小麥籽粒不同部位蛋白質理化特性研究進展

代美瑤 鞏艷菲 李 芳 張 波

(中國農業科學院農產品加工研究所/農業農村部農產品加工重點實驗室，北京 100193)

小麥是我國的主要糧食作物之一。國家統計局數據顯示，2017年我國制粉約消費9 300萬t小麥。按75%出粉率計，約生產6 975萬t小麥粉。小麥籽粒主要由果(種)皮、糊粉層、胚乳和胚等組成，這些部位的蛋白組分含量和性質各不相同，使其具有不同的加工特性。

現代制粉磨機主要分為皮磨和心磨。皮磨主要用于破碎籽粒，心磨用于碾細胚粒。根據磨粉機和出粉位置，粉路粉可分為前路粉、中路粉和后路粉，三者可以近似表示來自小麥胚乳由里向外的組分[1]。例如，皮磨系統(1B、2B、3B、4B)粉樣中1B近似表示來自籽粒中心組分，4B則是接近小麥籽粒皮層的組分，心磨粉類似[2]。小麥籽粒剝刮制粉是利用碾輥和小麥籽粒間的摩擦力將小麥籽粒逐層剝刮，從而得到代表籽粒不同部位的組分。

根據Osborne的方法，小麥蛋白分為清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白和麥谷蛋白。麥醇溶蛋白和麥谷蛋白是組成面筋蛋白的主要成分。根據分子質量，麥醇溶蛋白可以分為ω5-、ω1,2-、α-、γ-醇溶蛋白；麥谷蛋白可以分為高分子質量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)和低分子質量麥谷蛋白亞基(LMW-GS)。根據小麥蛋白在十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液中的溶解性，又可將蛋白分為SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白。SDS不可溶蛋白主要是麥谷蛋白，又被稱為麥谷蛋白大聚體(GMP)。本文結合小麥籽粒結構，整理匯總了蛋白質組分、含量，及其性質在小麥籽粒中的分布規律，以期為制粉工藝、配粉控制、專用粉生產提供參考。

1 小麥蛋白質組分

蛋白質是小麥籽粒的主要成分之一，約占成熟籽粒重的9%～15%。蛋白質和約占成熟籽粒重70%淀粉的含量和組成決定了小麥籽粒的品質和最終加工用途[3]，也是評價小麥品質的重要依據。

按照Osborne的方法，根據蛋白質在水、稀鹽溶液、醇溶液中的溶解度，小麥籽粒蛋白質分為清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白和麥谷蛋白。清蛋白質量分數約為14.7%，球蛋白質量分數約為7.0%，麥醇溶蛋白質量分數約為32.6%，麥谷蛋白質量分數約占45.7%[4]。麥醇溶蛋白和麥谷蛋白含量顯著影響面團流變學特性，其與面團形成時間、穩定時間和延伸性也呈現出極顯著正相關[5, 6]。小麥面筋中的蛋白含量約占籽粒總蛋白的80%，其中主要是麥醇溶蛋白和麥谷蛋白，分別各占約30%和50%[7]，二者的含量以及比例都影響著面筋的質量。

根據在SDS-PAGE電泳中的遷移率，麥醇溶蛋白進一步可以分為ω5-、ω1,2-、α-、γ-型，其相對分子質量分別為6.6×104～7.9×104、5.5×104～6.5×104、3.2×104、3.8×104～4.2×104[8]。麥谷蛋白可以進一步分為HMW-GS和LMW-GS。HMW-GS可以進一步分為x型和y型。x型、y型的相對分子質量分別為1.04×105～1.24×105、9.0×104～1.02×105。LMW-GS的相對分子質量為3.6×104～4.4×104[8]。在HMW-GS中，發現x-型對面團性質的貢獻比y-型更重要[9]。單個亞基而言，亞基Dx5具有用于鏈間交聯的半胱氨酸，以及亞基Bx7，其在表達的亞基中所占比例最大，對于面團質量和面包體積有顯著影響[10]。有報道認為，麥谷蛋白亞基的含量組成為HMW-GS/LMW-GS≈1:2，x-/y-型≈2.5:1。麥谷蛋白聚集體的單元可能由2個y型HMW-GS，4個x型HMW-GS和約30個LMW-GS由鏈間二硫鍵連接的形成，相對分子質量約為1.5×106[11]。根據在SDS溶液中的溶解特性，小麥籽粒中蛋白質又可以分為SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白。SDS可溶蛋白包括清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白，以及摩爾質量較小的麥谷蛋白聚集體(SDS可溶性麥谷蛋白)[12]。SDS不可溶蛋白主要是麥谷蛋白，又被稱為GMP[13]，其以顆粒形式存在于胚乳中，粒徑范圍為1～300 μm。GMP只有在SDS提取液中加入還原劑或經過超聲波處理后才能溶解[14]。GMP含量與蛋白質含量、沉降指數和主要粉質參數呈顯著正相關，其含量越高，面筋彈性和強度越大，最終面包烘烤品質也較好[15]。并且GMP含量對面包體積的貢獻顯著高于沉降指數、干、濕面筋含量、面團形成時間和穩定時間[16, 17]。研究發現，GMP含量反映了麥谷蛋白聚集體的聚集程度[18, 19]。麥谷蛋白的聚集程度或聚集體的粒度分布比含量更重要，是決定面筋物理特性及面包烘烤品質的關鍵因素[20, 21]。

