超聲處理對脫酰胺改性后的小麥面筋蛋白功能特性的影響

周非白，廖 蘭，趙謀明*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

超聲處理對脫酰胺改性后的小麥面筋蛋白功能特性的影響

周非白，廖 蘭，趙謀明*

(華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院，廣東 廣州 510640)

以經(jīng)琥珀酸脫酰胺改性、透析處理后的小麥面筋蛋白為原料，研究超聲處理提高小麥面筋蛋白氮溶指數(shù)的最佳條件。在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取超聲功率、處理時間以及溫度為自變量，以氮溶指數(shù)為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面分析方法，模擬得到二次多項式回歸方程的預(yù)測模型。結(jié)果確定超聲提高小麥面筋蛋白氮溶指數(shù)的最佳條件為超聲功率100W、超聲時間10min、超聲溫度44℃。在此條件下，小麥面筋蛋白的氮溶指數(shù)達(dá)到77.28%。超聲處理后樣品的起泡性提高約11%，泡沫穩(wěn)定性提高20%，其乳化性及穩(wěn)定性均有顯著改善。

小麥面筋蛋白；脫酰胺改性；超聲；響應(yīng)面分析；功能特性

小麥面筋蛋白是小麥淀粉生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，是一種大宗的植物蛋白資源，在價格及食品安全等方面具有無可比擬的優(yōu)勢[1-2]，但其由于疏水性氨基酸含量多，分子內(nèi)疏水作用區(qū)域較大，溶解性差而不能廣泛應(yīng)用到食品工業(yè)[3]。針對小麥面筋蛋白分子中含有大量酰氨基[天冬酰胺(Asn)和谷氨酰胺(Gln)][4]，本實驗室采用弱有機(jī)酸脫酰胺改性方法[5]，將酰氨基轉(zhuǎn)變?yōu)轸然鵞6-7]，減弱蛋白質(zhì)分子在溶液中形成氫鍵的能力，增大了其溶解性[8]，但此脫酰胺改性過程會引入鹽離子。在實驗室研究范圍或者工業(yè)化大生產(chǎn)中經(jīng)常通過透析手段對樣品進(jìn)行脫鹽處理，但是樣品經(jīng)透析處理后分子發(fā)生一定程度的聚集而使蛋白溶解性降低，部分功能特性變差。超聲波是一種高頻的機(jī)械振蕩，其頻率為2×104～1× 109Hz[9]，其在液體中能產(chǎn)生空化作用。超聲空化是指在超聲場中，液體中的微小氣泡隨聲壓變化而產(chǎn)生強烈振蕩、膨脹及崩潰的一系列動力學(xué)過程[10]。空化作用對大分子即可產(chǎn)生機(jī)械性斷鍵作用[9]。

本實驗旨在通過超聲處理脫酰胺改性后經(jīng)透析處理的小麥面筋蛋白，通過響應(yīng)面模型以氮溶指數(shù)為響應(yīng)值探索小麥面筋蛋白的最佳改性條件，并比較超聲處理改性小麥面筋蛋白前后功能特性的變化，為進(jìn)一步提高脫酰胺小麥面筋蛋白的功能特性提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉(濟(jì)南17高筋小麥粉) 廣州番禺富得加食品有限公司；透析袋(截留分子質(zhì)量14000D ± 2000D) 上海源聚生物科技有限公司；丁二酸(分析純) 廣州市東紅化工廠；牛血清蛋白(生化試劑) 廣州健陽生物試劑公司。

1.2 儀器與設(shè)備

THZ-82A型恒溫振蕩器 常州澳華儀器有限公司；GL-21M型高速離心機(jī) 長沙湘儀離心儀器有效公司；ALPHA1-4/2-4型冷凍干燥機(jī) 德國Chris公司；GT7C2A型立式殺菌鍋 溫州市安福防腐機(jī)械廠；pHS-3E型pH計 北京雷磁儀器公司；KQ5200型超聲清洗器 東莞市科橋超聲波儀器有限公司；Mastersize 2000型激光衍射粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脫酰胺小麥面筋蛋白的制備[11]

