膳食纖維與阿魏酸復配對面團和面筋蛋白性質的影響

王紅娜，曹欣然，黃蓮燕，張慧娟*，劉英麗，王 靜

（北京工商大學 北京食品營養與人類健康高精尖創新中心，北京市食品添加劑工程技術研究中心，北京 100048）

膳食纖維（dietary fiber，DF）被稱為“第七大營養素”，雖不能被人體小腸消化吸收，但對高血壓、糖尿病及肥胖等病癥有明顯的預防作用[1-2]。有研究表明，DF具有極強的吸水能力，可吸水膨脹并促進胃腸道的蠕動，改善便秘；DF還可被大腸中的微生物利用，減少腸道中的腸毒素，保護腸道健康[3]。

阿魏酸（ferulic acid，FA）存在于谷物糊粉層和果皮中，是小麥麩皮的主要酚酸（0.5%～0.7%），具有良好的抗氧化性、抗炎、抗血栓和抗癌活性[4-5]。谷物中大部分FA以結合態存在，通過酯鍵與阿拉伯木聚糖側鏈的阿拉伯糖殘基連接；另一小部分FA以游離態存在[6]。Masuda等[7]研究發現谷物阿魏酰低聚糖的體外抗氧化潛能比游離的FA更強，FA與DF的交聯及相互作用增強了FA的功能活性。

將DF和FA添加到面粉中有助于提高面制品的健康益處，但是DF和FA的加入會對面粉的加工特性和產品品質造成影響。研究[8-9]發現DF會使面團的吸水率增加、面包變硬、面包體積減小。Koh等[10]研究發現，面粉中FA的添加給面團的流變學特性和面包品質帶來不利的影響，降低了面團的混合耐受性和面包體積。面團流變學特性及面制品品質與面筋的網絡結構密切相關，強化面筋網絡結構的成分對面團流變學特性和面制品品質具有改善作用，而破壞面筋網絡結構的成分則起到劣化作用[11]。但是，當前研究集中在DF對面團及面制品的影響，關于FA與DF共同作用對面筋蛋白的影響這一機理研究較少。因此，研究DF和FA及二者共同作用對面筋蛋白性質的影響具有重要意義。

本實驗研究DF、FA單一及復配添加對面團流變學及面筋蛋白結構和性質的影響，探究DF、FA及二者共同作用對面團及面筋蛋白性質的影響，以期從機理上進一步解釋DF和FA對面粉及面制品造成的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高筋小麥粉 市購；水不溶性DF 波蘭Inter Fiber公司；FA、鹽酸、三羥甲基氨基甲烷、丙酮、冰醋酸、異丙醇、5,5’-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)、甲基硅油（黏度≥100 mPa·s） 北京半夏科技發展有限公司；二硫糖醇 北京百靈威科技有限公司；二硫糖醇還原液：用80 mmol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.5）配制濃度為40 mmol/L的二硫糖醇溶液；Ellman's試劑：異丙醇、250 mmol/L Tris-HCl緩沖液（pH 8.5）、4 g/L 5,5’-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)按體積比為5∶5∶1配制而成。所用化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JA5003電子天平 上海精密科學儀器有限公司；S-3000N掃描電子顯微鏡、CR22N高速離心機 日本Hitachi公司；SHZ-82A恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司；Free Zone?真空冷凍干燥機 美國Labconco公司；DHR-2混合型流變儀 美國TA儀器公司；Mixolab谷物綜合特性測定儀 法國Chopin公司；Cary 100紫外分光光度計 安捷倫科技（中國）有限公司；TGA 8000熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）儀珀金埃爾默企業管理（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 混合粉制備

準確稱量高筋小麥粉、DF、FA，分別配制如下3 組混合粉，各組混合粉置于4 ℃冰箱待用。1）DF組：DF質量分數分別為3%、6%、9%、12%的混合粉[12]；2）FA組：FA質量分數分別為1%、2%、3%、4%的混合粉[13]；3）復配組：a. 2% FA和6% DF組；b. 3% FA＋9% DF組[14]。

