郭武漢 關(guān)二旗 卞 科

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001)

超微粉碎處理對小麥面筋蛋白性質(zhì)的影響

郭武漢 關(guān)二旗 卞 科

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，鄭州 450001)

研究超微粉碎處理對小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的影響，為拓寬小麥面筋蛋白的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論依據(jù)。以小麥面筋蛋白為原料，經(jīng)超微粉碎處理，得到6種不同粒度的面筋蛋白樣品，借助傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)、紫外可見分光光度計(jì)等設(shè)備，以及常規(guī)化學(xué)分析方法，研究超微粉碎處理對面筋蛋白巰基含量、二級結(jié)構(gòu)、溶解性、起泡性、乳化性等的影響。結(jié)果表明，經(jīng)超微粉碎處理后，面筋蛋白粉體的粒度(D50)由109.35 μm減小到3.60 μm。隨著面筋蛋白粉體粒度的減小，總巰基含量顯著下降，暴露巰基含量則呈先增后減的變化規(guī)律。FTIR分析表明，超微粉碎后面筋蛋白的β-折疊、無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)顯著增加，分子柔性顯著提高。蛋白功能特性分析結(jié)果顯示，隨著粉體粒度的減小，面筋蛋白的溶解度發(fā)生顯著變化；起泡性和乳化性均得到顯著改善。其中，面筋蛋白的起泡能力提高了50%，泡沫穩(wěn)定性提高了20%，乳化活性提高了6%，乳化穩(wěn)定性提高了1.1%。因此，超微粉碎處理對面筋蛋白的結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)有顯著影響。采用超微粉碎技術(shù)對面筋蛋白進(jìn)行處理，粒度(D50)達(dá)到5 μm左右時，其巰基含量發(fā)生顯著變化，蛋白柔性顯著提高，溶解度發(fā)生明顯變化，乳化性、起泡性得到顯著改善。

小麥面筋蛋白 超微粉碎 巰基 二級結(jié)構(gòu) 功能特性

小麥面筋蛋白主要是蛋白單體或通過二硫鍵形成的高分子化合物，是小麥的主要貯藏蛋白[1-2]，主要由醇溶蛋白和谷蛋白構(gòu)成，營養(yǎng)價值較高，但較低的溶解度、乳化性等功能特性限制了小麥面筋蛋白在食品和非食品工業(yè)中的應(yīng)用[3]。超微粉碎技術(shù)是利用機(jī)械或流體動力的方式克服固體內(nèi)部凝聚力使物料破碎的粉碎技術(shù)，可使物料的粒度達(dá)到10～25 μm，甚至達(dá)到1 μm的超細(xì)粉體水平[4]。有研究表明蛋白粉體粒度的變化對其半胱氨酸含量、溶解度及消化吸收能力均有顯著影響[5]。因此，研究超微粉碎對蛋白結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)影響的客觀規(guī)律，對于改善蛋白質(zhì)特性、拓寬蛋白質(zhì)資源的利用范圍具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值和科學(xué)指導(dǎo)意義。目前，許多學(xué)者致力于研究超微粉碎處理對蛋白質(zhì)理化性質(zhì)和功能特性的影響。Zhao等[6]研究發(fā)現(xiàn)，姜粉經(jīng)過超微粉碎后，其蛋白的溶解度明顯提高。Sun等[7]利用高能納米球磨機(jī)粉碎乳清蛋白，發(fā)現(xiàn)微細(xì)化乳清蛋白粉的乳化性得到顯著改善。Hayakawa等[8]認(rèn)為超微粉碎對大豆分離蛋白疏水性并無顯著影響，但當(dāng)酪蛋白粒度減小到10 μm以下時，其表面疏水性顯著增加。關(guān)二旗[9]研究認(rèn)為，超微粉碎對小麥粉面筋指數(shù)和沉淀值均有顯著改善作用。張慧等[10]研究表明，超微粉碎后小麥面筋蛋白的白度值、起泡性、乳化性、持水性和持油性均隨粒度的減小而提高。但是，目前關(guān)于超微粉碎對小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)及其功能性質(zhì)的影響鮮見報道。本研究以小麥面筋蛋白為原料，采用超微粉碎手段對其進(jìn)行處理，借助激光粒度儀、紅外光譜、紫外可見分光光度計(jì)等檢測設(shè)備，以及常規(guī)化學(xué)分析方法，研究超微粉碎前后小麥面筋蛋白粉體粒度、巰基含量、二級結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)的變化規(guī)律，初步探討超微粉碎處理導(dǎo)致小麥面筋蛋白功能性質(zhì)變化的機(jī)理，以期為小麥蛋白資源的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥面筋蛋白(粗蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)84%)：河南蓮花味精股份有限公司；福林酚試劑：Sigma公司；2-硝基苯甲酸：Aladdin；三羥甲基氨基甲烷(Tris)、尿素、酒石酸鉀鈉：洛陽市化學(xué)試劑廠；乙二胺四乙酸：洛陽昊華化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

