磷酸盐对面筋蛋白特性的影响

2021-03-06刘瑞莉陆啟玉王法林吴晓寅谷艳平

中国食品学报 2021年2期

刘瑞莉，陆啟玉，王法林，吴晓寅，谷艳平

（1 中央储备粮漯河直属库有限公司河南漯河462000 2 河南工业大学粮油食品学院郑州450000）

面条起源于我国，至今已有4 千多年的制作食用史，经过多年的发展，不仅在全国各地形成了许多颇具地方特色的面条，还开发了方便面、生鲜面、冷冻熟面等新的面条品种[1]。目前面条的加工已实现工业化生产，然而，由于我国通用小麦粉蛋白质含量偏低，面筋质量较差，使面条产品的断条率较高，面条不耐煮，易糊汤，口感较差，因此，在面条加工过程中，科学合理地使用食品添加剂是改善面条的加工性能和食用品质的主要途径之一[2-3]。

磷酸盐能改善或赋予食品某些优异的性能，是面条中常用的改良剂[4]。面条加工过程中常用的磷酸盐是复合磷酸盐，是多种磷酸盐的混合物，由于其组成成分的种类甚多，因此，往往根据其用途来调节添加比例。基于我国传统面条的特点，通常选用六偏磷酸钠、三聚磷酸钠、焦磷酸钠和磷酸二氢钠4 种进行复合来调节面条品质[5]。大量研究表明，不同复配比例的复合磷酸盐，对面条品质改善的效果各有不同，表明每种磷酸盐的作用机理各有不同[6-7]。虽然磷酸盐已在面条加工中广泛使用，但是磷酸盐对面条品质的影响机理目前尚不明确，对其合理、安全使用缺乏科学指导。本试验选用最常用的焦磷酸钠（TSPP）、三聚磷酸钠（STPP）和六偏磷酸钠（SMP）3 种磷酸盐，研究磷酸盐单一种类、不同比例添加方式对面筋蛋白特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

面粉，郑州金苑特一粉；石油醚，天津市天力化学试剂有限公司；焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠，天津市科密欧化学试剂有限公司；无水乙醇，天津市天力化学试剂有限公司；溴化钾（分析纯），天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 仪器、设备

MARS60 哈克旋转流变仪，德国HAAKE 公司；Saxspace 小角X-散射仪，奥地利anton paar 公司；7504 紫外分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司制造；IRPrestige-21 傅里叶变换光谱仪，日本岛京公司；LGJ-10 冷冻干燥机，四环福瑞科仪科技发展有限公司；DT5-4B 离心机，北京时代北利离心机有限公司；GL-20G-Ⅱ冷冻离心机，上海安亭科学仪器厂；FW-200 高速万能粉碎机，北京中兴伟业仪器有限公司；JJSY30×8 圆型验粉筛，上海嘉定粮油仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 面筋蛋白的制备及其基本成分测定

1）面筋蛋白的制备采用索氏抽提法，用石油醚进行脱脂处理，经手洗将面筋蛋白与淀粉分离，置于冷冻干燥机中冷冻干燥，粉碎、研磨，过108 目筛，备用。

2）测定面筋蛋白基本成分水分的测定采用GB/T5009.3-2010《直接干燥法》；粗蛋白含量的测定采用GB/T5009.5-2010《凯氏定氮法》；粗脂肪含量的测定采用GB/T14772-2008《索氏抽提法》；灰分的测定采用GB/T5009.4-2010《马弗炉法》。

1.3.2 添加磷酸盐的面筋蛋白流变学特性的测定面筋蛋白流变学特性的测定参照琚亚丽等[8]的方法并略有改动。称取2.0 g 样品于小烧杯中，加磷酸盐溶液（0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%）2.0 mL，用玻璃棒搅拌使样品粘连成较为规整的球状，小心取出样品，轻放于流变仪两平行板之间，进行流变学性能的测定。设定两平行板间隙1 mm，测量温度25 ℃，以一定速度缓慢匀速使上板调至预设的测量位置，轻轻刮掉周围挤压出的多余样品，然后对样品进行应力扫描和频率扫描。

