擠壓對谷物蛋白的微觀結構和功能特性影響的研究進展

劉宗浩 張高鵬 孫立娜 于重偉 董和亮 程建軍

(東北農業大學食品學院1，哈爾濱 150030)(黑龍江省質量監督檢測研究院2，哈爾濱 150028)

谷物主要包括稻米、小麥、玉米等大宗糧食作物，將谷物進行加工處理后, 可得到米飯、面條、餅干等各種食品，是人類獲得能量、蛋白質的主要來源[1]。隨著新型加工技術的發展和研究的深入，對于谷物食品的開發變得多種多樣，廣泛提高了谷物在生產加工中的應用。

擠壓膨化技術是一種新型食品加工技術，具有設備成本低，能源消耗低、工藝操作簡化等優勢，以及雜糧產品口感好，可鈍化不良因子等特點[2]，在谷物食品加工中應用廣泛。谷物蛋白是目前世界上最為豐富和廉價的蛋白質資源，目前已經或正在利用的主要有小麥蛋白，大米蛋白和玉米蛋白等。谷物蛋白的營養價值豐富，但不同谷物之間的蛋白含量和氨基酸組成的差異，會導致蛋白質組成和結構的不同，谷物蛋白表現出不同的功能特性[3]，極大的制約谷物蛋白的應用范圍。目前，關于谷物蛋白的改性加工方法有諸多報道[4]，對谷物蛋白進行擠壓改性加工，改變其微觀結構，進而改善谷物蛋白的功能特性，可以大大拓寬谷物蛋白的應用價值。

近幾年來，國內外對于植物蛋白擠壓過程中的微觀結構和性質變化均有一定研究[5]，蛋白質在擠壓過程中的變性機理為擠壓機內蛋白質受到高溫、高壓和剪切力的影響，維持蛋白質高級結構的結合力會變弱，失去其本身球形結構和三維空間結構，從折疊狀態伸展開來，蛋白質鏈重組，分子間的相互作用力如氫鍵、二硫鍵等會發生斷裂[6]，使蛋白質變性。這些微觀結構的改變會導致蛋白質功能特性的變化，從而有更好的利用價值。

通過擠壓加工谷物蛋白，使谷物蛋白的微觀結構改變，進而改變蛋白質的物理，化學和營養性質，改性后的谷物蛋白在某些方面相較之前有更大的優勢。本研究針對擠壓技術對谷物蛋白的影響進行討論，以期為谷物蛋白的加工利用提供參考,指導谷物蛋白類創新食品的開發。

1 擠壓作用對谷物蛋白質微觀結構的影響

天然的谷物蛋白質在擠壓機內受到高溫、高壓和剪切力的影響，蛋白質主要經歷了4個構象變化階段，如圖1所示：分別是分子鏈展開、團聚、聚集和交聯，并且會伴隨著降解和氧化，這些構象的變化反映了谷物蛋白質微觀結構的改變。

圖1 擠壓過程中谷物蛋白質構象變化預測[7]

其結構變化如圖2所示，由于維持谷物蛋白微觀結構之間的相互作用力受到影響，會使得其蛋白質本身的二級、三級以及四級結構發生改變，蛋白質變性，分子間重新聚集和交聯，形成新的網絡結構。

1.1 一級結構

蛋白質的一級結構(primary structure)是蛋白質多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序，是蛋白質最基本的結構[8]，維持一級結構的主要作用力是共價鍵即肽鍵。與其他加工作用不同，擠壓加工的特點在于同時存在熱、壓力和機械剪切等作用，同時還受水分，螺桿轉速等多重因素的影響。因此，對于谷物蛋白擠壓過程是否會產生異肽鍵，即維持谷物蛋白結構的作用力中肽鍵是否會被破壞是研究者爭議的焦點。

眾多研究表明，谷物蛋白質擠壓過程一般不涉及肽鍵等主化學鍵的斷裂或改變[9,10]，也基本上不會形成異肽鍵，主要是維持蛋白質高級結構的較弱的相互作用力發生變化[11]。Osen R等發現擠壓對蛋白質的水解度和氨基酸組成沒有影響，說明擠壓過程中的熱能和機械能沒有引起肽鍵的形成和變化[9]。有學者對小麥蛋白進行擠壓研究，結果表明在擠壓過程中，小麥面筋蛋白的聚合主要是形成二硫鍵，非二硫共價鍵的作用不大[12]。因此，沒有異肽鍵的參與，一級結構不發生變化。

1.2 二級結構

蛋白質的二級結構(secondary structure)是指蛋白質多肽鏈的主鏈原子通過氫鍵排列成沿一個方向、具有周期性結構的構象。主要為α-螺旋、β-折疊、β-轉角和無規則卷曲[13]。目前的研究多關注于擠壓后谷物蛋白的有序二級結構被破壞的程度。

谷物蛋白的二級結構受擠壓溫度影響較為顯著，有序二級結構如α-螺旋和β-折疊在高于溫度臨界值時會完全遭到破壞，不同的原料，擠壓溫度臨界值會有顯著差異[14,15]。Zhou等[16]研究了不同溫度(100、120、140、160 ℃)下擠壓米糠蛋白的反應，發現隨擠壓溫度升高，米糠蛋白的無序結構會增加，而α-螺旋和β-折疊結構減少，二級結構的這種變化有助于形成更多的蛋白質聚集和蛋白質變性的復合效應。對擠出的玉米蛋白的結構進行檢測，發現在100 ～ 240 ℃之間，α-螺旋和β-折疊的含量會逐漸減少；在240 ℃以上，對二級結構的破壞增加[15]，有序二級結構變化的速度加快。

