SPI與SPH及其復配產物對面團特性和面條品質的影響機制

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(1.河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001; 2.山東凱斯達機械制造有限公司,山東濟寧 272000)

小麥是飲食中蛋白質的重要來源,小麥中的面筋蛋白包含不同的組分,其中麥谷蛋白是一種大分子聚合體,賦予面團彈性;麥醇溶蛋白是一種單體蛋白,相對分子質量較小,賦予面團延展性[1-3]。面筋蛋白在面制品加工過程中發生復雜的變化,對面團的性質和最終產品的質量發揮著關鍵作用,了解小麥蛋白質的行為變化對于了解面團的機械性質和控制最終產品質量至關重要[1,4-6]。

在面團中加入大豆蛋白均衡并豐富小麥蛋白中的氨基酸是常用的強化面制品營養的手段,在提高小麥產品營養價值的同時也為面制品生產提供了新的產品可能性[7-8]。但值得注意的是大豆中存在抗營養因子,例如胰蛋白酶抑制劑、凝集素和大豆抗原等,而通過酶水解方法處理可有效降低其中抗營養成分;酶水解使蛋白質中的肽鍵斷裂,生成小分子的多肽和氨基酸等,蛋白質的溶解度和生物活性物質增加,持水性降低,抗營養因子減少[9-10]。但實驗室前期研究發現,添加大豆水解蛋白(soy protein hydrolyzates,SPH)的面粉在面筋特性、粉質特性和面條蒸煮特性等方面都有變差的趨勢[11],因此有必要對SPH在面制品中的應用進行改良;已有研究表明,在面制品中加入適當比例的大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)能夠起到良好添加效果[12-13],基于此,本實驗室前期將SPI和SPH進行復配添加到面粉中,以面條的質構特性和蒸煮品質為目標值,初步優化出SPI-SPH復配的比例及替代面粉量分別為2.2%和2.0%。在此基礎上,本文系統地分析了添加SPI、SPI-SPH和SPH后面粉、面團以及面條相關指標的變化,探究大豆蛋白與小麥蛋白的相互作用機制,以期為面制品的品質改良提供一定理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

SPI 山東谷神生物科技集團有限公司;金苑特一粉 鄭州金苑面業有限公司;中性蛋白酶Neutrase 0.8 L 諾維信(中國)生物技術有限公司;乙二胺四乙酸(EDTA) 生化試劑,北京索萊寶科技有限公司;氨基乙酸(甘氨酸) 生化試劑,天津科密歐化學試劑有限公司;三羥甲基氨基甲烷(Tris) 分析純,上海山浦化工有限公司;十二烷基硫酸鈉(SDS)、氯化鈉、無水乙醇、茚三酮、脲、硫酸銅、硫酸鉀、濃硫酸、氫氧化鈉等試劑 均為分析純,天津天力化學試劑有限公司。

TA-XTPlus型物性儀 英國Stable Micro System公司;FOSS KJELTEC 2300全自動凱氏定氮儀 瑞典FossKjeltec公司;Gluten Index面筋指數儀 瑞典Perten公司;RS6000哈克流變儀 德國Thermo Fisher Hake公司。

1.2 SPH的制備以及水解度的測定

參考崔會娟等[14]的方法制備SPH,加酶量1.0%,底物濃度7.57%,酶解溫度47.4 ℃,酶解pH6.92,酶解時間15 min,水解結束后90 ℃滅酶15 min,冷卻至室溫,冷凍干燥,茚三酮比色法測得水解度為4.54%±0.03%。

1.3 混合粉的配制及其指標的測定

1.3.1 混合粉的配制 SPI替代面粉的量為2.2%,SPH替代面粉的量為2.0%,將SPI和SPH與面粉按上述比例混合均勻,備用,此為SPI-SPH面粉;SPI替代面粉的量為4.2%,將SPI和面粉按上述比例混合均勻,備用,此為SPI面粉;SPH替代面粉的量為4.2%,將SPH和面粉按上述比例混合均勻,備用,此為SPH面粉。用WF表示小麥面粉。

1.3.2 面粉面筋特性和粉質特性的測定 分別參考GB/T 5506.2-2008[15]和GB/T 14614-2006[16]進行測定。

1.4 面團的制作及其組分含量的測定

1.4.1 面團的制作 參考孫小紅等[17]的方法:稱取混合粉100 g,加水32 mL,攪拌5 min,使之呈絮狀,25 ℃醒發20 min后,讓面絮通過輥間距為2 mm的面條機進行壓片、合片,直至成型。以不添加大豆蛋白的原面粉面團為對照。

