改性小麥蛋白的研究進展

張士凱 賈朝爽 張啟月 吳 澎 李向陽

(山東農業大學食品科學與工程學院；山東省高校食品加工技術與質量控制重點實驗室，泰安 271018)

小麥起源于亞洲西部，為單子葉植物，其播種面積大，種植范圍廣，是我國北方主要的糧食作物[1]。小麥蛋白質含量豐富，是人體蛋白質的主要來源。小麥蛋白經改性處理后可以在多個領域應用，增加了小麥蛋白的利用價值與發展空間，直接或間接影響著小麥的商業價值[2]。因此加強小麥蛋白質改性研究對擴大小麥蛋白的應用范圍有著重大意義[3]。

1 小麥蛋白質改性技術研究

隨著對小麥蛋白研究的深入，小麥蛋白在多個領域的研究已逐漸出現在公眾視野。如何擴大小麥蛋白在非食品領域的應用范圍，發揮其應有的作用，就迫切需要小麥蛋白質改性技術的研究，改善小麥蛋白品質及相應功能，獲得具有專一特性的小麥蛋白，進而達到其目的[4]。常用的改性方法為物理改性、化學改性、生物改性和復合改性等，幾種改性方式都有利弊(見表1)，通過了解小麥蛋白界面特性對其進行改性處理也是目前研究熱門之一。

表1 幾種小麥蛋白改性方式比較

1.1 物理改性

物理改性是利用機械處理、超高壓、超聲波、電輻射、冷凍、超微粉碎等物理方式改變食品中蛋白質空間結構與理化特性的方法，通常不會改變蛋白質一級結構，其耗時短、功耗低、節約成本、對食品無毒害，可明顯改善小麥蛋白質的溶解性、起泡性及乳化性質等功能特性。超微粉碎技術是利用機械等方式打破固體內部作用力而使固體物料破碎的技術，可使固體物料直徑低至1μm左右，達到超細粉水平的一種方法[5]，程敏等[6]以小麥為原料，借助超微粉碎技術進行處理，研究粉碎前后小麥面筋蛋白溶解度、乳化性質、性能變化發現，隨著粒度減小，小麥面筋蛋白乳化性質明顯改善，泡沫穩定性更好，蛋白質溶解度顯著提高，巰基含量明顯下降，猜測小麥面筋蛋白溶解度、起泡性、乳化性等性能變化是因為處理過程中巰基氧化產生二硫鍵，從而達到改善小麥面筋蛋白綜合品質的目的；WANG等[7]通過圓二色譜法試驗與微量摻粉試驗研究凍藏對小麥蛋白的影響發現，對于面制品蛋白質二級結構，凍藏后發生解聚現象，網狀結構變得疏松，網絡結構強度與流變學性能隨著時間增加發生下降，面筋蛋白相對分子質量下降，熱穩定性下降，自由氨基無明顯變化，自由巰基增加，推斷面筋蛋白相對分子質量下降與二硫鍵的斷裂導致的大分子蛋白解聚有關[8];劉國琴等[9]通過研究動態高壓微射流(DHPM)對小麥蛋白的影響發現，微射流可以增加小麥蛋白的溶解度，經處理后乳化性能和動態流變特性都顯著提高，經過SDS-PAGE及DSC圖譜分析[10]，發現小麥蛋白直徑減小，大分子質量亞基被分解成為小分子亞基，使空間變得緊湊，進而影響了小麥蛋白的溶解度、起泡性及乳化性能;王維軍等[11]探討了光量子對小麥蛋白質影響機制，表明光量子可有效的防止小麥蛋白在貯藏過程中溶解度、乳化性等性能的下降，保證了小麥蛋白的功能性質；黃薇等[12]研究了超高壓對小麥蛋白質影響，實驗顯示面筋蛋白溶解度與壓力的升高呈正相關，在200～400MPa范圍內，面筋蛋白起泡性能得到明顯改善，但當壓力大于600MPa時則相反，乳化性質隨著壓力升高呈先提升后降低的趨勢，還可有效的提高小麥蛋白的消化性; 錢建亞等[13]發現臭氧可降低小麥蛋白界面張力，改變面筋蛋白流變學特性，使其溶解度、持水力等性能得到顯著提高。小麥蛋白物理改性研究目前很多，正逐漸深入，相信在未來小麥在其他領域的應用中會起到關鍵作用。