2 蛋白質及其組分的數量屬性在小麥籽粒中的分布

2.1 蛋白質和面筋在小麥籽粒中的分布

將PBW175品種小麥籽粒用磨粉機進行碾磨，得到9種粉路粉。皮磨粉，從B1到B4，每個組分小麥粉中干面筋的質量分數從8.1%上升到9.8%；心唐粉，從C1到C5，其從7.9%上升到9.6%[22]。越接近皮層，干面筋在組分小麥粉中的含量越高。

采用商用磨粉機對小麥籽粒進行研磨，取得不同粉路小麥粉。皮磨粉，從1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，每份組分小麥粉中干基蛋白、濕面筋的質量分數分別從11.7%上升到16.1%、從31.3%上升到39.7%再降低至38.6%；心磨粉，從1M-Ⅰ到9M-Ⅲ，二者分別從10.5%上升到17.8%、從22.7%上升至27.8%再降低至18.0%[23]。結果說明，越接近皮層，干基蛋白在組分小麥粉中的含量越高。越接近糊粉層，濕面筋在組分小麥粉中的含量越高。

以氮肥350 kg/ha處理的Hereward、Cordiale、Malacca和Istabraq共4個品種小麥為實驗材料，用剝皮機處理籽粒，共獲得7個組分，分別代表小麥籽粒的果(種)皮組織、糊粉層、亞糊粉層、從外到內的胚乳及胚乳中心組分。從胚乳中心到皮層，每份組分小麥粉中4個品種的蛋白質平均質量分數范圍為11%～19%，且呈現出先上升再下降的趨勢。每份組分4個品種面筋在蛋白質的平均占比范圍為82%～65%，且呈現出先緩慢降低再急劇降低的趨勢[24]。越接近糊粉層，蛋白質在組分小麥粉中含量越高。越接近皮層，面筋在組分蛋白中占比越低。

2.2 蛋白質組分在小麥籽粒中的分布

2.2.1 Osborne蛋白組分

將Toraysa品種小麥籽粒用磨粉機進行研磨，得到4個組分：皮磨粉、心磨粉、次粉、粗麩。從皮磨粉、心磨粉、次粉到粗麩，清蛋白干基含量從17.11 mg/g上升到66.82 mg/g再降低到56.60 mg/g；球蛋白干基含量從15.13 mg/g上升到76.93 mg/g再降低到65.24 mg/g，且二者在次粉組分達到最大值。麥醇溶蛋白干基含量從43.77 mg/g上升至49.13 mg/g降低到26.20 mg/g；麥谷蛋白干基含量從104.97 mg/g上升到140.28 mg/g再降低到128.47 mg/g，且二者在心磨組分達到最大值[25]。結果表明，越接近糊粉層，清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白、麥谷蛋白含量越高。

將鄭麥9023和寧麥13兩個品種的小麥籽粒用碾米機進行剝皮，共獲得9份組分。從胚乳中心到皮層，兩個品種籽粒的清蛋白、球蛋白在每份組分中平均質量分數范圍分別為1.7%～4.5%、0.5%～2.5%，二者均呈現出先略有降低再迅速增加的趨勢，且都在最外層皮層組分中達到最大值。兩個品種的麥醇溶蛋白在每份組分中的平均質量分數范圍為2.4%～4.0%，且呈現出先逐漸上升后下降的趨勢，鄭麥9023在次外層組分達到最大值，寧麥13在P3組分達到最大值。2個品種的麥谷蛋白在每份組分中的平均質量分數范圍為2.9%～4.4%，均呈現出先逐漸上升后迅速下降的趨勢，且在次外層組分達到最大值[26]。結果表明，越靠近皮層，清蛋白、球蛋白含量越高。越接近糊粉層，麥醇溶蛋白和麥谷蛋白含量越高。