1.3.2 面團熱機械學特性的測定

谷物綜合測定儀可用于研究面團的熱機械學特性，通過測定兩個揉捏臂之間面團的扭矩，從而研究在加熱和冷卻過程中面團中蛋白質和淀粉的性質[15]。混合實驗儀設定參數：首先使面團扭矩達到1.1 N·m，30 ℃恒溫8 min后以4 ℃/min的升溫速率升溫至90 ℃，保持7 min后以4 ℃/min降溫速率冷卻至50 ℃，保持5 min，整個過程面團攪拌速率保持在80 r/min。

1.3.3 面筋蛋白的制備

參照Day等[16]的方法稍作修改。稱量25 g混合粉加入15 mL蒸餾水揉捏成均勻的面團，面團用塑料薄膜包裹靜置30 min，使蛋白質充分作用更好地形成面筋蛋白。然后使用蒸餾水洗滌至洗出的清水遇碘不變藍，所剩余物質即為濕面筋蛋白，各組樣品重復3 次。濕面筋蛋白一部分立即用于濕面筋蛋白動態流變學性質的測定；其余濕面筋蛋白進行真空冷凍干燥得到干面筋蛋白，取部分面筋蛋白進行掃描電子顯微鏡測試，剩余部分干面筋蛋白用粉碎機粉碎過篩，制得面筋蛋白粉，于－4 ℃冰箱中保存備用。

1.3.4 濕面筋蛋白動態流變性質的測定

參照文獻[17]的方法，利用動態流變儀進行濕面筋蛋白動態流變學性質研究。取1.3.3節中制得的濕面筋蛋白中心部位4 g左右蛋白質，揉成小球，放在動態流變儀的底盤中心，調整上平板與下平板間距，滴加甲基硅油密封。為使加樣過程中受到破壞的面筋蛋白結構恢復，樣品在測量開始前應在平行板上穩定6 min。設定應力掃描測量參數和頻率掃描測量參數，測定彈性模量（G’）、黏性模量（G”）隨頻率的變化。

1.3.5 面筋蛋白熱性質的測定

差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）根據Wang Pei等[18]的方法稍作修改。以一個空盤為參照，在鋁盤中稱取3 mg左右1.3.3節中制得的面筋蛋白，在40 mL/min的氮氣環境下，以5 ℃/min的升溫速率從25 ℃加熱至130 ℃。使用TA60軟件分析獲得蛋白熱變性溫度（Tp）和焓值（ΔH）。

TGA參照Nawrocka等[12]的方法稍作修改。稱取10 mg左右的1.3.3節中制得的面筋蛋白粉，由50 ℃升溫至900 ℃，升溫速率為20 ℃/min，得到TGA曲線，采用Pyris軟件進行分析，計算各面筋蛋白的熱降解溫度（Td）及600 ℃時的質量損失率。

1.3.6 游離巰基、總巰基和二硫鍵含量的測定

游離巰基含量的測定[17]：取40 mg面筋蛋白粉加入5.5 mL Ellman's試劑，6 000 r/min離心15 min，在412 nm波長處測定吸光度。

總巰基含量的測定：取40 mg面筋蛋白粉加入二硫糖醇還原液，60 ℃反應2 h后，加入3 mL 100 mmol/L的冰醋酸-丙酮溶液終止反應，4 ℃、6 000 r/min離心10 min，用3 mL 100 mmol/L的冰醋酸-丙酮溶液洗滌沉淀，離心，沉淀用Ellman's試劑溶解，412 nm波長處測定吸光度。

總巰基、游離巰基和二硫鍵含量[17]按公式（1）～（4）計算：

式中：A為樣品在412 nm波長處的吸光度；ε為消光系數（13 600 L/（mol·cm））；b為比色皿厚度（1 cm）；C1、C2分別為樣品的總巰基和游離巰基濃度/（μmol/mL）；V1、V2分別為樣品測定總巰基和游離巰基時樣品總體積/mL；M為樣品質量/g。

1.3.7 面筋蛋白微觀結構觀察

參照Gómez等[19]的方法稍作修改。將1.3.3節中冷凍干燥所得的面筋蛋白用小錘破裂，取內表面較平整的樣品塊用導電銀膠粘到掃描電子顯微鏡樣品臺上，將樣品臺放入噴金儀中進行噴金。將處理好的樣品立即放入電鏡載物腔內抽真空加壓，放大倍數800 倍拍照。

