劉海榮，沈益榮，舒滿夫

(中國(guó)儲(chǔ)備糧管理集團(tuán)有限公司浙江分公司，浙江 杭州 310013)

小麥面筋蛋白(俗稱谷朊粉)是小麥淀粉生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物，因其自然資源豐富、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、食用安全、物美價(jià)廉，在食品和飼料加工行業(yè)中作為一種優(yōu)質(zhì)蛋白原料而得到廣泛應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代開始，小麥面筋蛋白已經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛生產(chǎn)。到21世紀(jì)，我國(guó)小麥面筋蛋白年產(chǎn)量高達(dá)30萬(wàn)t，占全球小麥面筋蛋白年產(chǎn)量的17%[1]，而實(shí)際需求量只有10萬(wàn)t左右。

總體上，全國(guó)的小麥面筋蛋白市場(chǎng)仍處于“供大于求”的過(guò)飽和狀態(tài)[2]。隨著全球小麥面筋蛋白產(chǎn)量和使用量之間不對(duì)等關(guān)系的增大，也必將造成大量小麥面筋蛋白庫(kù)存無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)換應(yīng)用于實(shí)際食品工業(yè)中，加之小麥面筋特殊的氨基酸組成和結(jié)構(gòu)，使得該蛋白的水溶性相對(duì)較差，限制了其在食品工業(yè)和其他領(lǐng)域中的開發(fā)和廣泛應(yīng)用。如何使小麥面筋蛋白能夠在各類食品及非食品領(lǐng)域中得到廣泛地應(yīng)用，從而拓寬其應(yīng)用空間，發(fā)揮出小麥面筋蛋白本身所應(yīng)有的功效，關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)小麥面筋蛋白進(jìn)行改性。

1 小麥面筋蛋白的結(jié)構(gòu)組成

小麥面筋蛋白是自然界中一類結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的純天然植物蛋白，小麥籽粒約含有13%的小麥面筋蛋白質(zhì)。1907年，根據(jù)小麥面筋蛋白溶解性的不同，Osborne[3]把小麥面筋蛋白分為清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白和麥谷蛋白4種蛋白，后2種蛋白是構(gòu)成小麥面筋蛋白的主要成分。麥谷蛋白是天然存在的非均質(zhì)的大分子聚合體蛋白質(zhì)，其可分為2種麥谷蛋白亞基，分別是高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)和低分子量麥谷蛋白亞基(LMW-GS)，這2種亞基是由多肽鍵通過(guò)分子間二硫鍵連接而成[4]。麥醇溶蛋白是一種分子量較小的蛋白質(zhì)，其可以與麥谷蛋白通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合，嵌入到麥谷蛋白的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，從而會(huì)導(dǎo)致小麥面筋蛋白加工性能(溶解性、分散性等)極差，加之受基因、生長(zhǎng)環(huán)境和加工工藝等因素影響，小麥面筋氨基酸序列具有多樣性和整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的特點(diǎn)，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域(圖1)[5]。

圖1 面筋的形成過(guò)程示意圖

因此對(duì)于這類非傳統(tǒng)的蛋白資源則可以采用物理、化學(xué)、酶解等多種技術(shù)方法來(lái)改善其功能和各類特性，提高其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

2 小麥面筋蛋白的改性方法

關(guān)于小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)和功能的研究已有大量報(bào)道。專家和學(xué)者通過(guò)深入了解其氨基酸序列、單個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu)以及蛋白亞基間相互作用方式，有選擇的采取改性方法，促進(jìn)面筋蛋白的優(yōu)化利用。天然小麥面筋蛋白分子中含有大量的谷氨酰胺、脯氨酸和非極性氨基酸，較少的帶電氨基酸，某些氨基酸側(cè)鏈易形成氫鍵或疏水殘基之間易產(chǎn)生疏水相互作用，使得小麥面筋蛋白在水中易水化聚集成面筋球團(tuán)，水溶性差。所以，天然小麥面筋蛋白很難同時(shí)具有多種加工功能特性，但在實(shí)際生產(chǎn)中往往需要具有最佳靶向功能或同時(shí)具備幾種功能特性平衡點(diǎn)的產(chǎn)品[6]。因此，有必要對(duì)小麥面筋蛋白采取適當(dāng)?shù)母男苑椒?，以改善和拓寬其功能特性，從而獲得滿足不同領(lǐng)域行業(yè)需要的特定小麥面筋蛋白產(chǎn)品。

