小麦粉吸水速率与其蛋白组成特性的关系

林江涛，郭晓丹，苏东民,2

（1.河南工业大学粮油食品学院，河南郑州 450000）（2.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南郑州 450000）

和面过程是面粉与水充分混合形成面团的必经阶段。依据蛋白质的亲水性，面筋蛋白吸水膨胀形成的面筋作为支撑面团立体的骨架，在面团的形成中起到重要作用[1]。Baudouin等发现在水与能量的输入下，水分子进入蛋白质分子内部，与内部非极性基团发生排斥作用，导致非极性基团外翻，外翻后与外面的极性基团发生内聚作用，肽链相互交织形成复杂聚合物麦醇溶蛋白与麦谷蛋白[2]。二者吸水膨胀形成复杂的立体网状结构，作为面团的骨架使面团保持一定的形状并维持面团特性[3]。在面团的均质化作用下，吸水膨胀的淀粉颗粒通过氢键作用开始形成淀粉-水-淀粉体系，此时面团形成大而较为空洞的面筋网络。在搅拌力的作用下，面筋网络不断展开，将膨胀的淀粉颗粒包裹于其中，逐渐形成具有延伸性与弹性的面团[4]。即在整个和面过程中水分充分渗透至小麦粉颗粒内部，促进蛋白质、淀粉吸水的充足性和均匀性，才保证了面筋网络能在和面过程中充分形成[5]。

实践表明不同品种的小麦粉在同样的和面条件下形成面团时消耗的时间不同，即涉及到小麦粉吸水速率的问题。小麦粉吸水速率分为静态吸水速率与动态吸水速率。王明洁等人将高、中、低筋小麦粉放置在不同温度与湿度条件下测量小麦粉的静态吸水速率，研究发现面筋含量对静态吸水速率无显著性影响[6]。动态吸水速率即小麦粉遇水并在搅拌力作用下成团的速率，其可分为瞬时吸水速率与平均吸水速率。目前尚无测定小麦粉吸水速率的仪器，通过文献知粉质仪的测试结果中有加水量与形成时间，可以作为表征吸水速率的参数[7]。即含有14%水分的小麦粉所能吸收的水量除以当小麦粉面团达到最大稠度时的时间，将其比值定义为小麦粉吸水速率。受限于检测仪器的局限性本文研究对象为动态平均吸水速率。吸水速率可用来描述同等重量的小麦粉从加水开始到和制成为一定稠度特性的面团快慢的能力。本文以不同吸水速率的小麦粉为研究对象，通过对其粗蛋白含量、面筋蛋白含量、湿面筋含量、面筋指数、氨基酸含量进行测定并观测面团内部微观网络结构变化，来分析蛋白质含量和特性对小麦粉吸水速率的影响。

1 材料与方法

1.1 原料

克明高筋、低筋小麦粉，豫粮集团濮阳专用面粉有限公司；金像小麦粉，江苏南顺食品有限公司；百钻中筋、低筋小麦粉，安琪酵母股份有限公司；维良中筋小麦粉，青岛维良食品有限公司；福临门中筋小麦粉、麦芯粉，中粮面业（海宁）有限公司；思丰超级雪花粉，新乡市思丰粉业有限公司；新良低筋小麦粉，新乡市新良粮油加工有限公司。

1.2 仪器与设备

FA2204B型电子天平，上海越平科学仪器（苏州）制造有限公司；MJ-Ⅲ型面筋数量和质量测定仪，杭州大成光电仪器有限公司；MJZ型面筋指数测定仪，杭州大成光电仪器有限公司；L550型医用离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；SHZ-B型水浴恒温振荡器，上海博讯医疗生物仪器股份有限公司；Kjeltec 8400全自动凯氏定氮仪，瑞典福斯分析仪器公司；冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；S-433(D)氨基酸分析仪，德国Sykam(赛卡姆)；810152自动型粉质仪，德国Brabender公司。

1.3 实验方法

1.3.1 小麦粉吸水速率的测定

参照GB/T 14614-2206，使用粉质仪法测定，选用300 g和面钵。

式中：V，小麦粉吸水速率，g/s；WZ，加水量，g；DDT，面团形成时间，s。

1.3.2 小麦粉中粗蛋白含量的测定

称取0.35 g小麦粉放入消化管中，后加入0.5 g硫酸铜与4.5 g硫酸钾，加入10 mL浓硫酸后放置在消化炉消化，冷却消化管后用凯氏定氮仪进行测量。换算系数5.7。

