麦麸酚酸类物质对面团聚集态的影响

张慧娟，冯钰琳，付冰冰，隋 妙，王 静

（北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心 北京市食品添加剂工程技术研究中心中国-加拿大食品营养与健康联合实验室（北京） 北京100048）

小麦是我国的主要种植农作物之一。小麦麸皮作为小麦加工后的主要副产物，含有膳食纤维以及丰富的强抗氧化活性物质，具有极高的营养价值[1-3]。然而，麦麸粗糙苦涩的口感使其在食品工业中的深加工与利用度都受到极大的限制。若能对小麦麸皮进行深加工和综合利用，则会带来很高的经济效益和社会效益[4-5]。

麦麸中的酚酸类物质如阿魏酸、咖啡酸、绿原酸、儿茶素等对于人体的健康有很大益处[6-8]，其中阿魏酸（Ferulic acid，FA）与咖啡酸（Caffeic acid，CA）是含量较高的2 类酚酸。FA 具有良好的抗辐射、抗氧化、抗菌、抗病毒和抗癌活性，还具有减缓慢性疾病的生理功效[7]。CA 又名3,4-二羟基肉桂酸，能够起到收缩增固微血管，促进凝血因子发挥功能的作用，还具有升高白血球和血小板的功效[8]。适量添加酚酸类物质可以提升面制品的生理功效。Koh 等[9]研究发现，将FA 添加到面粉中会影响面团的品质，使得面团的混合耐受性降低。Han等[10]研究表明，添加CA 会使面包体积明显降低，面团的流变学性质也会受到影响。然而，目前关于不同添加量阿魏酸和咖啡酸对面筋蛋白影响的研究较少。

本文通过向面粉中添加单一的不同剂量的阿魏酸及咖啡酸制成面筋蛋白样品，对其流变学、热稳定性、蛋白质二级结构以及微观网络结构等性质进行测定，探究阿魏酸和咖啡酸对面团及面筋蛋白性质的影响，为提高小麦麸皮利用度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

富强高筋小麦粉，金沙河面业有限公司；溴化钾，英国Specac 公司；二甲基硅油，国药集团化学试剂有限公司；阿魏酸、咖啡酸，上海麦克林有限公司。

1.2 仪器与设备

ME203E 电子天平，美国METTLER TOLEDO公司；HMJ-D3826 和面机，小熊电器股份有限公司；DHR-2 Discovery HR 流变仪，美国TA 仪器公司；Mixolab 谷物综合特性测定仪，法国肖邦技术公司；Free Zone 真空冷冻干燥机，美国LABCONCO 公司；TGA 8000 热重分析仪，Perkin Elmer 企业管理（上海）有限公司；DSC-60 Plus 差示扫描量热仪，日本岛津仪器公司；MA100C-000230V1 水分测定仪，德国sartorius 公司；JSM-6700F 扫描电子显微镜，日本电子公司；912A0607傅里叶变换红外光谱仪，赛默飞世尔科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 混合面粉的制备

1）FA 组混合粉的制备 向100 g 高筋小麦面粉中分别添加质量分数为0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%的FA。

2）CA 组混合粉的制备 向100 g 高筋小麦面粉中分别添加质量分数为0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%的CA。

1.3.2 面筋蛋白的制备 称取100 g 混合粉及60 g 水放入和面机中，揉混5 min 后，静置醒发30 min，以便于面筋蛋白的形成。用去离子水洗涤，直到洗出的清水遇碘液不变蓝色。将样品放入-80℃的冰箱中冷冻保存，随后将冷冻后的面筋蛋白置于冻干机中冷冻干燥48～72 h，得到冻干的面筋蛋白，磨粉过筛备用。

1.3.3 面团热机械学特性测定 混合实验仪的设定参数需按照“Chopin+”标准：根据混合面粉的水分含量，称取面粉与酚酸混合粉放入Mixolab 混合实验仪的搅拌钵中搅拌测定，使加水后面团总质量为75 g。首先使面团的扭矩达到1.1 N·m，保持30 ℃恒温8 min，再以4 ℃/min 的升温速度使样品加热到90 ℃，保持7 min，之后以4 ℃/min 的降温速度冷却至50 ℃，恒温5 min。整个过程面团搅拌速度保持在80 r/min。从Mixolab 试验结果中可获得面团吸水率、黏度崩解值、C1-C5 扭矩值、面团的形成时间、面团的稳定时间以及回生值等参数[11-13]。