2.1 物理改性

物理改性是通過(guò)采用適度的物理手段，例如超高壓、加熱、共混、微射流、輻照、超聲波、冷凍等方式對(duì)蛋白質(zhì)分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)包括其構(gòu)象、聚集形態(tài)、多肽鏈的松散程度和相應(yīng)的理化性質(zhì)等進(jìn)行改變，從而達(dá)到對(duì)蛋白質(zhì)功能特性和營(yíng)養(yǎng)特性改善的目的。這種改性方法屬于蛋白質(zhì)的定向改性，一般不涉及蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)[7]，具有費(fèi)用低、處理時(shí)間短、無(wú)毒副作用以及營(yíng)養(yǎng)損耗小等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.1高壓微射流處理技術(shù)

高壓微射流處理技術(shù)(DHPM)是一種集強(qiáng)烈剪切、高速撞擊、壓力瞬時(shí)釋放、高頻振蕩、膨爆和氣穴等一系列綜合作用力于一體的新興技術(shù)，它被認(rèn)為是食品加工業(yè)中最具有潛力和發(fā)展前景的物理改性方法。閻乃珺[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高壓微射流改性后，小麥面筋蛋白粒徑均變小，大分子量亞基被破壞生成更多的小分子量亞基，產(chǎn)生更多的小分子聚集體，溶解度上升。隨著蛋白質(zhì)的解締和伸展，一些原本包埋在蛋白分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露，疏水性增加，但蛋白的二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)變化不大。

2.1.2超聲波技術(shù)

超聲波技術(shù)(US)是一種使用頻率高于人耳閾值聲波的綠色、低成本、節(jié)約資源的非熱處理方法，被認(rèn)為是食品加工業(yè)中的綠色技術(shù)[9]。超聲波在液態(tài)體系中傳播，會(huì)導(dǎo)致氣泡產(chǎn)生、生長(zhǎng)和破裂的一系列過(guò)程，即聲腔空化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)使體系產(chǎn)生熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)[10]。Zhang等[11]用不同頻率的超聲波對(duì)小麥面筋蛋白進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，經(jīng)超聲處理后的小麥面筋蛋白分子結(jié)構(gòu)松散，分子間力減弱，水溶性提高，原本包埋在蛋白分子內(nèi)部的部分疏水性基團(tuán)暴露，疏水性增加，部分分子側(cè)鏈展開，蛋白分子吸油性增加。張海華[12]分別采用三種輸出功率(540、720、900 W)超聲處理質(zhì)量體積比為6%的小麥面筋蛋白懸浮液，蛋白的乳化性、乳化穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)流變特性都顯著提高，在900 W的輸出功率下，其乳化性能達(dá)到最大值。鄒晶[13]通過(guò)對(duì)比分析加熱、均質(zhì)和超聲預(yù)處理3種不同處理方式對(duì)小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)特性的影響，發(fā)現(xiàn)與前兩種處理方式相比，超聲預(yù)處理效果明顯。經(jīng)超聲和TG 酶聯(lián)合改性后，蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)中的β-轉(zhuǎn)角顯著降低，β-折疊顯著增加，蛋白疏水性降低，蛋白酶解效率提高。

2.1.3超高壓處理技術(shù)

