小麦谷朊蛋白的改性研究及其在食品工业中的应用

王建中，姚 虹

(1.河南省食品工业科学研究所有限公司，河南 郑州 450053；2.郑州工程技术学院 化工食品学院，河南 郑州 450044)

小麦谷朊蛋白又称面筋蛋白。1728 年意大利科学家BECCARI首次从小麦粉中分离出小麦谷朊蛋白，1745年他又找到了从小麦面粉中得到小麦谷朊蛋白的方法。随着各国经济的发展和研究的深入，小麦谷朊蛋白的价值逐渐受到重视，使用量也逐年增加。我国盛产小麦，谷朊蛋白作为小麦淀粉加工的副产品，具有量大价廉、蛋白质含量高、风味特性好、氨基酸组成齐全等特点，在食品工业中发挥着重要作用。但是，由于小麦谷朊蛋白的溶解性、乳化性及乳化稳定性、起泡性及起泡稳定性等性能较差，极大地限制了其在食品工业中的应用。通过对谷朊蛋白进行改性，改善其溶解性、乳化性、起泡性、凝胶性等是拓宽谷朊蛋白应用范围的重要手段。

1 小麦谷朊蛋白的组成及结构

1907年，OSBORNE根据溶解性的不同，把小麦谷朊蛋白分为麦醇溶蛋白、麦谷蛋白、清蛋白和球蛋白4种。清蛋白可溶于水或稀的盐溶液，占小麦蛋白总量的3%～5%，热稳定性差，60℃变性[1]。球蛋白不溶于水，可溶于稀盐溶液，占小麦蛋白总量的6%～10%，加热可凝固。麦醇溶蛋白可溶于70%的乙醇溶液，为单体蛋白，分子量较小，其含量约占小麦总蛋白的40%～50%，富含谷氨酰胺和脯氨酸。麦谷蛋白可溶于稀酸或稀碱溶液，由17～20种不同的氨基酸组成。由于其组成氨基酸多为极性氨基酸，麦谷蛋白以分子量在40 kD～300 kD的聚合体存在，其含量约占小麦谷朊蛋白总蛋白含量的30%～40%[2]。

清蛋白和球蛋白富含赖氨酸、色氨酸和精氨酸，营养价值高，含有较多生理活性蛋白质，对加工品质影响小。麦醇溶蛋白是通过共价的二硫键以及分子间作用力氢键、疏水键等作用连接在一起的单体球状蛋白，麦醇溶蛋白赋予面团延展性。麦谷蛋白是由多个蛋白亚基组成的大分子聚合体，通过二硫键连接，赋予面团黏弹性。依据在聚丙烯酰胺凝胶电泳的迁移率不同，将麦谷蛋白分为低分子量麦谷蛋白亚基和高分子量麦谷蛋白亚基。麦谷蛋白和醇溶蛋白按照一定比例通过氢键、疏水作用等非共价键和二硫键等共价键形成的紧密交联的三维网状结构，赋予面团特有的黏弹性[3]，两者的功能性质对面团品质有重要影响[4]。图1为面筋的形成过程，图2为小麦醇溶蛋白、麦谷蛋白及面筋蛋白的SEM图。

图1 面筋的形成过程示意图

图2 小麦蛋白SEM图

2 小麦谷朊蛋白的改性

小麦谷朊蛋白中含有大量疏水氨基酸和不带电荷的氨基酸，由于疏水作用区域较大使其溶解度较低，限制了其在食品工业中的应用。通过物理、化学等技术手段改变小麦谷朊蛋白的结构，从而改变其功能性质，进而改善谷朊蛋白加工性能，拓展其应用范围是目前小麦谷朊蛋白研究的热点[5]。目前，小麦谷朊蛋白改性的方法有化学法、物理法、酶法、基因工程法、复合改性法等。

2.1 物理改性

物理改性是通过对蛋白质进行超高压、机械处理、热加工、冷冻、微波、超声波、脉冲电场等方法，改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集方式，从而改善植物蛋白的功能性和营养特性[6-7]。

