發酵時間對饅頭品質及面筋蛋白結構的影響

韓紅超，李文釗*，周 航，于 磊，姜化彬，崔文進，阮美娟

（天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457）

小麥饅頭是中國的傳統主食之一，在飲食文化中占有重要地位。發酵是饅頭生產中非常關鍵的環節，它與饅頭的品質有直接的關系，因此發酵方面的研究深受人們重視[1]。發酵中產生的CO2和其他一些氣體使面團持氣，形成多孔結構，饅頭膨脹，體積增大，蒸制后饅頭松軟而有彈性[2]。面團發酵時間不同，酵母產氣量不同，面筋蛋白網絡結構的伸展性也大不相同[3]。

小麥粉中含9%～14%的蛋白質，包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白[4-5]。小麥面筋蛋白包括醇溶蛋白與麥谷蛋白，其中醇溶蛋白占小麥蛋白的40%～50%，麥谷蛋白占30%～40%。醇溶蛋白分子質量較小（約30～75 kDa），無亞基結構，由范德華力、分子間氫鍵、分子內二硫鍵及疏水鍵連結成單肽[6]。醇溶蛋白是球狀分子，表面積小，分子間作用力不強，決定了小麥面團的黏性與延伸性[7]。麥谷蛋白為纖維狀分子，含17～20 個多肽亞基，可分為高分子質量谷蛋白亞基和低分子質量谷蛋白亞基，分別占總量的10%和90%。谷蛋白亞基的N-末端重復區域存在大量的β-轉角結構，形成規則的螺旋結構，具有剛性。而非重復的C-末端區域富含α-螺旋結構，形成緊湊的結構[8-13]。

紅外光譜在研究分子中化學鍵或官能團種類方面被廣泛應用，傅里葉變換紅外光譜更是有重要應用[14-15]。戈志成[16]利用傅里葉變換紅外光譜探究濕熱-琥珀酸酐酰化改性谷朊粉的結構變化，發現琥珀酸酐處理會使部分β-轉角轉化為β-折疊結構，且α-螺旋結構減少。王金水[17]發現酶解-膜超濾改性后面筋蛋白結構明顯改變，β-折疊增加，α-螺旋/β-折疊比值下降，接枝物種α-螺旋/β-折疊比值最低。發酵是饅頭制作中很關鍵的步驟，目前國內外對饅頭發酵劑的研究較多，關于發酵條件與饅頭面筋蛋白二級結構的關系鮮見報道，本實驗利用體積儀、質構儀、傅里葉變換紅外光譜儀對饅頭品質與面筋蛋白二級結構進行測定，探究饅頭宏觀品質與面筋蛋白微觀結構之間的關系，為饅頭的新品研發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

安琪酵母 市售；小麥粉 新疆佳宏集團有限公司。

氫氧化鈉（分析純） 天津市科密歐化學試劑有限公司；乙醇（分析純） 天津市風船化學試劑科技有限公司；溴化鉀（分析純） 壽光昊翔化工有限公司。

1.2 儀器與設備

IS50FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀 賽默飛世爾科技有限公司；CF-3500發酵箱 中山卡士電器有限公司；HM740和面機 青島漢尚電器有限公司；BVM6630體積測定儀 瑞典波通公司；TA.XT. Plus質構儀 英國Stable Micro System公司；TGL-16A高速冷凍離心機 長沙平凡儀器儀表有限公司；Vizared 2.0型真空冷凍干燥機 美國VirTris公司。

1.3 方法

1.3.1 饅頭的制作

配方：小麥粉（100%）、水（依據小麥粉吸水率）、酵母（1%）。

制作方法：將小麥粉、水、酵母放入和面機中，和面10 min，在溫度35 ℃，相對濕度70%的醒發箱中分別發酵60、70、80、90、100 min。取出發酵面團切成70 g的劑子，快速成型，在溫度35 ℃、相對濕度70%的醒發箱中醒發20 min后，放入鍋內，水沸后計時蒸制20 min，取出饅頭冷卻30 min待測。

1.3.2 饅頭比容測定

使用BVM6630體積測定儀對饅頭進行測定。先開機預熱20 min，然后將冷卻后的小麥饅頭放入體積儀樣品測定區，設置儀器參數進行樣品測定，并記錄比容值，每個樣品測1 次，取6 個樣品的平均值。

1.3.3 饅頭質構測定

質構測試前將饅頭平放，用刀將饅頭從中間部位自上而下垂直切成均勻的兩部分，再分別切出表面平整的體積為2 cm×2 cm×2 cm的樣品。

使用TA.XT.Plus質構儀，選用TPA模式，P36R探頭對成品饅頭進行質構測定。每個樣品測定6 次取平均值，得到硬度、彈性、黏聚性、膠著度、咀嚼度、回復性指標。