1.4.2 面團中蛋白質組分含量的測定 參考Mueller等[18]的方法提取不同種類的蛋白質,略有改動:

清蛋白:1 g新鮮面團溶于10 mL蒸餾水中,水浴振蕩提取30 min,5000 r/min離心20 min,收集上清液。殘渣分別用10 mL蒸餾水如上法洗滌2次,離心,合并上清液。球蛋白:向上述殘渣中加入10 mL 10%的氯化鈉溶液,提取3次,合并上清液。其中清蛋白和球蛋白合并稱為鹽溶蛋白。

醇溶蛋白:將球蛋白提取后的殘渣中加入10 mL 75%的乙醇,同前方法提取3次,合并上清液。

SDS可溶性麥谷蛋白:將醇溶蛋白提取后的殘渣中加入10 mL 1.5%的SDS溶液,同前方法提取3次,上清液中蛋白即為可溶性谷蛋白,沉淀中的蛋白質為麥谷蛋白大聚體(GMP)。

蛋白質的測定采用凱氏定氮方法,具體步驟參考GB/T 5009.5-2016[19]。每種蛋白組分含量以占面團的百分比表示。

1.4.3 面團動態流變學特性的測定 參考Singh等[20]的方法并略有改動,按照1.4.1的方法,面團成型后,再調節壓輥間距從3.5～1.0 mm依次壓片,最終將面片切成3.5 cm×3.5 cm大小,置于直徑30 mm平行板之間,去除多余部分。夾縫距離改為1 mm,頻率掃描參數:溫度25 ℃,應變0.5%,掃描頻率范圍0.1～10.0 Hz。

1.4.4 面團中游離巰基和二硫鍵含量的測定 參考Chan等[21]的方法略有改動。用0.2 mol/L的Tris-Gly緩沖溶液(pH8.0,8 mol/L尿素,1% SDS,3 mmol/L EDTA)配制2 mmol/L的L-半胱氨酸標準溶液,并進行梯度稀釋,其濃度分別為0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 mmol/L的標準溶液。分別取4 mL稀釋后的標準溶液加入10 mmol/L 5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(DTNB)0.1 mL,室溫條件下顯色20 min,以蒸餾水做空白對照,在412 nm下測定其吸光度值,繪制標準曲線。

取0.5 g新鮮面團溶解于10 mL的0.2 mol/L Tris-Gly緩沖溶液中,4000 r/min離心15 min,收集上清液。取上清液4 mL,加入10 mmol/L的DTNB溶液0.1 mL,顯色20 min,在波長412 nm下測定吸光度,通過L-半胱氨酸標準曲線計算得到面團中游離巰基的含量。另取上清液1 mL于4 mL緩沖液中,加入0.1 mLβ-巰基乙醇混勻,25 ℃保溫1 h后加入10 mL 12%三氯乙酸溶液混勻,25 ℃再次保溫1 h,4500 r/min離心15 min,棄去上清液,分別用5 mL三氯乙酸溶液洗滌沉淀兩次,沉淀物中加入10 mL緩沖液,復溶后加入0.1 mL DTNB,顯色20 min,412 nm下測定其吸光度,以L-半胱氨酸標準曲線計算得到面團中總巰基含量。

表1 大豆蛋白對面粉面筋特性和粉質特性的影響Table 1 Effect of soy proteins on gluten characteristics and farinographic characteristics of flours

注:“-”表示無面筋檢出,每列不同字母表示差異顯著(P<0.05),表2、表3同。

二硫鍵含量(μmol/g面團)計算如下:

式中,SS為二硫鍵含量;SF為游離巰基含量,μmol/g面團;ST為總巰基含量,μmol/g面團。

1.4.5 面團分子間作用力的測定 通過面團在不同溶劑中溶解性的不同,評價蛋白質分子力,具體參考Liao等[22]的方法略有改動。將300 mg的新鮮面團加入上述溶液中磁力攪拌至面團完全溶解,4000 r/min離心10 min。取上清液2 mL與2 mL 20%的三氯乙酸混合均勻,靜置30 min后4000 r/min離心10 min以除去上清液。將沉淀溶解在1 mL的0.5 mol/L NaOH中,加入4 mL的雙縮脲試劑,并在540 nm下測吸光度值。用牛血清蛋白做標準曲線[23]。