準(zhǔn)確稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%琥珀酸溶于質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的小麥面筋蛋白懸浮液，32℃水化過夜，得到的樣品懸浮液于121℃殺菌鍋中濕熱處理10min，冰水浴中冷卻后離心得到上清液(離心條件為4℃、9500r/min，10min)。將上述上清液裝入透析袋，以樣品∶去離子水＝100∶1(g/L)的比例置于塑料桶，于4℃環(huán)境透析24～48h，每8h換去離子水。之后將樣品從透析袋中倒出，于4℃保存作為欲超聲處理的樣品。

1.3.2 氮溶指數(shù)(nitrogen solubility index，NSI)的測定[12]

得到的脫酰胺小麥面筋蛋白懸浮液，用雙縮脲法測定上清液中可溶蛋白含量，凱氏定氮法測定懸浮液中總氮含量。NSI表示為上清液改性小麥面筋蛋白占樣品中總蛋白含量的分?jǐn)?shù)。

1.3.3 響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型模擬分析最優(yōu)超聲條件

表1 響應(yīng)面分析試驗的因素與水平Table 1 Factors and their coded levels in response surface analysis

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以超聲功率、超聲時間和超聲時超聲場溫度3個因素為自變量，以NSI為響應(yīng)值，采用Design Expert 7.0軟件設(shè)計響應(yīng)面試驗方案，確定最佳超聲條件的因素和水平，建立數(shù)學(xué)回歸模型，對工藝參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化分析，同時反映不同因素間的交互影響。因素水平設(shè)計見表1。

1.3.4 起泡性及泡沫穩(wěn)定性的測定[13]

質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的蛋白溶液在高速分散均質(zhì)機(jī)(20000r/min)均勻攪拌1min。蛋白質(zhì)起泡性為攪拌過程中蛋白質(zhì)懸浮液增加的體積分?jǐn)?shù)，泡沫穩(wěn)定性為靜置10min后泡沫保留的分?jǐn)?shù)。

1.3.5 乳化性及乳化穩(wěn)定性的測定

利用高壓均質(zhì)后，蛋白與油結(jié)合的粒徑大小和顯微鏡觀察的油水狀況表征乳化能力的強弱，利用靜置乳析率來表征乳化穩(wěn)定性的強弱。樣品蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、油水比2∶8、均質(zhì)壓力為30MPa。

粒徑測試條件：樣品用激光衍射粒度分析儀進(jìn)行分析，可得到其粒度分布圖。D[3,2]和D[4,3]為重復(fù)3次取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 響應(yīng)面優(yōu)化超聲工藝

2.1.1 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果

如表2所示，響應(yīng)面試驗設(shè)計20個試驗點，6個中心試點。通過響應(yīng)面軟件Design-Expert 7.0的分析結(jié)果見表3、4。

表2 響應(yīng)面分析試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 回歸方程的方差分析表Table 3 Variance analysis for the fitted regression equation for NSI

表4 模型分析表Table 4 Analysis for the fitted regression equation for NSI

以氮溶指數(shù)為響應(yīng)值，經(jīng)回歸擬合后，各因素對響應(yīng)值的影響可用下面回歸方程表示：

NSI＝75.52＋0.18A-0.19B＋0.41C＋0.15AB-0.34AC＋0.50BC-0.92A2-1.01B2-0.80C2

通過方差分析可以得到如下結(jié)論：R2=0.96，表明失擬項不顯著(P=0.3343＞0.1000)，說明回歸方程的擬合程度較好，模型顯著。回歸模型的F檢驗顯著，說明所擬合的二次回歸方程合適，各因素對NSI的影響大小順序為超聲溫度＞超聲時間＞超聲功率。