質構測定參數：測試前速率1.0 mm/s；測試中速率1.0 mm/s；測試后速率1.0 mm/s；壓縮比50%；2 次壓縮間隔5 s。

1.3.4 饅頭脫脂處理

采用Macritchie等[18]的脫脂方法稍加修改。將小麥饅頭塊與三氯甲烷以1∶2（m/m）混合，置于磁力攪拌器上攪拌10 min，然后抽濾，重復3 次本操作。將抽濾后的饅頭塊放于通風櫥中，晾干后待用。

1.3.5 面筋蛋白的提取

1.3.5.1 醇溶蛋白的提取

參考Osborne[19]的方法稍加修改，將100 g脫脂饅頭加入1 000 mL 70%乙醇溶液，室溫條件下磁力攪拌6 h，7 000 r/min離心15 min取上清液，調節pH值到8（蛋白質等電點），取上清液在黑暗條件下靜置1 h后，7 000 r/min離心30 min取沉淀（醇溶蛋白），蒸餾水洗3 次，蛋白凍干后備用。

1.3.5.2 麥谷蛋白的提取

參考Osborne[19]的方法稍加修改，將100 g脫脂饅頭加入1 000 mL蒸餾水溶液并調節pH值到8.5，室溫條件下磁力攪拌6 h，7 000 r/min離心20 min取上清液，調節pH值到等電點，在黑暗條件下靜置1 h后，7 000 r/min離心40 min取沉淀（麥谷蛋白），蒸餾水洗3 次，蛋白凍干后備用。

1.3.6 紅外光譜檢測

1 mg凍干樣品與150 mg KBr混合均勻，迅速研磨成粉，壓片。紅外光譜在Nicolet iS50 FT-IR傅里葉變換紅外光譜儀上掃描測定，掃描波段4 000～400 cm-1，掃描次數16，分辨率為4 cm-1。

醇溶蛋白光譜和麥谷蛋白傅里葉變換紅外光譜進行基線校正、縱坐標歸一化，在酰胺I帶（1 600～1 700 cm-1）區域內進行7 點平滑，獲得二階導數譜，并設置去卷積參數：醇溶蛋白半峰寬為47.5，增強因子為3.0；麥谷蛋白半峰寬為45.5，增強因子為3.1，用高斯/洛倫茨擬合，再用二階導數擬合，多次擬合使殘差最小。根據峰面積計算各二級結構的比率。

1.4 數據處理

采用Excel 2016軟件進行數據處理和分析，SPSS 18.0軟件進行實驗數據的差異性分析，傅里葉變換紅外光譜自備Omnic 5.0軟件對紅外數據進行處理，Origin 9.0軟件繪制圖像。

2 結果與分析

2.1 發酵時間對饅頭比容的影響

圖1 發酵時間對饅頭比容的影響Fig.1 Effect of fermentation time on specif i c volume of steamed bread

從圖1可以看出，隨著發酵時間的延長，饅頭比容呈先上升后下降的趨勢，在發酵時間為90 min時達到最大值，這可能是因為發酵時間延長，面筋蛋白中形成的二硫鍵增加，面筋蛋白網絡結構伸展，面團持氣性好，但隨著發酵時間的繼續延長，面團產氣增多，超過了面筋網絡結構的延伸限度，造成塌陷，比容降低。

2.2 發酵時間對饅頭質構特性的影響

表1 發酵時間對饅頭質構特性的影響Table1 Effect of fermentation time on texture characteristics of steamed bread

由表1可知，隨著發酵時間的延長，饅頭的硬度、膠著度、咀嚼度逐漸降低，而彈性、黏聚性、回復性逐漸上升。硬度是質構儀第1次壓縮時的峰值，是評價饅頭質地非常重要的指標[20]，當發酵時間增加到80 min后，硬度降低的速度變緩慢，這時蛋白質伸展變緩慢，面筋網絡結構形成變慢。彈性表示樣品第1次被壓縮后的再恢復程度，發酵時間越長，彈性越大，可能是由于發酵時間越長，面筋蛋白網絡結構越穩定，壓縮時不易被破壞。黏聚性表示樣品經過第1次壓縮變形后所表現出來的對第2次壓縮的相對抵抗能力，指的是形成樣品形態所需內部結合力的大小，反映了樣品內部分子間或各結構要素間的結合作用的強弱，因此，也反映了樣品抵抗受損、保持自身完整性的能力，隨著發酵時間的延長，黏聚性呈上升趨勢，說明發酵時間越長，饅頭內部結合力越大，面筋網絡中氫鍵、二硫鍵的數量可能越多。