式中,P為分子間作用力;n為查標曲或按照回歸方程計算的蛋白質含量,mg/mL;c為單位體積溶液中濕面團的質量,mg/mL;V1為上清液體積,mL;V2為沉淀復溶后的體積,mL。

1.5 面條的制作及其指標的測定

1.5.1 面條的制作 參考1.4.1中面團的制作方法,面團成型后,再調節壓輥間距從3.5～1.0 mm依次壓片,之后切成寬度2.0 mm的面條備用;以不添加大豆蛋白的原面粉面條為對照。

1.5.2 面條蒸煮品質的測定 取蒸餾水500 mL煮沸,放入20根長為6 cm的面條,3 min后每隔10 s取出1根,在兩塊透明玻璃下觀察面條白芯剛好消失即為面條最佳蒸煮時間[17]。

取40根長度22 cm的面條稱重后置于400 mL沸水中,煮至最佳蒸煮時間撈出,用100 mL蒸餾水沖淋面條30 s,轉移至濾紙上吸水晾制5 min后稱重,測定面條吸水率;將面湯冷卻,定容到500 mL,取100 mL倒入已恒重的燒杯中,水浴鍋內蒸發至將近干,然后移至105 ℃烘箱中烘至恒重,計算干物質損失率;另取25 mL面湯用凱氏定氮法測定其蛋白質含量[17]。

面條吸水率(%)=(煮后面條質量-煮前面條質量)/煮前面條質量×100

干物質保留率(%)=(煮前面條中蛋白質質量-面湯中蛋白質質量)/煮前面條中蛋白質質量×100

1.5.3 面條質構特性的測定 參考孫小紅等[17]的方法略有改動,按照面條最佳蒸煮時間將面條煮熟,撈出后浸入自來水冷卻30 s,瀝干水分,進行質構分析。挑選三根外形無損傷的面條,平行且互不接觸地放于載物臺上,選用HDP/PFS探頭,在壓縮模式下,測前速度2.0 mm/s,測試速度1.0 mm/s,測后速度1.0 mm/s,壓縮應變70%,兩次壓縮之間的時間間隔為1 s,觸發力5 g。

1.6 數據處理

質構測試中每個樣品至少重復測定6次,其它指標測試每個樣品至少重復3次,試驗結果表示為:平均值±標準偏差。采用SPSS 16.0和Excel進行數據處理和分析,均值的多重比較采用Duncan法,P<0.05。

2 結果與分析

2.1 大豆蛋白對面粉面筋特性和粉質特性的影響

面筋是面團中的淀粉和水溶性成分被洗脫后剩余的一種粘性物質,是由麥谷蛋白和醇溶蛋白通過二硫鍵連接而成的復合物,與面團的黏彈性有關,在面制品生產過程中起著重要的作用[1]。面筋含量和面筋指數是評價小麥粉質量的重要指標[3]。如表1所示,添加大豆蛋白使面粉面筋特性發生明顯變化。添加SPI和SPI-SPH的面粉的濕面筋含量升高,面筋指數降低,而添加SPH的面粉中無面筋洗出,說明無論是SPI還是SPH都使面筋網絡弱化。大豆蛋白嵌入面筋原纖維中,降低了面筋網絡的連續性[24],在離心力作用下通過篩網的面筋蛋白數量增加;并且SPH對面筋網絡的弱化程度要大于SPI,當SPI和SPH復配后,其對面筋網絡的弱化作用介于單獨添加SPI和SPH之間。添加SPI和SPI-SPH后濕面筋含量增加,該結果與SPI自身具有很強的持水性有關。表1的結果與之前的研究一致,即面筋形成受到SPI[24]和SPH[11]的干擾。

