高溫高濕處理對小麥中蛋白質性質的影響

周小玲 - 李 娜 張冬生 -

(克明面業股份有限公司，湖南 長沙 414000)

蛋白質是小麥粉的主要組成成分之一，占10%左右[1]。眾多研究者[2-7]報道了小麥蛋白質的組成和比例在面團的流變學特性和面制品的品質中發揮的作用，其中面筋蛋白作為小麥粉中的一種獨特蛋白，在面制品的加工過程中起著不可取代的重要作用。干燥是掛面生產的重要工藝環節，對終產品的品質有重要的影響[8-9]。掛面屬不良濕熱導體，較高的干燥溫度能夠加速掛面表面水分蒸發，但如果內部水分向外遷移速度慢，就會造成“酥面”“劈條”等質量問題。但由于溫度過高時烤房內濕度較難控制，易導致質量問題，因此高溫高濕工藝還未在掛面生產中得到廣泛應用。

目前熱處理對掛面或小麥粉的影響研究報道較多，郭穎等[10]研究了烘干溫度對掛面中淀粉和蛋白組分變化的影響，發現掛面蛋白組分中清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和麥谷蛋白大聚體的含量有不同程度的變化；林江濤等[11]研究了不同受熱條件下小麥粉品質及其面團特性的變化，發現隨著溫度升高和時間延長，清蛋白和球蛋白含量降低，醇溶蛋白和麥谷蛋白含量先升高后降低；Shomer等[12]研究發現，醇溶蛋白為集中的膜狀體，受熱后會變成一種松散的膠體狀態，其延展性增加而彈性減少；Tsiami等[13]研究發現，未加熱前，聚集度小的麥谷蛋白顯黏性，而聚集度高的麥谷蛋白則表現為膠體特性，當溫度上升到40～50 ℃時，小聚集體的聚合程度增大，其膠體特性增強，而黏性減小。上述研究證明，麥谷蛋白是造成面筋具有強大抗延伸性能力的主要原因。然而同步分析高溫高濕處理對小麥原料及制品的影響研究涉及較少。惠瀅[14]研究了高溫高濕干燥工藝對干掛面質量特性、煮制掛面特性、掛面中的淀粉理化性質及其與掛面品質的相關性，但未研究其對掛面中蛋白質性質的影響，同時其中的高溫高濕工藝為恒定條件(80 ℃、85%)，也未對掛面所使用的小麥粉原料受到的影響進行同步研究。

研究擬以小麥粉及其制品為主要原料，經高溫高濕工藝處理后，測定小麥粉及小麥面條中蛋白質水溶性、持水性、分子性質和微觀結構的變化，探索高溫高濕工藝對小麥及其制品蛋白質性質的影響，以期為小麥深加工提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

小麥粉：基本理化指標如表1所示，河南駐馬店地區；

所用化學試劑均為國產分析純。

表1 面粉理化性質

1.1.2 主要儀器

制面機：SK-1240型，成都索拉泰克精密機械有限公司；

智能掛面干燥試驗臺：SYT-030型，中國農業機械化科學研究院；

面筋洗滌儀器：JJJM54S型，上海嘉定糧油儀器有限公司；

水浴恒溫振蕩器：SHA-CD型，常州澳華儀器有限公司；

低溫離心機：Allgera 64型，美國貝克曼公司；

冷凍干燥機：SCIENTZ-50F型，寧波新芝生物科技股份有限公司；

紫外可見分光光度計：UV-2450型，日本島津公司；

pH計：DELTA 320型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司；

高效液相色譜儀：Agilent1100型，美國安捷倫公司；

蛋白柱：Shodex KW804型，日本Shodex公司；

掃描電子顯微鏡：JSM-6700F型，日本電子株式會社。

1.2 方法

1.2.1 高溫高濕處理工藝 將樣品置于溫度100 ℃、濕度為(85±5)%的條件下處理60，85，120，190，300，600，1 000 min，以未進行處理的樣品作為對照。

1.2.2 小麥粉蛋白樣品的制備

(1) 面筋蛋白(PG)：參照GB/T 5506.4—2008的方法制備干面筋，將制備的干面筋采用高溫高濕工藝處理60，85，120，190，300，600，1 000 min。以未經處理的為空白，記為PG-0，處理的樣品依次記為PG-1，PG-2，PG-3，PG-4，PG-5，PG-6，PG-7。

