添加谷氨酰胺轉氨酶對糙米蛋糕品質的影響

王樂，包娜莎，金征宇， ，趙建偉*，周星，田耀旗

1(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122) 2(山東省輕工業設計院，山東 濟南，250014) 3(食品科學與技術國家重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)

糙米是稻谷脫殼后留下的整粒米，由胚乳、胚芽和皮層3部分組成。其中皮層和胚芽雖然只占糙米質量的6%～8%，但卻集中了糙米中60%～70%的營養素[1]，包括豐富的蛋白質、脂肪、VB和VE、礦物質鉀、鎂、鋅、鐵、錳等[2]，還包括大量的膳食纖維、 γ-氨基丁酸、谷胱甘肽、谷維素、肌醇、二十八烷醇、米糠多糖等保健性功能成分，具有促進腸道蠕動、舒緩神經、抗動脈粥樣硬化[3]、降血糖血脂、調節心血管功能、抗炎抗腫瘤[4]等多種功效。流行病學和干預研究發現，一些慢性疾病與人們的膳食營養結構有關，經常食用糙米，能夠有效減少便秘、心血管疾病、糖尿病、癌癥等的發病率[5]。另外，乳糜瀉病例逐年增多，目前治療該病的唯一有效方式是嚴格控制含麩質食品的攝入，而糙米由于不含面筋蛋白，是生產無麩質食品的良好原料[6]。

由于糙米粉中不含面筋蛋白，蛋糕制作過程中難以形成有支撐作用的網絡結構，產品不易成型，彈性較差。目前一般在糙米粉中加入小麥粉或谷朊粉來增強蛋白網絡結構穩定性，但是不適合于乳糜瀉患者的食用。谷氨酰胺轉氨酶(transglutaminase，TGase，EC 2.3.2.13)是一種催化酰基轉移反應的酶，能夠催化蛋白質和肽鍵中賴氨酸殘基上的 ε-氨基和谷氨酰胺殘基上的 γ-羥酰氨基發生聚合反應，形成蛋白質分子內和分子間的 ε-(γ-谷氨酰基) 賴氨酸異肽鍵[7]，從而增強蛋白的網絡結構，改善食品質構。RENZETTI等[8]將TGase添加到糙米面包中，發現谷蛋白亞基是TGase發生聚合反應的主要底物，而且蛋白質之間形成了更強的疏水作用，糙米面包比容顯著增加。

本研究在蛋黃糊和蛋清中分別添加不同量的TGase，研究其對糙米蛋糕烘焙品質的影響，同時在糙米蛋糕的制作過程中測定了蛋黃糊的黏度和乳化穩定性、蛋清的起泡性和泡沫穩定性、蛋黃糊中游離巰基的含量變化，并進一步用傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)和體積排阻高效液相色譜(size exclusion high performance liquid chromatography，SE-HPLC)研究TGase對蛋黃糊中蛋白質結構和分子質量的變化，以揭示TGase在蛋糕糊中所起的作用原因，為糙米蛋糕的品質改良提供技術參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

粳糙米(粗蛋白8.6 g/100 g)，2018年收獲自江蘇省無錫市；糯米粉、雙效泡打粉，安琪酵母股份有限公司；鮮雞蛋，德青源A級鮮雞蛋；糖粉，太古糖業有限公司；TGase(酶活力100 U/g)，江蘇省泰興市東圣生物科技有限公司。

十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfonate, SDS)、四乙酸二氨基乙烷(ethylene diamine tetraacetic acid, EDTA)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、二硫代硝基苯甲酸(DTNB)、還原型谷胱甘肽(L-glutathione, GSH)、二硫蘇糖醇(dithiothreitol, DTT)、溴化鉀等其他試劑均來自國藥集團化學試劑有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

ASM-PE1210A型打蛋器，ACA北美電器公司；SM-32s型醒發箱、MB-622型烤箱、SM-302N型切片機，新麥機械(無錫)有限公司；TA.XT Plus型物性分析儀，英國SMS公司；803200型快速黏度儀RVA，澳大利亞Newport Scientific儀器公司；YS-04型小型高速粉碎機，北京燕山正德機械設備有限公司；IKA T25數顯型攪拌機，艾卡(廣州)儀器設備有限公司；Finnigan Trace MS氣相色譜-質譜聯用儀，美國Finnigan公司；77530型冷凍干燥機，美國Labconco公司；UltraScan Pro1166型高精度分光測色儀，美國Hunterlab公司；Nicolet nexus 470 型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 糙米蛋糕原料配方