超高压技术最早用于金属、陶瓷等材料的加工，在一定的温度和压力下，物质的晶体结构发生变化，如在高温、高压下，石墨可以转化为金刚石。超高压技术在食品生产中的应用起源于19世纪末20世纪初，最初是用于灭菌，其基本原理是在高压下，微生物的形态结构、细胞壁膜等发生不可逆的变化，从而达到保藏食品的目的。1986年，日本京都大学粮食科学研究所林力丸教授首次将超高压技术用于食品加工，1989年日本农林水产省设立专项计划，资助超高压技术在食品中的应用研究。在食品生产中，超高压技术是将物料置于超高压设备中，在100 MPa～1000 MPa的压力和一定的温度下，对物料进行处理，使物料组分中的分子间力等弱作用发生变化，导致食品中蛋白质、淀粉等大分子的结构发生变化，从而使其性质发生变化，而超高压对共价小分子影响较小，因此对食品中的维生素及色、香、味影响较小[8]。

超高压技术用于蛋白质的改性是食品超高压技术应用研究的重要方向之一，目前常见的有静态超高压和动态超高压均质处理技术[9]。静态超高压技术是用水或其他液体传递压力于真空柔性密封包装中的被加工食品，动态超高压均质技术是利用高压作用于液体,产生强大的剪切力、撞击力和空穴爆炸力等综合作用于被加工食品。

研究表明，超高压处理对麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的溶解度、起泡性有一定的影响，且呈现一致的规律性。在压力为0～500 MPa的范围内，麦醇蛋白和麦谷蛋白的溶解性、起泡性均呈现先增后减的趋势，在300 MPa时，溶解性和起泡性均呈现最佳状态[10]。超高压处理破坏蛋白质的氢键、疏水作用和静电相互作用等非共价键作用, 影响蛋白质的水合性质, 使溶解度发生变化。压力在300 MPa以下，随着压力的增大，破坏了蛋白质分子间作用力，使蛋白质分子的三级结构被破坏，蛋白质的伸展程度发生变化，增强了其侧链亲水基与水的作用，从而使其溶解度增大；但当压力过大时，更多的疏水基团暴露出来，使蛋白质的溶解度降低[11]。

蛋白质具有乳化性是由于其结构中既有亲水基团又有疏水基团，在超高压作用下，不仅使其亲水基团增加，同时也使疏水基团增加，从而提高了其乳化性。因此，蛋白质的溶解性和乳化性变化通常是一致的[9]。

超高压改性是物理过程，不引入化学物质，对食品的安全性、食品营养素及风味物质的保留都非常有益。但国产超高压设备性能不稳定，易损坏；实现超高压的设备昂贵，且多数是间歇式的，实际生产效率会受到一定的影响[12]。

微波改性、超声波改性等对小麦谷朊蛋白的改性，是通过微波或超声波作用于物料，通过破坏蛋白质分子间的氢键、疏水作用等弱作用力，使蛋白质松散，更多的亲水基团或疏水基团暴露出来，从而改变蛋白质的溶解性及乳化性等[13]。

2.2 化学改性

化学改性是利用化学物质作用于谷朊蛋白侧链上的基团，使组成蛋白质的氨基酸残基发生变化，从而影响到蛋白质的结构，引起谷朊蛋白功能和性质变化。化学改性有水解、酰化、磷酸化、脱酰胺、糖基化及蛋白质的交联等方法。

酰化是指蛋白质分子的亲核基团与酰化试剂作用而将酰基引入蛋白质分子的过程，如乙酰化、琥珀酰化等。酰基的引入改变了蛋白质分子的构成及结构，从而改变其性质。乙酰化改性是利用乙酰基替换小麦蛋白质分子侧链上的赖氨酸ε-氨基，从而改变其性能。张红印等[14]对小麦谷朊蛋白质乙酰化改性后,表明其溶解度、乳化性、起泡性等有较大的提高。张红印等[15]还对谷朊蛋白的乙酰化和琥珀酰化进行了对比研究，结果表明，乙酰化和琥珀酰化改性对小麦面筋蛋白功能性的提高程度有所不同, 琥珀酰化改性明显优于乙酰化改性。李玉莹等[16]对乙酰化麦醇溶蛋白溶液及与麦谷蛋白共混液流变性能进行研究，结果表明，乙酰化降低了麦醇溶蛋白-麦谷蛋白共混溶液的结构黏度指数，改善了成膜、纤维化等性质，进而改善了其应用效果。

脱酰胺是将谷朊蛋白中天冬氨酰胺和谷氨酰胺的酰胺侧链转变为带负电荷的羧基基团，改变了蛋白质的电荷分布，提高其溶解度。化学脱酰胺的方法有碱法、酸法，根据使用的酸不同，酸法分为无机酸法和有机酸法。考虑到安全性，目前多利用可食性有机弱酸，如醋酸、琥珀酸、柠檬酸等[17]。