1.3.3 面筋蛋白组分的提取及含量的测定

采用连续振荡法提取面筋蛋白[8]。称取1 g小麦粉于15 mL离心管中，加入10 mL蒸馏水，用玻璃棒搅拌成匀浆。将离心管放入50 ℃恒温水浴振荡0.5 h。后4000 r/min离心20 min，上清液倒入50 mL离心管中。用蒸馏水洗残渣2次，每次加水10 mL，水浴振荡10 min，离心10 min，上清液并入提取液中，此为清蛋白组分。上述残渣中加入10 mL 10%的氯化钠溶液，同前方法提取离心，上清液并入提取液中，此为球蛋白组分。

向上述残渣中加入10 mL 75%乙醇，先放入50 ℃水浴振荡5 min，后在5 ℃下水浴振荡30 min。同前离心。用乙醇洗残渣两次，每次于25 ℃水浴振荡5 min。上清液并入提取液中，此为麦醇溶蛋白组分。向上述残渣中加入0.2%氢氧化钠溶液10 mL，同清蛋白的方法提取离心。上清液并入离心管中，此为麦谷蛋白组分。

将麦醇溶蛋白与麦谷蛋白提取液倒入消化管后，后加入0.5 g硫酸铜与4.5 g硫酸钾，加入10 mL浓硫酸后放置12 h。后续测定与粗蛋白步骤一致。

1.3.4 湿面筋含量及面筋指数的测定

参照GB/T 5506.2-2008进行湿面筋含量测定。参照LS/T 6102-1995进行面筋指数测定。

1.3.5 SDS沉降值及谷蛋白溶胀指数的测定

参照GB/T 15685-2011进行小麦沉降值测定。参照GB/T 26627.1-2011进行小麦谷蛋白溶胀指数测定。

1.3.6 氨基酸含量的测定

参照GB 5009.124-2016中的方法测定小麦粉中氨基酸含量。

1.3.7 面筋网络微观结构测定

采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对面团进行微观结构的观测，样品制备参照Huang等人[9]的方法，并有改动。准确称取10 g面粉，加5 mL蒸馏水，使用面筋仪和面3 min后制得1 cm3左右的小块。-20℃冷冻24 h后，用冷冻切片机切成10 μm左右薄片置于载玻片上。室温条件下用二甲基甲酰胺溶液制备罗丹明B（0.0025%）15 min后用蒸馏水冲洗掉多余染料。每个待测薄片进行4次不同部位观测，所有样品均在较高倍数（20×40）下进行观察，以便给出更直观的面团网络结构形态。

1.4 数据处理

数据结果以“平均值±标准偏差”来表示。采用SPSS 20软件对数据进行显著性分析，不同字母表示样品间存在显著性差异（p<0.05）。

2 结果与讨论

2.1 不同品牌小麦粉吸水速率分析

如表1所示，不同品种小麦粉间吸水速率变幅为0.17~3.87，不同品种间差异性显著，平均值为1.51。在下文的叙述中不同品牌的小麦粉将按吸水速率从低到高排序，V1~V10。

表1 不同品牌小麦粉吸水速率的差异Table 1 Determination of water absorption speed of wheat flour

2.2 不同吸水速率小麦粉的粗蛋白含量

小麦粉中的粗蛋白含量与面制品品质密切相关[10]。图1表明，随着小麦粉吸水速率的增大，其粗蛋白含量从13.25%降低到6.98%，显著性下降（p<0.05）。粗蛋白含量下降，相应的其面粉中淀粉含量呈上升趋势。淀粉的吸水量为自身重量的0.5倍左右，但因其较为疏松的内部空间，使得淀粉的吸水速率相对蛋白质来说较大[11]。Bean等人[12]研究发现小麦面粉蛋白质含量和不可溶的聚合体蛋白质含量高度相关，即面粉具有较高的蛋白质含量，可具有高含量的不可溶聚合体蛋白质。因此随着小麦粉蛋白质含量的下降，其中能吸水形成湿面筋的水不溶性蛋白质也随之下降。面筋含量越少，面团在搅拌时所受阻力越小，小麦粉越容易吸水。

图1 不同吸水速率小麦粉中的粗蛋白含量Fig.1 Crude protein content in wheat flour at different water absorption speed