試驗糙米蛋糕的原料配方如表1所示。

表1 糙米蛋糕原料配方

注：配方中一共需要60 g糖粉，其中蛋黃糊中添加20 g，蛋清中添加40 g

1.3.2 糙米蛋糕工藝流程(圖1)

技術要點：TGase添加量以蛋黃糊和蛋清中蛋白含量計；翻拌均勻的蛋黃糊在醒發箱50 ℃(TGase最適溫度)下靜置30 min后待用；蛋清打發時分3次加入糖粉；取400 g混合好的蛋糕糊倒入直徑21 cm的圓形模具中；焙烤條件為上火170 ℃、下火180 ℃、焙烤時間45 min。

圖1 糙米蛋糕工藝流程

1.3.3 糙米蛋糕比容測定

參照GB/T 14611—2008中面包比容的測定方法，將烘焙后的蛋糕冷卻至室溫，稱量質量，用小米置換法測定體積，蛋糕的體積與質量之比即為蛋糕比容(mL/g)。

1.3.4 糙米蛋糕質構測定

參照AACC 74-09面包硬度測試2002年的標準并略有修改，使用TA.XT Plus型物性分析儀，采用TPA 2次壓縮模式對蛋糕進行質構分析。測試條件：將同批次的3個蛋糕芯部樣品切成2 cm × 2 cm × 2.5 cm的長方體，探頭型號P36R，測前速度1.0 mm/s，測試速度1.7 mm/s，測后速度10 mm/s，壓縮程度50%，感應力5 g，2次壓縮的時間間隔5 s。

1.3.5 蛋黃糊黏度測定

參照GB/T 24852—2010中的測試方法，直接在鋁盒中準確稱取制備好的蛋黃糊28.00 g。測試程序：先從20 ℃以6 ℃/min升溫到50 ℃，然后在50 ℃保持30 min，測試過程中攪拌槳的轉速始終為20 r/min。

1.3.6 蛋黃糊乳化穩定性測定

參照WANG等[9]的方法，將制備好的蛋黃糊迅速轉移到高10 cm、內直徑 2.5 cm的塑料離心管中，初始注入高度記為H0，以轉速2 000 r/min離心20 min，離心后蛋黃糊高度記為H1，乳化穩定性按公式(1)計算：

(1)

式中：H0，蛋黃糊的注入高度，cm；H1，離心后蛋黃糊的高度，cm。

1.3.7 蛋清起泡性和泡沫穩定性測定

在實驗室條件下，參照WANG等[10]的機械攪打法，將30.00 g新鮮蛋清液置于100 mL量筒中，記錄初始液面高度為V0，使用數顯型攪拌機以12 000 r/min攪拌2 min，記錄攪拌后泡沫與液體總高度為V1，靜置30 min后液體高度為V2。起泡性和泡沫穩定性如公式(1)、(2)所示：

(2)

(3)

式中：h0，蛋清初始液面高度，cm；h1，攪拌2 min后泡沫與液面總高度，cm；h2，靜置30 min后液體高度，cm。

1.3.8 游離巰基含量測定

參照ROMBOUTS等[11]的Ellman試劑法并做適當修改。準確稱取100.0 mg凍干的蛋黃糊樣品，加入5 mL反應緩沖液(含2.5% SDS、92 mmol/L甘氨酸、4.1 mmol/L EDTA及86 mmol/L Tris-HCl，pH 8.0)后置于25 ℃搖床中振蕩30 min，再加入0.05 mL DTNB溶液 (5 mg/mL)，迅速混勻后在25 ℃搖床中避光反應30 min后離心 (4 000×g、20 min)。在412 nm下測定上清液的吸光度。采用還原型GSH標準曲線對游離巰基進行定量分析。

1.3.9 FTIR分析

參照劉燕琪等[12]的方法并做適當修改，將制備好的蛋黃糊樣品凍干、磨粉、過0.150 mm的試樣篩后，與溴化鉀按1∶100質量比混合，充分研磨后取50 mg壓成薄片，做全波段掃描(4 000～400 cm-1)測定，分辨率為4.0 cm-1，掃描次數為32次。譜圖處理：用Peakfit Version 4.12軟件在酰胺Ⅰ帶1 700～1 600 cm-1進行去卷積處理和二階導數擬合，確定各子峰與各二級結構的對應關系(1 610～1 642 cm-1歸屬β-折疊、1 642～1 650 cm-1歸屬無規卷曲、1 650～1 660 cm-1歸屬α-螺旋、1 660～1 680 cm-1歸屬β-轉角、1 680～1 700 cm-1歸屬β-逆折疊)[13]。然后根據各子峰所占面積計算出各部分二級結構所占的比率。