1.3.3 面筋蛋白溶液的制备磷酸盐处理面筋蛋白方法：称取4.0 g 面筋蛋白于烧杯中，将磷酸盐按比例（0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%）溶解到适量蒸馏水中，用玻璃棒搅拌使其与面筋蛋白混合均匀，然后用保鲜膜封住烧杯口，室温放置半小时，使面筋蛋白网络结构稳定，置于冷冻干燥机中冷冻干燥，粉碎、过筛（108 目），封装备用。

取0.5 g 上述面筋蛋白样品，分别溶解于50 mL 0.5 mol/L 乙酸溶液中，置摇床摇动24 h。将溶解的样品超声处理15 s 后用冷冻离心机，以12 000 r/min 转速，5 ℃离心30 min。采用A280nm紫外光吸收法测定上清液的蛋白质含量，配制5 mg/mL 的面筋蛋白溶液。有研究表明，稀乙酸溶液是面筋蛋白的良好溶剂，可忽略溶剂的影响，即乙酸溶液不会对面筋蛋白分子链产生影响[9]。

1.3.4 面筋蛋白的小角X-散射（SAXS）试验测定面筋蛋白分子质量参照文献[9]方法并略有改动。将1.3.3 节中制得的样品置于透明玻璃毛细管状的样品器中，将样品器置于样品槽中，在光源X射线散射站进行测定。

参数设定：温度设定26 ℃，样品器到成像板的距离261.2 nm，测定时间45 min。

当光源照射在样品上，通过二维成像板探测器测量散射光强度随散射角度的变化，得到样品的X-小角散射（SAXS）空间分布谱。

1.3.5 面筋蛋白二级结构的测定采用傅里叶红外光谱法，对面筋蛋白的二级结构进行测定。将溴化钾放在培养皿中，40 ℃恒温干燥6 h，备用。称取2.0 mg 1.3.3 节制备的不同磷酸盐处理的面筋蛋白样品，加入200～400 g 溴化钾，将面筋蛋白样品和溴化钾在玛瑙研钵中混合，研磨均匀，用红外专用的压片机压片，使压力60 kPa 下保持1 min，取下样品压片（呈均匀、透明状），放入样品室，在400～4 000 cm-1波段进行傅里叶红外光谱（FTIR）扫描，扫描32 次，分辨率为4[10-11]。

1.3.6 试验数据处理将每个待测样品均设3 次重复，采用SPSS 16.0 软件方差分析，采用Duncan方法多重比较，显著水平P＜0.05。采用WPS 作图。

2 结果与分析

2.1 面筋蛋白基本成分

面筋蛋白基本成分如表1所示，经凯氏定氮法测定提取的面筋蛋白中蛋白含量为85.08%，淀粉、灰分及脂肪含量较低，符合试验的基本要求。

2.2 流变学特性

振幅扫描：设定温度25 ℃，频率1 Hz，对样品进行振幅扫描，以确定样品线性黏弹性区域，如图1所示。当形变量大于1%时，样品进入非线性黏弹性区域。为确保试验过程中样品面筋网络结构不被破坏，设置形变量为0.8%。

表1 面筋蛋白的基本成分Table 1 Basic components of wheat gluten

图1 面筋蛋白应力扫描图Fig.1 Stress scan of gluten

频率扫描：在25 ℃条件下对样品进行小振幅震荡测试（即频率扫描），采用的频率范围0.1～10 Hz，应变振幅设置为0.8%，此时应力为50 Pa。该值在所测样品的线性黏弹性区域，测得的储能模量（G'）、损耗模量（G"）分别表征对应样品的弹性和黏性，结果如图2 至图4所示。

由图2a 可看出，当焦磷酸钠添加量较低时，降低了面筋蛋白的储能模量；当添加量超过0.4%时，显著提高了面筋蛋白的储能模量；当焦磷酸钠添加量为0.8%时，面筋蛋白的储能模量最高。由图2b 可知，随着焦磷酸钠添加量的增加，面筋蛋白的损耗模量有所增加，当焦磷酸钠添加量为0.8%时，损耗模量达最大值。添加焦磷酸钠后，损耗角正切值均有所增大。

从图3a 来看，三聚磷酸钠的添加量过低或过高，均降低面筋蛋白储能模量。当添加量分别为0.4%，0.6%时，面筋蛋白的储能模量有所提高。从图3b 可知，面筋蛋白的损耗模量与三聚磷酸钠的添加量呈正相关关系。添加三磷酸钠亦使损耗角正切值变大。

