聚葡萄糖对面筋蛋白功能特性的影响

谢新华 郝明远 张 蓓 王 娜 张佳帆 尹 琦 武飞扬

(河南农业大学食品科学技术学院，郑州 450002)

聚葡萄糖(Polydextrose, PD)是主要由葡萄糖无规则交联的聚合体，还含有一些山梨醇端基和柠檬酸酯键，平均分子量在2 000左右，是一种水溶性膳食纤维。聚葡萄糖具有热量值低、溶解度高、稳定性好等特性，已广泛应用于饮料、乳制品、糖类巧克力、焙烤食品等领域[1-2]。Kocer等[3]研究发现具有良好乳化性的聚葡萄糖可以替代重油蛋糕中的糖与脂肪；Schirmer等[4]研究发现利用聚葡萄糖完全可以替代蔗糖应用于烘烤食品中，来降低食品的热量，同时在贮藏过程中聚葡萄糖可提高面包柔软性，是烘焙食品中重要的品质改良剂；林欢等[5]研究发现聚葡萄糖可以改善低钠盐香肠品质的品质，能增强香肠的保水性、硬度、咀嚼性和胶黏性。

小麦面筋蛋白主要有麦醇蛋白和麦谷蛋白组成，两者的功能性质对面团有重要的影响，它们构成面筋软胶骨架[6]。研究发现，随小麦面筋蛋白的水合程度变化，其流变学特性、蛋白二级结构及空间网络结构等均会发生改变[7-9]。为了解聚葡萄糖对面筋蛋白功能性质的影响，本实验对添加不同含量聚葡萄糖的小麦面筋蛋白的持水率、水分子存在状态、流变学特性、蛋白二级结构、微观结构进行研究分析，为聚葡萄糖在面筋蛋白的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

谷朊粉(小麦面筋蛋白)，蛋白质量分数为79%；聚葡萄糖Ⅲ型。

Micro型核磁共振成像分析仪、DHR-2旋转流变仪、TENSOR Ⅱ 型傅里叶红外光谱仪、Quanta FEG 250型发射扫描电镜。

1.2 方法

1.2.1 小麦面筋蛋白持水率的测定

取面筋蛋白粉1.0 g缓慢加入到10 mL的不同浓度的聚葡萄糖溶液中(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m:m)，为避免面筋蛋白加入时结块，采用漩涡振荡的方式。面筋蛋白与聚葡萄糖溶液混匀后在20 ℃静置3 h，10 000 r/min离心15 min，弃去上清液后称重，每个样品3次平行。面筋蛋白的持水率按公式计算[10]：

式中：M1为面筋蛋白粉质量/g；M2为离心管质量/g；M3为湿的面筋蛋白+离心管质量/g。

1.2.2 小麦面筋蛋白水分子存在状态的测定

准确称取1.0 g面筋蛋白采用漩涡振荡的方式分别缓慢加入到1.5 mL不同浓度聚葡萄糖溶液(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)，参照WANG等[11]方法，测定其横向弛豫时间T2。每个样品3次平行。

1.2.3 小麦面筋蛋白流变学特性的测定

准确称取10.0 g面筋蛋白缓慢加入15.0 mL(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)制成湿面团。将湿面团切成2 g大小相同的面团用保鲜膜包裹于25 ℃恒温静置1 h;参照Tuhumury等[12]方法，参数设置：平板直径为40 mm，夹具间隙为1.2 mm，扫描频率为0.1～10 Hz，应力1%，温度为25 ℃。每个样品3次平行。

1.2.4 小麦面筋蛋白二级结构的测定

将添加不同聚葡萄糖浓度的面筋蛋白(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)，经冷冻干燥后磨成粉过100目筛备用。用傅里叶红外法测定蛋白质二级结构，测定参数：扫描范围400～4 000 cm-1；扫描256次；分辨率4 cm-1[13]。结果对酰胺I吸收峰(1 600～1 700 cm-1) 用PeakFit v4.12r软件进行分析，各特征峰与面筋蛋白二级结构对应关系参考文献[14]。每个样品3次平行。

1.2.5 小麦面筋蛋白微观结构的测定

将添加不同聚葡萄糖浓度的面筋蛋白样品冷冻干燥后(聚葡萄糖添加量0%、3%、6%、9%、12%，m∶m)，取中心部位制成5 mm×5 mm×3 mm待测样品，喷金在场发射扫描电镜进行300倍观察[15]。

1.3 小麦面筋蛋白数据处理

用SPSS20.0对数据进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 小麦面筋蛋白持水率的影响

由图1可知，聚葡萄糖的加入使得面筋蛋白的持水率增大。空白组的持水率为154%，添加3%聚葡萄糖后上升至163%，添加6%聚葡萄糖持水率为168%，较空白增长了24%，随着聚葡萄糖浓度的增大，当添加9%聚葡萄糖时持水率为169%增长幅度变小，添加12%聚葡萄持水率为167%，持水率同添加6%和9%的聚葡萄糖相比有所降低。由于小麦醇溶蛋白和麦谷蛋白水合形成的水合面筋蛋白具有空间网络结构，可以束缚水分，使其有优良的持水性[16]。添加聚葡萄糖后，由于聚葡萄糖含有大量的羟基，可以同水及蛋白形成氢键从而一定程度上增加了小麦面筋蛋白的溶解度，同时可能改变小麦面筋蛋白的结构，形成复合结构，可以束缚更多的水分，从而使得小麦面筋蛋白的持水率增大。随着聚葡萄糖浓度的进一步增大，当浓度增大到9%和12%时，持水率增长缓慢，甚至出现下降的趋势，这可能是因为聚葡萄浓度的增大会增加面团外部水的渗透压产生反渗透作用导致的。