Mastersizer 2000激光粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；UV-2000紫外可見分光光度計(jì)：尤尼柯(上海)儀器有限公司；5810R臺式高速大容量離心機(jī)(冷凍型)：德國Eppendorf儀器有限公司；WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀：天津天光有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 超微粉體制備

設(shè)定氣流壓力為(0.80±0.5)MPa，氣流溫度為-10～10 ℃，調(diào)整氣流粉碎機(jī)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速3 000～15 000 r/min及粉碎次數(shù)，制備不同粒度的小麥面筋蛋白超微粉體樣品。

1.3.2 粒度測定

采用激光粒度分析儀檢測小麥面筋蛋白超微粉體的粒徑及粒度分布情況。D50表示在粒徑累積分布曲線上，50%的樣品顆粒直徑小于或等于此值。

1.3.3 巰基含量測定

參照Hu等[11]的方法，略改動：15 mg 樣品溶于5.0 mL溶解液[Tris-Gly(甘氨酸)-Urea(8 mol/L) 溶解液用于測定總巰基含量，Tris-Gly溶解液用于測定暴露巰基含量]中。然后加入0.05 mL DTNB溶液(4 mg/mL，Tris-Gly溶解液配制)。懸浮液置于25 ℃條件下1 h，偶爾振蕩。然后12 000 r/min離心10 min。測定上清液在412 nm處的吸光度，試劑溶解液作為空白。以13 600(mol·L-1·cm)-1消光系數(shù)計(jì)算巰基含量。

1.3.4 小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)分析

參照Dominique等[12]的方法：將樣品預(yù)先置于盛有硅膠粒的干燥器中，放置至樣品濕基含水量為0%(105 ℃恒重法測定)。然后稱取2 mg樣品與200 mg KBr研磨均勻，壓片，測定FTIR。掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數(shù)32。譜圖分析采用Peakfit 4.12軟件分析，在酰胺I帶1 600～1 700 cm-1范圍內(nèi)兩點(diǎn)基線校正，去卷積，二階導(dǎo)數(shù)，Gaussian 曲線擬合，參照Kim等[13]的方法計(jì)算α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲所占比例。

1.3.5 溶解度測定

超微粉碎小麥面筋蛋白粉體溶解度的測定參照Yalcin等[14]的方法，稍作改動：稱取0.3 g樣品溶于30 mL蒸餾水中，攪拌10 min，然后采用0.5 mol/L HCl或0.5 mol/L NaOH調(diào)節(jié)溶液pH為pH 2.0、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0，室溫下攪拌1 h后，20 ℃、10 000 r/min條件下離心20 min；取適量上清液適當(dāng)稀釋，使吸光度值為0.2～0.8，參照Lowry法測定上清液蛋白質(zhì)含量，以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。溶解度表示為上清液中蛋白含量占總蛋白含量的百分比。

1.3.6 起泡性測定

參照Yu等[15]的方法：取2%樣品溶液(0.01 mol/L pH 7.0磷酸緩沖液配制)20 mL，10 000 r/min條件下均質(zhì)2 min，迅速轉(zhuǎn)移到100 mL量筒中測定起泡性。其中，起泡能力為均質(zhì)后蛋白質(zhì)懸浮液增加的體積百分比，泡沫穩(wěn)定性為靜置30 min后泡沫保留的百分比。