1.2 化學改性

化學改性是通過化學方式處理蛋白質使其內部基團及多肽鏈發生斷裂或聚合反應，而使蛋白質空間結構、理化特性等發生明顯變化，達到定向改造蛋白質功能特性的目的。目前常利用磷酸化作用、水解作用、酰化作用、糖基化作用等對小麥蛋白進行化學改性處理。馬慶保等[14]綜述了小麥蛋白經三聚磷酸銨處理后的變化，經磷酸化后小麥蛋白成為一種高乳化性能的蛋白；姜力鳳等[15]通過粒度儀分析發現，亞硫酸鈉用于小麥蛋白后，蛋白質分子中二硫鍵斷裂形成游離巰基，蛋白結構變得疏松，二硫鍵斷裂導致蛋白質顆粒變小，比表面積值增大，無法交聯到一塊，從而破壞其三級結構；龔本前等[16]研究發現，乳化劑對不同加工過程的面制品產生不同效果，和面階段增強面團彈性和柔韌性，醒發階段加快酵母菌發酵和提高面團保留氣體能力，蒸制烘烤階段高面制品抗老化能力，從而改善小麥制品品質；任順成等[17]采用熒光光譜法證實了蘆丁和槲皮素對小麥蛋白的熒光猝滅作用； 張德欣等[18]確定了鹽酸處理小麥蛋白的最佳工藝條件，即在65℃環境下，鹽酸：8%谷朊粉為3.5∶100時，鹽酸可顯著提高小麥蛋白溶解性等理化性能。雖然化學改性易于操作，成果顯著，但是其產生很多毒副作用會影響食品安全性[19]。

1.3 生物改性

生物法目前主要用酶進行改性，酶法改性是蛋白酶在適宜的條件下對蛋白質進行催化水解從而使蛋白質分子結構功能及性質發生改變的方式，其具有效率高、無毒副產物產生，過程易控等優勢，酶法改性可賦予酶解產物多種功能，如降血壓、抗氧化、抗疲勞、提高免疫等[20]。酶法改性主要有脫酰胺改性、酶法水解和酶交聯改性三種[21]，其中酶交聯改性技術運用最為廣泛，能有效改善蛋白質結構功能。有學者分別用胃蛋白酶、胰蛋白酶、堿性蛋白酶對小麥蛋白進行處理[22]，發現小麥蛋白水解度和消化率均明顯提高，其中堿性蛋白酶效果最為顯著，后經過SDS-PAGE及DSC圖譜分析發現隨著水解度的提高，小分子多肽含量也逐漸升高[23]。利用酶對小麥蛋白進行改性有著天然的優勢，對擴大小麥蛋白應用范圍提供了良好基礎。

1.4 復合改性

復合改性就是根據實際情況將幾種改性方法結合到一起對蛋白進行改性的方式，可以整合各種改性方式的優缺點，使其優勢互補，從而能到達更好的改性效果[24]。對小麥蛋白進行物理改性時，往往會因為熱變性而導致膜抗張強度降低，如果把酶法改性與物理改性結合運用，可以通過真菌發酵將小麥蛋白多肽的肽鍵打斷，增強小麥蛋白溶解性，從而改善物理改性中小麥蛋白乳化性與溶解性不足的劣勢[25]。小麥蛋白復合改性具有幾種改性方式獨特的優勢，又可以避其劣勢，可達到一舉多得效果，在未來肯定會得到越來越多的應用。