以氮肥350 kg/ha處理Hereward、Cordiale、Malacca和Istabraq四個品種小麥為實驗材料。采用體積排阻高效液相色譜法，對面筋進行分離，呈現四個洗脫峰，F1(主要是HMW-GS)、F2(主要是LMW-GS)、F3(主要是ω-麥醇溶蛋白)和F4(主要是α-/γ-麥醇溶蛋白)。從胚乳中心到皮層，4個品種F1組分占面筋的比例平均值為14%～9%，呈現先緩慢降低再急劇降低的趨勢；F2組分占面筋的比例平均值為27%～26%，呈現緩慢降低的趨勢；F3組分占面筋的比例平均值為10%～17%，呈現逐漸上升的趨勢；F4組分占面筋的比例平均值為45%～53%，呈現先緩慢上升再急劇上升的趨勢[24]。結果表明，越靠近皮層HMW-GS、LMW-GS在面筋中占比越低。越靠近皮層ω-麥醇溶蛋白在面筋中占比越高。

用剝皮機處理Cadenza品種小麥籽粒，共獲得7份組分。根據SDS-PAGE中印跡，從籽粒的中心到皮層，HMW-GS、γ-麥醇溶蛋白免疫印跡深度明顯變淺；LMW-GS+α-,β-,γ-麥醇溶蛋白免疫印跡深度明顯增加；α-麥醇溶蛋白和ω-麥醇溶蛋白免疫印記深度逐漸增加[27]。用SDS-PAGE凝膠的密度掃描對剝皮各組分的HMW-GS進行定量，每個凝膠泳道添加相同質量的小麥粉或相同質量的蛋白質，電泳之后，在泳道中HMW-GS占小麥粉質量的比例和占蛋白質質量的比例分別為10%～17%、10%～20%。從籽粒的中心到皮層，這兩種方法HMW-GS在組分中的比例均呈現出逐漸降低的趨勢。結果表明，越靠近皮層，HMW-GS和γ-醇溶蛋白含量越低，α-醇溶蛋白和ω-麥醇溶蛋白含量越高。

用磨粉機對Nekota品種的小麥籽粒進行研磨得到6種粉路粉。皮磨粉，從B1到B3，HMW和LMW在小麥粉的比例分別從1.5%上升到2.3%、2.6%上升到4.6%。心磨粉，從R1到R3，二者分別從1.2%降低到1.1%、2.0%降低到1.6%[28]。B1、R1是較為接近籽粒中心的組分，B3、R3是較為接近籽粒皮層的組分，皮磨粉中HMW-GS、LMW-GS在小麥粉的比例明顯高于心磨粉。越接近小麥籽粒皮層，HMW-GS、LMW-GS在小麥粉中的比例越高。

2.2.2 SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白組分

用磨粉機對Glenn品種的小麥籽粒進行磨粉得到6個粉路粉。按小麥粉基計算，皮磨粉從B1到B3，SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白比例，分別從9.38%上升至11.78%和從4.41%上升至6.03%。心磨粉從R1到R3，二者分別從7.76%降低至7.17%和從4.31%降低至4.21%，但變化幅度較小。但按照組分中蛋白基計算，從B1到B3，SDS可溶蛋白比例從68.22%降低至65.91%；SDS不可溶蛋白比例從31.78%上升到34.08%。從R1到R3，SDS可溶蛋白比例從64.26%降低至62.93%，SDS不可溶蛋白含量從35.74%上升至37.08%[29]。結果表明，越靠近皮層，SDS可溶蛋白在小麥粉中的比例越高，在蛋白中的比例越低；SDS不可溶蛋白在小麥粉中的比例越高，在蛋白中比例也越高。