磷酸化是用三聚磷酸钠在谷朊蛋白的侧链上引入磷酸根，增加蛋白质的负电荷，提高蛋白质的溶解度。唐文婷[18]利用三聚磷酸钠对小麦谷朊蛋白进行磷酸化改性，结果显示，蛋白质侧链氨基上引入的磷酸根数量与蛋白质溶解度、乳化性、乳化稳定性、起泡性和起泡稳定性正相关。

近年来，有添加其他化学物质对小麦谷朊蛋白理化性质影响的研究。穆婉菊等[19]研究了菊粉对小麦谷朊蛋白的理化性质的影响，结果表明，菊粉对小麦蛋白乳化性能有显著影响，10%的菊粉可以使其乳化活性提高14.4%；7.5%的菊粉可以使蛋白质乳化稳定性提高18.7%。谢新华等[4]考察了γ-聚谷氨酸对面筋蛋白结构的影响，结果显示，谷朊蛋白的持水率随γ-聚谷氨酸添加量的增加而增加，其结合水含量由9.52%增加至12.71%，弹性逐渐减弱，黏性逐渐增强。微观结构表明，随着γ-聚谷氨酸添加量的增加，蛋白的网络结构更加均匀，孔径更加细小。

化学改性反应历程短、成本低、改性效果明显，故目前是蛋白质改性的主流方向。但化学改性改变了蛋白质的一级结构，在产生预期效果的同时，可能在营养和毒理方面造成有害效应[20]。

2.3 酶法改性

酶法改性是在蛋白酶的作用下，对谷朊蛋白进行限制性酶解，降低蛋白质的分子质量，増加离子化基团，使包埋在分子内部的疏水性基团暴露出来，提高蛋白质的溶解性、起泡性、乳化性及乳化稳定性等[5]。通常适用的商业化酶包括碱性蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶和胰蛋白酶等。

费国源等[21]的研究表明，碱性蛋白酶比中性蛋白酶的水解速率高，谷朊蛋白的溶解度随着水解度的增大而增大，起泡性和起泡稳定性随着水解度的增加而降低。谷中华等[22]考察了胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶对谷朊蛋白的水解，在水解度相同时，胃蛋白酶处理组中总多肽含量最高，然后依次是碱性蛋白酶、胰蛋白酶和中性蛋白酶处理组。何林玲等[23]用碱性蛋白酶和Protamex 复合蛋白酶双酶分步水解的方法水解小麦谷朊蛋白，水解后的蛋白液中小于1 000 Da 分子质量的肽段占40.34%，氨基酸组成丰富，谷朊蛋白的表面结构有明显变化。李莹等[24]利用菠萝蛋白酶对小麦蛋白进行水解，显著降低了麦醇溶蛋白含量，达到降低小麦致敏的效果。

酶法改性具有安全可靠、特异性强、反应过程温和、改性效果显著等特点，对小麦谷朊蛋白改性具有十分重要的应用前景。但由于蛋白质结构复杂，酶法改性水解过程缓慢、产物复杂、目标产物产量低，限制了其在食品工业上的应用。

2.4 复合法改性

复合改性法就是用两种或者两种以上的方法复合对小麦谷朊蛋白进行改性，如物理法预处理与酶法改性相结合、化学预处理与酶法相结合等复合改性法。张雪纷[25]研究了超声-离子液体处理对麦谷蛋白水解度的影响，麦谷蛋白水解度比未处理组提高了49.65%。张淑芬[26]采用0.8 mg/g的亚硫酸钠溶液在70℃的温度下对小麦谷朊蛋白溶液预处理20 min，小麦谷朊蛋白的溶解度、乳化性及起泡性也显著提高，其功能性综合评分达到最大值。亚硫酸钠碱性蛋白酶复合改性后的产物具有较强的抗氧化性，抗氧化性随着样品浓度的增加而增强，且相对分子质量越小抗氧化性越大。

小麦谷朊蛋白经改性后，其溶解性、乳化性、起泡性、黏弹性等都有不同程度的改善，在食品工业中，针对不同的应用，采用相应的改性技术。

3 小麦谷朊蛋白在食品工业中的应用

小麦谷朊蛋白作为淀粉生产的副产物，早期与膳食纤维等一起作为饲料使用，但随着谷朊蛋白改性的研究进一步深入，其应用价值逐渐受到人们的重视，在食品工业的应用面也逐渐拓宽。