1.5 利用小麥蛋白界面特性進行改性

Tschoegl等[26]研究發現小麥蛋白質薄膜穩定，耐壓。之后小麥粉蛋白質界面特性研究少之又少。目前所掌握的蛋白質功能技術很多是由經驗判斷的，隨著基因工程和植物育種技術發展，人們可以在分子基因水平上將蛋白質化學性質與其功能相聯系，進一步對其進行定向改性，得到理想的改性蛋白多肽[27]。小麥主要表面活性成分是蛋白質，占7%～20%。蛋白質分子上的幾個基團可以同時與界面發生相互作用，如果蛋白質在相互作用時未發生折疊，熵值則會增加，在小麥粉蛋白質界面處產生吸附的驅動力，可進一步穩定薄膜，產生動力學穩定的蛋白質界面層[28]。小麥蛋白質界面特性的研究主要運用表面膜平衡技術，經顯微鏡觀察發現，小麥蛋白粉粒在加熱加壓的條件下界面特性發生了奇特變化，其氣-液界面總面積增加，疏水基團和游離巰基也暴露出來；小麥蛋白在此處理下會產生原纖維，形成的原纖維氨基酸組成與谷蛋白氨基酸組成相似，并且該過程在暴露在空氣后立即發生，并在5s內完成[29]。理解小麥蛋白界面性質及在高溫下的界面變化并將其運用在改性研究中將更有利于小麥蛋白利用的全面發展，但由于難以獲得純凈、完整的小麥蛋白，在此方向的研究受到了重重阻礙，通過技術與設備的發展改善，利用研究小麥粉蛋白質表面特性進一步加大對小麥蛋白質的認識受到科學界青睞，具有廣大前景與挑戰[30]。

表2 改性小麥蛋白多領域應用

2 改性小麥蛋白應用領域研究

隨著科學技術進步及研究的加深，小麥蛋白在多個領域的研究利用也得以發展。通過物理、化學和酶對小麥蛋白進行改性，可以得到不同功能性質的蛋白產物，在很多領域中也發揮著重要作用(見表2)，極大豐富了小麥蛋白質的可利用價值。

2.1 小麥蛋白質在某些疾病中作為靶抗原

2.1.1兒童自閉癥

自閉癥譜系障礙是一種由神經免疫基因遺傳或環境因素如感染、有毒化學物質等造成的疾病，臨床表現為社會交往障礙、交流障礙、興趣狹窄、刻板重復的行為方式、智力低下等癥狀[31]。近期研究發現小麥蛋白可作為兒童自閉癥的靶抗原，Aristo Vojdani等[32]檢測兒童自閉癥中抗醇溶蛋白的抗體，對其血液樣本分析顯示，大多數患病兒童產生了抗α-醇溶蛋白33-肽的IgG和IgA抗體;后對48例兒童ASD患者血清中的谷蛋白和非面筋蛋白IgG和IgA抗體進行檢測，數據分析表明[33]，48份樣品中有16份(約33%)與小麥蛋白和α-醇溶蛋白33-肽的混合物產生強烈的反應，12份(約25%)的樣本與抗面筋蛋白的IgG反應，IGA對小麥蛋白質混合物的免疫反應性最強，其次是CXCR3結合的醇溶蛋白，驗證了小麥蛋白可作為兒童自閉癥中靶抗原的作用。

2.1.2克羅恩癥

克羅恩病是一種發病原因不清楚的炎癥性腸道病，經常發病于回腸末端，臨床表現為腹痛、腹瀉、發燒等癥狀，該病目前無法根治，易復發，因此如何快速檢測該疾病受到關注。有人用ELISA法測定克羅恩病患者血清中谷蛋白和非面筋蛋白的IgG和IgA抗體發現[34]，對于IgG抗體，在OD值為0.5時，約有46%的樣品與小麥蛋白混合物反應，約有38%樣品與面筋蛋白和非面筋蛋白都有很強的反應，與IgG相比，克羅恩病患者IgA陽性標本的檢出率要低得多，其中面筋蛋白CXCR3結合的醇溶蛋白肽最強[35]。小麥蛋白在此領域的研究，為快速檢測該疾病提供了一種全新思路。

