不同品种小麦面筋蛋白的功能性质

张令文，李欣欣，王雪菲，胡新月，计红芳, ，毕继才

（1.河南科技学院食品学院，河南新乡 453003；2.信阳农林学院食品学院，河南信阳 464399）

小麦蛋白是小麦粉的第二大组分。根据小麦蛋白在不同溶剂溶解度不同，可将小麦籽粒中的蛋白质分为溶于水和稀盐溶液的清蛋白、不溶于水但溶于10% NaCl溶液的球蛋白、溶于70%～90%乙醇溶液的醇溶蛋白和溶于稀酸和稀碱溶液的麦谷蛋白四类[1]。其中，醇溶蛋白和麦谷蛋白被称为贮藏蛋白或面筋蛋白，是小麦蛋白重要组成成分，具有极高的营养价值[2]。

面筋蛋白具有独特的黏弹性、延伸性、吸水性、薄膜成型性和阻油能力，其含量、组成和性质能够影响面粉及其面制品，甚至肉制品的品质。面筋蛋白的添加能够改善面团的粉质参数指标[3]。随着面筋蛋白含量的增加，混粉的面团粉质质量指数升高，但面团吸水率影响较小[4]。面筋蛋白质量能够影响蒸煮面条浸泡过程中的质构稳定性，添加面筋蛋白可以提高猪肉糜凝胶的形成能力[5-6]。不同品种小麦来源的面筋蛋白在生产加工时常被混合使用，这不仅有碍优良品种的小麦被充分利用，一定程度上也造成了小麦原料的极大浪费。本文较系统研究了10种不同品种小麦面筋蛋白的水化性质和表面性质，并探讨了面筋蛋白的巯基、二硫键及二级结构，研究结果有望为面筋蛋白的选择性利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

10个品种小麦：豫保1号、郑麦103、周麦18Ⅱ、百农307、百农201、百农207、百农418、百农4199、师栾02-1、新麦26 均来自河南新乡延津小麦产区（2018年产）；牛血清蛋白 上海金穗生物科技有限公司；十二烷基硫酸钠、考马斯亮蓝 天津市光复精细化研究所；氯化钠、硫酸钾 天津市德恩化学试剂有限公司；氯化钾、氢氧化钠、磷酸氢二钾、尿素、浓硫酸、乙醇 天津市光复科技发展有限公司；硫酸铜、磷酸二氢钾 天津市科密欧化学试剂有限公司；以上试剂均为分析纯。

TGL-15B高速离心机 上海安亭科学仪器厂；WFG7200可见分光光度计 上海尤尼柯仪器有限公司；ME-104电子天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；DZKW-4电子恒温水浴锅 北京中兴伟业仪器有限公司；XHF-D高速分散器内切式匀浆机 宁波新芝生物科技股份有限公司；101-1AB电热鼓风干燥箱 天津赛得利斯实验分析仪器制造厂；XK96-B快速混匀器 姜堰市医疗器械有限公司；SHA-C水浴振荡器 江苏金坛市中大仪器厂；TM2300凯氏定氮仪 美国FOSS KJELTEC。

1.2 实验方法

1.2.1 小麦面筋蛋白的制备 将10个品种的小麦实验室制粉（出粉率65%左右）后参照张克等[7]的方法制备面筋蛋白。制备的湿面筋真空冷冻干燥后粉碎过80目筛，避光保存。

1.2.2 蛋白含量测定 参照GB/T 5009.5-2010凯氏定氮法测定小麦粉和面筋蛋白中的粗蛋白含量，蛋白质的换算系数取5.7。

1.2.3 持水性 参考Benelhadj等[8]的方法并部分修改。称取蛋白样品1 g（记作m0）置于离心管称重（记作m1）。加入15 mL蒸馏水，快速混匀后室温静置0.5 h。6000 r/min转速下离心15 min。弃去上清液后称重（记作m2）。持水性计算公式为：

1.2.4 持油性 参考Benelhadj等[8]的方法并部分修改。称取蛋白样品1 g（记作m0）置于离心管称重（记作m1）。加入15 mL大豆油，快速混匀后室温静置0.5 h。6000 r/min转速下离心15 min。弃去上清液后称重（记作m2）。持油性计算公式为：

1.2.5 起泡性及泡沫稳定性 参考He等[9]的方法并稍作修改。取20 mL（记作V）的1.5%（w/v，g/mL）面筋蛋白样品混悬液进行均质，并读取此时样品体积（V1，mL），室温放置0.5 h，再次读取体积（V2，mL）。起泡性和泡沫稳定性计算公式为：