2.3 發酵時間對小麥饅頭醇溶蛋白二級結構的影響

采用高斯/洛倫茨函數擬合和二階導數處理的傅里葉變換紅外光譜酰胺I帶（Amide I，1 600～1 700 cm-1）歸屬方法[21]研究發酵時間對小麥饅頭醇溶蛋白二級結構的影響。圖2為不同發酵時間制作饅頭中醇溶蛋白的傅里葉變換紅外光譜酰胺I帶，經去卷積、二階導數處理后，酰胺I帶中的各子峰的結構歸屬見表2。

圖2 不同發酵時間饅頭醇溶蛋白的紅外光譜去卷積酰胺I帶圖譜Fig.2 Amide I bands in FTIR spectrum of gliadin as a function fermentation time

表2 不同發酵時間饅頭醇溶蛋白二級結構及相對含量Table2 Secondary structure composition of gliadin as a function of fermentation time

由表2可以看出，波數為1 617、1 628、1 685、1 695 cm-1處的吸收峰，在發酵時間延長到80 min時均發生藍移。根據各子峰占總峰面積之比為該結構相對含量計算得到不同發酵時間條件下饅頭中醇溶蛋白各二級結構的相對含量。從各結構的相對含量來看，隨著發酵時間的延長，β-折疊、α-螺旋相對含量無顯著變化，無規則卷曲逐漸減少，而β-轉角則逐漸增加。β-轉角是一種非重復性結構，是由β-轉角中第1個殘基的C＝O與第4個殘基的N—H氫鍵鍵合形成一個緊密的環，β-轉角是較為穩定的結構[22]。隨著發酵時間的延長，β-轉角相對含量增加的原因可能是饅頭的醇溶蛋白中無規則卷曲轉化為β-轉角所致，這種轉化使醇溶蛋白結構更加穩定[23]。

圖3 不同發酵時間饅頭醇溶蛋白的紅外羥基吸收帶Fig.3 Intensity of hydroxyl absorption band in FTIR spectrum of gliadin as a function of fermentation time

羥基在紅外光譜2 800～3 800 cm-1波段有伸縮振動吸收，可以用來表征樣品的水合情況。羥基帶強度越大表示樣品的水合作用越強，也就表明樣品的親水能力越強[24]。從圖3可以看出，隨著發酵時間的延長，羥基吸收帶逐漸增強，表明發酵時間越長，醇溶蛋白的水合作用越強，這可能是由于發酵時間越長，水分活度增加，更多的親水基團暴露出來[25]。

2.4 發酵時間對小麥饅頭麥谷蛋白二級結構的影響

圖4 不同發酵時間饅頭麥谷蛋白傅里葉變換紅外圖譜（A）和1 500～1 000 cm－1波段紅外圖譜（B）Fig.4 FTIR spectra in the wavenumber between 1 500 and 1 000 cm-1 of glutenin as a function of fermentation time

從圖4 A可以看出，隨著發酵時間的延長，3 500～3 300 cm-1波段的寬吸收峰強度明顯下降，表明蛋白質結合水中的O—H基團與氨基酸中的C＝O所形成的分子內或分子間的氫鍵減弱，或者O—H伸縮振動、N—H伸縮振動減弱[26]。酰胺I帶（1 700～1 600 cm-1）吸收峰有明顯變化，該峰對蛋白質二級結構變化相當敏感，該處歸屬C＝O伸縮振動[27]。圖4A中3 800～2 800 cm-1波段羥基伸縮光譜中可以得出，隨著發酵時間的延長，麥谷蛋白羥基帶強度逐漸減弱，水合作用減弱，可能是親水基團遭到破壞或者相鄰親水基團連結在一起造成的。如圖4B所示，當發酵時間延長到80 min時，位于1 082 cm-1與1 155 cm-1處的峰消失，說明發酵時間的延長可使P＝O或P—O—C對稱伸縮振動以及蛋白質環狀結構的C—C振動或者C—O—O糖苷鍵振動減弱[28]。

表3 不同發酵時間條件下饅頭中麥谷蛋白二級結構及相對含量Table3 Secondary structure composition of glutenin as a function of fermentation time