图2 焦磷酸钠对面筋蛋白流变学特性的影响Fig.2 Effect of TSPP on rheological properties of gluten

图3 三聚磷酸钠对面筋蛋白流变学特性的影响Fig.3 Effect of STPP on rheological properties of gluten

图4 六偏磷酸钠对面筋蛋白流变学特性的影响Fig.4 Effect of SMP on rheological properties of gluten

从图4a 可知，添加不同比例的六偏磷酸钠后，面筋蛋白的储能模量均有所提高。当添加量为0.4%，0.8%时，储能模量值均达较高水平。从图4b可知，六偏磷酸钠添加量对面筋蛋白损耗模量的影响与焦磷酸钠相似，六偏磷酸钠添加量为0.8%时，面筋蛋白损耗模量达到最大值。六偏磷酸钠对损耗角正切值的影响与焦磷酸钠、六偏磷酸钠相似。

图5 添加不同磷酸盐后面筋蛋白在25 ℃、0.5 mmol/L 乙酸溶液中的散射曲线Fig.5 Scattering curves of gluten proteins with different phosphates at 25 ℃and 0.5 mmol/L acetic acid solution

对比图2a、图3a、图4a 可知，磷酸盐对面筋蛋白的储能模量的影响不同，焦磷酸钠的影响最为显著，六偏磷酸钠次之，三聚磷酸钠的影响较小。用储能模量表征面筋蛋白的弹性性能，通过适当添加焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠均能改善面筋蛋白的网络结构，提高面筋蛋白的弹性。由图2b、图3b、图4b 可知，添加磷酸盐均能提高面筋蛋白的损耗模量，增加面筋蛋白的黏性。这可能是由于添加磷酸盐后，引入部分电荷，使面筋蛋白网络结构得以舒展，增强了面筋蛋白网络的黏弹性[8]。添加磷酸盐后面筋蛋白流变学损耗模量G"与损耗角正切值tanδ 值均有所增大，且损耗角正切值始终小于1，这表明磷酸盐虽使面筋蛋白体系的类固体特性减弱，但始终没有改变面筋蛋白体系的类固体性质[12]。

2.3 小角X-散射试验结果

将添加不同磷酸盐后制得的面筋蛋白溶解于0.5 mmol/L 乙酸溶液中，进行X-小角散射（SAXS）试验，结果如图5 和图6 示。

图5a、5b 和5c 分别显示添加不同量焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠后面筋蛋白的散射曲线，可以看出，当散射矢量q 值在0.16 nm-1左右时，所有样品有1 个明显的峰值，表明面筋蛋白结构在溶液中完全展开，无分子间相互作用的影响，可忽略溶剂对面筋蛋白分子链的影响。

图5a、5b 和5c 分别显示添加焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠后面筋蛋白Guinier 散射曲线。其中，横纵坐标q 和I 分别表示散射矢量和散射强度。Guinier 散射曲线反映蛋白质在溶液中的构象。添加3 种磷酸盐，在小角范围内，不同浓度下面筋蛋白溶液的q2-ln[I（q）]均满足线性关系，表明面筋蛋白在乙酸溶液中呈相对单一的尺寸，有相近的构象。

从图6a、6b 和6c 可知，添加三聚磷酸钠和六偏磷酸钠对面筋蛋白分子质量无显著影响，然而，添加焦磷酸钠后蛋白质的分子质量略有增大趋势，各添加量间无明显差异。蛋白质分子质量分布较宽，而X-小角散射测定结果仅反映其分子质量的平均变化值，这种变化主要集中在什么范围，还有待研究。

图6 不同磷酸盐对面筋蛋白Guinier 散射曲线的影响Fig.6 Effect of different phosphates on the Guinier scattering curve of wheat gluten

2.4 面筋蛋白结构

取1 600～1 700 cm-1段谱图，用PeakFit v4.12软件分析。先进行高斯去卷积处理，再由二阶导数拟合得到特征峰。以特征峰的位置为参数，对酰胺Ⅰ带进行曲线拟合，计算峰面积，确定面筋蛋白二级结构含量所占的比例。添加3 种磷酸盐后面筋蛋白傅里叶红外光谱特征曲线如图7所示。

