不同筋力面筋蛋白對小麥淀粉糊化特性的影響

陳建省，田紀春,*，吳 澎，鄧志英，郭啟芳，劉金棟

(1.作物生物學國家重點實驗室，山東農業大學小麥品質育種研究室，山東 泰安 271018；2.中國農業科學院，北京 100081)

面筋蛋白和淀粉是小麥面粉的主要成分，兩者的含量和質量以及兩者的相互關系是面粉用途和加工品質的決定因素。淀粉糊化是淀粉的重要性質之一，各類面制食品在加工過程中通常都會發生淀粉糊化現象。面筋蛋白決定面團的黏彈性，是影響面團流變學特性的關鍵。明確面筋蛋白對淀粉糊化特性的作用，對深入研究加工過程中面筋蛋白和淀粉相互關系及小麥品質改良有重要意義。淀粉糊化特性主要由淀粉粒大小和比例、直鏈淀粉含量、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例等本身特性決定[1]，還受到淀粉酶活性以及糊化體系中影響水分活性的其他組分如糖分[2]、蛋白質等的影響。前人研究表明，蛋白質/面筋通過影響熱量傳遞和競爭可利用水分顯著影響淀粉糊化特性[3-8]。目前，有關面筋蛋白對糊化體系熱能特性的影響因為測試技術和實驗材料等原因報道不一致。Champenois等[9]利用流變儀研究發現面筋蛋白降低淀粉糊和凝膠剪切模量(G’)、損耗模量(G”)和淀粉凝膠的彈性；但Lindah等[10]認為面筋對不同類型的淀粉熱學特性的影響不一樣：面筋蛋白會增加小麥和黑麥淀粉的剪切模量、降低玉米淀粉的剪切模量，而對大麥、黑小麥和馬鈴薯淀粉的黏彈性沒有影響；Eliasson等[4]用示差掃描量熱法(DSC)研究發現，隨著面筋蛋白/淀粉比例的增加，淀粉糊化焓變(ΔH)降低而糊化峰值溫度升高，Monhamed等[7]利用DSC和熱量分解重量計(TGA)研究也有一致的報道。Chen Jiansheng等[11]研究認為面筋蛋白的添加會增加小麥面粉的淀粉糊化溫度和糊化時間，而Ottenhof等[12]通過研究認為面筋蛋白不會對淀粉的糊化的動力學、支鏈淀粉回生的程度和多態性發生影響。

面筋蛋白不僅從數量方面影響糊化體系中淀粉的濃度，其分子質量大小和結構方面以及與淀粉產生相互作用也影響糊化特性。雖然，國內外圍繞面筋蛋白與淀粉糊化特性方面開展有關的研究[11-15]，但影響的作用機理和規律尚不清楚[9,11]。本實驗利用快速黏度儀(RVA)測定3個不同小麥品種(師灤02、優麥2號、Sun39)淀粉中添加3種不同類型的面筋蛋白(添加量分別為8%、10%、12%、14%、16%)對淀粉糊化特性的影響，以期闡明面筋蛋白類型和添加量對普通小麥和糯性小麥淀粉糊化特性影響的規律，為深入研究小麥淀粉和面筋蛋白在加工過程中的相互作用提供理論依據，并為小麥育種品質改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

具有不同筋力的3個普通小麥品種(系)為材料，其中師灤02是強筋小麥，優麥2號是中筋小麥，Sun39為弱筋糯性小麥新品系。3個品種的主要品質指標見表1、2。

表1 3個品種面粉的蛋白質品質特性Table 1 Flour protein quality of three cultivars

表2 3個品種淀粉的糊化特性Table 2 Starch pasting properties of three cultivars

1.2 試劑與儀器

氯仿(分析純)、十二烷基硫酸氫鈉(SDS)(分析純)、2%氯化鈉溶液(普通純)。

近紅外光譜儀、8620型面筋洗滌儀、2200型離心機 瑞典Perten公司；Senior實驗磨、810104型電子粉質儀 德國Brabender公司；Super3-RVA型黏度儀 澳大利亞新港公司。

1.3 方法

1.3.1 面粉磨制

使用德國Brabender Senior實驗磨，按AACC 26-21A方法[15]制粉。Sun39、優麥2號潤麥時間18h，含水量14.0%；師灤02潤麥24h，含水量16.0%。3個品種小麥的出粉率均在70%左右。4℃條件下保存備用。