1.3.4 面筋蛋白动态流变学测定 本试验参照Tuhumury 等[14]的试验方法稍作修改，将洗涤后的面筋蛋白揉成小球，放于流变仪的底盘中央进行应力扫描和频率扫描流变学试验，重复测定3 次。应力扫描测量参数：频率为1 Hz，应力范围为0.01%～10%。频率扫描测量参数为：40 mm 圆形平板，温度25 ℃，应力为0.5%，频率变化范围为0.01～100 Hz，测定面筋蛋白的弹性模量（G′）、黏性模量（G′′）和损耗角正切值（tanδ）随频率的变化。参考王沛[15]的试验方法，取10 Hz 时面筋蛋白的损耗角正切值tanδ 绘图。

1.3.5 面筋蛋白热力学性质测定 热重分析（TGA）参照Agnieszka 等[16]的方法稍作修改，称取10 mg 左右的冻干面筋蛋白升温至900 ℃，得到TGA 曲线，使用Pyris 软件进行分析，计算出样品的热降解温度（Td）以及到达600 ℃时样品的质量损失。DSC 检测方法参考Wang 等[17]的试验方法进行。试验结束后得到的热流变化曲线用TA60 Software Muse 程序计算面筋蛋白的热变性焓值（△H）和热变性温度（Tp）。

1.3.6 傅里叶红外光谱分析测定面筋蛋白二级结构 将1～2 mg 面筋蛋白样品及干燥溴化钾粉末放入研钵，充分研磨混匀。混匀后的样品用压片机压片后，使用FTIR 仪器对样品进行测定。试验参数为：分辨率4 cm-1，扫描次数32 次，扫描范围400～4 000 cm-1，每个样品重复测定3 次。试验得到的光谱用Omnic 软件和PeakFit v4.12 软件进行分析。对酰胺I 区（1 600～1 700 cm-1）的吸收峰进行基线校正，再进行高斯去卷积，最后拟合出结果的二阶导数，得到拟合出的各个子峰的峰面积百分含量以及各子峰的峰位置，根据峰位置找到子峰的归属后，将其峰面积进行加和，得到的即为该二级结构的百分含量[18-19]。

1.3.7 电镜扫描观察冻干面筋的微观结构 参照Gómez 等[20]的方法稍作修改。将冻干面筋蛋白小块取出用小锤破裂，取其平滑的内表面喷金镀膜。将处理好的样品立即放入电镜载物腔内，进行抽真空处理，加压至10 kV，放大倍数200×进行观察，选择合适的观察视野进行拍照。

2 结果与分析

2.1 FA 和CA 添加量对混合面团热机械学特性的影响

Mixolab 混合实验仪可以同时测定面团的粉质特性及淀粉的糊化特性[21-22]。由表1可知，与对照组相比，添加FA 后对面团的吸水率、形成时间及黏度崩解值无显著影响。然而FA 的添加显著降低了面团的稳定时间，这可能是由于FA 的添加对于面团中二硫键有还原作用，可以使得面团在达到最佳的搅拌时间后崩溃，降低其稳定性。随着FA 添加量的增加，面团的稳定时间逐渐降低。FA 的添加还显著升高了面团的回生值。回生值表示淀粉糊化后遇冷出现淀粉分子重新排列并重结晶的现象，在宏观上表现为淀粉糊凝胶化[23]。当添加不同添加量的FA 后，面团回生值显著升高，表明添加FA 后，面团的淀粉糊凝胶化程度变高，分子排列较有序。从表2可以看出，与对照组相比，添加不同浓度的CA 对面团的吸水率、形成时间及黏度崩解值无明显影响，而CA 的添加显著缩短了面团的稳定时间，随添加量的升高，面团的稳定性越差。CA 的添加也显著升高了面团的回生值，淀粉糊凝胶化程度变高，分子排列有序。

综上所述，添加酚酸使得面团的稳定时间缩短，稳定性被破坏，且随着酚酸添加量的增加，稳定性逐渐降低，这与Jackson 等[24]的研究结果一致。而添加酚酸会使面团的回生值升高，表明FA和CA 会影响淀粉分子的晶体结构，使得淀粉糊凝胶化程度变高，分子的排列变得较为有序，与王红娜等[25]的研究结果一致。