由粉質特性測定結果可知,與原面粉相比,添加SPI和SPI-SPH的面粉吸水率顯著增大(P<0.05),這一結果再次說明添加SPI和SPI-SPH后濕面筋含量增加與SPI自身的持水性有關。同時也說明SPI和面筋蛋白之間對水分的競爭非常激烈。Roccia等[24]研究發現,將SPI按一定比例摻入面筋蛋白中,混合物的持水性大大增加,這與本實驗結果相似;兩種蛋白質對水分的競爭導致面筋水合不完全,面筋結構弱化。三種添加方案中,僅SPI-SPH的面粉粉質特性評價值顯著增大(P<0.05),其他混合粉與原面粉相比無顯著性差異。添加SPH后面團形成時間顯著增大(P<0.05),這與Schmiele等[7]的研究結果一致,Schmiele通過Mixolab對WF和SPH的混合物進行流變學特性實驗,發現面團的形成時間增大,穩定時間減小。通常面團形成的時間越長,面團的強度越大。又因為添加SPH的面粉中沒有面筋形成,因此面團形成時間的延長不是由面筋強度的增加引起的,可能與SPH的性質有關。一方面,SPH具有很強的親水性和較弱的持水性,使得SPH先于小麥蛋白質與水結合,面筋蛋白水合過程延長,面團形成時間增加。另一方面,SPH可以改變氫鍵和疏水性相互作用以及共價鍵相互作用,面筋網絡水合過程受到影響,面筋網絡結構弱化,面團穩定時間減小[25]。

2.2 大豆蛋白對面團蛋白組分的影響

根據麥谷蛋白在十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液中的溶解度,可將麥谷蛋白進一步分為SDS可溶性麥谷蛋白和麥谷蛋白大聚體(glutenin macropolymer,GMP)。GMP不溶于SDS溶液,是最大的面筋聚合物,通過二硫鍵高度聚合,對面團性能的貢獻最大[1,3,24]。同時,GMP含量與面團彈性[26]和強度[27]相關。圖1表示大豆蛋白對面團蛋白組分的影響結果。由圖1可知,與原面粉面團相比,面團添加大豆蛋白后，醇溶蛋白含量顯著增大(P<0.05),SPI和SPI-SPH面團的麥谷蛋白含量(包括SDS可溶性麥谷蛋白和GMP)也顯著增大(P<0.05)。SPI和SPI-SPH面團中GMP含量較原面粉面團分別提高28.7%和24.1%,說明SPI和SPI-SPH均促進了GMP的形成。但Gabriela等[26]在小麥粉中添加3%的SPI后發現SPI不改變面團的GMP含量,造成兩者差異的原因可能與SPI添加量以及原料理化性質有關。而添加SPH的面團的GMP含量較原面粉面團降低7.3%,這里與Singh等[20]的結論相駁:GMP含量增加會導致G′和G″增大。該差異可能由面團體系不同引起,Singh等的研究對象是不同品種的小麥粉面團,而本實驗是面粉和大豆蛋白的混合粉面團。添加SPH的面團的GMP含量降低的根本原因在于SPH通過二硫鍵與面筋蛋白結合,此過程中SPH與面筋蛋白競爭形成二硫鍵,阻礙了面筋蛋白的正常交聯,面筋網絡結構遭到破壞,無面筋洗出(表1);另一方面,SPH是一種小分子可溶性蛋白,形成蛋白質凝膠網絡結構的能力下降[28],提取過程中隨鹽溶蛋白一起被提取出來,兩者都會造成SPH面團的GMP含量降低。

圖1 大豆蛋白對面條蛋白組分的影響Fig.1 Effect of soy proteins on protein components in dough 注:不同字母表示表示差異顯著(P<0.05)。

2.3 大豆蛋白對面團動態流變學特性的影響

儲能模量G′代表樣品的彈性和能量儲存的性質,損耗模量G″代表樣品的黏性和能量消散的性質[29]。由圖2可知,面團的G′和G″都表現出頻率依賴性,即兩個模量隨著掃描頻率的增大而增大。幾種面團的G′和G″的大小順序為WF

圖2 大豆蛋白對面團動態流變學特性的影響Fig.2 Effect of soy proteins on dynamic rheological properties of dough

2.4 大豆蛋白對面團中游離巰基及二硫鍵含量的影響

通常面筋蛋白中固有的二硫鍵在面筋形成過程中會被破壞并重新結合,包括一些巰基相互結合形成二硫鍵和二硫鍵裂解成巰基[30]。二硫鍵和游離巰基的數量在一定程度上反映了面團形成期間面筋網絡的交聯程度,二者的相互轉換和面筋網絡的結構穩定性有關[30-31]。添加大豆蛋白的面團與原面粉面團相比,游離巰基含量增加但無顯著性差異(P>0.05);二硫鍵含量增加,說明面團中交聯結構增加。面筋特性(表1)的實驗結果分析得出,大豆蛋白使面筋網絡結構弱化,可見大豆蛋白通過二硫鍵與面筋蛋白結合,降低了面筋網絡的連續性[24]。

