添加谷氨酰胺转氨酶对糙米蛋糕品质的影响

王乐，包娜莎，金征宇， ，赵建伟*，周星，田耀旗

1(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122) 2(山东省轻工业设计院，山东 济南，250014) 3(食品科学与技术国家重点实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)

糙米是稻谷脱壳后留下的整粒米，由胚乳、胚芽和皮层3部分组成。其中皮层和胚芽虽然只占糙米质量的6%～8%，但却集中了糙米中60%～70%的营养素[1]，包括丰富的蛋白质、脂肪、VB和VE、矿物质钾、镁、锌、铁、锰等[2]，还包括大量的膳食纤维、 γ-氨基丁酸、谷胱甘肽、谷维素、肌醇、二十八烷醇、米糠多糖等保健性功能成分，具有促进肠道蠕动、舒缓神经、抗动脉粥样硬化[3]、降血糖血脂、调节心血管功能、抗炎抗肿瘤[4]等多种功效。流行病学和干预研究发现，一些慢性疾病与人们的膳食营养结构有关，经常食用糙米，能够有效减少便秘、心血管疾病、糖尿病、癌症等的发病率[5]。另外，乳糜泻病例逐年增多，目前治疗该病的唯一有效方式是严格控制含麸质食品的摄入，而糙米由于不含面筋蛋白，是生产无麸质食品的良好原料[6]。

由于糙米粉中不含面筋蛋白，蛋糕制作过程中难以形成有支撑作用的网络结构，产品不易成型，弹性较差。目前一般在糙米粉中加入小麦粉或谷朊粉来增强蛋白网络结构稳定性，但是不适合于乳糜泻患者的食用。谷氨酰胺转氨酶(transglutaminase，TGase，EC 2.3.2.13)是一种催化酰基转移反应的酶，能够催化蛋白质和肽键中赖氨酸残基上的 ε-氨基和谷氨酰胺残基上的 γ-羟酰氨基发生聚合反应，形成蛋白质分子内和分子间的 ε-(γ-谷氨酰基) 赖氨酸异肽键[7]，从而增强蛋白的网络结构，改善食品质构。RENZETTI等[8]将TGase添加到糙米面包中，发现谷蛋白亚基是TGase发生聚合反应的主要底物，而且蛋白质之间形成了更强的疏水作用，糙米面包比容显著增加。

本研究在蛋黄糊和蛋清中分别添加不同量的TGase，研究其对糙米蛋糕烘焙品质的影响，同时在糙米蛋糕的制作过程中测定了蛋黄糊的黏度和乳化稳定性、蛋清的起泡性和泡沫稳定性、蛋黄糊中游离巯基的含量变化，并进一步用傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)和体积排阻高效液相色谱(size exclusion high performance liquid chromatography，SE-HPLC)研究TGase对蛋黄糊中蛋白质结构和分子质量的变化，以揭示TGase在蛋糕糊中所起的作用原因，为糙米蛋糕的品质改良提供技术参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

粳糙米(粗蛋白8.6 g/100 g)，2018年收获自江苏省无锡市；糯米粉、双效泡打粉，安琪酵母股份有限公司；鲜鸡蛋，德青源A级鲜鸡蛋；糖粉，太古糖业有限公司；TGase(酶活力100 U/g)，江苏省泰兴市东圣生物科技有限公司。

十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfonate, SDS)、四乙酸二氨基乙烷(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)、二硫代硝基苯甲酸(DTNB)、还原型谷胱甘肽(L-glutathione, GSH)、二硫苏糖醇(dithiothreitol, DTT)、溴化钾等其他试剂均来自国药集团化学试剂有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

ASM-PE1210A型打蛋器，ACA北美电器公司；SM-32s型醒发箱、MB-622型烤箱、SM-302N型切片机，新麦机械(无锡)有限公司；TA.XT Plus型物性分析仪，英国SMS公司；803200型快速黏度仪RVA，澳大利亚Newport Scientific仪器公司；YS-04型小型高速粉碎机，北京燕山正德机械设备有限公司；IKA T25数显型搅拌机，艾卡(广州)仪器设备有限公司；Finnigan Trace MS气相色谱-质谱联用仪，美国Finnigan公司；77530型冷冻干燥机，美国Labconco公司；UltraScan Pro1166型高精度分光测色仪，美国Hunterlab公司；Nicolet nexus 470 型傅里叶变换红外光谱仪，美国Nicolet公司。