從表3可以看出，α-螺旋與無規則卷曲相對含量變化不大，β-折疊相對含量先上升后下降，而β-轉角相對含量則是先下降后上升。這可能是β-折疊與β-轉角的相互轉化。當發酵時間從60 min增加到80 min時，酵母產氣，面團膨脹，蛋白質伸展破壞了多肽鏈的反轉，使相鄰肽鏈的N—H和C＝O之間形成有規則的氫鍵即β-折疊結構，使蛋白質的二級結構更加穩定。當發酵時間超過80 min后，氫鍵遭到破壞或者氨基酸被破壞，多肽鏈反轉，形成β-轉角[29]。

2.5 饅頭宏觀指標與微觀指標相關性分析

表4 饅頭質構各指標、醇溶蛋白酰胺I帶各二級結構相對含量相關性分析Table4 Correlation analysis between texture properties and secondary structure components (curve- fi tting amide I band) of gliadin in steamed bread

為探究饅頭宏觀指標與微觀指標之間的關系，將質構各指標、醇溶蛋白酰胺I帶各二級結構相對含量進行相關性分析。利用SPSS 19.0進行相關性分析的雙側檢驗[30]，分析結果見表4。醇溶蛋白酰胺I帶無規則卷曲相對含量與質構中的彈性、咀嚼度顯著相關；無規則卷曲相對含量與質構中的膠著度、回復性極顯著相關。醇溶蛋白酰胺I帶β-轉角相對含量與質構中的硬度、膠著度顯著相關；β-轉角相對含量與彈性、黏聚性、咀嚼度有極顯著相關性。

3 結 論

隨著發酵時間的延長，饅頭比容先上升后下降，在發酵時間為90 min時比容最大；饅頭的硬度、膠著度、咀嚼度逐漸降低，而彈性、黏聚性、回復性逐漸上升。饅頭中醇溶蛋白與麥谷蛋白中β-折疊相對含量均為最高。隨著發酵時間的不斷延長，醇溶蛋白中β-折疊、α-螺旋相對含量沒有顯著性變化，無規則卷曲逐漸減少，而β-轉角則逐漸增加；羥基吸收帶逐漸增強，醇溶蛋白的水合作用越強。麥谷蛋白中α-螺旋與無規則卷曲相對含量變化不大，β-折疊呈先上升后下降的趨勢，而β-轉角則是先下降后上升；羥基帶強度逐漸減弱；當發酵時間延長到80 min時，麥谷蛋白紅外光譜位于1 082 cm-1與1 155 cm-1處的峰消失不見。從饅頭質構各指標與醇溶蛋白各二級結構相對含量相關性可以看出，宏觀指標與微觀指標之間存在一定的關系，隨著發酵時間的延長，醇溶蛋白二級結構中無規則卷曲向β-轉角轉化，結構趨向穩定有序，不易被破壞，致使饅頭彈性、黏聚性升高。發酵時間越長，醇溶蛋白水合作用越強，醇溶蛋白結合水分子后氫鍵增加，蛋白伸展，致使饅頭比容上升、硬度降低。饅頭宏觀品質與面筋蛋白微觀結構確實相互聯系，這為以后饅頭新品研發、穩定性研究提供理論依據。

[1] 王大一. 酵子制作老面饅頭特性研究[D]. 鄭州: 河南工業大學,2016.

[2] 張一. 面團發酵過程控制對饅頭品質的影響研究[D]. 長春: 吉林大學, 2011.

[3] ZHU J, HUANG S, KHAN K, et al. Relationship of protein quantity,quality and dough properties with Chinese steamed bread quality[J].Journal of Cereal Science, 2001, 33(2): 205-212. DOI∶10.1006/jcrs.2000.0358.

[4] BLOMFELDT T O, KUKTAITE R, JOHANSSON E, et al.Mechanical properties and network structure of wheat gluten foams[J]. Biomacromolecules, 2011, 12(5): 1707-1715. DOI:10.1021/bm200067f.

[5] WILLAMH K. Nightly surfactants in baked food: current practice and future trends[J]. Cereal Foods Word, 1988, 33(5): 405-412.

[6] WANG X Y, GUO X N, ZHU K X. Polymerization of wheat gluten and the changes of glutenin macropolymer (GMP) during the production of Chinese steamed bread[J]. Food Chemistry, 2016,201(15): 275-283. DOI:10.1016/j.foodchem.2016.01.072.

[7] 王怡然, 王金水, 趙謀明, 等. 小麥面筋蛋白的組成、結構和特性[J]. 食品工業科技, 2007, 28(10): 228-231. DOI:10.3969/j.issn.1002-0306.2007.10.074.

[8] 雷娜, 李夢琴, 張劍. 小麥面筋蛋白質的研究進展[J]. 糧油加工,2007(8): 111-114.