超高壓處理技術(shù)(UHPP)是一種新型柔和的非熱處理技術(shù)，其原理是以流體(油或水)作為傳遞壓力的介質(zhì)，對(duì)密封于彈性耐高壓容器里的食品,施加通常為100～1 000 MPa的靜壓，并維持一段時(shí)間以達(dá)到殺菌鈍酶，改變樣品物化特性，改進(jìn)食品加工工藝的目的[14-16]。黃薇[17]采用200 MPa超高壓處理面筋蛋白，其持水性下降，起泡性提高，麥谷蛋白的持油性下降；采用400 MPa超高壓處理后的面筋蛋白，其持水性沒(méi)有顯著變化，起泡性提高；采用600 MPa超高壓處理后的面筋蛋白，其起泡性下降，麥谷蛋白的持水性増加，β-轉(zhuǎn)角含量降低；隨著壓力的增加，面筋蛋白和麥醇溶蛋白的乳化穩(wěn)定性增加，麥谷蛋白的乳化穩(wěn)定性先升髙后減小。王炳智[18]通過(guò)采用不同壓力(100～400 MPa)處理小麥面筋蛋白，得出結(jié)論：高壓處理能提高小麥面筋蛋白的交聯(lián)程度，從而增強(qiáng)其乳化性質(zhì)和熱穩(wěn)定性，彈性模量G′提高，觀察到高壓預(yù)處理后的改性小麥面筋蛋白其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加均勻致密，β-折疊和無(wú)規(guī)則卷曲的含量增加，而α-螺旋和β-轉(zhuǎn)角的含量降低。

2.2 化學(xué)改性

蛋白質(zhì)的化學(xué)改性就是用化學(xué)試劑(如酸、堿、鹽等)與蛋白質(zhì)的多肽鏈或氨基酸殘基的側(cè)鏈基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致其多肽鏈或一些特殊基團(tuán)產(chǎn)生斷裂、聚合或引入新的基團(tuán)，從而改變蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)，使蛋白質(zhì)溶解性、熱穩(wěn)定性等功能特性得到改善。常見(jiàn)的蛋白質(zhì)化學(xué)改性方法包括酰基化、糖基化、水解、脫酰胺、酸處理、堿處理、磷酸化、共價(jià)交聯(lián)等。小麥面筋蛋白中谷氨酰胺含量很高，脫酰胺增加面筋蛋白溶解度，從而改善面筋蛋白乳化性、乳化穩(wěn)定性的相關(guān)研究一直是大家研究的熱點(diǎn)。

高溫條件下高濃度鹽酸水解脫酰胺蛋白，將產(chǎn)生致癌物氯丙醇(歐盟要求食品及食品原料中氯丙醇含量必須小于0.01 mg/kg，我國(guó)GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》的要求是小于1 mg/kg)，導(dǎo)致食品安全問(wèn)題。同時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì)引起一些氨基酸(如色氨酸、絲氨酸、蘇氨酸以及含硫氨基酸)的異構(gòu)化。高溫會(huì)破壞小麥面筋中的大部分單糖和多糖，導(dǎo)致水解液顏色呈棕黑色。另外，脫酰胺蛋白產(chǎn)物復(fù)雜(隨機(jī)破壞一部分肽鍵)，產(chǎn)品重現(xiàn)性難以控制。廖蘭[19]研究了采用有機(jī)酸協(xié)同濕熱技術(shù)改性小麥面筋蛋白，達(dá)到64%的脫酰胺效果；再采用胰蛋白酶水解脫酰胺的小麥面筋蛋白，大大改善了酶解液的呈味效果。對(duì)比鹽酸脫酰胺樣品的酶解液，有機(jī)酸脫酰胺樣品顯示了最高的鮮味效果。王淑敏[20]研究了蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶處理小麥面筋蛋白脫酰胺，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)谷氨酰胺酶添加量為20 U/g時(shí)，達(dá)到41.84%的脫酰胺效果，適度的脫酰胺化能顯著提高小麥蛋白表面疏水性，增加游離巰基含量，提高溶解度和蛋白酶酶解敏感性。

2.3 酶法改性

蛋白質(zhì)酶法改性技術(shù)就是將大分子的蛋白質(zhì)通過(guò)蛋白酶的內(nèi)切或外切作用切割成較小的分子，從而使蛋白的空間結(jié)構(gòu)及其功能特性發(fā)生變化。其優(yōu)點(diǎn)是酶解效率高，條件溫和，易于控制，對(duì)蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)破壞小。谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶，簡(jiǎn)稱TGase，其作用機(jī)理是通過(guò)催化谷氨酰胺殘基上的酰基供體與?；荏w間發(fā)生酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而使蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，形成強(qiáng)有力的凝膠，有效改善蛋白質(zhì)產(chǎn)品的彈性、保水性等功能特性[21]。董建云等[22]在小麥蛋白中添加14 U/g的TGase，提高了其乳化性、起泡性和吸水性，有效改善小麥蛋白的凝膠性，相比未改性的小麥蛋白,TGase改性過(guò)的小麥蛋白凝膠性提高了一倍以上。