1.3.2 面粉成分及品質參數的測定

粗蛋白含量測定：用8620型近紅外儀測定。

濕面筋含量及面筋指數的測定：使用面筋洗滌儀，測定方法按ICC-155標準[16]，面粉10g，濕面筋換算成14%濕基。經5000×g離心1min，稱量通過篩網的面筋和總面筋的量，兩者的比值即為面筋指數。

水分含量的測定：基礎面粉、面筋和淀粉的水分含量按照GB 5497—1985《糧食、油料檢驗水分測定》方法[17]測定。

高分子質量麥谷蛋蛋白質亞基組成分析：高分子質量麥谷蛋白亞基的提取和SDS-PAGE電泳參考文獻 [18]。

面粉粉質參數：使用電子粉質儀按AACC-54-21方法[15]測定，用50g揉面缽。

1.3.3 面筋蛋白及純淀粉的制取與粉碎

參考MacRitchie[19]的方法，略有改動。用V(氯仿)∶m(面粉)=2∶1提取面粉3～4次，然后在15℃條件下，將脫脂面粉用手洗法V(蒸餾水)∶m(面粉)= 2∶1洗滌6 次，得到濕面筋；洗滌液5000×g離心10min，棄上清液，沉淀為淀粉；將面筋和淀粉抽空干燥，用JFSD-100型粉碎機粉碎后，過160μm篩，4℃保存備用。師灤02、優麥2號、Sun39這3個品種的淀粉分別用A1、A2、A3表示，面筋蛋白分別用B1、B2、B3表示。

1.3.4 面筋蛋白與淀粉的組配

面筋蛋白、淀粉種類采用正交試驗設計。用萬分之一天平分別稱取14.0%水分基的各種純淀粉2.30、2.25、2.20、2.15、2.10g，按要求分別添加折合14.0%水分基的不同類型面筋蛋白0.20、0.25、0.30、0.35、0.40g(總共3×3×5=45組實驗)，使得面筋與淀粉總質量為2.50g。測定前淀粉與面筋蛋白混合均勻，面筋蛋白的添加量分別為0%(純淀粉對照)、8%、10%、12%、14%、16%，用C1、C2、C3、C4、C5、C6表示。面筋蛋白與淀粉的混配比例范圍為8/92～16/84。

1.3.5 淀粉糊化特性的測定

用Super3-RVA型黏度儀測定。測定模式選用標準方法1和標準分析方法1。測定起始溫度50℃，960r/min混合10s，測定速率為160r/min，糊化階段從50℃升溫至95℃，耗時4min 32s，然后95℃恒溫3min 30s，隨后從95℃降溫至50℃耗時3min 48s，50℃恒溫2min，整個測試共計13min。每個樣品重復3次。

1.4 統計分析

采用完全隨機設計，分別向3種淀粉中添加3種面筋蛋白，設定6個面筋蛋白添加量處理(0%、8%、10%、12%、14%、16%)，每個處理測定淀粉糊化3次，重復間主要糊化特性參數誤差＜5%。利用DPS 7.05統計軟件。

2 結果與分析

2.1 面筋蛋白對淀粉峰值黏度、低谷黏度和最終黏度的影響

表3 添加面筋蛋白對淀粉峰值黏度、低谷黏度和最終黏度的影響Table 3 Effect of gluten addition amount on peak viscosity, trough viscosity and final viscosity

表3表明，隨著強筋、中筋和弱筋蛋白含量的升高，峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和黏度面積都有極顯著的降低，不同添加量處理之間都存在顯著或極顯著的差異。其中添加8%面筋蛋白，糊化體系峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和黏度面積純淀粉的相應指標分別降低了26%、17%、14%、18%；當面筋蛋白添加量增加到16%時，以上指標分別降低44%、36%、29%、34%。平均每增加2%的面筋蛋白，峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和黏度面積分別降低4.5%、5%、4%、4%。降低的幅度是單純的含量替代比例下降的2倍。由此可見，面筋蛋白添加引起以上糊化指標的降低，不是簡單物質的替代。