表1 FA 对面团热机械学特性的影响Table 1 Effect of FA on thermomechanical properties of dough

表2 CA 对面团热机械学特性的影响Table 2 Effect of CA on thermomechanical properties of dough

2.2 FA 和CA 添加量对面筋蛋白动态流变学特性的影响

面制品的品质与面团的流变特性有很大关联，而面团中的面筋蛋白对于面团的流变特性起决定因素。采用动态流变仪可以测出面筋蛋白的弹性模量（G′）以及黏性模量（G′′）随扫描频率变化而变化的具体情况，以此推测某些物质在分子结构方面的信息[26]。图1、图2分别表示添加不同含量的FA 和CA 后，面筋蛋白的弹性模量（G′）、黏性模量（G′′）的频率扫描曲线图。由图1可得，FA 及CA 组面筋蛋白的黏弹性模量均随扫描频率的增加而增大。当FA 添加量为0.20%和0.25%时，面筋蛋白的黏弹性模量略微高于对照组，而当添加量小于0.20%时，黏弹性模量略低于对照组；当CA 的添加量为0.15%，0.20%，0.25%时，面筋蛋白的黏弹性模量略高于对照组，而当添加量小于0.15%时，面筋蛋白的黏弹性模量略低于对照组。这样的结果可能是由于添加量太小而并未明显影响面筋蛋白的黏弹性模量，对此可以进行做后续试验探究其原因。损耗角正切值tanδ 为G′′与的G′比值。tanδ 可以反映物料的黏弹性特征，体现样品的理化性质接近于固体还是液体，当tanδ＜1 时表示样品的品质接近于固体，而当tanδ＞1 则表示样品的性质近似流体[27]。tanδ 的变化可以表现出样品聚合度的变化，当tanδ 降低时，表示样品聚合度增大，反之样品的聚合度减小[9]。如图3所示，本试验所有试验组的弹性模量（G′）均大于黏性模量（G′′），即面筋蛋白的tanδ 均小于1，说明面筋蛋白具有类似固体的性质，与Khatkar 等[28]的试验结果相同。而相比于对照组，FA 和CA 的添加对于面筋蛋白的tanδ 无明显影响。

图1 FA 和CA 对面筋蛋白弹性模量的影响Fig.1 Effect of FA and CA on the elastic modulus of gluten

图2 FA 和CA 对面筋蛋白黏性模量的影响Fig.2 Effect of FA and CA on viscous modulus of gluten

图3 FA 和CA 对面筋蛋白tanδ 的影响Fig.3 Effect of FA and CA on tanδ of gluten

2.3 FA 和CA 添加量对面筋蛋白热力学性质的影响

表3和表4是添加FA 和CA 对面筋蛋白热力学性质影响情况的结果。图4为热重分析的结果，其中a 和b 分别代表面筋蛋白的TGA 和DTG图。由图可知，与对照组相比，添加FA 和CA 后，热降解温度（Td）显著下降，而600 ℃时的热损失率显著增高，均在添加量为0.25%时达到了最大值（FA 为74.15%±0.04%，CA 为74.79%±0.48%），说明添加FA 和CA 会使面筋蛋白原有的结构发生改变，变得越来越松散，紧密度降低。从图5可以看出，随着FA 与CA 添加量的升高，面筋蛋白的热变性焓值（ΔH）、热变性温度（Tp）均降低，在FA与CA 的添加量为25%时，面筋蛋白的热变性焓值（ΔH）分别达到最小值，分别为（129.16±1.31）J/g和 （148.60±0.69）J/g，Tp分别为 （61.80±0.57），（55.38±0.95）℃。热变性温度（Tp）是用于评价材料的分子流动性和水化程度的重要指标，热变性温度降低意味着材料发生解聚[18，29]。结果可以证明，加入FA 和CA 使得面筋蛋白的空间结构变得松散无序。在DSC 结果中，热变性焓值（ΔH）反映了材料的亲水性与疏水性，从结果可以看出，随着FA 和CA 添加量的增加，ΔH 显著降低，表明面筋蛋白的疏水性逐渐下降，这可能是由于面筋蛋白内部的水分竞争导致其结构展开，即FA 和CA 的添加量会显著影响面筋蛋白的结构。