1.3.10 體積排阻高效液相色譜(SE-HPLC)分析

參考LIU等[14]的方法，各稱2份50 mg凍干蛋黃糊樣品，加入5 mL磷酸鈉緩沖液(PBS，0.05 mol/L，pH 6.8，其中含有2%十二烷基硫酸鈉(SDS))。其中1份完全還原樣品的溶解液中含有1% DTT。萃取1 h后離心(5 000×g、4 ℃、5 min)，上清液過0.45 μm微孔濾膜后用Shodex Protein KW-804柱進行SE-HPLC分析。色譜條件為：上樣量為5 μL，流動相為含0.2% SDS的PBS(0.05 mol/L，pH 6.8)，柱溫30 ℃，流速0.7 mL/min，紫外檢測波長為214 nm。SDS蛋白可提取率(SDSEP)是指非還原條件下樣品中蛋白的洗脫曲線面積與還原條件下樣品中蛋白的洗脫曲線面積的比值[15]。

1.4 數據處理與分析

數據平行測定3次，結果用平均值±標準偏差的形式表示。采用SPSS 19.0軟件進行分析，用Duncan’s多重比較法進行顯著性分析，P<0.05表示差異顯著，Origin 8.5軟件進行圖形化處理。

2 結果與分析

2.1 添加TGase對糙米蛋糕烘焙品質的影響

蛋糕的比容可以反映蛋糕的體積膨脹程度以及膨脹后的持氣能力。由于糙米蛋白為非面筋蛋白以及糙米中含有豐富的膳食纖維，導致蛋糕糊的持氣能力較差，進而影響焙烤過程中蛋糕體積的膨大[16],如表2所示。

表2 添加TGase對糙米蛋糕烘焙品質的影響

注：表中同列數據的不同字母表示數值之間具有顯著性差異(P<0.05)(下同)

隨著TGase在蛋黃糊的添加量增加，糙米蛋糕的比容顯著增加，其中添加量為10 U/g時的比容最大，為5.7 mL/g，比對照組1(4.5 mL/g)相對提高了26.67%。而當在蛋清中添加TGase到2 U/g時，糙米蛋糕的比容也增加到4.7 mL/g。這說明無論在蛋黃糊還是在蛋清中添加適量的TGase，都能使蛋白質分子內或分子間的交聯作用得到加強，從而增強蛋白的網絡結構，提升糙米蛋糕的比容。硬度與彈性是蛋糕質構品質的重要指標，質構的變化與蛋糕的比容有一定的關系，比容越大，蛋糕的組織結構更加膨松，口感更加松軟。TGase在蛋黃糊中的添加對糙米蛋糕的質構特性影響較大，糙米蛋糕的硬度呈現先顯著降低后顯著增加的趨勢，而彈性相反。隨著TGase在蛋清中的添加量增加，糙米蛋糕的硬度和彈性分別比對照組1有明顯的降低和增加，但不同TGase添加量處理間蛋糕的硬度無明顯差異。

RENZETTI等[8]報道TGase可以促使糙米粉中的谷蛋白發生交聯反應，生成大分子質量的蛋白聚合物，而谷蛋白占糙米蛋白總量的80%以上。蛋清中的主要蛋白組分是卵清蛋白，占蛋清蛋白總量的54%～69%，WANG等[10]用1.0% TGase處理蛋清泡沫，在SDS-PAGE蛋白譜圖的頂部觀察到輕微染色的條帶，推測該條帶可能是卵清蛋白中谷氨酰胺和賴氨酸殘基的分子間交聯形成的更高分子質量的蛋白質聚合物。本實驗從試驗號10～14可以看出，在蛋黃糊和蛋清中分別添加10、2 U/g TGase時，2方面的協同作用使蛋糕糊在焙烤過程中的持水持氣能力得到增強，形成的一定網絡結構使制得的糙米蛋糕的比容增加到6.0 mL/g，硬度比對照組1相對降低47.26%，而彈性相對增加8.88%，糙米蛋糕的烘焙品質得到顯著改善。