強筋和中筋面筋蛋白類型之間對以上4項指標的影響差異不顯著，但它們與弱筋面筋之間的差異存在極顯著差異。普通小麥淀粉與糯性淀粉之間以上4項指標存在極顯著差異，這主要是由于支鏈和直鏈淀粉之間的差異引起的，說明淀粉類型是淀粉糊化特性的直接因素。雖然強筋和中筋小麥的兩種淀粉之間沒有顯著差異，但從面筋的顯著性檢驗分析，面筋蛋白類型對以上淀粉糊化指標卻起著顯著和極顯著的影響。從3個因素的交互作用分析，淀粉類型和面筋蛋白添加量的交互作用對4項指標都有顯著的影響；淀粉類型和面筋類型對峰值黏度和黏度面積有極顯著影響，但對低谷黏度和最終黏度沒有顯著差異。面筋蛋白類型和添加量的交互作用對淀粉糊化特性指標沒有影響；三因素的交互作用對峰值黏度和黏度面積有顯著影響。

2.2 面筋蛋白對淀粉稀懈值和反彈值的影響

表4 供試樣品淀粉稀懈值和反彈值Table 4 Breakdown and elasticity of tested starch samples

由表4可知，面筋蛋白含量對稀懈值的影響明顯分為兩種情況，面筋蛋白添加量對糯性淀粉稀懈值的影響呈現顯著影響，原因是由于糯性淀粉峰值黏度隨著面筋蛋白添加量的增加而降低的幅度顯著超過低谷黏度的降低幅度，從而使稀懈值(稀懈值數值上等于峰值黏度減去低谷黏度)發生顯著的變化。但面筋蛋白添加量對普通小麥淀粉的稀懈值影響差異不顯著，原因是普通淀粉的峰值黏度隨面筋蛋白添加量的增加而降低的幅度接近低谷黏度的降低幅度，從而使得稀懈值沒有顯著的變化。

面筋蛋白類型對稀懈值影響有顯著差異，按其降低作用大小的順序為：弱筋＞中筋＞強筋。面筋蛋白類型和淀粉種類的交互作用以及面筋蛋白添加量與淀粉的交互作用對稀懈值都有極顯著影響。

反彈值主要由淀粉本身特性決定，面筋蛋白在一定添加量范圍內通過與淀粉的交互作用對其產生影響。面筋蛋白類型對反彈值影響因糯性淀粉和普通淀粉的差異而不同。其中面筋蛋白類型對糯性淀粉的影響沒有顯著差異，而對普通淀粉的影響差異顯著；但總體表現為面筋蛋白類型對反彈值沒有顯著差異。隨著面筋蛋白添加量的增加，反彈值呈現下降趨勢，但在面筋蛋白添加量超過12%后， 添加量處理間沒有顯著差異。從交互作用分析，淀粉和面筋蛋白添加量及三因素的交互作用對反彈值有顯著影響。

2.3 面筋蛋白對淀粉峰值時間、糊化溫度和糊化起始時間的影響

表5 供試樣品淀粉峰值時間、糊化溫度、糊化起始時間Table 5 Pasting temperature, pasting time and peak time of tested starch samples

由表5可知，淀粉的峰值時間主要是由淀粉決定的，面筋類型和添加量雖然不是直接的影響因素，但它們與淀粉的交互作用顯著的影響峰值時間。淀粉是糊化溫度和糊化起始時間的決定因素，但淀粉糊化溫度和糊化起始時間因面筋蛋白的添加而增加。其中，8%的面筋蛋白添加量使得淀粉糊化溫度和糊化起始時間平均值分別比純淀粉(3種淀粉的平均值)的糊化溫度(78.60℃)和糊化起始時間(3.38min)升高1.43℃和0.11min，隨著面筋蛋白添加量由8%升高到16%，淀粉在糊化體系中的濃度下降，但淀粉糊化溫度和糊化起始時間卻沒有明顯的變化，平均值最高值與最低值之差只有1.04℃和0.09min，可能原因是淀粉糊化溫度和糊化起始時間反映淀粉自身固有特性，受淀粉濃度的影響較小。面筋蛋白類型對糊化溫度和糊化起始時間的影響差異不顯著。

