聚葡萄糖对冻藏面筋蛋白水合及结构的影响

谢新华，郝明远，范逸超，张蓓，王娜，郭方杰

1(河南农业大学 食品科学技术学院，河南 郑州，450002) 2(河南泰利杰生物科技有限公司，河南 孟州，454750)

冷冻面制品因为安全、方便以及能够有效地保证其感官及营养价值等优点得到了人们的认同，但在冻藏期间冷冻面团的品质劣变会直接导致面制产品品质变差。面筋蛋白作为面制品的重要成分，其吸水后形成的网络结构影响面团的品质[1]。面团冻藏期间，由于温湿度改变引起冰晶重结晶，导致面筋蛋白网络结构破坏，从而引起品质劣变[2]，目前主要是通过优化冷冻工艺、添加胶体等改善冷冻面团的品质[3-5]。

聚葡萄糖(polydextrose, PD)作为一种水溶性膳食纤维，具有较强的持水性，在食品中有较好的应用[6]。有研究显示，在重油蛋糕中添加聚葡萄糖可使蛋糕内部气泡体积减小且数量增多[7]；聚葡萄糖具有抗冻性，可作为新型的抗冻剂用于鱼糜中[8]。为提高冷冻面团的冻融稳定性，通过向面筋蛋白中添加聚葡萄糖，并研究聚葡萄糖在冻藏过程中对面筋蛋白水分迁移、流变学特性、热力学特性、二级结构及微观结构的影响，为聚葡萄糖应用于冷冻面团制品提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

面粉购买于一加一天然有限公司,通过水洗获得面筋蛋白，蛋白含量82%；聚葡萄糖(平均分子量为2 000)购买河南孟州泰利杰有限公司。

1.2 仪器与设备

DSC-214型差示扫描量热仪，德国仪器制造有限公司；Micro MR型核磁共振仪，上海纽迈电子科技有限公司；DHR-2型旋转流变仪，美国TA仪器有限公司；TENSOR Ⅱ型傅里叶红外光谱仪，布鲁克科技有限公司；Quanta FEG 250型场发射扫描电镜仪，美国FEI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

将面筋蛋白同聚葡萄糖溶液按照4∶6(质量比)混合(聚葡萄糖添加量为面筋蛋白质量的3%和6%)，用自动和面机对面筋蛋白和面20 min，使面筋蛋白充分吸水以更好地形成面筋蛋白空间网络结构。用保鲜膜将制好的湿面筋蛋白包裹好，置于4 ℃保温箱平衡1 h，放于-40 ℃冰箱中速冻2 h，后置于-18 ℃冰箱中冷藏0、1、3、5和7周，待测样品取出放在20 ℃恒温箱解冻1 h后，部分样品解冻1 h后直接测定，部分样品则需真空冷冻干燥备用。

1.3.2 聚葡萄糖热滞性的测定

使用差示扫描量热仪测定聚葡萄糖的热滞活性(thermal hysteresis activity, THA)[9]。

1.3.3 面筋蛋白中水分分布测定

1.3.4 面筋蛋白流变学特性的测定

采用旋转流变仪测定动态流变学特性。参照ZHANG等[11]方法，平板直径为40.00 mm，夹具间隙为1.50 mm，扫描频率为0.1～10 Hz，应力1%，温度为25 ℃。每个样品做3个平行。

1.3.6 面筋蛋白二级结构的测定

用红外光谱仪测定，测定参数：扫描范围400～4 000 cm-1；扫描64次；分辨率4 cm-1。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[12]。每个样品做3个平行。

1.3.7 微观结构观察

所有样品冷冻干燥后表面喷金，在场发射扫描电镜进行观察[13]。

1.3.8 数据分析

用SPSS 22.对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 聚葡萄糖的热滞活性

图1是采用DSC测得的聚葡萄糖溶液的冻融曲线图，相关数据见表1。

图1 聚葡萄糖在不同保留温度下的再次冻结DSC曲线Fig.1 Re-freezing DSC curve of polydextrose at differentretention temperatures