1.4 數據處理

設定3 次平行實驗，結果用 ±s表示，并采用Excel 2007和SPSS Statistics 22進行數據處理和分析，P＜0.05，差異顯著。

2 結果與分析

2.1 DF與FA復配對面團熱機械學特性的影響

表1 DF、FA對面團熱機械學特性的影響Table 1 Effects of addition of DF and/or FA on the thermomechanical properties of dough

如表1所示，添加DF后，面團的吸水率與對照組相比顯著增加了2.36%～7.76%，這可能是因為DF含有大量的羥基，具有較強的持水能力，從而增強了面團的吸水率[20]。FA組混合粉面團的吸水率與對照組相比無顯著性變化，而DF和FA復配后面團的吸水率均低于單獨添加等量DF時的面團。面團的形成時間反映面筋蛋白三維網絡形成的速率。與對照組相比，DF組的面團形成時間顯著增加了18.15%～69.18%，且隨DF添加量的增加而延長。李娟等[21]認為阿拉伯木聚糖會吸附在小麥面筋上從而抑制小麥面筋蛋白網絡結構的形成。錢建亞等[22]研究也發現在面粉中添加米糠不溶性DF使面團形成時間延長，可能是因為DF影響體系中水分的分布，使面筋的吸水速率減慢，導致形成時間延長。FA組面團形成時間與對照組差異并不顯著；但當FA與DF復配添加時，面團的形成時間顯著低于添加等量DF。牟振坤等[23]研究發現DF可與FA的酚羥基發生交聯，這種交聯作用會降低DF吸水基團的數量，從而降低DF的吸水性并減弱DF與面筋蛋白競爭水分的能力。

穩定時間反映面團的耐剪切能力，面團的穩定時間越長，面團耐滾揉能力越強。添加DF使面團的穩定時間顯著增加，且隨著DF由3%～12%，面團的穩定時間由5.94～8.83 min，顯著增加，這與陶顏娟等[24]的研究結果一致。與對照組相比，FA顯著降低面團的穩定時間，這與Jackson等[25]的研究結果一致，Labat等[26]認為FA在面團滾揉過程中會與面筋蛋白發生相互作用，弱化面團。DF和FA復配添加時，面團的穩定時間介于單獨添加等量DF和FA之間。

黏度崩解值反映了面團中淀粉的破損程度及糊化穩定性，黏度崩解值越大，淀粉破損程度越大或糊化穩定性越弱。與對照組相比，DF使面團的黏度崩解值顯著增加了61.11%～283.33%，且黏度崩解值與DF添加量正相關，Brennan等[27]的研究表明DF會影響淀粉的結構，進而影響淀粉的糊化性質。FA對面團黏度崩解值影響并不顯著，而2% FA＋6% DF組面團的黏度崩解值接近對照組，3% FA＋9% DF組顯著高于對照組，這表明適當添加FA可改善DF對淀粉結構的破壞。有研究表明，FA可與DF和面筋蛋白交聯從而限制DF對淀粉分子的破壞作用[23]。

回生現象是面團中淀粉糊化后冷卻過程中淀粉分子重結晶的過程，回生值越大說明面團中淀粉分子重結晶程度越大，形成凝膠的能力越強。低含量的DF使面團回生值增加，高含量的DF使面團回生值降低；與對照組相比，FA使面團的回生值顯著增加了90.48%～97.62%，這表明DF和FA均會影響淀粉分子的晶體結構。復配組中2% FA＋6% DF組面團的回生值顯著高于對照組，而3% FA＋9% DF組與對照組類似。Han等[28]推測FA不僅會直接與淀粉分子發生相互作用，還會影響DF對淀粉的作用。以上實驗結果表明，DF顯著影響了面團的熱機械學特性，而適當的添加FA能夠削弱DF對面團熱機械學特性產生的影響。