1.3.7 乳化性測定

參照Qiu等[16]的方法，稍作改動：0.1%樣品溶液21 mL(0.5 mol/L HCl 調(diào)節(jié)溶液pH為4.0)，先均質(zhì)20 s，然后加7 mL花生油，室溫下10 000 r/min均質(zhì)1 min，分別在均質(zhì)后0、10 min后從溶液底部吸取0.05 mL溶液，加5 mL 0.1%的SDS溶液，500 nm處測吸光度，以SDS溶液為空白。乳化活性指數(shù)EAI/m2/g=2×(2.303A0)×N×10-4/φLC

式中：N為稀釋倍數(shù)；φ為體系中油相所占的分?jǐn)?shù)(本研究中的油相占25%)；C為蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度/g/mL；L為比色池光徑(1 cm)。

乳化穩(wěn)定性ES=A0×ΔT/(A0-A10)

式中：A0為0 min的吸光值；A10為10 min時的吸光值；ΔT為時間差/min。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)水平為P<0.05；采用Origin8.0 軟件處理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超微粉碎小麥面筋蛋白粒度分析

采用氣流粉碎機(jī)對小麥面筋蛋白進(jìn)行干法粉碎，通過調(diào)整變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速和控制粉碎次數(shù)，依次得到6種小麥面筋蛋白超微粉碎樣品，其粒度測定結(jié)果列于表1。在變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min的條件下進(jìn)行一次粉碎，小麥面筋蛋白粉體顆粒粒徑D50為17.91 μm，達(dá)到超微粉體的粒徑范圍要求(10～25 μm)，且比表面積增加了3.4倍。隨著變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和粉碎次數(shù)的增加，小麥面筋蛋白的粒徑不斷減小，比表面積不斷增大。當(dāng)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到15 000 r/min時，對小麥面筋蛋白進(jìn)行6次粉碎，其粒徑D50減小至3.60 μm，比表面積為3.17 m2/g，比表面積較對照樣品A增加了19.8倍。

表1 超微粉碎小麥面筋蛋白粒度分布

2.2 超微粉碎處理對小麥面筋蛋白巰基含量的影響

從圖1可知，經(jīng)過超微粉碎處理，隨著粉體粒度的減小，小麥面筋蛋白中總巰基含量逐漸降低。當(dāng)粉體粒度D50減小到3.60 μm時，總巰基含量降低至3.66 μmol/g。與對照樣品A相比，超微粉碎后小麥面筋蛋白的暴露巰基含量均有所增加，但不同粒度的小麥面筋蛋白超微粉體的暴露巰基含量則呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律。當(dāng)粉體粒度D50減小到11.94 μm時，暴露巰基含量達(dá)到最大值，為1.77 μmol/g。上述分析結(jié)果表明，小麥面筋蛋白經(jīng)過超微粉碎處理后，隨著粉體粒度的減小，埋藏(或包裹)于分子內(nèi)部的巰基將會暴露出來，但在有氧環(huán)境條件下，蛋白質(zhì)中暴露的巰基會被氧化形成蛋白交聯(lián)[17]。因此，經(jīng)過超微粉碎處理，小麥面筋蛋白中部分埋藏(或包裹)的巰基暴露出來，但在與空氣中氧的接觸過程中，暴露的巰基又被氧化形成二硫鍵，導(dǎo)致不同粒度的小麥面筋蛋白超微粉體隨著粒度的減小，其暴露巰基數(shù)量呈先增后減的變化規(guī)律[18]。

注：小寫字母表示差異顯著P<0.05，余同。圖1 超微粉碎小麥面筋蛋白巰基含量變化

2.3 超微粉碎處理對小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響

超微粉碎小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)的變化分析結(jié)果列于表2。分析結(jié)果顯示，經(jīng)過超微粉碎處理后，小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的變化。與對照樣品A相比，超微粉碎后小麥面筋蛋白的β-折疊、無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)顯著增加，α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)顯著減小(P<0.05)。經(jīng)過超微粉碎后處理后，小麥面筋蛋白的α-螺旋與β-折疊的比值減小，表明小麥面筋蛋白分子的柔性增加[19]。有研究表明，超微粉碎處理過程中，粉體顆粒受到碰撞、剪切、摩擦等機(jī)械力的作用后可能誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)，導(dǎo)致顆粒結(jié)構(gòu)及其表面物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化[20]。因此，小麥面筋蛋白粉體經(jīng)過超微粉碎處理后，其二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。