表1 聚葡萄糖在不同保留温度(Th)下的T0，Φ和THATable 1 Onset temperature (T0), ice fraction (Φ)and THA (Tγ) of polydextrose under different holdtemperature (Th)

由表1可知,随着保留温度的增加，样品中的冰晶含量依次降低，当保留温度降到-1.40 ℃为最低，此时THA取得最大值为3.60 ℃。结果说明聚葡萄糖本身具有抗冻活性。

2.2 聚葡萄糖对面筋蛋白体系水分分布的影响

由表2可知，随着冻藏时间的延长，对照组面筋蛋白体系的结合水含量无显著变化，弱结合水含量显著下降，自由水含量显著增多。

表2 聚葡萄糖对面筋蛋白中水分占比的影响Table 2 Effect of polydextrose on the moisturecontent of gluten

注：A21-自由水；A22-半结合水；A23-结合水；同列数字后不同字母表示水平间差异性显著(P≤0.05)(下同)

添加6%(质量分数)聚葡萄糖限制了面筋蛋白体系中自由水增大，冻藏7周后增加了1.24%，小于空白组的3.34%，优于添加3%(质量分数)聚葡萄糖的1.80%，弱结合水含量无显著变化，说明聚葡萄糖有效减弱了弱结合水向自由水的转化，这是因为聚葡萄糖上的羟基同氨基基团发生相互作用形成了复合结构从而可以锁住更多的水分，使得面筋蛋白体系对水的结合能力增强，限制了水分的流动，抑制了冻藏导致的面筋蛋白中水分流动性增大的现象[14]。

2.3 聚葡萄糖对面筋蛋白体系流变学特性的影响

由图2可以看出，随着冻藏时间的增加，面筋蛋白体系G′和G″均呈逐渐下降趋势，这可能是冻藏使面筋蛋白大分子聚合体解聚，面筋蛋白黏弹性下降，也可能是重结晶致使面筋蛋白网络结构断裂，引起面筋蛋白黏弹性下降。添加聚葡萄糖的面筋蛋白的G′和G″随冻藏时间延长也出现下降趋势，但下降幅度显著小于对照组，且添加6%(质量分数)聚葡萄糖显著优于3%(质量分数)的添加，这可能是因为聚葡萄糖上羟基结合水抑制了面筋蛋白中重结晶，保护了面筋网络，减弱了冻藏对面筋蛋白体系的破坏[12]。这说明聚葡萄糖引入有效减缓了冻藏引起的面筋蛋白流变特性的劣变。

2.4 聚葡萄糖对面筋蛋白二级结构的影响

由表3所示，随着冻藏时间的增加面筋蛋白中α-螺旋和无规则卷曲发生显著性变化。对照组α-螺旋由15.07%到冻藏7周降低为12.82%，无规则卷曲由15.51%到增加到19.05%；添加6%(质量分数)聚葡萄糖的面筋蛋白α-螺旋由22.47%到降低为20.62%，无规则卷曲由14.95%增加到15.45%。α-螺旋结构作为面筋蛋白的骨架，在冻藏过程中含量的减少表明冻藏使面筋蛋白分子尺寸变小，延展性变差[15]。添加聚葡萄糖的面筋蛋白二级结构中α-螺旋含量多于对照组，随冻藏时间延长，聚葡萄糖的加入显著减弱了α-螺旋的减少和无规则卷曲的增长趋势，这是因为聚葡萄糖有效抑制了面筋蛋白在冻藏期间的水分流动，抑制了面筋蛋白中冰晶的生长和重结晶现象的发生，减缓了大分子解聚速度，保护了面筋蛋白的二级结构。由此可知，聚葡萄糖增大了面筋蛋白的冻藏稳定性。