2.2 DF與FA復配對面筋蛋白動態流變特性的影響

面筋蛋白的動態流變學特性與面團加工特性及面制品品質密切相關。G’為物料在發生形變后恢復原始形狀的能力，表征物料的彈性特征；G”為物料耗散變形能量的能力，表征物料的黏性特征；G”與G’的比值tanδ反映物料的黏彈性特征，tanδ大于1時物料具有類似于流體或黏性的性質，tanδ小于1時說明物料的性質類似于固體[29]。

圖1 DF、FA對面筋蛋白動態流變特性的影響Fig. 1 Effects of addition of DF and/or FA on the viscoelastic modulus of gluten

由圖1a、b可知，所有組別樣品的G’、G”隨著掃描頻率的增加而增大，G”均小于G’，表明面筋蛋白的流變學性質類似于固體，這與Khatkar等[30]的研究結果一致。DF組中面筋蛋白的G’、G”顯著高于對照組，且隨著DF添加量的增加而增大，DF的添加使面筋蛋白的黏性和彈性均得到增強，面筋蛋白的凝膠性質加強。馬福敏等[31]也發現阿拉伯木聚糖可顯著提高面筋蛋白的黏彈性。與對照組相比，FA組和復配組均使得面筋蛋白的G’、G”增大，其中，3% FA＋9% DF組面筋蛋白具有最大的G’、G”。

掃描頻率10 Hz下不同含量DF、FA面筋蛋白的tanδ變化曲線見圖1c。DF的添加使面筋蛋白的tanδ值呈下降趨勢，并顯著低于對照組，表明隨著DF添加量的增加，面筋蛋白固體性質增強。FA組、2% FA＋6% DF組面筋蛋白的tanδ值與對照組無顯著差異，而3% FA＋9% DF組面筋蛋白的tanδ值顯著低于對照組，表明適當添加FA可以抵消單獨添加DF時對面筋蛋白的固體性質影響，保護面筋蛋白的性質。Wang Mingwei等[32]也發現FA可介導阿拉伯木聚糖與面筋蛋白的交聯，阿拉伯木聚糖還可與面筋蛋白發生物理吸附，這些相互作用直接影響面筋蛋白凝聚狀態。由面筋蛋白動態流變學結果可知，DF、FA的添加會增強面筋蛋白的黏彈性，適當添加FA可改善DF單獨添加對面筋蛋白固體性質造成的影響。

2.3 DF與FA復配對面筋蛋白熱力學性質的影響

圖2 DF、FA對面筋蛋白DSC的影響Fig. 2 Effects of addition of DF or/and FA on the DSC of gluten

表2 DF、FA添加量對面筋蛋白熱性質的影響Table 2 Effects of addition of DF and/or FA on the thermodynamic properties of gluten

面筋蛋白的熱力學性質是反映面筋強度的重要特性，DSC分析和TGA可用于分析面筋蛋白的熱力學性質。圖2是面筋蛋白DSC分析結果，在程序升溫下，面筋蛋白在50～70 ℃發生熱變性。由表2可知，對照組的Tp（69.97 ℃）和ΔH（104.46 J/g）最高，DF組和FA組面筋蛋白的Tp和ΔH顯著低于對照組，且隨DF、FA添加量的增加而降低；2% FA＋6% DF組、3% FA＋9% DF組面筋蛋白的Tp值與對照組相比分別下降了11.81 ℃和13.77 ℃，然而其ΔH與對照組相比無顯著性差異。Tp用于評價材料分子流動性和水化程度，當某種材料解聚時，其熱變性溫度將降低；反之，當某種材料聚集時，其熱變性溫度將增大[17,33]。Roudaut等[34]的研究也表明當物質交聯時，其分子內的氫鍵、范德華力增加，分子流動性受到限制，物質的Tp值增大，反之降低。DF組、FA組及復配組面筋蛋白的Tp均顯著低于對照組，表明DF、FA及復配均會使面筋蛋白網絡的空間結構變得更加松散和無序，蛋白更容易變性。Wang Mingwei等[35]也認為FA可通過影響蛋白質分子間的范德華力影響蛋白質的聚集狀態，這一作用可能會對面筋蛋白的熱穩定性造成影響。ΔH值反映蛋白質分子的疏水性和親水性，對照組的ΔH值最高（104.46 J/g），表明對照組面筋蛋白分子內部含有較多的疏水性基團，疏水性較強。單獨添加DF、FA后，可能由于水分競爭作用，使得面筋蛋白內部的疏水集團暴露，導致面筋蛋白網絡結構展開，ΔH值下降。而復配組面筋蛋白的ΔH值與對照組相比并沒有顯著下降，表明DF和FA的共同作用可能對面筋蛋白網絡結構中的疏水區域具有一定的保護效果。