小麥面筋蛋白因富含谷氨酰胺而被稱為一種潛在富含酸味肽的蛋白資源。在制備熱反應(yīng)香精前體物質(zhì)過(guò)程中，既需要酶的高度水解，又要避免苦味肽的大量產(chǎn)生，因此也有相關(guān)研究采用合適的酶水解谷朊粉制備氮源前體物質(zhì)。吳爽[23]研究中發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶應(yīng)用于小麥面筋中，其水解度相對(duì)較好，但存在苦味值較高的問(wèn)題。因此使用復(fù)合蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶復(fù)配水解，最終發(fā)現(xiàn)分步法比同步法降低苦味效果更好。由于風(fēng)味蛋白酶是一種真菌羧肽酶，可以釋放C-端大多數(shù)疏水性氨基酸，所以堿性蛋白酶和風(fēng)味蛋白酶的組合在降低小麥面筋苦味上效果更佳。

3 小麥面筋蛋白的應(yīng)用研究

小麥面筋蛋白因其獨(dú)一無(wú)二的結(jié)構(gòu)特征，在飼料、烘焙食品、面制品等行業(yè)中發(fā)揮著獨(dú)特功能特性，但在以往的應(yīng)用中，該蛋白一般都是以配料的形式參與發(fā)揮功效的，所以對(duì)該蛋白總體需求量不大?，F(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)中缺乏以小麥面筋蛋白為主體原料的工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)在研究的當(dāng)務(wù)之急就是加快小麥面筋蛋白的深度開發(fā)利用，扭轉(zhuǎn)其配角地位，積累核心技術(shù)。

3.1 肉味香精

在食品行業(yè)中肉味香精占據(jù)重要地位，是香精市場(chǎng)中投資最大、開發(fā)研究十分活躍的香精之一。當(dāng)今研究的熱點(diǎn)是將美拉德反應(yīng)與生物技術(shù)相結(jié)合，制備熱反應(yīng)型調(diào)香基料，該技術(shù)以熱反應(yīng)型調(diào)香基料為主體香韻，結(jié)合調(diào)香技術(shù)、混合工藝制備出種類繁多的香精。我國(guó)國(guó)內(nèi)廠家制備香精采用較多的是動(dòng)物源蛋白，即所謂的“味料同源”理念。但動(dòng)物源蛋白也存在一些缺點(diǎn)，比如肉價(jià)格成本高、肉源運(yùn)輸成本高、蛋白資源轉(zhuǎn)化率低、有安全性隱患(動(dòng)物蛋白的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)，經(jīng)常人為使用抗生素、合成藥物及激素促進(jìn)其快速生長(zhǎng)繁殖，加速了動(dòng)物產(chǎn)品的污染，從而降低了調(diào)味品的食用安全性)、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。植物蛋白除了在上述比較中有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)外，還能服務(wù)于素食主義者這類特殊群體的喜好。

小麥面筋蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)富含呈味肽序列，采用脫酰胺技術(shù)，不僅能改善蛋白的功能特性，而且可以使面筋蛋白更宜作為香精的反應(yīng)前體物質(zhì)。因此，若以此原料開發(fā)制備天然調(diào)味基料，進(jìn)而以呈味肽作為風(fēng)味前體參與熱反應(yīng)香料的研制，對(duì)于拓寬小麥面筋蛋白應(yīng)用范圍、增加附加值、推動(dòng)肉味香精產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面深具潛力，可產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.2 組織化蛋白