[9] 王亞平, 安艷霞. 小麥面筋蛋白組成、結構和功能特性[J]. 糧食與油脂, 2011(1): 1-4. DOI:10.3969/j.issn.1008-9578.2011.01.001.

[10] 劉天紅. 小麥HMW-GS對谷蛋白大聚體形成和面筋二級結構及顯微結構的影響[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2016.

[11] 柳小軍. 凍藏對面筋蛋白性能的影響及脫水機理研究[D]. 鄭州: 河南工業大學, 2011.

[12] 付雅麗, 王金水, 曾卓. 酶解小麥面筋蛋白及其組分功能特性研究[J]. 食品科技, 2008, 33(7): 128-131. DOI:10.3969/j.issn.1005-9989.2008.07.036.

[13] MONDHER M, BARBARA R, ABDELFATTAH B, et al.Effects of some additives on wheat gluten solubility: a structural approach[J]. Food Chemistry, 2005, 92(1): 7-15. DOI:10.1016/j.foodchem.2004.07.021.

[14] 莫春麗. 傅立葉變換紅外光譜對再生絲蛋白二級結構的表征[D].上海: 復旦大學, 2009.

[15] 王靖, 郭晨, 梁向峰, 等. 傅里葉變換紅外光譜對陰離子表面活性劑SDS與牛血清白蛋白相互作用的研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2006,36(9): 1598-1600. DOI:10.3321/j.issn:1000-0593.2006.09.008.

[16] 戈志成. 濕熱: 琥珀酸酐酰化小麥面筋蛋白的制備及應用[D]. 無錫:江南大學, 2006. DOI:10.7666/d.y9678480.

[17] 王金水. 酶解: 膜超濾改性小麥面筋蛋白功能特性研究[D]. 廣州:華南理工大學, 2007.

[18] MACRITCHIE F, GRAS P W, CSIR O. The role of flour lipids in baking[J]. Cereal Chemistry, 1973, 50: 292-302.

[19] OSBORNE T B. The protein of wheat kernel[M]. Washinton D. C.:Carnegie Institution of Washinton, 1907.

[20] 蘇靜靜, 姜小苓, 胡喜貴, 等. 影響饅頭品質的相關指標分析[J]. 麥類作物學報, 2014, 34(6): 860-867. DOI:10.7606/j.issn.1009-1041.2014.06.021.

[21] 安秀林, 李慶忠, 劉海萍, 等. 溴化十六烷基三甲基按與牛血清白蛋白相互作用的紅外光譜研究[J]. 西南師范大學學報, 2005, 30(4):699-702.

[22] 李學紅, 胡鐘毓, 陸勇, 等. 凍藏時間對麥谷蛋白和麥醇溶蛋白二級結構及面團性能的影響研究[J]. 食品工業科技, 2014, 35(1): 83-86; 97.

[23] 張海華, 朱科學, 陳曄, 等. 微波處理對小麥面筋蛋白結構的影響[J].食品科學, 2011, 32(5): 65-69.

[24] 王世新, 楊強, 李新華. 水分對冷凍小麥面團質構及面筋蛋白二級結構的影響[J]. 食品科學, 2017, 38(9): 149-155. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201709024.

[25] 張海華, 朱科學, 周惠明. 超聲波對小麥面筋蛋白結構的影響[J]. 中國農業科學, 2010, 43(22): 4687-4693. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2010.22.016.

[26] 李娟, 劉國琴, 陳潔. 殼聚糖-醋酸改性對小麥面筋蛋白溶解度的影響及蛋白質二級結構的分析研究[J]. 河南工業大學學報(自然科學版), 2012, 35(5): 15-20.

[27] SONG G S, HU S Q, LI L. Effect of ultrasound-assisted freezing on changes in protein secondary structure studied by Fourier transform infrared spectroscopy[J]. 陜西科技大學學報(自然科學版), 2008,26(3): 132-137. DOI:10.3969/j.issn.1000-5811.2008.03.031.

[28] 劉燕燕, 曾新安, 陳曉東. FTIR分析脈沖電場和熱處理后的大豆分離蛋白結構變化[J]. 光譜學與光譜分析, 2010, 30(9): 2340-2344.DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2010)09-2340-05.

[29] 唐傳核, 馬正勇. 采用FTIR技術研究高壓處理對凍干大豆分離蛋白構象的影響[J]. 光譜學與光譜分析, 2009, 29(5): 1237-1240.DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2009)05-1237-04.

[30] 何承云. 核磁共振及成像技術在饅頭加工與儲藏過程中的研究[D].南昌: 南昌大學, 2006. DOI:10.7666/d.y928923.