(2) 麥谷蛋白(PGu)：采用堿提酸沉法[15]13提取小麥粉中的麥谷蛋白，冷凍干燥(預凍溫度為-50 ℃，干燥時間為28 h)獲得麥谷蛋白。采用高溫高濕工藝處理麥谷蛋白60，85，120，190，300，600，1 000 min。以未經處理的為空白，記為PGu-0，處理的樣品依次記為PGu-1，PGu-2，PGu-3，PGu-4，PGu-5，PGu-6，PGu-7。

1.2.3 掛面蛋白樣品的制備

(1) 面筋蛋白(KG)：將經高溫高濕處理的樣品按GB/T 5506.2—2008方法水洗得到濕面筋Kw，進行冷凍干燥(預凍溫度為-50 ℃，干燥時間為35 h)獲得掛面面筋蛋白KG。以未經處理的為空白，記為Kw-0和KG-0，將經過高溫高濕工藝處理60，85，120，190，300，600，1 000 min 的掛面得到的濕面筋Kw和掛面面筋蛋白KG依次記為Kw-1和KG-1，Kw-2和KG-2，Kw-3和KG-3，Kw-4和KG-4，Kw-5和KG-5，Kw-6和KG-6，Kw-7和KG-7。

(2) 麥谷蛋白(KGu)的制備：將經高溫高濕處理的樣品采用堿提酸沉方法提取谷蛋白，具體操作方法同1.2.2(2)。以未經處理的為空白，記為KGu-0，將經過高溫高濕工藝處理60，85，120，190，300，600，1 000 min的掛面提取得到的麥谷蛋白依次記為KGu-1，KGu-2，KGu-3，KGu-4，KGu-5，KGu-6，KGu-7。

(4) 醇溶蛋白(KGi)的制備：將經高溫高濕處理的樣品采用文獻[15]13方法提取醇溶蛋白，冷凍干燥后(預凍溫度為-50 ℃，干燥時間為28 h)得醇溶蛋白粉，以未經處理的為空白，記為KGi-0，將經過高溫高濕工藝處理60，85，120，190，300，600，1 000 min的掛面提取的醇溶蛋白依次記為KGi-1，KGi-2，KGi-3，KGi-4，KGi-5，KGi-6，KGi-7。

1.2.4 蛋白質水溶性測定 采用福林酚試劑法[15]14測定pH 7條件下蛋白質的水溶性。

1.2.5 蛋白質持水能力測定 參照文獻[15]24-25。

1.2.6 蛋白質相對分子質量分布測定 采用體積排阻色譜法[15]36。

1.2.7 蛋白質超微結構分析 樣品經噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的顯微結構。

1.3 數據處理

所有試驗至少進行兩次平行試驗，采用Excel進行數據統計。采用SPSS 20軟件對數據進行顯著性分析，字母不同表示不同處理時間的樣品間存在顯著差異(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 蛋白質理化性質

2.1.1 面筋蛋白的變化 面筋蛋白是小麥中獨特的成分，需在水的催化作用下，谷蛋白與醇溶蛋白吸水后相互結合，形成面筋蛋白(Kw)，經過干燥后形成干面筋(KG)。從面條中將面筋蛋白洗出是一個相反的過程，即將干面筋(KG)加水膨脹并提取出濕面筋(Kw)，通常反過程提取的濕面筋含量低于正過程。由圖1可知，濕面筋含量隨處理時間的延長呈逐漸下降的趨勢，直至面條經過1 000 min的高溫高濕處理后濕面筋的洗出量為0。由此可見高溫高濕會促進面筋結構的致密性，隨著處理時間的延長，面筋發生熱變性，當面筋受熱程度過大時，面筋熱變性越大，直至完全失去被水洗出來的能力。Ragasits[16]研究發現，在80 ℃干燥小麥時，濕面筋含量急劇降低，在更高的溫度無法洗出面筋，與試驗的結果類似。