2.1.3乳糜瀉

乳糜瀉又名麥膠性腸病，是因人體對麥膠不耐受而引起的原發腸源性吸收不良綜合征，患病者在大便時排出過多脂肪，出現營養不良、體重變輕并伴有發燒、水腫等癥狀，嚴重可誘發骨質疏松或腸道惡性腫瘤等疾病。由于克羅恩病和CD之間存在一些癥狀學重疊，Huebener等[36]對克羅恩病患者的血清應用針對各種小麥抗原和相關肽的IgG和IgA測量，檢查對非面筋蛋白的免疫反應的可能性，而不是對面筋蛋白的免疫反應，與健康對照相比，發現克羅恩病患者血清中的IgG抗體在38%的測試樣本中對來自谷蛋白和非谷蛋白的抗原高度升高，IgA抗體對谷蛋白和非谷蛋白的反應性也都很強。Siniscalco等[37]檢測腹腔病患者血清中抗面筋蛋白和非面筋蛋白的IgG和IgA抗體發現，OD值在一定范圍內時，IgG抗體對CXCR3結合的醇溶蛋白肽的反應性最強，其次是小麥蛋白和絲氨酸的混合物，大多數樣品對面筋和非面筋蛋白都有較強的反應。通過檢測抗小麥蛋白的IgG或IgA抗體，為乳糜瀉患者小麥免疫反應的檢測提供了最靈敏的方法。

2.2 小麥蛋白在化妝品中應用

水解小麥蛋白因其保水性而被廣泛運用于化妝品中，小麥蛋白通過木瓜蛋白酶等酶或者酸堿水解后得到最終產品為25%的小麥水解溶液[38]。水解小麥蛋白性質溫和，無刺激，對皮膚親和性強，過敏性皮膚也可使用，可作為皮膚和頭發調理劑[39]。小麥水解蛋白近些年在化妝品中的報道很多，達到1077篇，其中一半應用于非染發產品[40]。日本一家公司已經嘗試將噴霧護膚品和皮膚清新劑中加入小麥水解蛋白[41]。水解小麥蛋白應用于化妝品中會引起一些人群過敏反應和蕁麻疹，國外一項研究比較了16名接觸性過敏反應患者發現[42]，16名患者都使用了同一款含有水解小麥蛋白的香皂，皮膚點刺試驗顯示，0.1%的肥皂溶液在生理鹽水中和0.1%的水解小麥蛋白在生理鹽水中呈陽性反應。但是，因化妝品中小麥蛋白而引起的蕁麻疹并不常見[43]。關于小麥蛋白在化妝品中的應用在積極的探索中，相信逐步會有更深的認識。

2.3 小麥蛋白對人體胃腸的保護作用

腸胃病在我們生活中很常見，越來越多的人受到此病的折磨，特別是在中老年人群中更為多見，如治療不及時甚至有可能發展為癌癥，典型的腸胃病如胃潰瘍、慢性腸炎、胃出血、胃穿孔等[44]。小麥蛋白經酶或酸堿水解后得到的水解小麥蛋白肽具有免疫活性、抑制癌變和抑制肽基二肽酶A活性等功效[45]。腸上皮層是由一層上皮細胞組成的物理生化屏障，它決定了腸組織和外部環境之間的邊界，完整的腸上皮層能起到最好保護效果，腸杯狀細胞是一種特殊的分泌細胞，位于上皮層，它們負責粘蛋白的產生，這可以防止大顆粒和細菌侵入上皮細胞層，Carmela等[46]對照普通面包與小麥水解肽面包對人體腸上皮層腸杯狀細胞的分泌影響，通過跨上皮電阻(TEER)測量評估細胞單層的屏障功能發現，小麥蛋白肽增加了黏蛋白的分泌，鑒于腸道微生物也可調節杯狀細胞功能和腸粘液層，推斷腸上皮粘液的產生不僅與小麥蛋白肽本身的直接作用有關，還可能是由小麥蛋白肽調節引起的腸道微生物學調節的結果；楊賢等[47]通過小鼠實驗發現，小麥活性肽能明顯改善小鼠酒精性胃黏膜損傷，提高小鼠腸胃消化吸收能力，促進胃腸上皮細胞生長，能夠起到腸胃保護作用。小麥蛋白肽對腸胃的調節保護機制逐漸受到大眾關注，相信在不遠的將來一定會有突飛的進展。