1.3 试验方法

1.3.1 糙米蛋糕原料配方

试验糙米蛋糕的原料配方如表1所示。

表1 糙米蛋糕原料配方

注：配方中一共需要60 g糖粉，其中蛋黄糊中添加20 g，蛋清中添加40 g

1.3.2 糙米蛋糕工艺流程(图1)

技术要点：TGase添加量以蛋黄糊和蛋清中蛋白含量计；翻拌均匀的蛋黄糊在醒发箱50 ℃(TGase最适温度)下静置30 min后待用；蛋清打发时分3次加入糖粉；取400 g混合好的蛋糕糊倒入直径21 cm的圆形模具中；焙烤条件为上火170 ℃、下火180 ℃、焙烤时间45 min。

图1 糙米蛋糕工艺流程

1.3.3 糙米蛋糕比容测定

参照GB/T 14611—2008中面包比容的测定方法，将烘焙后的蛋糕冷却至室温，称量质量，用小米置换法测定体积，蛋糕的体积与质量之比即为蛋糕比容(mL/g)。

1.3.4 糙米蛋糕质构测定

参照AACC 74-09面包硬度测试2002年的标准并略有修改，使用TA.XT Plus型物性分析仪，采用TPA 2次压缩模式对蛋糕进行质构分析。测试条件：将同批次的3个蛋糕芯部样品切成2 cm × 2 cm × 2.5 cm的长方体，探头型号P36R，测前速度1.0 mm/s，测试速度1.7 mm/s，测后速度10 mm/s，压缩程度50%，感应力5 g，2次压缩的时间间隔5 s。

1.3.5 蛋黄糊黏度测定

参照GB/T 24852—2010中的测试方法，直接在铝盒中准确称取制备好的蛋黄糊28.00 g。测试程序：先从20 ℃以6 ℃/min升温到50 ℃，然后在50 ℃保持30 min，测试过程中搅拌桨的转速始终为20 r/min。

1.3.6 蛋黄糊乳化稳定性测定

参照WANG等[9]的方法，将制备好的蛋黄糊迅速转移到高10 cm、内直径 2.5 cm的塑料离心管中，初始注入高度记为H0，以转速2 000 r/min离心20 min，离心后蛋黄糊高度记为H1，乳化稳定性按公式(1)计算：

(1)

式中：H0，蛋黄糊的注入高度，cm；H1，离心后蛋黄糊的高度，cm。

1.3.7 蛋清起泡性和泡沫稳定性测定

在实验室条件下，参照WANG等[10]的机械搅打法，将30.00 g新鲜蛋清液置于100 mL量筒中，记录初始液面高度为V0，使用数显型搅拌机以12 000 r/min搅拌2 min，记录搅拌后泡沫与液体总高度为V1，静置30 min后液体高度为V2。起泡性和泡沫稳定性如公式(1)、(2)所示：

(2)

(3)

式中：h0，蛋清初始液面高度，cm；h1，搅拌2 min后泡沫与液面总高度，cm；h2，静置30 min后液体高度，cm。

1.3.8 游离巯基含量测定

参照ROMBOUTS等[11]的Ellman试剂法并做适当修改。准确称取100.0 mg冻干的蛋黄糊样品，加入5 mL反应缓冲液(含2.5% SDS、92 mmol/L甘氨酸、4.1 mmol/L EDTA及86 mmol/L Tris-HCl，pH 8.0)后置于25 ℃摇床中振荡30 min，再加入0.05 mL DTNB溶液 (5 mg/mL)，迅速混匀后在25 ℃摇床中避光反应30 min后离心 (4 000×g、20 min)。在412 nm下测定上清液的吸光度。采用还原型GSH标准曲线对游离巯基进行定量分析。

1.3.9 FTIR分析

参照刘燕琪等[12]的方法并做适当修改，将制备好的蛋黄糊样品冻干、磨粉、过0.150 mm的试样筛后，与溴化钾按1∶100质量比混合，充分研磨后取50 mg压成薄片，做全波段扫描(4 000～400 cm-1)测定，分辨率为4.0 cm-1，扫描次数为32次。谱图处理：用Peakfit Version 4.12软件在酰胺Ⅰ带1 700～1 600 cm-1进行去卷积处理和二阶导数拟合，确定各子峰与各二级结构的对应关系(1 610～1 642 cm-1归属β-折叠、1 642～1 650 cm-1归属无规卷曲、1 650～1 660 cm-1归属α-螺旋、1 660～1 680 cm-1归属β-转角、1 680～1 700 cm-1归属β-逆折叠)[13]。然后根据各子峰所占面积计算出各部分二级结构所占的比率。