图2 聚葡萄糖对面筋蛋白流变学特性的影响Fig.2 Effect of polydextrose on rheological properties of gluten

表3 聚葡萄糖对面筋蛋白二级结构的影响Table 3 Effect of polydextrose on secondary structure of gluten

2.5 聚葡萄糖对面筋蛋白体系热力学特性的影响

由表4可知，面筋蛋白的变性温度在60 ℃左右。经过7周冻藏后，未添加聚葡萄糖的面筋蛋白变性温度为43.10 ℃，焓值为1.94 J/g；添加3%(质量分数)聚葡萄糖的面筋蛋白贮藏7周后变性温度为48.60 ℃，焓值为1.89 J/g；添加6%(质量分数)聚葡萄糖的面筋蛋白变性温度为56.55 ℃，焓值为1.83 J/g。同对照组相比，在冻藏过程中，聚葡萄糖的添加使得面筋蛋白的变性温度提高，焓值有所下降[16-17]，

表4 聚葡萄糖对面筋蛋白热力学特性的影响Table 4 Effect of polydextrose on thermodynamicsproperties of frozen gluten protein

说明聚葡萄糖的添加使得面筋蛋白的热稳定性提升。这可能是因为聚葡萄糖上的羟基同面筋蛋白上的羧基相互结合抑制了面筋蛋白高分子聚合体解聚，提高了面筋蛋白的冻藏稳定性[18]。

2.6 聚葡萄糖对面筋蛋白体系微观结构的影响

由图3可见，面筋蛋白经过0、3、7周冻藏后三维网络结构发生了很大变化，在冻藏初期面筋蛋白均保持高度三维网络结构，孔洞致密而均匀，孔径多在10～20 μm。随着冻藏时间的延长，面筋蛋白的三维网络结构被破坏，出现裂缝，孔洞不均匀不连续，且有大孔洞的出现，最大至100 μm左右，这是由于随冻藏时间延长，面筋蛋白析水使冰晶数量增加及重结晶，导致面筋网络结构受到不同程度的破坏[19]，而由面筋蛋白网络结构劣变造成的蛋白分子量和分子链的变化，一定程度上影响了面筋蛋白的流变特性、热力学特性、二级结构等性能。冻藏7周后添加6%(质量分数)聚葡萄糖的面筋蛋白与对照相比，面筋蛋白三维网络结构仍能保持均匀、连续，且孔径维持在60 μm左右，显著优于添加3%(质量分数)聚葡萄糖的面筋蛋白。这可能是因为聚葡萄糖具有强的吸水性，吸水后可充分地分散在面筋蛋白体系中，聚葡萄糖上的羟基与面筋蛋白羧基结合可以减缓水分的迁移，减缓冰晶的生长速度，从而减弱由冰晶生长造成的面筋蛋白空间网络结构的破坏[20]。

图3 聚葡萄糖对面筋蛋白空间网络结构的影响Fig.3 Effect of polydextrose on the structure of glutenspace network

3 结论

随冻藏时间延长，面筋蛋白中自由水含量增加，水分流动性增大，添加6%(质量分数)聚葡萄糖的面筋蛋白中弱结合水向自由水的转化量显著减少，降低了冻藏导致的面筋蛋白中水分流动性增大；冻藏7周后，聚葡萄糖显著减弱α-螺旋的减少和无规则卷曲的增长趋势，保护了面筋蛋白的二级结构。冻藏期间面筋蛋白网络结构破裂，产生较大孔洞，面筋蛋白网络的劣变及二级结构的变化致使面筋蛋白黏性和弹性出现下降趋势，添加的聚葡萄糖与面筋蛋白结合形成了复合物，保护了面筋蛋白的网络结构，致使面筋蛋白流变学性特性变化小于对照，添加6%(质量分数)聚葡萄糖抑制了冻藏引起的面筋蛋白劣变且优于添加3%聚葡萄糖，在一定程度上提升了面筋蛋白的冻藏稳定性。