2.4 小麥粉蛋白肽促酸奶發酵

酸奶營養價值高，風味獨特，具有保健功效，越來越受到大眾青睞。近些年發現小麥蛋白肽可以替代部分牛乳蛋白進行發酵，此發現擴大了小麥蛋白應用領域。廖蘭等[48]將小麥經蛋白酶酶解得到小麥蛋白肽，研究其促發酵機理。通過感官評定，發現經三種酶處理的小麥蛋白肽均能有效的促進酸奶發酵，酶解時間越長，促進發酵效果越好，到達發酵終點時間越短，且成品酸奶酸度處于正常范圍，這是因為小麥蛋白肽增加了發酵奶中游離氨基酸與肽的含量，增強了發酵劑繁殖與產酸能力；徐鑫等[49]在小麥促發酵實驗對小麥蛋白不同分子肽段樣品進行超濾，發現各質量段的肽都具備較好的促發酵能力，但是不同質量段的肽促發酵能力差別較明顯，分子質量段越小的肽促發酵能力越強。

2.5 小麥蛋白質澄清作用

果酒是以水果為原料發酵而成，受到廣大人們喜愛。但是在其加工、運輸、貯藏中經常發生渾濁，嚴重影響果酒感官品質。果酒發生渾濁主要是因為多酚類化合物與蛋白質結合形成大分子聚合物，目前常用皂土、明膠等作為果酒加工過程中的沉淀劑，但存在諸多問題:皂土在果酒生產中能起到澄清作用，當用量過大時，澄清效果明顯但口感下降；明膠對人體存在著安全風險[50]。有研究表明小麥蛋白質運用在果酒加工中，降低了果酒中飄絮物含量，具有澄清作用，并且成本低，無毒無害，對人體沒有任何安全風險[51]。黃惠華等[52]以葡萄酒為樣品對小麥蛋白澄清作用展開研究，提出了果酒、果汁發生渾濁是蛋白質與多酚物質相互作用引起的；有學者分別用大豆蛋白、扁豆蛋白、小麥蛋白處理渾濁葡萄酒，結果顯示小麥蛋白澄清效果較好[53]；用經脫醇溶蛋白后的小麥粉制備小麥澄清蛋白[54]，做果酒澄清實驗，驗證了果酒發生渾濁是因為酒體中多酚類化合物與蛋白質結合成大分子化合物。以制備的小麥澄清蛋白作為果酒澄清劑，具有安全、無害、來源廣、成本低，澄清效率高等優點，可以最大程度保持果酒品質，是澄清果酒很好的選擇。

2.6 小麥蛋白作為可食用包裝膜

小麥蛋白具有良好的延展性與薄膜成型性，其價格低廉，可降解、無任何污染，滿足社會對保護環境的需求，可廣泛運用在鮮果產品包裝、肉產品包裝以及各種油炸類食品等[55]。對小麥面筋蛋白進行酸堿處理，使其亞基解離，暴露出疏水基團，再通過疏水鍵、二硫鍵相互作用使其形成立體網絡結構，在適當條件下即可得到可食用膜[56]。但是其機械強度差，阻水性能較弱，容易發生破裂現象，在實際生產運用中受到很大限制，很難達到工業化生產標準和實際商業運用規模。叢旭等[57]以方便面內調料包為模型設計制作小麥蛋白膜包裝實驗，研究了pH、蛋白質含量、乙醇體積分數對小麥面筋蛋白膜性能的影響，發現當蛋白質含量為10.70%、pH為11.25、乙醇體積分數為56.70%左右時，小麥面筋蛋白可食用膜性能最高，在保藏45d后，模擬方便面粉包與蔬菜包均外觀完整、無破損，酸價等指標都符合國家標準要求，這也為小麥蛋白為原料制作可食用包裝方案提供了基礎。

3 小結

國內外對于小麥蛋白質的研究已經較為廣泛和深入，尤其是關于小麥蛋白質與小麥制品品質的關系，但是關于小麥粉蛋白質界面特性研究較少；小麥蛋白質其他領域的發展提高了小麥利用率，增加了商業價值，但是目前對于小麥蛋白一些改性機理研究還不夠深入。今后應加大對小麥蛋白質界面特性的研究，利用其界面特性加深對小麥蛋白質改性的理解；尋找多種處理小麥的改性方式，加強對小麥蛋白在多個領域的機理研究，擴大小麥的應用范圍，增大小麥商業價值以獲得最大經濟利益。