1.2.6 乳化性 参考Jain等[10]的方法。将0.5 g样品与20 mL蒸馏水搅拌混匀，置于摇床0.5 h后4000 r/min离心15 min。取15 mL的上清液并与5 mL大豆油搅拌均匀，均质后由底部吸0.5 mL与5 mL的0.1% SDS摇匀。以0.1% SDS（w/v，g/mL）为对照，立即于500 nm测定吸光度（记作A0）。乳化性（EAI）计算公式为：

式中：N表示稀释倍数（10）；θ表示油相体积（0.25）；L表示比色皿厚度（0.1 cm）；C表示蛋白质浓度（0.025 g/mL）。

1.2.7 表面疏水性 参考贾娜等[11]的方法。用0.02 mol/L PBS（pH7.0）缓冲液将面筋蛋白配制为浓度为8 mg/mL的蛋白溶液，取1 mL蛋白溶液中加入200 μL 1 mg/mL溴酚蓝（BPB），混匀后，于4800 r/min下离心15 min，留上清液去沉淀，将上清液稀释10倍，595 nm处测定其吸光度，以PBS缓冲溶液为对照组。表面疏水性计算公式为：

1.2.8 游离巯基和二硫键 参考王洪伟等[12]的方法，采用DTNB比色法测定面筋蛋白的游离巯基和总巯基含量，通过计算得出二硫键含量。计算公式分别为：

式中：73.53=106/（1.36×104），1.36×104为Ellan试剂的摩尔消光系数，L/（mol·cm）；A412nm为波长412 nm处所测得的吸光度；ρ为蛋白质样品的质量浓度，mg/mL；D为稀释因子，对游离巯基测定中的D值取6.04。

式中：D为稀释因子，取值为15；ρ为蛋白质样品的质量浓度，mg/mL；A412nm为412 nm波长处所测得的吸光度。

二硫键含量计算公式为：

1.2.9 傅里叶红外光谱的测定 参考Liu等[13]的方法，将面筋蛋白与KBr在红外灯下以1:100（w/w）混合，在400～4000 cm-1范围内以4 cm-1分辨率进行扫描。利用蛋白质的酰胺I区（1600～1700 cm-1）定量分析β-折叠、α-螺旋、无规则卷曲和β-转角的含量。使用Omnic和Peakfit v4.12软件进行计算。

1.3 数据处理

本试验中的数据均为3次平行试验的平均值。采用Microsoft Excel 2010计算整理数据，Origin10.0进行作图，SPSS13.0软件（SPSS公司）进行统计分析，差异显著性分析采用LSD检验法。

2 结果与分析

2.1 不同品种小麦粉和面筋蛋白的总蛋白含量

10个品种小麦粉和面筋蛋白的总蛋白含量如图1所示。不同品种小麦粉总蛋白含量有差异，其值介于8.20%～13.95%之间，与张艳[14]报道的61个不同品种小麦粉总蛋白含量接近（面粉蛋白质含量变幅为10.70%～16.19%）。10种小麦粉中，豫保1号和郑麦103两个品种小麦粉属于低筋粉、师栾02-1和新麦26两个品种小麦粉属于高筋粉、其余六个品种小麦粉属于中筋粉；其中，郑麦103小麦粉的总蛋白含量最低，师栾02-1小麦粉的总蛋白含量最高（图1）。

图 1 不同品种小麦粉和面筋蛋白的总蛋白含量Fig.1 Crude protein content of flour and gluten from different wheat cultivars

不同品种小麦面筋蛋白的总蛋白含量较高，尽管郑麦103小麦面筋蛋白的总蛋白含量最低（其值为77.92%），但仍高于文献[15-16]使用的面筋蛋白总蛋白含量。李翠翠等[15]研究亚硫酸钠对小麦面筋蛋白的影响时使用的面筋蛋白的粗蛋白含量为77.68%。臧艳妮等[16]以粗蛋白含量为76.25%的小麦面筋蛋白为试验材料，考察了超声波和糖基化复合改性对面筋蛋白性质的影响。因此，本实验室制备的面筋蛋白可用于后续的功能特性测定。

2.2 不同品种小麦面筋蛋白的持水性和持油性

蛋白在吸水充足、离心后结合保留水的能力，被称为蛋白持水性。持水性是面筋蛋白用于焙烤食品的一个重要的参数，可影响面筋网络的形成。持油性是指蛋白质的非极性侧链结合游离脂肪酸的能力，可影响食品的营养和风味[17]。蛋白质的制备方法、蛋白的二级结构均能影响蛋白的持油性[18]。