1.3.10 体积排阻高效液相色谱(SE-HPLC)分析

参考LIU等[14]的方法，各称2份50 mg冻干蛋黄糊样品，加入5 mL磷酸钠缓冲液(PBS，0.05 mol/L，pH 6.8，其中含有2%十二烷基硫酸钠(SDS))。其中1份完全还原样品的溶解液中含有1% DTT。萃取1 h后离心(5 000×g、4 ℃、5 min)，上清液过0.45 μm微孔滤膜后用Shodex Protein KW-804柱进行SE-HPLC分析。色谱条件为：上样量为5 μL，流动相为含0.2% SDS的PBS(0.05 mol/L，pH 6.8)，柱温30 ℃，流速0.7 mL/min，紫外检测波长为214 nm。SDS蛋白可提取率(SDSEP)是指非还原条件下样品中蛋白的洗脱曲线面积与还原条件下样品中蛋白的洗脱曲线面积的比值[15]。

1.4 数据处理与分析

数据平行测定3次，结果用平均值±标准偏差的形式表示。采用SPSS 19.0软件进行分析，用Duncan’s多重比较法进行显著性分析，P<0.05表示差异显著，Origin 8.5软件进行图形化处理。

2 结果与分析

2.1 添加TGase对糙米蛋糕烘焙品质的影响

蛋糕的比容可以反映蛋糕的体积膨胀程度以及膨胀后的持气能力。由于糙米蛋白为非面筋蛋白以及糙米中含有丰富的膳食纤维，导致蛋糕糊的持气能力较差，进而影响焙烤过程中蛋糕体积的膨大[16],如表2所示。

表2 添加TGase对糙米蛋糕烘焙品质的影响

注：表中同列数据的不同字母表示数值之间具有显著性差异(P<0.05)(下同)

随着TGase在蛋黄糊的添加量增加，糙米蛋糕的比容显著增加，其中添加量为10 U/g时的比容最大，为5.7 mL/g，比对照组1(4.5 mL/g)相对提高了26.67%。而当在蛋清中添加TGase到2 U/g时，糙米蛋糕的比容也增加到4.7 mL/g。这说明无论在蛋黄糊还是在蛋清中添加适量的TGase，都能使蛋白质分子内或分子间的交联作用得到加强，从而增强蛋白的网络结构，提升糙米蛋糕的比容。硬度与弹性是蛋糕质构品质的重要指标，质构的变化与蛋糕的比容有一定的关系，比容越大，蛋糕的组织结构更加膨松，口感更加松软。TGase在蛋黄糊中的添加对糙米蛋糕的质构特性影响较大，糙米蛋糕的硬度呈现先显著降低后显著增加的趋势，而弹性相反。随着TGase在蛋清中的添加量增加，糙米蛋糕的硬度和弹性分别比对照组1有明显的降低和增加，但不同TGase添加量处理间蛋糕的硬度无明显差异。

RENZETTI等[8]报道TGase可以促使糙米粉中的谷蛋白发生交联反应，生成大分子质量的蛋白聚合物，而谷蛋白占糙米蛋白总量的80%以上。蛋清中的主要蛋白组分是卵清蛋白，占蛋清蛋白总量的54%～69%，WANG等[10]用1.0% TGase处理蛋清泡沫，在SDS-PAGE蛋白谱图的顶部观察到轻微染色的条带，推测该条带可能是卵清蛋白中谷氨酰胺和赖氨酸残基的分子间交联形成的更高分子质量的蛋白质聚合物。本实验从试验号10～14可以看出，在蛋黄糊和蛋清中分别添加10、2 U/g TGase时，2方面的协同作用使蛋糕糊在焙烤过程中的持水持气能力得到增强，形成的一定网络结构使制得的糙米蛋糕的比容增加到6.0 mL/g，硬度比对照组1相对降低47.26%，而弹性相对增加8.88%，糙米蛋糕的烘焙品质得到显著改善。