將Monad品種小麥籽粒用磨粉機進行研磨得到11個粉路粉。皮磨粉，從1B到4B，SDS可溶麥谷蛋白和SDS不可溶麥谷蛋白在該組分小麥粉中的含量分別為0.037～0.055、0.035～0.055 g/g，均呈現出逐漸增加的趨勢，在4B時達到最大值。心磨粉，從A到F，SDS可溶麥谷蛋白在小麥粉中的含量為0.030 g/g上升至0.050 g/g。SDS不可溶麥谷蛋白在小麥粉中的含量范圍在0.025 g/g附近波動再降低至0.020 g/g[30]。1B、A是較為接近籽粒中心，4B、F是較為接近籽粒皮層。可見，越靠近糊粉層，SDS可溶麥谷蛋白和SDS不可溶麥谷蛋白在小麥粉中的含量越高。

SDS不可溶蛋白也被稱為麥谷蛋白大聚體。將揚麥16和連麥6兩個品種小麥籽粒用碾米機進行碾磨，共獲得5份組分。除皮層外，從外到內胚乳組分中，兩個小麥品種的GMP在小麥粉的平均比例依次為4.2%、3.5%、2.2%、1.2%，呈現出逐漸降低的趨勢，在外層胚乳組分處出現最大值[31]。可見，從籽粒中心向外圍，越靠近糊粉層，GMP在小麥粉中的平均比例越高。

用碾米機對鄭麥9023和寧麥13兩個品種小麥籽粒進行剝皮，共獲得9份組分。其中，P1+P2主要成分是麩皮；P3層主要為部分糊粉層+外層胚乳；P4-P9主要是胚乳。從小麥籽粒皮層到胚乳中心，兩個品種小麥的GMP占小麥粉的平均比例分別為3.5%、4.5%、5.7%、4.0%、2.8%、2.6%、2.2%、2.2%、2.0%，呈現出先逐漸上升后逐漸下降的趨勢，在P3達到最高值[26]。越靠近糊粉層或外層胚乳，GMP在小麥粉中的平均比例較高。

以不同葉齡期追氮處理的徐麥7086小麥籽粒為實驗材料也有類似的結果，GMP在小麥粉中的平均比例分別為4.0%、5.5%、10.0%、7.0%、4.5%、3.0%、2.5%、2.0%、1.5%，呈先逐漸升高后逐漸下降的趨勢，在外層胚乳組分中達到最高值[32]。

3 小麥籽粒不同部位蛋白質的質量屬性

3.1 粉質參數

吸水率表示面團到達一定阻力或稠度時加入的水量。采用商用磨粉機對小麥籽粒進行研磨，取得不同粉路小麥粉。從1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，皮磨粉的吸水率從50.0%上升到56.9%；從1M-Ⅰ到9M-Ⅲ，心磨粉的吸水率從58.1%上升到72.0%再下降到58.8%[23]。越接近籽粒皮層，小麥粉的吸水率越高。

形成時間是指從小麥粉開始加水到粉質曲線達到500 BU稠度所需的時間。以Glenn品種的小麥籽粒為實驗材料，用磨粉機進行磨粉。從B1到B3、R1到R3，平均形成時間均無顯著性差異[36]。皮磨粉的平均形成時間比心磨粉長。以河南許昌當地小麥品種為實驗材料，用磨粉機進行磨粉。皮磨粉的形成時間從1.2 min上升到4.9 min。心磨粉的形成時間從1.5 min上升至4.3 min[33]。結果表明，越接近外層胚乳或糊粉層，面團形成時間有波動或逐漸增加。

面團穩定時間是指粉質曲線首次穿過500 BU標線到曲線離開500 BU標線兩點之間的距離，反映了面團能維持500 BU稠度的時間及面團耐受機械攪拌的能力。以9023品種小麥籽粒為實驗材料，用磨粉機進行磨粉。皮磨粉的穩定時間從14.7 min上升到26.3 min再下降至11.6 min，且在2B處達到最大值。心磨粉的穩定時間從17.5 min降低至10.0 min，再從13.3 min降低到3.9 min[34]。以河南許昌當地小麥品種為實驗材料，用磨粉機進行磨粉。皮磨粉的穩定時間從4.1 min上升到12.1 min。心磨粉的穩定時間從3.6 min上升至7.4 min再下降至4.1 min，再從7.1 min下降至4.0 min，且2M和5M穩定時間較長[33]。結果表明，從內到外穩定時間有波動，在接近籽粒外層胚乳或糊粉層，穩定時間較長。