面筋蛋白的持水性和持油性在不同品种小麦间存在差异（图2）。高筋小麦面筋蛋白持水性显著高于低筋和中筋小麦面筋蛋白，低筋小麦中的郑麦103面筋蛋白样品持水性最低（P＜0.05），仅为175.95%；高筋小麦中的新麦26面筋蛋白持水性最高（P＜0.05），为356.58%。本文所考察的面筋蛋白持水性的数值与文献报道相近。Schopf等[19]报道了39种商品用面筋蛋白的持水性范围为117.4%～190.3%，Kaushik等[20]研究发现4种不同面筋蛋白的持水性范围为249.94%～354.22%。

图 2 不同品种小麦面筋蛋白的持水性和持油性Fig.2 Water and oil holding capacity of gluten from different wheat cultivars

高筋小麦面筋蛋白的持油性明显高于低筋和高筋小麦面筋蛋白，中筋小麦面筋蛋白的持油性相对较高。持油性最差的是郑麦103面筋蛋白样品，为275.90%；师栾02-1面筋蛋白样品的持油性最强，其值为392.05%（图2）。本文所考察面筋蛋白持油性高于Schopf等[19]的研究结果（持油性数值为98.5%～129.1%），而与Kaushik等[20]报道的结果类似，其值在246.19%～356.00%之间。这可能与面筋蛋白的来源、持油性的测定方法不同有关[19]。

2.3 不同品种小麦面筋蛋白的起泡性和泡沫稳定性

面筋蛋白分子既含有亲水基团，也含有疏水基团，从而使得面筋蛋白具有表面活性。在剧烈搅拌时，面筋蛋白能够形成泡沫。不同品种小麦面筋蛋白的起泡性不同，随着筋力的增加，起泡性呈下降趋势；豫保1号面筋蛋白的起泡性（该值为183.33%）显著高于其它面筋蛋白（P＜0.05）；师栾02-1面筋蛋白样品的起泡性最差，仅为101.67%（图3）。高筋小麦面筋蛋白具有较高的泡沫稳定性，其中师栾02-1面筋蛋白样品的泡沫稳定性最好，其值高达97.54%；而低筋小麦面筋蛋白的泡沫稳定性较弱，郑麦103面筋蛋白样品的泡沫稳定性最差，其值仅为64.70%（图3）。

图 3 不同品种小麦面筋蛋白的起泡性及泡沫稳定性Fig.3 Foaming ability and foaming stability of gluten from different wheat cultivars

2.4 不同品种小麦面筋蛋白的乳化活性

蛋白质的乳化性是指蛋白质能使油与水形成稳定的乳化液的能力。乳化性可受分子结构、溶解性、表面张力等影响[21]。试验范围内的10个品种小麦面筋蛋白的乳化活性普遍较低，且都低于1 m2/g。高筋小麦面筋蛋白的乳化活性较强，其中师栾02-1面筋蛋白样品乳化活性最大，其值为0.68 m2/g；部分中筋小麦面筋蛋白的乳化性较低，其中周麦18Ⅱ面筋蛋白样品的乳化活性最低，仅为0.12 m2/g。此外，低筋小麦中的豫保1号面筋蛋白样品乳化活性较高，其值高达0.47 m2/g（图4）。小麦蛋白的乳化活性与面制品的柔软度有关，乳化活性越大，其三维网络结构越稳定，对其制品的口感能够产生一定影响[22]。因此，在实际生产中，应根据加工制品需要选择适宜的面筋蛋白。

2.5 不同品种小麦面筋蛋白的表面疏水性

表面疏水性是对蛋白质表面疏水基团数量、三级结构的一种反映，也是衡量分子间相互作用强弱的重要参数[23]。表面疏水性对极性条件下的蛋白质的稳定性、构象中起着重要作用，能从侧面反映蛋白质构象变化[24,25]。低筋小麦面筋蛋白的表面疏水性显著高于中筋和高筋小麦面筋蛋白（P＜0.05），中筋小麦的表面疏水性最低。中筋小麦面筋蛋白表面疏水性普遍偏低，百农307、百农207和百农4199小麦面筋蛋白样品的表面疏水性差异不显著（P＞0.05）。低筋小麦中的郑麦103面筋蛋白样品表面疏水性最高（P＜0.05），其值为44.81 μg；中筋小麦中的百农418面筋蛋白样品表面疏水性最低（P＜0.05），其值仅为15.28 μg（图5）。这与杨月月[1]研究结果类似，不同面筋含量小麦面筋蛋白的表面疏水性随小麦筋力的增大呈先下降后上升趋势，中筋小麦粉面筋蛋白的表面疏水性最低。

图 4 不同品种小麦面筋蛋白的乳化性Fig.4 Emulsifying capacity of gluten from different wheat cultivars

图 5 不同品种小麦面筋蛋白的表面疏水性Fig.5 Surface hydrophobicity of gluten from different wheat cultivars