2.4 超微粉碎處理對小麥面筋蛋白溶解度的影響

從圖2可以看出，超微粉碎處理對小麥面筋蛋白的溶解度影響顯著(P<0.05)。研究結(jié)果顯示，當(dāng)溶液pH值<5時，隨著小麥面筋蛋白粉體粒度的減小，其溶解度整體呈現(xiàn)明顯增加的趨勢，但變化無明顯的規(guī)律性，這可能與蛋白所帶電荷產(chǎn)生的靜電推斥作用和粉體受粒度變化而產(chǎn)生的顆粒間相互團(tuán)聚作用的競爭有關(guān)[21]；當(dāng)溶液pH值≥5時，隨著小麥面筋蛋白粉體粒度的減小，比表面積增加，其溶解度顯著增加，但隨著粉體粒度進(jìn)一步減小，面筋蛋白粉體顆粒之間因發(fā)生-SH/-SS-交換而聚合，形成不溶的高分子聚合物，導(dǎo)致其溶解度顯著下降[22]。

表2 超微粉碎處理前后小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)變化

注：小寫字母表示5%水平上的差異顯著性。

圖2 超微粉碎小麥面筋蛋白溶解度變化

2.5 超微粉碎處理對小麥面筋蛋白起泡性的影響

小麥面筋蛋白經(jīng)超微粉碎處理后，起泡性發(fā)生了明顯的變化。從圖3分析結(jié)果可以看出，超微粉碎后小麥面筋蛋白的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性均得到顯著改善，起泡能力由對照樣品A的136%增加到196%(E)；對照樣品A的泡沫穩(wěn)定性為34%，經(jīng)超微粉碎后最大可達(dá)54%(E)。但是，隨著小麥面筋蛋白粉體粒度的進(jìn)一步減小，E、F和G之間的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性均無顯著變化(P<0.05)。

圖3 超微粉碎小麥面筋蛋白起泡性變化

2.6 超微粉碎處理對小麥面筋蛋白乳化性的影響

蛋白質(zhì)的乳化性受自身溶解度、表面疏水性、二硫鍵和游離巰基及表面電荷分布等因素的影響[23]。Yalcin等[14]的研究表明，在中性pH條件下，小麥面筋蛋白的乳化活性和乳化穩(wěn)定性均較低。因此，本研究在pH 4.0條件下，分析超微粉碎對小麥面筋蛋白乳化特性的影響規(guī)律。圖4列出了在pH 4.0下超微粉碎小麥面筋蛋白的乳化活性和乳化穩(wěn)定性變化情況。隨著粉體粒度的減小，A、B、C三者之間的乳化活性和乳化穩(wěn)定性并無顯著變化；但隨著粉體粒度的進(jìn)一步減小，小麥面筋蛋白的乳化活性和乳化穩(wěn)定性均顯著提高(P<0.05)。G的乳化活性最高，與對照樣品A相比，增加了6%；乳化穩(wěn)定性則由對照樣品A的12.7%增加到樣品F的13.8%。

圖4 超微粉碎小麥面筋蛋白乳化性變化

3 討論

在超微粉碎過程中，粉碎腔內(nèi)強(qiáng)大的氣流使小麥面筋蛋白顆粒、腔壁之間發(fā)生劇烈碰撞、摩擦，導(dǎo)致小麥面筋蛋白二級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的變化直接影響到維持蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的氫鍵、二硫鍵、疏水鍵等作用力[2]。FTIR分析結(jié)果顯示，超微粉碎后，小麥面筋蛋白的α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)減小，相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為β-折疊或無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，分子柔性增加。因此，小麥面筋蛋白分子之間形成二硫鍵的可能性增加[24]，這與超微粉碎后小麥面筋蛋白巰基含量隨粒度變化的分析結(jié)果吻合，即超微粉碎后小麥面筋蛋白的總游離巰基含量隨粒度的減小顯著地遞減。超微粉碎處理暴露了埋藏(或包裹)在蛋白分子內(nèi)部的巰基，使大量巰基暴露于有氧環(huán)境中，從而使大量氧氣與小麥面筋蛋白暴露的巰基在氣流粉碎腔內(nèi)充分接觸。當(dāng)2個半胱氨酸殘基接近并適當(dāng)定向時，分子氧可將巰基氧化形成二硫鍵，導(dǎo)致小麥面筋蛋白總巰基含量的降低，二硫鍵的形成有助于穩(wěn)定蛋白質(zhì)的折疊結(jié)構(gòu)[25]。