图4 FA 和CA 对面筋蛋白热力学性质的影响Fig.4 Effects of FA and CA on the thermodynamic properties of gluten

图5 FA 和CA 对面筋蛋白DSC 的影响Fig.5 Effect of FA and CA on DSC of gluten

表3 FA 对面筋蛋白热力学性质的影响Table 3 Effect of FA on thermodynamic properties of gluten

（续表3）

表4 CA 对面筋蛋白热力学性质的影响Table 4 Effect of CA on thermodynamic properties of gluten protein

2.4 FA 和CA 添加量对面筋蛋白二级结构的影响

表5及表6分别为添加FA 与CA 对面筋蛋白各二级结构对应峰面积占总峰面积的百分比。从结果可以看出，β-折叠是面筋蛋白的主要二级结构，这与Bock 等[18]的研究结果相同。添加了FA和CA 明显降低了面筋蛋白的β-折叠含量。据Ferrer 等[30]的研究表明，面筋蛋白中β-折叠越多，代表面筋蛋白结构越稳定，且面筋蛋白结构的有序性和α-螺旋的含量呈正相关，本试验中对照组的β-折叠含量最高，达到88.58%±0.03%，说明对照组的蛋白质结构最为稳定。而添加FA 和CA后，β-折叠的含量随添加量的升高逐渐降低，当FA 与CA 的添加量为0.25%时，β-折叠的含量分别为81.72%±0.03%，83.23%±0.02%，说明添加FA 和CA 会使面筋蛋白结构的稳定性受到破坏，该试验结果与面筋蛋白热力学性质检测结果一致。随着FA 及CA 添加量的增加，α-螺旋的含量逐渐下降，在达到最高添加量时，添加FA 与CA面筋蛋白α-螺旋结构的含量分别为7.79%±0.04%，6.87%±0.04%，说明添加FA 和CA 降低了面筋蛋白结构的有序性，使面筋蛋白的蛋白质结构随添加量的增加而逐渐变得混乱无序。

表5 FA 对面筋蛋白二级结构的影响Table 5 Effect of FA on secondary structure of gluten

表6 CA 对面筋蛋白二级结构的影响Table 6 Effect of CA on secondary structure of gluten

2.5 面筋蛋白微观结构观察

通过电镜扫描可以观察到面筋蛋白的微观结构。从图6可知，对照组的孔洞大小比较均匀整齐，孔洞边缘较为平滑，面筋蛋白的网络结构有序性较高。随着FA 和CA 添加量的增加，相比于对照组面筋蛋白的稳定性下降，孔洞损坏，边缘变得粗糙不平整，有些地方结构出现坍塌。分析电镜扫描的结果可以发现，FA 和CA 的添加对于面筋蛋白的微观结构具有破坏作用。这一结果与热重分析中面筋蛋白在600 ℃时的质量损失率升高及面筋蛋白DSC 分析中热变性温度（Tp）降低的试验结果一致。

图6 FA 组和CA 组面筋蛋白微观结构图Fig.6 Microstructure of gluten protein in group FA and CA

3 结论

添加FA 和CA 会对面团及面筋蛋白的品质造成影响。随着FA 和CA 添加量的增加，面团的稳定时间逐渐缩短，回生值逐渐升高，FA 和CA使面团的稳定性及有序性显著下降。动态流变学试验中所有试验组的损耗角正切值均小于1，即面筋蛋白具有类似固体的性质，添加FA 和CA 后提升了面筋蛋白的黏弹性模量。热力学试验结果显示FA 和CA 降低了面筋蛋白的热降解温度（Td）、热变性温度（Tp）及热变性焓值（ΔH），在600℃时的热降解温度显著降低。面筋蛋白二级结构检测结果表明，面筋蛋白二级结构中β-折叠和α-螺旋含量均下降，即面筋蛋白稳定性降低，结构排列变得无序。观察电镜扫描结果可以看出，随着FA 和CA 添加量的增加，相比于对照组面筋蛋白的稳定性下降，孔洞损坏，边缘变得粗糙不平整，部分结构出现坍塌。