2.1.2 交互作用分析

超聲時間與超聲溫度的交互作用如圖1a所示，較低溫度處理下，NSI隨著時間的延長先增加后減少，9min出現(xiàn)拐點；隨著超聲溫度的升高，NSI隨時間主要呈上升趨勢，10min后略有下降。當(dāng)超聲時間為9min時，響應(yīng)值在40～45℃都較高。

超聲功率與超聲溫度的交互作用如圖1b所示，當(dāng)小功率(80W)、低溫度(30℃)處理時，樣品NSI出現(xiàn)最低值。隨著功率、溫度的增加，NSI呈上升趨勢并在超聲功率100W、超聲溫度40℃分別出現(xiàn)拐點，之后隨功率及溫度的升高呈下降趨勢。

超聲波的空化作用使小麥面筋蛋白的分子結(jié)構(gòu)變得疏松，與水結(jié)合能力增強，NSI得到提高。此外，超聲波還有機(jī)械剪切和熱作用[14]。機(jī)械剪切作用使疏水性多肽部分展開朝向脂質(zhì)，極性部分朝向水相，同時超聲處理時一定的熱作用使分子立體結(jié)構(gòu)更伸展，均有利于小麥面筋蛋白分子和水分子的運動及其相互作用以提高樣品的NSI。但當(dāng)超聲強度和超聲溫度超過一定范圍后，蛋白變性嚴(yán)重，肽鍵特定結(jié)構(gòu)被破壞，原來在分子內(nèi)部的一些非極性基團(tuán)暴露到分子表面，使蛋白質(zhì)的溶解度降低。

圖1 超聲時間與超聲溫度(a)、超聲功率與超聲溫度(b)交互作用響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plots showing the interactive effects between ultrasonic treatment time and ultrasonic field temperature (a) and between ultrasonic power and ultrasonic field temperature (b) on NSI

2.1.3 最佳條件的確定及驗證

對回歸方程取一階偏導(dǎo)等于零，得方程組：

解方程組，得最佳值為A＝0.6704、B＝0.8602、C＝3.7550，即超聲促進(jìn)小麥面筋蛋白NSI的的最佳條件為超聲功率100.6704W、超聲時間9.8602min、超聲場溫度43.7550℃，在此條件下，NSI的理論值可達(dá)75.5212%。

為了檢驗RSM分析的可靠性，采用上述最優(yōu)工藝條件進(jìn)行超聲驗證實驗，同時考慮實際操作的便利，將超聲的最佳條件修正為超聲功率1 0 0 W、超聲時間10min、超聲溫度44℃，重復(fù)實驗3次，結(jié)果預(yù)測值75.52%、測定值(77.28±0.06)%。

2.2 改性前后功能特性比較

2.2.1 起泡性及泡沫穩(wěn)定性

表5 超聲處理前后樣品的起泡性及泡沫穩(wěn)定性Table 5 Foaming capacity and foam stability before and after ultrasonic treatment

由表5可知，超聲處理透析后的樣品使樣品的起泡性提高了約11%。超聲使透析后的小麥面筋蛋白在水中的溶解度逐漸增大，參與起泡作用的蛋白質(zhì)分子數(shù)目也在逐漸增多。另外，隨著親水基團(tuán)的引入，增加了蛋白質(zhì)的表面活性，降低了溶液氣液界面間的表面張力，使得小麥面筋蛋白的起泡性逐漸增大。另一方面，樣品的泡沫穩(wěn)定性提高了20%。超聲使透析后聚集的面筋蛋白結(jié)構(gòu)較原來變得松散，親水親油基暴露較多，泡沫容易形成，分子易于在液膜上定向，因此泡沫穩(wěn)定性也提高。

2.2.2 乳化性及乳化穩(wěn)定性

乳液中粒度分布是影響乳狀液穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，也是評價樣品乳化性的重要指標(biāo)[15]。均質(zhì)把油滴打散，如果沒有乳化劑的存在，小油滴馬上就會聚集，這時蛋白質(zhì)馬上吸附到油滴表面降低其表面張力，抑制油滴發(fā)生聚合等不穩(wěn)定現(xiàn)象，乳化性越好吸附的速度就越快效果就越好，油滴粒徑就小，反之就大，因此可以通過油滴粒徑的大小來確定各種產(chǎn)物的乳化活性。圖2是超聲處理前后小麥面筋蛋白的高壓均質(zhì)粒徑分布圖，表6是該組小麥面筋蛋白樣品的高壓均質(zhì)D[3,2]和D[4,3]。