2.3 不同吸水速率小麦粉面筋蛋白含量

麦醇溶蛋白与麦谷蛋白相互交联共同形成了面筋网络，赋予面团黏弹性[13]。由图2所示，在面筋蛋白的组成中，麦谷蛋白含量要显著高于麦醇溶蛋白。同时随着小麦粉吸水速率的增大，麦醇溶蛋白含量从4.02%下降到1.53%，麦谷蛋白含量从5.28%降低到2.77%，显著性下降（p<0.05）。Ceresino等人[14]研究发现在面团的形成初期，麦谷蛋白首先吸水胀润，麦醇溶蛋白逐渐胀润，形成混乱不规则的面筋网络结构。其后二者在搅拌力的继续作用下使网络结构得到规则伸展，形成光滑且富有粘弹性的面筋膜[15]。麦醇溶蛋白与麦谷蛋白的含量越高，形成的面筋膜的韧性越好。面团在形成的过程中，需要不断被破坏已经形成的面筋膜，才能让吸水作用继续进行。在相同的搅拌条件下，面筋膜的韧性越好，需要消耗的时间越多。因此随着麦醇溶蛋白与麦谷蛋白含量的下降，其面筋膜的韧性也随之下降，使面团的形成时间缩短，因此小麦粉的吸水速率也随之增大。

图2 不同吸水速率小麦粉中面筋蛋白含量Fig.2 Gluten protein content in wheat flour at different water absorption speed

2.4 不同吸水速率小麦粉湿面筋含量与面筋指数

当面粉加水后，水分开始与醇溶蛋白及麦谷蛋白分子外侧的极性基团结合。Nutter等人[16]研究发现随着蛋白质分子吸水过程的不断延续，水分子渗入蛋白质分子内部，使内部非极性基团外翻，水化了的极性基团内聚，相互交织在一起，形成面筋网络，并将面粉中的其它成分如淀粉和脂质包围起来，形成独特的具有粘弹性的面团。因此面筋的含量与质量对面团的品质有着决定性的作用。面筋指数是反映面团中面筋质量的标准，面筋指数越大，面筋质量越好，反之越差[17]。

由图3可知，随着小麦粉吸水速率的增大，湿面筋含量从38.81%降低到19.19%，显著性下降（p<0.05）。面筋指数对吸水速率无显著性影响。面筋形成过程主要是蛋白质分子通过氢键发生水合作用。由于水合作用，面筋蛋白产生一定的内聚性和黏附性。由2.3可知随着小麦粉吸水速率的增加，其麦醇溶蛋白与麦谷蛋白的含量显著性下降趋势，因此导致了湿面筋含量的下降。面筋蛋白含量高即在面粉在成团搅拌过程中所形成的面筋膜的量及韧性越好，反之则面筋膜的质量较弱，容易被搅破，从而使小麦粉的吸水速率增加。

图3 不同吸水速率小麦粉中湿面筋含量及面筋指数Fig.3 Content and gluten index of wet gluten in wheat flour at different water absorption speed

2.5 不同吸水速率小麦粉沉淀指数与谷蛋白溶胀指数

沉降值是悬浮液中的面粉面筋与表面活性剂SDS结合，在酸的作用下发生膨胀，形成絮状沉积物。沉淀值是反映面筋蛋白质数量及质量的一个综合指标，沉降值越大，表明面筋的量多或者质较好[18]。谷蛋白溶胀指数（SIG）反映谷蛋白的溶胀特性，赵清宇等人[19]研究发现谷蛋白溶胀指数是不溶性谷蛋白含量（GMP）和谷蛋白含量的一个间接反映指标。

由图4可知，随着小麦粉吸水速率的增大，沉降值从69.50 mL降低到32.50 mL，谷蛋白溶胀指数从5.24%下降到3.33%，显著性下降（p<0.05），且沉降值与SIG有较强的相关性。从2.4可知面筋含量随小麦粉吸水速率增大呈下降趋势，这与前人研究一致，沉降值与面筋蛋白含量有极强的相关性。在向面粉中加入SDS乳酸溶液后，不溶性谷蛋白很快就处于溶胀和完全溶胀的阶段，而可溶性谷蛋白此时正处于溶胀和分解的阶段。当谷蛋白含量较高时，谷蛋白的溶胀量与离心后的沉淀量越大，从而SIG越大。沉降值与SIG与小麦粉的吸水速率皆呈负相关，因此可以作为衡量小麦粉吸水速率的重要指标。