3 討 論

本研究發現面筋蛋白添加量升高，使得淀粉糊化體系的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和黏度面積都有極顯著的降低，降低的幅度超過單純的添加量替代比例的2倍；并且淀粉類型、面筋類型和面筋蛋白添加量的交互作用對淀粉糊特性指標有顯著的影響，充分說明面筋蛋白對糊化指標的影響不是簡單的物質的替代。面筋蛋白主要是由麥谷蛋白和醇溶蛋白組成的大分子物質，面筋蛋白種類不同，其麥谷、麥醇溶蛋白亞基組成不同，分子質量有差異較大；另外，支鏈和直鏈淀粉種類不同，其分子質量和結構也有較大差異。因此，糊化體系中面筋蛋白與淀粉糊彼此之間形成的不同結構和分子質量大小的網絡復合物以及蛋白質分子的阻礙作用和水合作用也是影響淀粉黏度特性的重要原因[20-21]。Yasunaga等[14]發現木瓜蛋白酶水解蛋白導致糊化體系黏度的顯著降低的主要原因之一是由于蛋白質分解為比天然蛋白質分子量降低的多肽，導致峰值黏度降低。Renzetti等[13]也發現蛋白質水解會降低大米的初始黏度。

Xie等[8]利用蛋白酶水解蛋白和二硫蘇糖醇(DTT)打斷蛋白二硫鍵的方法研究蛋白質對淀粉糊化影響發現，蛋白質的不同變性方式對大米黏度特性的影響因糯性和非糯性淀粉的差異而表現顯著的差異， DTT會降低非糯性大米品種稀懈值，卻增加非糯性大米品種的稀懈值。這與本實驗發現的面筋蛋白對稀懈值和反彈值的影響因糯性淀粉和非糯性淀粉而表現出顯著的差異的研究結果相吻合。可見面筋蛋白和淀粉的分子質量及結構的變化直接或間接的影響糊化體系的黏度特性。

Eliasson等[4]研究發現提高面筋蛋白含量會降低淀粉糊漿的焓變(ΔH)而升高淀粉糊的峰值溫度[22]，認為是由于可利用水分從淀粉中轉移到蛋白質中降低了淀粉的糊化度引起的。Mohamed等[7]也有面筋蛋蛋白降低焓變的一致的報道；Champenois等[9]研究表明面筋蛋白降低了淀粉糊和淀粉凝膠的彈性剪切模量(G')和損耗剪切模量(G")。因此，雖然研究者一致認為蛋白質影響糊化體系能量的傳遞和轉化，但影響機理尚不清楚。為深入探討蛋白的熱學特性，許多學者開展了蛋白質酶解或化學變性蛋白對糊化體系熱學特性的影響，Wang Jinshui等[23]發現木瓜蛋白酶解蛋白降低淀粉糊化體系的G'，結果與Wu等[24]發現生物谷氨酰胺轉移酶顯著增加G'和G"的影響恰好相反。原因是谷氨酰胺轉移酶是與木瓜蛋白酶的水解性質相反的聚合酶，催化蛋白質中賴氨酸上的ε-氨基和谷氨酸上的γ-羥酰胺基之間的發生結合反應，從而導致蛋白質(或多肽)之間發生共價交聯形成較大的共價聚合物，改變了蛋白質的結構，使內部的疏水性氨基酸暴露出來，增加了蛋白質的表面疏水性，同時也使蛋白質分子之間彼此連接形成空間網絡結構。本研究發現面筋增加糊化體系的糊化溫度，并認為淀粉特性及其與面筋蛋白添加量的交互作用是決定糊化溫度的主要因素，Chen Jiansheng[11]、Olkku[22]等也有一致的報道，并認為面筋蛋白通過與淀粉表面分子形成復合物，阻止了淀粉顆粒滲出物，是導致淀粉糊化溫度升高的重要原因。可見，以上研究雖然證實了面筋蛋白的分子質量、結構以及與淀粉的相互作用是影響糊化體系熱學特性的重要原因，但其機理尚不清楚，值得進一步深入研究。

4 結 論

淀粉是糊化特性的決定因素，面筋蛋白的數量和類型通過與淀粉的交互作用對淀粉糊化特性產生顯著影響。淀粉和面筋蛋白類型交互作用對峰值黏度、黏度面積、稀懈值、糊化起始時間有極顯著影響；淀粉和面筋蛋白含量的交互作用對除了糊化溫度和糊化起始時間外的其他糊化指標都有極顯著或顯著的影響；面筋蛋白類型對稀懈值影響按其降低作用大小的順序為：弱筋＞中筋＞強筋；面筋蛋白添加量對淀粉稀懈值和反彈值的影響因淀粉種類的不同呈現顯著差異。

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