圖1 高溫高濕工藝處理掛面中的濕面筋含量

2.1.2 蛋白質水溶性的變化 Mann等[17]研究了熱處理對小麥粉的影響，發現熱處理能降低蛋白質溶解度和面團網絡強度。由圖2可知，小麥粉中的水洗蛋白(PG)與掛面中的水洗蛋白(KG)在處理時間≤85 min時，水溶性基本沒有變化，但處理時間繼續增加，PG與KG的水溶性分別在18 h明顯降低。由圖3可知，小麥粉中的谷蛋白及掛面中的谷蛋白、醇溶蛋白的溶解性與PG、KG的溶解性的表現不同，隨著處理時間的延長，水溶性呈上升趨勢。由此可推測，蛋白質受熱后，谷蛋白與醇溶蛋白的高級結構首先被打開，暴露出帶有氫鍵的極性基團，提高溶解性，其次是谷蛋白與醇溶蛋白的相互作用，使蛋白質發生熱固性，從而降低蛋白質的溶解性。熱變性主要是肽鍵受到過大的熱振蕩，造成次級鍵被破壞，使肽鍵特定的構象被擾亂所致。

2.1.3 蛋白質持水能力的影響 由圖4可知，掛面面筋蛋白的持水能力遠遠大于小麥面筋蛋白，說明掛面面筋蛋白在制面過程中已經形成了網絡結構，而小麥粉蛋白沒有制面過程，因此小麥粉本身的持水能力有限；掛面中的面筋蛋白，尤其是麥谷蛋白因為吸熱膨脹作用，使網狀孔隙增大，從而吸附更多的水分子；小麥蛋白具有一定的持水能力，是由于其中的麥谷蛋白具有一定的持水能力。

由圖5可知，小麥中的谷蛋白持水能力有限，隨著處理時間增加其變化幅度不大，主要原因是谷蛋白經過高溫處理后逐漸失去形成多孔結構的能力，從而使其持水能力沒有很大的改變，甚至在更長時間的高溫處理下有降低的趨勢。

圖2 不同面筋蛋白在中性溶液中的水溶性

圖3 不同面筋蛋白中的谷蛋白與醇溶蛋白在中性溶液中的水溶性

蛋白質持水能力從側面反映面筋蛋白的結構，從而進一步反映掛面的彈性。當蛋白質發生膠凝作用時，形成的三維網狀結構可容納大量的水，不僅提高了蛋白質的持水能力，同時賦予掛面一定的黏彈性，使掛面在咀嚼時表現出對牙齒的反作用力大，從而表現出較好的彈性。

2.2 蛋白質分子性質的變化

檢測小麥粉面筋蛋白及麥谷蛋白、掛面中面筋蛋白及麥谷蛋白、麥醇溶蛋白5種蛋白的相對分子量分布，結果如表2～表4所示。小麥及掛面中的蛋白主要以麥谷蛋白、麥醇溶蛋白為主，掛面面筋中的麥谷蛋白主要以高分子量谷蛋白(HMW-GS)、低分子量谷蛋白(LMW-GS)為主，掛面面筋中麥醇溶蛋白主要以分子量<75 kDa的α、β、γ、Ψ醇溶蛋白為主，占麥醇溶蛋白總量的85.00%，占面筋蛋白總量的60.42%。

圖4 蛋白質的持水能力

圖5 不同蛋白質中的谷蛋白與醇溶蛋白的持水能力

由表2可知，隨著高溫高濕處理時間的增加分子量較小的麥醇溶蛋白含量越來越少，可推測麥醇溶蛋白在高溫持續作用下，肽鍵伸展開，部分暴露出的巰基與相鄰肽鍵上的巰基結合，生成分子間二硫鍵，從而使麥醇溶蛋白分子發生交聯作用，生成分子量更大的麥谷蛋白，由此可見較大分子量的麥谷蛋白含量的增加是掛面硬度增加的主要原因。掛面中面筋蛋白中的麥谷蛋白的含量也是隨高溫高濕處理時間的升高而增加，與此結論相吻合。相關文獻[18]顯示，面筋中的麥谷蛋白為掛面提供硬度，其含量越高，硬度越大，反之亦然。

由表3可知，麥谷蛋白在高溫高濕處理時間達到1 000 min 時發生了明顯的變化，即HMW-GS的含量發生了量的飛躍。其中掛面中的麥谷蛋白達到63%，而LMW-GS的含量僅有30%，與對照的相反，而LMW-GS的含量在處理190～300 min時最多，可推測主要由LMW-GS提供彈性。

由表4可知，賦予掛面良好延伸性的麥醇溶蛋白含量也有明顯的變化，隨著高溫高濕處理時間的延長，分子量<10 kDa的醇溶蛋白含量有增加的趨勢，但在1 000 min急劇降低，相對分子量較大的亞基含量明顯增加。通過品嘗也發現掛面在300 min時的耐嚼性較好，但1 000 min的掛面耐嚼性下降，脆性增加，說明當處理時間達到1 000 min后掛面的延伸性變差，從而使掛面的耐嚼性下降。

表2 小麥粉和掛面中的面筋蛋白分子量分布?