图1 聚葡萄糖对面筋蛋白持水率的影响

2.2 聚葡萄糖对面筋蛋白水分子存在状态的影响

由图2可知，面筋蛋白中水分子主要以3种状态存在，与面筋蛋白结合紧密结合水T21、与面筋蛋白结合较弱的弱结合水T22和游离的自由水T23[17]。由表1可知，同空白组对比，6%聚葡萄糖使结合水A21从14.53%升至17.05%，弱结合水A22由83.71%下降至80.46%，自由水由1.61%升至2.49%。聚葡萄糖的添加使得小麦面筋蛋白的结合水含量增加说明聚葡萄糖可以使面筋蛋白中弱结合水部分转换成结合水，这可能是因为聚葡萄糖的羟基同小麦面筋蛋白中的氨基基团发生相互作用，形成复合网络结构可以更多的吸附面团中游离的水分，有效控制了水分迁移。随着聚葡萄糖浓度的进一步增大，结合水含量有所降低，这可能是因为聚葡萄糖具有强吸水性，较高浓度的聚葡萄糖同面筋蛋白产生竞争性不利于面筋蛋白同水的结合使得结合水含量降低[18]。

图2 聚葡萄糖对面筋蛋白T2的影响

聚葡萄糖/%A21/%A22/%A23/%0%14.53±0.96b83.71±1.53a1.61±0.55bcd3%16.17±0.85ab82.36±0.85ab1.46±0.33bcd6%17.05±0.97a80.46±0.22bc2.49±0.78b9%16.83±0.57a78.67±0.17c4.50±0.73a12%16.01±1.50ab81.91±1.34ab2.08±0.28bc

注：A21、A22、 A23、分别代表T21、T22、T23、对应峰面积比；结果以平均值±标准偏差的形式表示，同一列均值有不相同字母上标的表示存在显著性差异(P<0.05)，下同。

2.3 聚葡萄糖对小麦面筋蛋白流变学特性的影响

由图3可知，小麦面筋蛋白的储能模量G′(弹性模量)、损耗模量G″(黏性模量)随振动频率的增大而增大，且随聚葡萄糖浓度的增加而升高说明聚葡萄糖的增加使得小麦面筋团的弹性和黏性增加，机械强度增大，并且小麦面筋蛋白的储能模量G′大于损耗模量G″，tanδ值始终小于1，为弱凝胶动态流变学谱图[19]，表明面筋蛋白体系的弹性比黏性更大，具有类固体特性，当聚葡萄糖添加量为6%时 tanδ最小，说明此时面筋蛋白聚合程度最大。随着聚葡萄糖浓度的增加储能模量G′和损耗模量G″逐渐增大，说明聚葡萄糖可能作为增稠剂使得面筋蛋白体系的凝胶性质更加的明显[20]。

图3 聚葡萄糖对面筋蛋白流变学特性的影响

2.4 聚葡萄糖对小麦面筋蛋白二级结构的影响

由表2可知，小麦面筋蛋白的二级结构以β-折叠结构为主。随着聚葡萄糖浓度的增加小麦面筋蛋白二级结构发生变化，β-折叠呈下降趋势，聚葡萄糖浓度在9%时降到最低34.02%，聚葡萄糖浓度为12%有所回升为37.74%；α-螺旋呈上升趋势，聚葡萄糖浓度在6%时达到最大值15.66%，聚葡萄糖在9%时有所下降。α-螺旋作为肽链的骨架，含量的增加说明聚葡萄糖的添加提高了面筋蛋白的蛋白稳定性；当聚葡萄糖浓度为9%时，β-转角显著升高，说明聚葡萄糖在小麦蛋白体系，与小麦面筋蛋白有化学交联作用。这种交互作用影响小麦面筋蛋白的二级结构，从而导致其功能特性的变化。

表2 聚葡萄糖对面筋蛋白二级结构的影响

图4 聚葡萄糖对小麦面筋蛋白微观结构的影响

2.5 聚葡萄糖对小麦面筋蛋白微观结构的影响

由图4可以看出聚葡萄糖对面筋蛋白网络结构的影响，空白组的面筋蛋白网络结构孔洞大小不均，最大孔径可达到80 μm左右。添加3%和6%聚葡萄糖时面筋蛋白网络结构变均一整齐，孔径多保持在20～30 μm之间。聚葡萄糖浓度的增大，面筋蛋白空间网络结构开始变差，这可能是因为聚葡萄糖具有强吸水性，高浓度的聚葡萄糖与面筋蛋白产生竞争性吸水，不利于面筋蛋白空间网络结构的形成[18]。

3 结论

聚葡萄糖的添加使小麦面筋蛋白的持水率、水分迁移、流变学特性、蛋白二级结构及微观结构得改善。当添加6%的聚葡萄糖时小麦面筋蛋白持水能力增强，增加了24%，结合水含量最多；α-螺旋达到最大值15.66%，小麦面筋蛋白的稳定性更强；弹性模量G′和黏性模量G″均得到提升，面团体系中的高聚物含量最多，聚合度最大；小麦面筋蛋白的空间网络结构更均匀，孔径更小，由此显示聚葡萄糖能够改善小麦面筋蛋白的功能特性。