圖3 DF、FA對面筋蛋白熱力學性質的影響Fig. 3 Effects of addition of DF and/or FA on the thermodynamic properties of gluten

如圖3所示，TGA曲線表明在程序控制溫度下，面筋蛋白質量損失率隨溫度變化的累積量，DTG曲線是TGA曲線中質量損失率對溫度的一階導數。DTG曲線上面筋蛋白質量損失速率最大值所對應的溫度即熱降解溫度（Td）及600 ℃時的質量損失率[36]。由表2可知，與對照組相比，DF組面筋蛋白的Td值隨DF添加量的增加先減小后增大，FA組則隨FA添加量的增加呈下降的趨勢；復配組Td值與對照組無顯著性差異。Td值變化的復雜性表明，表明DF、FA與面筋蛋白之間存在多種相互作用，復配可改善單獨添加對面筋蛋白熱穩定性產生的不利影響。DF組、FA組面筋蛋白在600 ℃時的質量損失率均顯著高于對照組，這表明DF、FA單獨添加使面筋蛋白原本緊密的網絡結構遭到破壞，變得松散、開放[37]，這與DSC實驗中ΔH值的實驗結果一致。復配組面筋蛋白在600 ℃時的質量損失率最大，該現象與ΔH值和Td值的結論相矛盾，這一矛盾結果表明DF和FA與面筋蛋白的相互作用是復雜的，在本實驗中尚無法解釋，仍待進一步研究。熱力學性質結果表明，DF、FA單獨添加會降低面筋蛋白熱穩定性，而DF與FA復配添加對面筋蛋白熱穩定性的影響有待進一步探究。

2.4 DF與FA復配對面筋蛋白巰基、二硫鍵含量的影響

表3 DF、FA添加量對面筋蛋白巰基、二硫鍵含量的影響Table 3 Effects of addition of DF and/or FA on the contents of sulfydryl and disulfide groups of gluten

二硫鍵是影響面筋蛋白流變特性、穩定面筋蛋白網絡結構的重要化學鍵[38-39]。面筋蛋白中的高分子質量麥谷蛋白亞基和低分子質量麥谷蛋白亞基通過二硫鍵形成具有三維網絡結構的蛋白骨架，醇溶蛋白通過氫鍵和疏水性共價鍵鑲嵌在麥谷蛋白形成的網絡結構中，這種特殊的三維網絡結構賦予了面團特殊的流變學特性[40-41]。

由表3可知，對照組的二硫鍵含量最高（70.85 μmol/g），顯著高于其他組別（P＜0.05），這表明對照組的面筋蛋白網絡穩定性最強。DF的加入使面筋蛋白的二硫鍵含量和巰基含量顯著降低，12% DF組面筋蛋白的二硫鍵含量和巰基含量顯著降低至56.03 μmol/g和1.01 μmol/g，表明DF對面筋蛋白的網絡結構穩定性起到破壞作用。Zhou Yun等[42]的研究發現，將魔芋葡甘聚糖添加到小麥粉中會降低面團中二硫鍵的含量。馮蕾[43]也發現麥麩DF的加入會使面筋蛋白中二硫鍵含量下降，并顯著影響掛面的質構性質，可能是因為DF與蛋白質分子鏈的物理纏繞阻礙了面筋蛋白中二硫鍵的正常形成。與對照組相比，FA顯著降低了面筋蛋白中二硫鍵的含量；當FA添加量達到4%時，二硫鍵含量降為50.90 μmol/g，表明FA的加入限制了面筋蛋白中二硫鍵的形成。復配組面筋蛋白含量顯著降低了26.94%～31.94%，其中3% FA＋9% DF組面筋蛋白的二硫鍵含量在所有組別中最低，為48.22 μmol/g。Wang Jinshui等[44]也發現在戊聚糖中加入FA可阻止面筋形成過程中二硫鍵的氧化交聯。