圖2 超聲處理前后小麥面筋蛋白的高壓均質(zhì)粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of deaminated wheat gluten before and after ultrasonic treatment

表6 小麥面筋蛋白樣品的高壓均質(zhì)D[3,2]和D[4,3]的變化Table 6 Changes in D[3,2]and D[4,3] of deaminated wheat gluten before and after ultrasonic treatment

圖3 超聲處理前后小麥面筋蛋白乳狀液均質(zhì)后的顯微鏡照片(×40)Fig.3 Micrographs of deaminated wheat gluten emulsion before and after ultrasonic treatment (×40)

由圖3可知，超聲前的樣品因為透析作用，蛋白發(fā)生聚集，疏水基團(tuán)暴露減少，不能較好吸附到油滴表面導(dǎo)致油滴相互結(jié)合，粒徑較大；超聲作用使蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)變得疏松，疏水性多肽部分暴露，有效吸附表面積增大，可抑制油滴發(fā)生聚合等不穩(wěn)定現(xiàn)象，故樣品粒徑較小，此與粒度分布所得到的結(jié)果相吻合。

均質(zhì)后，把一定量乳濁液倒進(jìn)試管，并加入疊氮鈉防腐，一段時間后(0、5、10d及15d)觀察乳濁液是否分層，可以從宏觀上測定其乳化穩(wěn)定性。圖4分別是樣品均質(zhì)后當(dāng)天，第5、10天及15天的情況。

圖4 乳化后的樣品隨時間的變化情況Fig.4 Appearance of deaminated wheat gluten emulsion on the first day (a), the fifth day (b), the tenth day (c) and the fifteenth day (d) of storage

由圖4可知，透析后的樣品在均質(zhì)后第5天(圖4b)發(fā)生了分層現(xiàn)象，而經(jīng)過超聲處理的樣品第10天后分層(圖4c)，說明小麥蛋白乳化穩(wěn)定性得到提高。其原因可能是透析過程有分子聚集現(xiàn)象導(dǎo)致溶解度下降，一些疏水基團(tuán)又被包埋，導(dǎo)致蛋白對油脂的包裹能力下降，吸附在油脂表面的能力也下降，因而導(dǎo)致在較短的時間里就出現(xiàn)絮凝、聚集和聚結(jié)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。而超聲暴露了疏水基團(tuán)，提高了蛋白質(zhì)的親油性，有利于蛋白質(zhì)在乳化過程中更好地在油/水界面重排定位，一定程度上提高了小麥面筋蛋白的乳化性。

3 結(jié) 論

本研究在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過響應(yīng)面分析得到了超聲處理提高小麥面筋蛋白氮溶指數(shù)的工藝條件：超聲功率100W、超聲時間10min、超聲溫度44℃，此條件下的氮溶指數(shù)為77.28%。在此工藝條件下，樣品的起泡性提高約11%，泡沫穩(wěn)定性提高了20%。其乳化活性與穩(wěn)定性較超聲前亦均有提高，為今后開展進(jìn)一步的研究工作提供基礎(chǔ)。

[1]鄧敏, 付時雨, 詹懷宇. 小麥谷朊蛋白的特性與應(yīng)用研究綜述[J]. 中國糧油學(xué)報, 2009, 24(12)∶ 146-151.

[2]鐘耕, 陳宗道, 閔燕萍, 等. 小麥面筋蛋白及其化學(xué)改性研究[J]. 糧食與飼料工業(yè), 2009(5)∶ 41-47.