2.5 大豆蛋白對面條蛋白質分子間作用力的影響

Gabriela等[26]發現,大豆蛋白與小麥蛋白通過共價鍵和非共價鍵相互作用,產生了大中型聚合物。為進一步探究大豆蛋白與面筋蛋白

表3 大豆蛋白對面團中蛋白質分子間作用力的影響Table 3 Effect of soy proteins on the intermolecular interactions in dough

表2 大豆蛋白對面團中游離巰基及二硫鍵含量的影響Table 2 Effect of soy proteins on the content of free sulfhydryl groups and disulfide bonds in dough

在面團中的相互作用,分析了面團中分子間作用力變化,結果見表3。之前有研究證實,大豆和小麥蛋白通過共價鍵(二硫鍵)和非共價鍵(疏水性相互作用、氫鍵等)相互作用[8],其中疏水性相互作用是維持蛋白質三級結構的主要作用力[32]。Li等[33]將糯米粉經過尿素和SDS等試劑處理后發現其形成的凝膠基質變弱,黏彈性降低,由此說明大豆面團非共價鍵的變化也是導致面團G′和G″變化的原因之一。本實驗中添加大豆蛋白的面團疏水性相互作用減弱,氫鍵和二硫鍵作用增強(表3),對面團黏彈性的綜合影響表現為大豆面團的黏彈性增大(圖2)。加入大豆蛋白后面團的疏水性相互作用減弱,說明蛋白質結構穩定性下降;氫鍵作用力增強,但與原面粉面團相比無顯著性差異;二硫鍵數量增加,此趨勢與2.4中二硫鍵測定結果一致。總之,加入大豆蛋白后,面團中共價鍵和非共價鍵均發生明顯變化,大豆蛋白和面筋蛋白通過共價鍵和非共價鍵相互作用,共同維持面筋網絡結構的穩定性。

2.6 面條的蒸煮品質和質構特性

面條蒸煮品質和質構特性如表4所示。與原面粉面條相比,添加大豆蛋白的面條吸水率顯著降低(P<0.05),干物質損失率變化無顯著性差異,僅SPH面條的蛋白質保留率與原面粉面條相比顯著降低(P<0.05),由93.02%降至87.31%,這與添加SPH的面粉中無面筋洗出(表1)以及SPH面團的鹽溶蛋白含量增加(圖1)的實驗結果相符。面條的質構特性變化表現為SPI面條的硬度增大10.82%,回復性減小8.33%;SPI-SPH和SPH面條的彈性分別減小7.23%和6.02%;其他質構特性指標與原面粉面條相比無顯著性差異。面條的品質與面筋有很大的關系,大豆蛋白影響面筋網絡結構進而使面條品質發生改變。和SPH面條相比,SPI-SPH面條的蛋白質保留率提高,說明SPI與SPH復配在一定程度上降低了SPH對面筋網絡的弱化作用,改善了面條品質。

3 結論

SPI、SPI-SPH和SPH分別按一定比例替代面粉,與WF相比,添加SPI后面粉的濕面筋含量升高,干面筋含量下降,面筋指數降低,粉質特性評價值升高;面團的醇溶蛋白和麥谷蛋白含量增加,粘彈性增大,彈性比例增加。

表4 面條的蒸煮品質和質構特性Table 4 Cooking qualities and texture characteristics of noodles

注:每行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

添加SPI-SPH的面粉面筋特性和面團特性變化趨勢與添加SPI的面粉一致,但其粉質特性評價值增大;添加SPH的面粉中無面筋洗出,粉質特性評價值升高;面團鹽溶蛋白含量顯著增加(P<0.05),彈性比例降低。添加大豆蛋白的面團中二硫鍵含量均增加,疏水相互作用減弱,氫鍵增強。與原面粉面條相比,SPI面條的硬度增大10.82%,SPI-SPH和SPH面條的彈性分別減小7.23%和6.02%,且添加SPH后面條的蛋白質保留率由93.02%降至87.31%。實驗表明,大豆蛋白與面筋蛋白通過二硫鍵交聯以及非共價鍵相互作用,使面筋網絡形成受阻,破壞了面筋網絡連續性。并且,SPI和SPH復配在一定程度上減弱了SPH對面筋的弱化作用。此外,大豆蛋白和面筋蛋白都包含著復雜多樣的蛋白質種類,接下來有必要進一步探究發生交聯反應的蛋白質的種類及結構特征,為面制品生產與改良提供更好的指導。