在歐美國(guó)家組織化蛋白的研究應(yīng)用已有幾十年之久，但在我國(guó)才處于剛起步階段，很多人對(duì)它還不熟悉。但是隨加工技術(shù)的不斷發(fā)展，相信組織化蛋白產(chǎn)品的味道、口感和組織狀態(tài)將會(huì)不斷改善，更加適合作為肉類替代品，也會(huì)越來(lái)越被消費(fèi)者所認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)植物組織化蛋白的研究主要集中在對(duì)大豆組織化蛋白方面的研究。與大豆蛋白相比，谷朊粉價(jià)格低廉，還可以顯著改善組織化蛋白的組織化和纖維化程度，因此在大豆蛋白中添加谷朊粉有利于提高組織化蛋白的產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力。賈旭[24]在大豆?jié)饪s蛋白中添加31%的高筋谷朊粉，生產(chǎn)的組織化蛋白的組織化度提高到1.67；添加41%的中筋谷朊粉，生產(chǎn)的組織化蛋白的組織化度提到到1.58，添加41%的低筋谷朊粉，生產(chǎn)的組織化蛋白的組織化度提高到1.65。另外，在濃縮蛋白中適量添加谷朊粉，可使組織化蛋白的營(yíng)養(yǎng)更加平衡。

目前，對(duì)谷朊粉的報(bào)道主要集中在以谷朊粉為原料的低水分?jǐn)D壓研究，以谷朊粉為原料高水分?jǐn)D壓研究的報(bào)道相對(duì)較少，對(duì)于谷朊粉擠壓組織化加工技術(shù)還缺乏系統(tǒng)的研究。鄭建梅[25]分別探討了低水分和高水分不同情況下影響谷朊粉的擠壓組織化蛋白質(zhì)量的主次影響因素，得到谷朊粉低水分?jǐn)D壓最優(yōu)操作參數(shù)組合為：物料濕度21.10%～21.83%，套筒溫度191.39～193.94℃，螺桿轉(zhuǎn)速 177.12～188.19 r/min，喂料速度67.47～70.63 g/min；高水分?jǐn)D壓最優(yōu)參數(shù)組合為：物料濕度52.70%～53.49%，套筒溫度159.08～162.02℃，螺桿轉(zhuǎn)速154.39～165.61 r/min，喂料速度21. 66～23.32 g/min。

3.3 降解薄膜

可食用蛋白質(zhì)膜的形成是在水-空氣界面中，由于蛋白質(zhì)的疏水基團(tuán)暴露在空氣中，親水基團(tuán)保留在水中，從而在此界面形成定向排列的蛋白質(zhì)層，這層蛋白質(zhì)膜具有一定阻隔性能和機(jī)械強(qiáng)度。這種可降解的高分子聚合物加入到層壓膜中或直接與層壓材料共混成膜即可得到生物降解包裝材料[26]。很多植物蛋白都具有成膜性，其中研究比較多的是小麥面筋蛋白。佟穎[27]以小麥面筋蛋白為主體原料，通過(guò)添加醇溶蛋白來(lái)對(duì)蛋白膜的性能進(jìn)行優(yōu)化改良，有效地降低膜的脆性，提高膜的阻水性、韌性、機(jī)械性能和阻氧性。在最優(yōu)化的改性條件下，復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和阻氧能力為4.89 MPa、179.1%和 21.7 mmol/kg，比對(duì)照組提高了33.2%、17.2%和28.1%。張平安[28]研究了不同增塑劑對(duì)小麥面筋蛋白膜力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明甘油、聚乙二醇能有效提高蛋白膜的斷裂伸長(zhǎng)率，戊二醛能增強(qiáng)薄膜的拉伸強(qiáng)度。

4 發(fā)展展望

近些年來(lái)，在糧食的深加工利用中，小麥面筋蛋白的開發(fā)深受行業(yè)人士看好，廣泛用于各類面制食品、水產(chǎn)、肉類、保健食品及嬰兒食品中。但是在以往的生產(chǎn)應(yīng)用中，小麥面筋蛋白大多是以配料的形式協(xié)助改善產(chǎn)品的功能特性，整體消費(fèi)量不大，造成市場(chǎng)需求飽和。小麥面筋蛋白原料豐富，價(jià)格低廉，安全營(yíng)養(yǎng)，亟需深層次復(fù)合改性提高功能特性，擴(kuò)寬使用范圍，從而提高小麥的附加值，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。在制備肉味香精、組織化蛋白、降解薄膜中，小麥面筋蛋白都是以主體原料的形式參與產(chǎn)品的開發(fā)與制備，隨著加工工藝改善、改性手段的進(jìn)步、核心技術(shù)的突破，小麥面筋蛋白必將有更廣泛的應(yīng)用。