2.2 添加TGase對蛋黃糊黏度和乳化穩定性的影響

2.2.1 蛋黃糊的黏度

蛋黃糊的黏度較高時，攪拌過程中混入的空氣會更加穩定，而且內部的氣泡大小會更加均勻，后期蛋糕糊的持氣穩定性也會明顯增強。由圖2可知，在蛋黃糊黏度測定的最初5 min內，黏度快速直線下降，這是由于溫度的增加和攪拌槳的剪切作用所致。5 min后溫度保持在酶的最適作用溫度50 ℃，與對照組0 U/g相比，不同添加量TGase處理的蛋黃糊黏度明顯提高，35 min左右黏度趨于平穩。其中添加量為10 U/g時變化最明顯，在35 min時黏度比對照組相對提高62.27%。隨著TGase添加量的增加，蛋黃糊中的蛋白發生一定程度的交聯，使聚合度增加，分子量增大，分子粒徑增加，最終導致蛋黃糊黏度的增加[17]。但是進一步提高TGase的添加量，蛋黃糊的黏度反而降低，這可能是因為隨著TGase添加量的增加，蛋白質分子表面的作用位點很快被交聯而降低了其與周圍其他蛋白質分子進行交聯的機率，因而形成的分子間交聯比加酶量小的情況下要少[18]。

2.2.2 蛋黃糊的乳化穩定性

乳化穩定性是指乳化液保持明顯穩定狀態并且不產生兩相分層現象的特性。在蛋糕的制作過程中較好的乳化穩定性可以使蛋糕內部組織更加均勻、細膩，口感更佳。由圖3可知，添加TGase可顯著影響蛋黃糊的乳化穩定性。在乳液體系形成過程中，TGase對蛋白質的交聯作用會使乳液體系中油水界面膜的厚度增加，穩定性增強[19]。隨著TGase添加量的增加，上層油的滲出量越來越少，蛋黃糊的乳化穩定性顯著提高，繼續添加超過10 U/g時，乳化穩定性略有降低，可能是因為隨著蛋白交聯程度的增加，形成的聚合物分子質量越來越大，進而導致蛋白質的溶解度降低。

圖2 添加TGase對蛋黃糊體系黏度(RVA)的影響

圖3 添加TGase對蛋黃糊體系乳化穩定性的影響

2.3 添加TGase對蛋清起泡性和泡沫穩定性影響

蛋糕屬于泡沫型食品，穩定而細膩的泡沫能賦予其疏松的結構和良好的口感。由于在實驗室條件下機械攪打2 min，時間較短，起泡性在50%左右，無明顯變化；但是隨著儲存時間的增加，蛋清泡沫的體積減小，液體高度在不斷增加。與對照組0 U/g 相比，隨著TGase添加量的增加，泡沫穩定性呈先升高后降低的趨勢。當添加量為2 U/g 時，泡沫穩定性最高，相對提高了8.43%。可能是由于蛋清蛋白分子間的相互作用促進了界面膜的形成，適當的交聯使界面膜得以加強，因此增加了蛋白的泡沫穩定性[20]。但繼續添加TGase，形成的大分子聚合物可能使蛋白質的溶解性降低，膜上吸附的改性蛋白質分子減少，膜的致密性降低，彈性減弱，泡沫中的氣體容易通過液膜向外擴散，因此泡沫存在的時間縮短，導致蛋清的泡沫穩定性降低[21]。

圖4 添加TGase對蛋清泡沫穩定性的影響

2.4 游離巰基含量測定

巰基是蛋白質中最具有反應活性的功能性基團之一，也是影響蛋白質三級結構的重要參數。體系中游離巰基含量的降低表明蛋白質可能發生了變性，或者形成了分子間二硫鍵[22]。蛋黃糊中添加了TGase后，游離巰基含量顯著下降。

圖5 添加TGase對蛋黃糊體系游離巰基含量的影響

GUJRAL等[23]在TGase 改性米粉的研究中指出，米粉中游離巰基的含量隨著TGase添加量的增加呈顯著下降趨勢，當TGase的添加量超過1%后，游離巰基含量沒有明顯區別，可能是由于暴露于酶反應的賴氨酸基團的缺失。游離巰基含量的減少表明TGase催化蛋黃糊中的蛋白交聯形成大分子質量的聚集體后，暴露在表面的游離巰基被包埋到分子內部；另一方面，TGase在發揮交聯作用時，新形成的交聯肽鏈中含硫氨基酸彼此接近，并通過氧化作用形成二硫鍵，從而導致游離巰基含量減小[24]。