3.2 拉伸參數

拉伸曲線面積即面團的粉力，是指面團在拉伸過程中，抗延伸力與拉伸長度的乘積，代表了面團從拉伸到拉斷為止所需要的總能量。采用商用磨粉機對小麥籽粒進行研磨，取得不同粉路小麥粉。從1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，皮磨粉粉力從44 cm2上升到126 cm2再降低到106 cm2；從1M-Ⅰ到8M，心磨粉粉力從66 cm2上升到71 cm2再降低到16 cm2[23]。越接近籽粒外層胚乳或糊粉層，拉伸曲線面積越大。面團拉伸阻力表示面團的強度和筋力。從1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，拉伸阻力從172 BU上升到292 BU再降低到190 BU；從1M-Ⅰ到8M，其從302 BU波動至252 Bu，在3M-ΙΙ達到最大值333 BU，然后逐漸降低到112 BU[23]。結果表明，拉伸阻力有波動，越接近籽粒外層胚乳部位，拉伸阻力較大。

以Glenn品種的小麥籽粒為實驗材料，用磨粉機進行磨粉。面團的延伸性表示面團的可塑性。從B1到B3，延伸性從237 mm降低到220 mm；從R1到R3，其從187 mm降低到157 mm[29]。皮磨粉的延伸性大于心磨粉。越靠近籽粒糊粉層，延伸性越小。

3.3 面筋指數

面筋指數是評價面筋質量的指標，面筋指數越大，表面面筋筋力越強。以小麥品種9023為實驗材料，從小麥粉廠取各粉路粉進行檢測。從1B到4B，皮磨粉面筋指數從78.4上升到86.7再下降至83.0，3B的面筋指數最高。從1M到7M，心磨粉從87.7降低至84.4再上升至87.6再降低至72.8[34]。越接近小麥籽粒糊粉層，面筋指數越大。

以河南許昌當地小麥品種為實驗材料，也有類似的結果。從1B到4B，皮磨粉面筋指數從71.9上升至88.2再降低至77.9，3B的面筋指數最高。心磨粉的面筋指數從84.1上升至88.4再降低至78.0，5M的面筋指數最高[33]。

3.4 沉降指數

沉降指數是反映小麥面筋蛋白的質和量的綜合指標，表示單位質量小麥粉中蛋白質吸水膨脹后的體積，主要有Zeleny方法和SDS方法[35]。

用磨粉機對PBW175品種小麥籽粒進行碾磨。從B1到B4，SDS沉降指數從51 mL上升到60 mL；從C1到C5，其從40 mL上升到48 mL[22]。類似的，用磨粉機對中等硬度的小麥進行磨粉，得到十二種粉路粉。從1BK到5BK，SDS沉降指數從53 mL上升到64 mL；從C1到C7，其從40 mL上升到46 mL再降低到38 mL[36]。可見，總體來說，皮磨粉SDS沉降值大于心磨粉。越靠近糊粉層，SDS沉降指數越高。

采用逐層研磨的方法也有類似的結果。以揚麥16品種小麥籽粒為實驗材料，用碾米機進行碾磨。從小麥籽粒P3層到P9層，SDS沉降指數從85 mL降低到38 mL。其中，P3～P4、P8～P9層沉降值下降迅速；P4～P8下降緩慢[37]。越靠近糊粉層，SDS沉降指數越高。

4 結論

小麥籽粒不同部位蛋白質分布情況受到多種因素的影響。首先是小麥籽粒的品種。其次，樣品制備方法也會影響蛋白質的含量。如采取剝皮機一層一層剝取的方式制備樣品；另一種是通過磨粉機研磨收集粉路粉。磨粉機的制粉工藝雖然是輕研細分，但是無法真正將小麥籽粒各個部位的組分分開，必然有部分組分重疊，導致部分結果略有差異。蛋白質提取方法、溶劑也會影響各組分蛋白質含量和性質。含量的表示方法，如以組分質量為基數，還是以組分中蛋白質為基數，或以組分中面筋為基數等，呈現出的分布規律可能就不相同。

小麥籽粒由內向外，蛋白質含量呈現逐漸增大的分布規律，面筋含量呈現先逐漸增加后降低的分布規律。由內向外，越接近外層胚乳或糊粉層，清蛋白、球蛋白、麥醇溶蛋白、麥谷蛋白、SDS可溶蛋白、GMP含量、面筋指數、沉降指數等呈現逐漸增大的趨勢，各蛋白組分增加的幅度有所不同；面團吸水率和拉伸面積逐漸增加，延伸性逐漸降低；面團形成時間、穩定時間、拉伸阻力等變化規律不明顯，總體表現為波動至較大值后降低。