图7a、7b 和7c 分别表示添加焦磷酸钠、三聚磷酸钠和六偏磷酸钠后面筋蛋白的傅里叶红外光谱特征曲线。可以看出，添加不同磷酸盐后红外曲线的走势和出峰位置基本一致，而在酰胺Ⅰ带位置拟合的各峰大小略有不同，表明磷酸盐的添加未改变面筋蛋白的特征基团，而仅对各二级结构的含量有所影响。

由表2 可知，添加焦磷酸钠后，面筋蛋白体系中的β-折叠片层结构与分子内β-折叠结构的含量均有所增加，当添加量为0.8%时，影响较为显著；对无规则卷曲结构、α-螺旋结构无显著的影响，而β-转角结构与分子间非平面弱氢键结构略有降低。β-折叠与α-螺旋结构是蛋白中较为稳定的结构，添加焦磷酸钠后面筋蛋白体系中β-折叠结构有所增加，而β-转角结构略有降低，这使面筋蛋白网络结构趋于稳定。面筋蛋白二级结构稳定可能是引起面条质构性能——硬度、黏结性、咀嚼性增加的一个因素。这是由于添加焦磷酸钠后，体系电荷增加，面筋蛋白网络结构发生改变，部分β-转角结构转化为β-折叠和α-螺旋结构，使面筋蛋白的二级结构变得更加有序，最终表现为对面条质构特性的影响[13]。

由表3 可知，添加三聚磷酸钠对面筋蛋白二级结构影响较小，总体β-折叠结构含量有所增加，α-螺旋结构与分子间非平面氢键含量并无明显变化，而β-转角结构略有降低，说明三聚磷酸钠虽对面筋蛋白二级结构的影响较小，但使面筋蛋白的网络结构趋于稳定。

从表4 可知，添加六偏磷酸钠，对面筋蛋白体系中各二级结构产生不同的影响。当其添加量较低时，二级结构中β-折叠片层结构与分子内β-折叠结构含量均有所降低；当其添加量为0.6%时，随着六偏磷酸钠添加量的增加，β-折叠片层结构与分子内β-折叠结构含量均增加。无规则卷曲结构含量不受六偏磷酸钠的影响。然而，α-螺旋、β-转角结构以及分子间非平面弱氢键结构随六偏磷酸钠添加量的增加，发生同样的变化。当六偏磷酸钠添加量较低时，随着六偏磷酸钠添加量的增加，α-螺旋、β-转角结构以及分子间非平面弱氢键结构含量均略有增加，当六偏磷酸钠添加量超过0.4%时，随着添加量的增加，α-螺旋、β-转角结构以及分子间非平面弱氢键结构含量随之降低，说明添加一定量的六偏磷酸钠后，面筋蛋白体系中的β-折叠结构转化为β-转角结构，使面筋蛋白网络结构趋于不稳定，这也可能是六偏磷酸钠使面条硬度降低的因素之一。

从以上试验结果来看，不同的磷酸盐对面筋蛋白二级结构的影响各有不同，添加焦磷酸钠使得面筋蛋白二级结构更为稳定，添加三聚磷酸钠对面筋蛋白二级结构的影响较小，也使面筋蛋白二级结构趋于稳定，而添加六偏磷酸钠使面筋蛋白结构更加不稳定。综上，在面条加工过程中磷酸盐的种类及其添加量对面条的品质有重要的影响。

图7 面筋蛋白傅里叶红外光谱特征曲线Fig.7 Fourier infrared spectrum characteristic curve of gluten

3 结论

本试验结果表明：3 种磷酸盐对面筋蛋白流变学特性有不同程度的影响。焦磷酸钠的添加量过低或过高，均会降低面筋蛋白的弹性。当其添加量为0.4%，0.8%时，面筋蛋白的黏弹性有所增强。添加三聚磷酸钠和六偏磷酸钠均提高了面筋蛋白的黏弹性。添加焦磷酸后，面筋蛋白平均分子质量略有增加，而三聚磷酸钠和六偏磷酸钠对其影响不显著。添加焦磷酸钠使面筋蛋白二级结构更为稳定。添加三聚磷酸钠虽对面筋蛋白二级结构的影响较小，但也使面筋蛋白二级结构趋于稳定，而添加六偏磷酸钠使得面筋蛋白结构趋于不稳定。