然而，DF、FA單獨和復配添加后面筋蛋白二硫鍵含量的下降并沒有伴隨游離巰基含量的相應增加，面筋蛋白的總巰基含量也顯著降低，表明添加DF和FA后，巰基的損失是不可逆的。Morel等[17]的研究也表明蒸煮過度的意大利面中二硫鍵的損失量與游離巰基的增加量不平衡。Neukom等[45]的報道也曾指出FA的活性雙鍵和胱氨酸之間可能會形成C—S鍵，影響巰基和二硫鍵之間的相互轉化。由面筋蛋白游離巰基和二硫鍵結果可知，DF和FA單獨和復配添加均會阻礙面筋蛋白體系中二硫鍵的形成，且二者具有協同作用。同時，DF和FA還會使巰基發生不可逆的損失。

2.5 DF與FA復配對面筋蛋白微觀結構的影響

圖4 DF、FA對面筋蛋白微觀結構的影響（×800）Fig. 4 Effects of addition of DF and/or FA on microstructure of gluten ( × 800)

對面筋蛋白進行掃描電子顯微鏡觀察（圖4），對照組面筋蛋白的孔洞均勻有序、結構致密，隨著DF添加量的增加，面筋蛋白的三維網絡逐漸變得無序疏松，當添加12% DF時，面筋蛋白的網絡結構被嚴重破壞，面筋蛋白出現塌陷的結構。王超等[46]也發現麩皮DF對面筋蛋白的微觀結構造成破壞，可能是因為DF的物理阻礙作用破壞了面筋蛋白的正常形成；同時，富含親水基團的DF在面筋蛋白網絡形成的過程中與蛋白質競爭性吸水，也會使面筋蛋白的三維網絡正常的形成受到阻礙。這一結果與面筋蛋白DSC分析中Tp、TGA中面筋蛋白600 ℃時質量損失率、二硫鍵含量的結果一致。

添加FA使面筋蛋白的微觀結構受到破壞，隨著FA添加量的增加面筋蛋白孔洞邊緣變得粗糙，孔洞有序性降低。當FA的添加量達到4%時，面筋蛋白網絡結構出現部分坍塌。而將DF和FA復配添加到面粉后（2% FA＋6% DF組和3% FA＋9% DF組），面筋蛋白的網絡結構較單獨添加等量DF、FA時有所改善，具有較光滑和緊密的三維孔洞結構。該現象表明DF和FA共同作用能夠保護面筋蛋白網絡結構，這可能是由于DF和FA復配添加時，FA增強了DF與面筋蛋白的交聯作用，在一定程度上改善了面筋蛋白的網絡結構[47]。Huang Lianyan等[14]研究DF和FA復配對小麥模擬粉的影響時也發現FA的添加可改善DF對面筋蛋白微觀結構的破壞。由面筋蛋白微觀結構的結果可知，DF和FA的單獨添加對面筋蛋白微觀結構具有破壞作用，二者適當復配則能在一定程度上保護面筋蛋白的網絡結構。

3 結 論

DF和FA的加入對面團及面筋蛋白的品質有顯著影響。DF增加面團的吸水率、形成時間、黏度崩解值，隨著DF的增加，面團的吸水率、形成時間、黏度崩解值顯著（P＜0.05）增大；FA使面團的吸水率顯著低于對照組，回生值顯著高于對照組；FA可有效削弱DF對面筋蛋白造成的影響。面筋蛋白具有類似于固體的性質，DF組和FA組面筋蛋白的黏性和彈性均得到增強，3% FA＋9% DF組的G’、G”最大。單獨和復配添加DF和FA使面筋蛋白的Tp和ΔH顯著降低、600 ℃時的質量損失率顯著增加，面筋蛋白二硫鍵含量顯著降低，這些結果表明DF和FA降低了面筋蛋白的熱穩定性和強度。掃描電子顯微鏡結果表明，DF組和FA組面筋蛋白結構無序疏松，網絡結構嚴重破壞，DF和FA復配對面筋蛋白網絡結構有一定的改善作用。