2.2 添加TGase对蛋黄糊黏度和乳化稳定性的影响

2.2.1 蛋黄糊的黏度

蛋黄糊的黏度较高时，搅拌过程中混入的空气会更加稳定，而且内部的气泡大小会更加均匀，后期蛋糕糊的持气稳定性也会明显增强。由图2可知，在蛋黄糊黏度测定的最初5 min内，黏度快速直线下降，这是由于温度的增加和搅拌桨的剪切作用所致。5 min后温度保持在酶的最适作用温度50 ℃，与对照组0 U/g相比，不同添加量TGase处理的蛋黄糊黏度明显提高，35 min左右黏度趋于平稳。其中添加量为10 U/g时变化最明显，在35 min时黏度比对照组相对提高62.27%。随着TGase添加量的增加，蛋黄糊中的蛋白发生一定程度的交联，使聚合度增加，分子量增大，分子粒径增加，最终导致蛋黄糊黏度的增加[17]。但是进一步提高TGase的添加量，蛋黄糊的黏度反而降低，这可能是因为随着TGase添加量的增加，蛋白质分子表面的作用位点很快被交联而降低了其与周围其他蛋白质分子进行交联的机率，因而形成的分子间交联比加酶量小的情况下要少[18]。

2.2.2 蛋黄糊的乳化稳定性

乳化稳定性是指乳化液保持明显稳定状态并且不产生两相分层现象的特性。在蛋糕的制作过程中较好的乳化稳定性可以使蛋糕内部组织更加均匀、细腻，口感更佳。由图3可知，添加TGase可显著影响蛋黄糊的乳化稳定性。在乳液体系形成过程中，TGase对蛋白质的交联作用会使乳液体系中油水界面膜的厚度增加，稳定性增强[19]。随着TGase添加量的增加，上层油的渗出量越来越少，蛋黄糊的乳化稳定性显著提高，继续添加超过10 U/g时，乳化稳定性略有降低，可能是因为随着蛋白交联程度的增加，形成的聚合物分子质量越来越大，进而导致蛋白质的溶解度降低。

图2 添加TGase对蛋黄糊体系黏度(RVA)的影响

图3 添加TGase对蛋黄糊体系乳化稳定性的影响

2.3 添加TGase对蛋清起泡性和泡沫稳定性影响

蛋糕属于泡沫型食品，稳定而细腻的泡沫能赋予其疏松的结构和良好的口感。由于在实验室条件下机械搅打2 min，时间较短，起泡性在50%左右，无明显变化；但是随着储存时间的增加，蛋清泡沫的体积减小，液体高度在不断增加。与对照组0 U/g 相比，随着TGase添加量的增加，泡沫稳定性呈先升高后降低的趋势。当添加量为2 U/g 时，泡沫稳定性最高，相对提高了8.43%。可能是由于蛋清蛋白分子间的相互作用促进了界面膜的形成，适当的交联使界面膜得以加强，因此增加了蛋白的泡沫稳定性[20]。但继续添加TGase，形成的大分子聚合物可能使蛋白质的溶解性降低，膜上吸附的改性蛋白质分子减少，膜的致密性降低，弹性减弱，泡沫中的气体容易通过液膜向外扩散，因此泡沫存在的时间缩短，导致蛋清的泡沫稳定性降低[21]。

图4 添加TGase对蛋清泡沫稳定性的影响

2.4 游离巯基含量测定

巯基是蛋白质中最具有反应活性的功能性基团之一，也是影响蛋白质三级结构的重要参数。体系中游离巯基含量的降低表明蛋白质可能发生了变性，或者形成了分子间二硫键[22]。蛋黄糊中添加了TGase后，游离巯基含量显著下降。

图5 添加TGase对蛋黄糊体系游离巯基含量的影响

GUJRAL等[23]在TGase 改性米粉的研究中指出，米粉中游离巯基的含量随着TGase添加量的增加呈显著下降趋势，当TGase的添加量超过1%后，游离巯基含量没有明显区别，可能是由于暴露于酶反应的赖氨酸基团的缺失。游离巯基含量的减少表明TGase催化蛋黄糊中的蛋白交联形成大分子质量的聚集体后，暴露在表面的游离巯基被包埋到分子内部；另一方面，TGase在发挥交联作用时，新形成的交联肽链中含硫氨基酸彼此接近，并通过氧化作用形成二硫键，从而导致游离巯基含量减小[24]。