2.5 FTIR分析

蛋白質的二級結構指的是蛋白質分子局部區域內，多肽鏈沿一定方向盤繞和折疊的方式，主要是由分子內的氫鍵維系的局部空間排列，包括 α-螺旋、β-折疊、β-轉角、無規卷曲和β-逆折疊等[25]。由FTIR測得的蛋白質二級結構比率列于表3中，蛋黃糊中β-折疊占主要比例。隨著蛋黃糊中TGase添加量的增加，β-折疊呈顯著增加趨勢，另外α-螺旋和β-逆折疊也顯著增加，無規卷曲、β-轉角則顯著降低，表明TGase使蛋黃糊中蛋白分子的無規卷曲、β-轉角向β-折疊、α-螺旋和β-逆折疊結構轉變。β-折疊和α-螺旋依靠氫鍵穩定，其比例越多，蛋白質結構越穩定。另外，β-轉角比例的降低可能也是TGase的作用使蛋白質結構更加緊密，阻止了多肽鏈的反轉。因此，TGase處理后蛋黃糊的黏度和乳化穩定性顯著提高，主要原因就是蛋白質二級結構中的不穩定結構向穩定結構的轉變。

表2 添加TGase對蛋黃糊中蛋白質二級結構的影響

2.6 SE-HPLC分析

當蛋白質發生解聚或聚合反應時，分子和分子間會發生化學鍵的斷裂與生成，結構變化導致相對分子質量隨之改變。SE-HPLC可以分離相對分子質量不同的蛋白質，其中相對分子質量較大的蛋白質先出峰。為了探究TGase對蛋黃糊中蛋白質聚合程度的影響，采用SDSEP的變化來定量反應蛋白質的聚合程度[26]。一般來說，蛋白質發生聚合，其相對分子質量變大，SDSEP會減少。

a-非還原條件下;b-還原條件下

由圖6-a可以看出，TGase添加10 U/g時的蛋黃糊，在洗脫時間8～10 min區間的蛋白質峰面積與對照組0 U/g相比顯著增加，而洗脫時間在10～15 min區間的蛋白質峰面積急劇減少，說明經TGase處理后的蛋黃糊中一部分小分子質量蛋白質發生了交聯反應，生成了較大分子質量的蛋白質聚集體。另一方面，從圖6-b可以看出，在洗脫時間12～15 min區間，經TGase處理后的蛋黃糊中蛋白質的峰面積下降，表明TGase的添加使蛋黃糊中的蛋白生成了不能被DTT打斷的以非二硫鍵形式存在的交聯鍵，這是因為TGase誘導形成的 ε-(γ-谷氨酰基) 賴氨酸異肽鍵是一種連接力比二硫鍵強69倍的共價鍵[26]。通過上述2個譜圖計算得到，TGase添加量為0 U/g時，蛋黃糊中的SDSEP為25.42%，而添加量為10 U/g時SDSEP為24.47%，SDSEP的下降進一步表明在TGase的催化作用下，蛋黃糊中的蛋白發生交聯，生成了較大的且不能被SDS萃取的大分子質量蛋白聚集體。這種聚集體的生成使蛋黃糊中蛋白質形成的網絡結構更加致密，使得淀粉顆粒被包裹得更嚴密，焙烤糊化后分散的淀粉鏈與蛋白質鏈更多地交織在一起，這使蛋黃糊內各種成分的分布更加均勻、穩定，并有利于氣泡的保留和提高細密度，增大物料的持氣性，從而使糙米蛋糕的比容得到顯著提升，這與魏曉明等[15]的研究結果一致。

3 結論

普通糙米粉制備的蛋糕比容小、容易塌陷且彈性較差。在蛋黃糊和蛋清中分別添加不同量的TGase后能明顯改善糙米蛋糕的比容、質構等烘焙品質。添加TGase后能夠明顯提高蛋黃糊的黏度和乳化穩定性，顯著增強蛋清打發后的泡沫穩定性，提高糙米蛋糕的比容。游離巰基含量測定和FTIR分析表明，蛋黃糊中的游離巰基含量減少，同時蛋白的二級結構發生轉變，β-折疊比例明顯增加，無規卷曲、β-轉角向β-折疊、α-螺旋和β-逆折疊結構轉變，使得蛋白質的結構更加穩定。同時SE-HPLC分析表明TGase催化蛋黃糊中的蛋白發生穩定的交聯作用，形成了更多大分子質量的蛋白聚集體。在蛋黃糊和蛋清中添加適量TGase可以明顯改善糙米蛋糕的品質，為實際生產中TGase用于糙米蛋糕品質的提升提供參考。另外TGase在糙米蛋糕中的作用機理仍需進一步探究。