2.6 不同品种小麦面筋蛋白的游离巯基和二硫键

巯基在维持蛋白质二级结构方面作用重大[18]，其数目和分散情况能够影响面筋蛋白的存在状态，与面团的品质有密切关系[1]。二硫键的含量与面制品品质呈显著正相关[26]。不同品种小麦面筋蛋白的游离巯基和二硫键含量见图6。低筋小麦的面筋蛋白游离巯基含量远高于中筋和高筋小麦。低筋小麦中的豫保1号面筋蛋白样品游离巯基含量最高，其值为4.61 μmol/g；高筋小麦中的师栾02-1面筋蛋白样品游离巯基含量最低，仅为2.90 μmol/g（图6）。王娜[27]研究发现，高筋粉蛋白质中的游离巯基含量显著（P＜0.05）低于低筋和高筋粉，低筋粉蛋白质中的游离巯基最高，与本文研究结果类似。不同品种小麦面筋蛋白的二硫键含量不同，高筋小麦面筋蛋白的二硫键含量显著（P＜0.05）高于中筋和低筋小麦，其中师栾02-1面筋蛋白样品二硫键含量高达43.78 μmol/g，而豫保1号面筋蛋白样品的二硫键含量仅为27.56 μmol/g（图7）。王娜[27]研究表明，高筋面粉蛋白中的二硫键含量显著（P＜0.05）高于低筋和中筋面粉，低筋面粉蛋白中二硫键含量最低，与本文研究结果类似。含较高游离巯基的面筋蛋白具有较高的表面疏水性（图5），这可能与游离巯基含量较高时，蛋白分子的解折叠程度大，更多的疏水性残基暴露于蛋白分子表面，进而引起表面疏水性增大有关[28]。

图 6 不同品种小麦面筋蛋白的游离巯基含量Fig.6 Free sulfhydryl group content of gluten from different wheat cultivars

2.7 不同品种小麦面筋蛋白的二级结构

蛋白质的二级结构直接影响维持蛋白质高级结构的氢键、二硫键、疏水键等作用力，进而影响面筋蛋白的硬度、弹性、黏性等功能性质。蛋白质二级结构可利用红外光谱进行分析，各种二级结构的相对含量分析结果见表1。参试样品中面筋蛋白的二级结构β-折叠比例均最高，可以看出不同品种小麦面筋蛋白的二级结构以β-折叠为主，这与黄莲艳等[29]的研究结果一致。高筋小麦面筋蛋白的α-螺旋结构比例最高，其次是中筋小麦，低筋小麦的最低；新麦26面筋蛋白样品的α-螺旋比例高达25.07%（P＜0.05），而豫保1号面筋蛋白样品的α-螺旋比例仅为19.78%（P＜0.05）。高筋小麦面筋蛋白具有较低的β-折叠和无规则卷曲结构比例，而低筋小麦面筋蛋白具有高的β-折叠和无规则卷曲结构比例（P＜0.05）。此外，高筋与部分中筋小麦面筋蛋白β-转角结构比例差别不大。杨月月[1]、王娜[27]研究显示的不同筋力小麦粉面筋蛋白二级结构各比例的变化趋势与本文研究结果类似。含较低比例α-螺旋结构和较高比例无规卷曲结构的面筋蛋白具有较高的表面疏水性（图5）。当蛋白分子中α-螺旋含量低和无规卷曲含量高时，蛋白分子的无序性增加，分子结构相对松散，分子结构展开，埋藏在分子内部的疏水性残基更多的暴露在分子表面，使得表面疏水性较高[28]。

表1 不同品种面筋蛋白的二级结构Table 1 Secondary structure in gluten from different wheat cultivars

图 7 不同品种小麦面筋蛋白的二硫键含量Fig.7 Disulfide bond content of gluten from different wheat cultivars

3 结论

不同品种小麦面筋蛋白各功能特性间存在差异。面筋蛋白的持水性、持油性分布范围分别为175.95%～356.58%、275.90%～392.05%。面筋蛋白的起泡性随小麦筋力的上升而下降，而表面疏水性随筋力的上升先下降后上升。面筋蛋白的游离巯基、二硫键含量及二级结构在不同品种间亦存在区别。低筋小麦面筋蛋白含有较高的游离巯基，而其二硫键含量和α-螺旋结构的比例均较低；高筋小麦面筋蛋白含有较低的游离巯基和较高比例的α-螺旋结构。此外，研究显示，具有较低α-螺旋结构比例和较高的游离巯基含量的低筋小麦面筋蛋白拥有较强的表面疏水性。不同性质的面筋蛋白可满足不同的食品加工需求。人们可根据具体领域的应用需要，选择不同品种的面筋蛋白。