3.1 在面制品中的应用研究

我国面粉存在着“高筋不强，低筋不弱”的问题，已有将改性谷朊蛋白加入面粉中，改善面粉适用性的研究。裴旭东[27]用多糖胶体对小麦谷朊蛋白进行改性，并将改性谷朊粉加入面条中，可有效改善面条的品质。王晶晶[28]研究了乙酰化谷朊蛋白加入面条后，生面条硬度随着添加量的增加逐渐减小，弹性先增后平稳，拉断力逐渐减小而拉伸距离明显增大；熟面条硬度逐渐减小，弹性增大但趋势不明显，咀嚼性先增大后减小，但所有性能都高于原面粉。杨天一研究了添加0.01%TG酶和谷蛋白的面包与空白相比硬度减小 13.9%，咀嚼度降低15.6%[29]。王香玉[30]研究了氧化还原剂在馒头加工过程中对馒头品质的影响，结果表明在馒头面团加工过程中，氧化还原剂对麦谷蛋白可萃取率的影响较大，麦谷蛋白的交联聚合行为的改变决定了面团加工过程中面筋蛋白的变化；而在蒸制过程中，氧化还原剂对麦醇溶蛋白可萃取率的影响较大，麦醇溶蛋白的交联聚合程度决定了蒸制过程中面筋蛋白聚合程度的变化。

3.2 在肉类加工制品中的应用

在肉制品中, 小麦面筋蛋白作为黏合剂、填充剂或增量剂等，可以增加黏弹性、色泽稳定性、硬度、出汁率和保水性等。戈志成[31]在肉丸中添加3%左右的湿热-琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白，结果显示优于小麦面筋蛋白和大豆分离蛋白，能够显著提高肉丸的质构特性，降低了肉丸的蒸煮损失率，提高了产品得率。王凯强[5]研究了碱性蛋白酶和TG复合改性的小麦谷朊蛋白对猪肉丸蒸煮特性的影响，结果显示改性小麦面筋蛋白对肉丸品质有改善明显，使肉丸蒸煮损失率降低了49.16%，得率提高了15.48%，保水性提高了18.27%，肉丸的硬度、弹性和咀嚼性分别提高了97.05%,6.68%和121.96%。

3.3 在其他食品中的应用

改性谷朊蛋白还可用于婴幼儿食品及其他的特殊人群的保健品、发酵制品等中。王延州[32]用酶解法水解小麦谷朊蛋白得到谷氨酰胺肽，并通过动物试验观察到谷氨酰胺肽可以有效延缓小肠黏膜炎的发生，减轻肠黏膜损伤的程度，促进黏膜炎恢复。奚宽鹏[33]采用中性蛋白酶对小麦谷朊蛋白进行水解，并将水解物用于啤酒发酵的氮源，酶解物提高了发酵过程中糖消耗和酒精生成速率，促进了啤酒酵母发酵。研究表明，水解度越大促进作用越明显；酶解物可提高啤酒中乙酸乙酯、高级醇的含量，改善啤酒风味，但同时也促进有机酸的形成，不利于啤酒风味，且酶解物水解度越大，影响越大；酶解物可一定程度改善啤酒的泡沫性能。何文猛[34]采用柠檬酸湿热改性谷朊蛋白，并用20%替代率替代脱脂乳粉制备的冰淇淋具有较低的融化率，粒径分布相对均匀，粒径大小合理。丛旭等[35]研究了将一定量的甘油和乙醇加入小麦谷朊蛋白，并用NaOH调分散液为碱性，制备用于方便面调料包的可食性薄膜。结果表明，pH 11.40、蛋白添加量为10.70%、乙醇体积分数为57%时，小麦面筋蛋白膜的综合性能最优，氧气透过率为20.74 meq/kg，抗拉强度为12.98 MPa。

4 展望

中国是世界上最大的小麦生产国，也是最大的小麦消费国。近年来，我国淀粉的产量逐年增加，小麦谷朊蛋白的产量也逐年增加，充分利用小麦谷朊蛋白必须对其进行更深入的研究，但我国目前对小麦谷朊蛋白的一些改性机理研究还不够深入，对改性后的应用研究更少。因此，探索小麦谷朊蛋白科学合理的改性方法，特别是改性后产品的应用并使之产业化将是今后研究的重点。此外，需加强以改性小麦谷朊蛋白为基质的可降解高分子材料等非食品领域的研究，为合理利用资源和能源、减低生产成本、实现绿色化学提供新途径。