31.94%，其中3% FA＋9% DF组面筋蛋白的二硫键含量在所有组别中最低，为48.22 μmol/g。Wang Jinshui等[44]也发现在戊聚糖中加入FA可阻止面筋形成过程中二硫键的氧化交联。

然而，DF、FA单独和复配添加后面筋蛋白二硫键含量的下降并没有伴随游离巯基含量的相应增加，面筋蛋白的总巯基含量也显著降低，表明添加DF和FA后，巯基的损失是不可逆的。Morel等[17]的研究也表明蒸煮过度的意大利面中二硫键的损失量与游离巯基的增加量不平衡。Neukom等[45]的报道也曾指出FA的活性双键和胱氨酸之间可能会形成C—S键，影响巯基和二硫键之间的相互转化。由面筋蛋白游离巯基和二硫键结果可知，DF和FA单独和复配添加均会阻碍面筋蛋白体系中二硫键的形成，且二者具有协同作用。同时，DF和FA还会使巯基发生不可逆的损失。

2.5 DF与FA复配对面筋蛋白微观结构的影响

图4 DF、FA对面筋蛋白微观结构的影响（×800）Fig. 4 Effects of addition of DF and/or FA on microstructure of gluten ( × 800)

对面筋蛋白进行扫描电子显微镜观察（图4），对照组面筋蛋白的孔洞均匀有序、结构致密，随着DF添加量的增加，面筋蛋白的三维网络逐渐变得无序疏松，当添加12% DF时，面筋蛋白的网络结构被严重破坏，面筋蛋白出现塌陷的结构。王超等[46]也发现麸皮DF对面筋蛋白的微观结构造成破坏，可能是因为DF的物理阻碍作用破坏了面筋蛋白的正常形成；同时，富含亲水基团的DF在面筋蛋白网络形成的过程中与蛋白质竞争性吸水，也会使面筋蛋白的三维网络正常的形成受到阻碍。这一结果与面筋蛋白DSC分析中Tp、TGA中面筋蛋白600 ℃时质量损失率、二硫键含量的结果一致。

添加FA使面筋蛋白的微观结构受到破坏，随着FA添加量的增加面筋蛋白孔洞边缘变得粗糙，孔洞有序性降低。当FA的添加量达到4%时，面筋蛋白网络结构出现部分坍塌。而将DF和FA复配添加到面粉后（2% FA＋6% DF组和3% FA＋9% DF组），面筋蛋白的网络结构较单独添加等量DF、FA时有所改善，具有较光滑和紧密的三维孔洞结构。该现象表明DF和FA共同作用能够保护面筋蛋白网络结构，这可能是由于DF和FA复配添加时，FA增强了DF与面筋蛋白的交联作用，在一定程度上改善了面筋蛋白的网络结构[47]。Huang Lianyan等[14]研究DF和FA复配对小麦模拟粉的影响时也发现FA的添加可改善DF对面筋蛋白微观结构的破坏。由面筋蛋白微观结构的结果可知，DF和FA的单独添加对面筋蛋白微观结构具有破坏作用，二者适当复配则能在一定程度上保护面筋蛋白的网络结构。

3 结 论

DF和FA的加入对面团及面筋蛋白的品质有显著影响。DF增加面团的吸水率、形成时间、黏度崩解值，随着DF的增加，面团的吸水率、形成时间、黏度崩解值显著（P＜0.05）增大；FA使面团的吸水率显著低于对照组，回生值显著高于对照组；FA可有效削弱DF对面筋蛋白造成的影响。面筋蛋白具有类似于固体的性质，DF组和FA组面筋蛋白的黏性和弹性均得到增强，3% FA＋9% DF组的G’、G”最大。单独和复配添加DF和FA使面筋蛋白的Tp和ΔH显著降低、600 ℃时的质量损失率显著增加，面筋蛋白二硫键含量显著降低，这些结果表明DF和FA降低了面筋蛋白的热稳定性和强度。扫描电子显微镜结果表明，DF组和FA组面筋蛋白结构无序疏松，网络结构严重破坏，DF和FA复配对面筋蛋白网络结构有一定的改善作用。