[3]DAYAB L, AUGUSTINAB M A, BATEYBC I L, et al. Wheat-gluten uses and industry needs[J]. Trends in Food Science & Technology, 2006, 17(2)∶ 82-90.

[4]LENS J P, MULDER W J, KOLSTER P. Modification of wheat gluten for nonfood applications[J]. Cereal Foods World, 1999, 44(1)∶ 5-9.

[5]LIAO Lan, ZHAO Mouming, REN Jiaoyan, et al. Effect of acetic acid deamidation-induced modification on functional and nutritional properties and conformation of wheat gluten[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2010, 90(3)∶ 409-417.

[6]MATSUDOMI N. Conformation changes and functional properties of acid-modified soy protein[J]. Agricultural and Biological Chemistry, 1985, 49(5)∶ 1251-1256.

[7]CHAN W M, MA C Y. Acid modification of proteins from soymilk residue (okara)[J]. Food Research International, 1999, 32(2)∶ 119-127.

[8]孔祥珍, 周惠明, 馮薔姝. 小麥面筋蛋白酶法去酰胺改性的研究[J].食品工業(yè)與科技, 2004(8)∶ 70-71.

[9]JACOBS H, DELCOUR A. Hydrothermal modifications of granular starch, with retention of the granular structure∶ a review[J]. J Agri Food Chem, 1998, 46(8)∶ 2895-2905.

[10]朱建華, 楊曉泉, 鄒文中, 等. 超聲處理對大豆分離蛋白功能特性的影響[J]. 食品工業(yè)與科技, 2004, 25(4)∶ 81-83.

[11]趙謀明, 廖蘭. 一種有機(jī)酸脫酰胺改性小麥面筋蛋白的方法∶ 中國, 200910036934[P]. 2009-07-15.

[12]MIRMOGHTADAIE L, KADIVAR M, SHAHEDI M. Effects of succinylation and deamidation on functional properties of oat protein isolates[J]. Food Chemistry, 2009, 114(1)∶ 127-131.

[13]DRAGO S R, GONZALEZ R J. Foaming properties of enzymatically hydrolysed wheat gluten[J]. Inno Food Sci & Emerging Techno, 2001 (1)∶ 269-273.

[14]嚴(yán)偉, 李淑芬, 田松江. 超聲波協(xié)助提取技術(shù)[J]. 化工進(jìn)展, 2002, 21 (9)∶ 649-651.

[15]COMAS D I, WAGNER J R, TOMAS M C. Creaming stability of oil in water (O/W) emulsions∶ influence of pH on soybean protein-lecithin interaction[J]. Food Hydrocolloids, 2006, 20(7)∶ 990-996.

Effect of Ultrasonic Treatment on Functional Properties of Deaminated Wheat Gluten

ZHOU Fei-bai，LIAO Lan，ZHAO Mou-ming*
(College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Dialyzed deaminated wheat gluten was subjected to ultrasonic treatment under varying conditions of ultrasonic power, treatment time and ultrasonic field temperature with the aim of studying the effect of ultrasonic treatment on functional properties of deamidated wheat gluten. The optimal conditions of ultrasonic power, treatment time and ultrasonic field temperature for maximizing nitrogen soluble index (NSI) were determined by response surface methodology to be 100 W, 10 min and 44 ℃, respectively. Under the optimal conditions, the NSI was up to 77.28%. The foaming capacity and foam stability of deaminated wheat gluten were increased by 11% and 20% respectively after ultrasonic treatment. In addition, ultrasonic treatment could also improve the emulsifying capacity and emulsion stability of deaminated wheat gluten.

wheat gluten；deamidation；sonication；response surface analysis；functional properties

TQ464.7

A

1002-6630(2011)16-0157-05

2010-11-05

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(20806030)；廣東省高等學(xué)校高層次人才項目(粵教師函[2010]79號)

周非白(1988—)，女，碩士研究生，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：rainbozfb@126.com

*通信作者：趙謀明(1964—)，男，教授，博士，研究方向為食品生物技術(shù)。E-mail：femmzhao@scut.edu.cn