2.5 FTIR分析

蛋白质的二级结构指的是蛋白质分子局部区域内，多肽链沿一定方向盘绕和折叠的方式，主要是由分子内的氢键维系的局部空间排列，包括 α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲和β-逆折叠等[25]。由FTIR测得的蛋白质二级结构比率列于表3中，蛋黄糊中β-折叠占主要比例。随着蛋黄糊中TGase添加量的增加，β-折叠呈显著增加趋势，另外α-螺旋和β-逆折叠也显著增加，无规卷曲、β-转角则显著降低，表明TGase使蛋黄糊中蛋白分子的无规卷曲、β-转角向β-折叠、α-螺旋和β-逆折叠结构转变。β-折叠和α-螺旋依靠氢键稳定，其比例越多，蛋白质结构越稳定。另外，β-转角比例的降低可能也是TGase的作用使蛋白质结构更加紧密，阻止了多肽链的反转。因此，TGase处理后蛋黄糊的黏度和乳化稳定性显著提高，主要原因就是蛋白质二级结构中的不稳定结构向稳定结构的转变。

表2 添加TGase对蛋黄糊中蛋白质二级结构的影响

2.6 SE-HPLC分析

当蛋白质发生解聚或聚合反应时，分子和分子间会发生化学键的断裂与生成，结构变化导致相对分子质量随之改变。SE-HPLC可以分离相对分子质量不同的蛋白质，其中相对分子质量较大的蛋白质先出峰。为了探究TGase对蛋黄糊中蛋白质聚合程度的影响，采用SDSEP的变化来定量反应蛋白质的聚合程度[26]。一般来说，蛋白质发生聚合，其相对分子质量变大，SDSEP会减少。

a-非还原条件下;b-还原条件下

由图6-a可以看出，TGase添加10 U/g时的蛋黄糊，在洗脱时间8～10 min区间的蛋白质峰面积与对照组0 U/g相比显著增加，而洗脱时间在10～15 min区间的蛋白质峰面积急剧减少，说明经TGase处理后的蛋黄糊中一部分小分子质量蛋白质发生了交联反应，生成了较大分子质量的蛋白质聚集体。另一方面，从图6-b可以看出，在洗脱时间12～15 min区间，经TGase处理后的蛋黄糊中蛋白质的峰面积下降，表明TGase的添加使蛋黄糊中的蛋白生成了不能被DTT打断的以非二硫键形式存在的交联键，这是因为TGase诱导形成的 ε-(γ-谷氨酰基) 赖氨酸异肽键是一种连接力比二硫键强69倍的共价键[26]。通过上述2个谱图计算得到，TGase添加量为0 U/g时，蛋黄糊中的SDSEP为25.42%，而添加量为10 U/g时SDSEP为24.47%，SDSEP的下降进一步表明在TGase的催化作用下，蛋黄糊中的蛋白发生交联，生成了较大的且不能被SDS萃取的大分子质量蛋白聚集体。这种聚集体的生成使蛋黄糊中蛋白质形成的网络结构更加致密，使得淀粉颗粒被包裹得更严密，焙烤糊化后分散的淀粉链与蛋白质链更多地交织在一起，这使蛋黄糊内各种成分的分布更加均匀、稳定，并有利于气泡的保留和提高细密度，增大物料的持气性，从而使糙米蛋糕的比容得到显著提升，这与魏晓明等[15]的研究结果一致。

3 结论

普通糙米粉制备的蛋糕比容小、容易塌陷且弹性较差。在蛋黄糊和蛋清中分别添加不同量的TGase后能明显改善糙米蛋糕的比容、质构等烘焙品质。添加TGase后能够明显提高蛋黄糊的黏度和乳化稳定性，显著增强蛋清打发后的泡沫稳定性，提高糙米蛋糕的比容。游离巯基含量测定和FTIR分析表明，蛋黄糊中的游离巯基含量减少，同时蛋白的二级结构发生转变，β-折叠比例明显增加，无规卷曲、β-转角向β-折叠、α-螺旋和β-逆折叠结构转变，使得蛋白质的结构更加稳定。同时SE-HPLC分析表明TGase催化蛋黄糊中的蛋白发生稳定的交联作用，形成了更多大分子质量的蛋白聚集体。在蛋黄糊和蛋清中添加适量TGase可以明显改善糙米蛋糕的品质，为实际生产中TGase用于糙米蛋糕品质的提升提供参考。另外TGase在糙米蛋糕中的作用机理仍需进一步探究。