图4 不同吸水速率小麦粉沉降值与谷蛋白溶胀指数Fig.4 Settlement values of wheat flour at different water absorption speed and glutenin swelling index

2.6 不同吸水速率小麦粉中氨基酸含量

由表2可知小麦粉中谷氨酸、脯氨酸、亮氨酸含量较高。随着小麦粉吸水速率的增大，天冬氨酸、苏氨酸、丝氨酸、缬氨酸、异亮氨酸含量显著性下降（p<0.05），其余氨基酸含量呈现部分下降趋势。Dangi等人[20]研究表明，麦醇溶蛋白多由非极性氨基酸组成，其中含量丰富的谷氨酸主要以谷氨酰胺的形式存在，谷氨酰胺和非极性氨基酸以氢键方式键合蛋白质。半胱氨酸含量虽少，但大部分是以氧化的形式存在，即游离巯基在面粉的加工过程中形成分子间二硫键，这对面筋结构的形成有着重要作用。同时极性氨基酸以静电的方式键合蛋白质[21]。麦谷蛋白亚基之间凭借二硫键形成大分子聚合体，并通过非共价力等连接成紧密、有序的三维结构，而体积较小的球状麦醇溶蛋白则通过氢键和疏水键结合到麦谷蛋白形成的网络主干结构中[22]。谷氨酸含量从4.54%降低到2.48%、脯氨酸含量从1.40%降低到0.83%、半胱氨酸含量从0.14%降低到0.04%，因此随着氨基酸含量的下降，蛋白质分子间的作用力随之下降，使蛋白质的结构相对较差，从而面筋蛋白的结构韧性变弱，相对较易形成面团，从而使小麦粉的吸水速率增大。

表2 不同吸水速率小麦粉中氨基酸含量变化Table 2 Changes of amino acid content in wheat flour at different water absorption speed

2.7 不同吸水速率对面团微观网络结构的影响

面筋蛋白在水合作用和能量输入的条件下，形成连续立体的立体网状结构并将淀粉颗粒包裹于其中[23]，这是面团形成的基础。由于小麦粉的吸水速率不同，在相同的揉混条件下，面团达到的状态也不尽相同。通过CLSM可以观测面团内部面筋网络的结构的差异。

如图5所示，红色部分是面筋网络结构及水溶性蛋白质，小块的椭圆或圆形黑色部分是淀粉颗粒，大块不规则空隙为面团内部的空洞[24]。从图中可以看出在吸水速率较小的小麦粉中，淀粉与蛋白的结合较为紧密，这可能是因为面筋蛋白含量较高，形成的面筋网络更为紧致，将淀粉颗粒紧紧包裹。吸水速率较大的粉中，面筋网络结构较为疏松，可能是因为淀粉含量较高，稀懈了面筋结构。因此面团内部结构紧密时水分不易渗入，导致小麦粉的吸水速率较低。而面团内部疏松多空时，水分更易渗入，故使小麦粉有较高的吸水速率。

图5 不同吸水速率面团中的微观网络结构Fig.5 Microstructure of dough with different water absorption speed

3 结论

本文以不同吸水速率小麦粉为基础，测定了粗蛋白含量、面筋蛋白含量、湿面筋含量、面筋指数、沉降值、谷蛋白溶胀指数、氨基酸含量及观测了面团的微观网络结构。实验结果表明蛋白质特性对小麦粉吸水速率有显著性影响。蛋白质含量越高，小麦粉的吸水速率越低；面筋蛋白含量越高从而形成的面筋膜质量越好，使面团的形成消耗较多的时间；湿面筋含量随吸水速率的增大而显著性减小，面筋指数对吸水速率无显著性影响；沉降值与谷蛋白溶胀指数与吸水速率呈显著性负相关；小麦粉中半胱氨酸含量下降时会影响麦谷蛋白分子间的二硫键形成，导致分子间作用力下降，使面筋结构疏松，小麦粉吸水速率升高。同时面团内部结构也会对吸水速率产生影响，面团内部结构紧密时，水分子不易渗透，从而小麦粉吸水速率较低，反之则高。因此应当根据生产的实际需要，选择适宜吸水速率的小麦粉。