游離巰基基團(tuán)和二硫鍵是植物蛋白中重要的功能基團(tuán)，其含量變化可反映蛋白的變性程度，對蛋白的功能性質(zhì)有重要影響[26]。超微粉碎后，小麥面筋蛋白的溶解度得到一定改善，這是由于超微粉碎可以顯著增加其表面積，暴露出更多的極性基團(tuán)，增加其與水的結(jié)合點(diǎn)[27]。但是，隨著粒度的進(jìn)一步減小，小麥面筋蛋白通過-SH/-SS-相互轉(zhuǎn)化發(fā)生聚合，形成不溶的面筋蛋白大聚體，從而導(dǎo)致溶解度下降。蛋白質(zhì)的溶解度對其乳化性、起泡性等功能特性具有重要影響。小麥面筋蛋白經(jīng)過超微粉碎處理，隨其粒度的減小，有助于改善氣-水/油-水界面的相互作用，提高其溶解性，進(jìn)而改善小麥面筋蛋白的起泡性和乳化性[28]。

4 結(jié)論

超微粉碎處理可以顯著提高小麥面筋蛋白分子的柔性，暴露出更多的埋藏(或包裹)于小麥面筋蛋白內(nèi)的巰基，在有氧環(huán)境中促使暴露的巰基部分氧化成分子內(nèi)或分子間二硫鍵，進(jìn)而影響到小麥面筋蛋白的溶解度、起泡性和乳化性等功能特性的變化。當(dāng)小麥面筋蛋白粉體粒度(D50)達(dá)到5 μm左右時，可顯著改善其乳化性、起泡性。因此，工業(yè)生產(chǎn)中可以通過采用超微粉碎處理的方法來改善小麥面筋蛋白的溶解度、乳化性和起泡性等功能特性，提高其工業(yè)應(yīng)用價值。

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Effects of Superfine Grinding Treatment on the Properties of Wheat Gluten

Guo Wuhan Guan Erqi Bian Ke

(College of Food Science and Technology, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001)

The objective of this study is to investigate the effects of superfine grinding treatment on the structure and functional properties of gluten protein, to provide a theoretical basis for exploiting the application field of wheat gluten. Wheat gluten as raw material was comminuted into 6 different meshes by a airflow pulverization instrument, and the effects of superfine grinding treatment on gluten protein sulfhydryl content, secondary structure, solubility, foaming, emulsifying were researched using fourier transform infrared spectroscopy, uv-visible spectrophotometer, as well as conventional chemical analysis method. Results showed that, after superfine grinding treatment, wheat gluten powder particle size (D50) was decreased from 109.35 μm to 3.60 μm. With decreasing particle size of wheat gluten powder, total sulfhydryl content decreased significantly, and exposed sulfhydryl content increased firstly and then decreased. FTIR analysis showed that after superfine grinding treatment, β-sheet structure, random coil increased significantly, and flexibility of gluten improved. Protein functional properties analysis showed that the powder particle size decreases, the solubility of gluten significant changed, foaming and emulsifying properties were significantly improved, after superfine grinding treatment. Among them, the foaming ability, foam stability, emulsifying activity and emulsion stability increased by 50%, 20%, 6%, 1.1%, respectively. Therefore, superfine grinding treatment has a significant influence on the structure and function of wheat gluten. When the wheat gluten size was decreased to about 5 μm, its sulfhydryl content, solubility changed significantly, and protein flexibility, emulsifying and foaming properties improved significantly.

wheat gluten, superfine grinding, sulfydryl, secondary structural, functional properties

河南工業(yè)大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2014YWQQ01)，國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(小麥)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-03)，糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201313005)

2015-10-20

郭武漢，男，1988年出生，碩士，谷物加工技術(shù)與理論

卞科，男，1960年出生，教授，谷物化學(xué)及農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工工程

TS210.1

A

1003-0174(2017)05-0013-06