表3 小麥粉和掛面中的麥谷蛋白分子量分布?

表4 掛面中麥醇溶蛋白分子量分布?

2.3 蛋白質外貌性質的變化

2.3.1 小麥粉中面筋蛋白及谷蛋白的微觀結構 由圖6可知，小麥粉面筋蛋白未形成網絡結構，因此其吸水能力低于掛面面筋蛋白的持水能力；谷蛋白具有加熱后失去形成多孔結構的能力，但表面還具有醇溶蛋白與淀粉的結合位點，因此也可結合部分水分子，從而使小麥水洗蛋白具有一定的持水能力。

圖6 小麥粉中面筋蛋白及谷蛋白微觀結構圖

2.3.2 掛面中面筋蛋白、谷蛋白及醇溶蛋白的微觀結構

由圖7可知，掛面面筋蛋白KG呈三維網狀結構，表面的凹痕及孔隙是結合淀粉的部位。未經高溫高濕處理時，淀粉以結合在面筋表面為主，即有凹痕的地方；經過高溫高濕處理后，淀粉結合部位由表面向面筋內部延伸，凹痕變深，直至凹痕變成空隙，且隨著處理時間的增加，孔隙逐漸變大，如表5所示。隨著處理時間的增加，面筋網絡結構中的空隙增加，進而更有利于淀粉顆粒的填充，從而使整個體系更加縝密，提高掛面的硬度，減少掛面的烹調損失。由此可見，處理時間越長，越有利于淀粉顆粒與蛋白網絡結構的結合，這也是導致掛面經長時間高溫高濕處理后，其淀粉難以提純的原因。

圖7 掛面中的面筋蛋白微觀結構圖

由圖8可知，處理初期谷蛋白結構無明顯變化，但處理190 min后麥谷蛋白表面開始變得不平整，出現凹痕，至300 min時出現多孔結構。此處與小麥粉中的麥谷蛋白變化趨勢不同，小麥蛋白中的麥谷蛋白加熱后失去了形成多孔的能力，但掛面中的麥谷蛋白由于在制面過程已經形成了網絡結構，因此加熱使面筋網絡中的空隙變大，從而使谷蛋白的空隙更大。由此可見高溫使面筋中的水分和空氣逃逸，使麥谷蛋白產生多孔結構，增強了面筋蛋白的持水能力，從而提高掛面的彈性。

表5 面筋蛋白微觀結構中孔隙平均大小(橫徑×縱徑)

圖8 掛面中的谷蛋白微觀結構圖

由9可知，未處理與處理300 min及以下的醇溶蛋白的外貌形狀基本無變化，醇溶蛋白的顆粒外觀依然可見，但隨著處理時間的增加，醇溶蛋白分子間的黏結性增加，分子簇間的結合更加緊密；當處理時間達到600 min時，醇溶蛋白的顆粒外觀發生不規則變化，醇溶蛋白大量結合在一起。這可能是當處理時間較短時，醇溶蛋白呈顆粒狀的膜狀體，隨著處理時間的延長，膜狀體變得松散，彈性下降，黏性增加，導致分子間相互黏結。

圖9 掛面中的醇溶蛋白微觀結構圖

3 結論

高溫高濕處理工藝對小麥和面條中的蛋白質性質影響有差異。小麥粉經過高溫高濕處理后，面筋蛋白與谷蛋白的持水能力基本沒有變化、而水溶能力隨著處理時間的延長呈逐步下降趨勢；面條經高溫高濕處理后，面筋蛋白與谷蛋白的持水能力隨處理時間延長而逐步升高，且顯著高于小麥粉，水溶能力則逐步升高。通過研究分子質量及微觀結構，推測導致面條蛋白質性質發生變化的原因是谷蛋白與醇溶蛋白形成的面筋網絡經過高溫高濕工藝處理后逐步發生分子聚集，形成高分子質量的麥谷蛋白聚合體和更堅實的筋骨結構，但長時間高溫高濕處理導致面筋蛋白不能被洗出的原因有待進一步研究。