也有學者認為，在擠壓過程中，谷物蛋白的二級結構如α-螺旋、β-折疊、β-轉角存在著相互轉化的關系。馬寧等[17]認為小麥面筋蛋白的二級結構不會被擠壓完全破壞,而是部分α-螺旋、無規則卷曲、β-折疊等結構轉化成了較穩定的β-轉角。郭蓮東[18]研究了擠壓小米蛋白的二級結構，發現α-螺旋以及β-轉角含量的變化可能是由于部分β-轉角轉化為α-螺旋結構，使其含量上升。

1.3 三級結構

蛋白質的三級結構(tertiary structure)是指在二級結構的基礎上，其線性多肽鏈進一步折疊成為緊密結構時的三維空間排列。蛋白質三級結構的穩定一般依靠次級鍵及二硫鍵來維持[13]。對于蛋白質三級結構的穩定起著重要作用的二硫鍵是目前學者對于谷物蛋白三級結構研究的焦點。其中，自由巰基的變化和二硫鍵含量變化的研究是探討二硫鍵作用的重要途徑。

谷物蛋白經過擠壓加工處理，對二硫鍵有破壞作用，并會引起自由巰基含量的增加[19-21]，使三級結構發生改變。擠壓過程，擠壓溫度對二硫鍵有重要影響，高溫使分子內二硫鍵發生斷裂，形成分子間二硫鍵。谷物蛋白分子會被降解成較小分子質量的片段，聚集體通過新的二硫鍵將片段連接[22]，同時，聚集速度會增加，使谷物蛋白的三級結構被破壞的更迅速。

圖2 擠壓過程中的谷物蛋白質的結構變化預測

Fischer T[23]等研究了小麥蛋白分別經140、160、180 ℃的擠壓溫度處理，自由巰基的含量分別增加了107%、113%、348%。也有學者測定了不同溫度下小麥蛋白擠出物中的二硫鍵含量，發現擠壓溫度升高，二硫鍵含量降低，自由巰基含量會升高；當擠壓溫度大于160 ℃時，溫度對自由巰基和二硫鍵含量變化的影響更為明顯，三級結構變化的也更快。

另外，自由巰基和二硫鍵含量也會因剪切強度的不同而產生差異[24]。這可能是由于蛋白質分子在機械剪切作用下，更多的巰基基團容易暴露，在氧氣的參與下，巰基基團會發生氧化反應，從而形成新的二硫鍵。另一方面，機械剪切是一種物理剪切作用，會打斷蛋白質分子間的二硫鍵，從而降低二硫鍵的含量，在強剪切力作用下，蛋白質分子鏈也可能發生破壞而降解。

1.4 四級結構

蛋白質分子亞基與亞基之間呈現的特定的三維空間排布稱為蛋白質的四級結構(quarternary structure)。蛋白質的四級結構是在其三級結構的基礎上折疊而來，谷物蛋白經過擠壓，四級結構首先受到破壞，隨著擠壓作用的增強，會進一步破壞谷物蛋白三級結構，使蛋白質變性[11]。蛋白質的大分子亞基在經過熱和剪切作用會更快變成小分子亞基，一些小分子亞基會進一步水解為不同的氨基酸殘基。

擠壓熱變性會使谷物蛋白分子發生聚集反應，可能的機理有：一是蛋白質受熱結構伸展，暴露出硫醇基團和疏水性殘基，氫鍵發生斷裂，使蛋白質分子降解成較小分子質量的片段，聚合體會通過二硫鍵將片段連接[22]，使聚集體逐漸增大。另一方面，擠壓機內各個區段的溫度會顯著影響反應動力學，增加溫度會增加反應物的熱動能，使反應物具有足夠高的碰撞頻率來克服活化能，從而使蛋白質聚集速度增加。

擠壓過程中，壓力作用會使最初形成的蛋白質聚集體結構再次發生變化，分解成較小的聚集體。研究發現在較低壓力處理下，谷物蛋白會發生聚集反應，使蛋白質分子質量增加；但較高壓力處理反而會引起蛋白質聚集體的解聚，造成其向小分子質量方向轉變。

2 擠壓對谷物蛋白功能特性的影響

谷物蛋白在生產加工過程中幾個主要的功能性質有溶解性，起泡性，乳化性和蛋白質消化率。由于谷物蛋白的三、四級結構是在二級結構的基礎上進一步卷曲折疊，隨著擠壓作用的增強，三、四級結構被破壞后，二級結構也會受到影響，結構的變化又決定著性質的變化。因而在擠壓過程中，谷物蛋白這些微觀結構的改變，使得其功能特性也會受到很大的影響。表1總結了部分谷物蛋白的結構與功能的構效關系。

表1 谷物蛋白功能性質的決定因素

2.1 溶解性

溶解性是谷物蛋白重要的功能性質，常以蛋白質分散指數和氮溶解指數來表征。溶解性也是谷物蛋白其他功能特性的基礎[25]。谷物蛋白經過擠壓處理，在溫度、剪切和壓力等多條件耦合作用下蛋白質發生變性，使溶解性降低[26,27]。

谷物蛋白在擠壓過程中受到熱效應和剪切效應，會使蛋白質的二級結構遭到破壞，使其內部疏水基團暴露，蛋白質聚集體通過疏水相互作用和二硫鍵連接，分子質量增加,氮溶解指數和游離巰基含量下降，所以變性蛋白質的溶解性降低[27,28]。維持谷物蛋白二級結構穩定的作用力一旦被破壞，擠壓變性后的蛋白質便會通過疏水作用相互聚集為二硫鍵交聯提供有利條件[29]。有學者研究了擠壓小米蛋白后的溶解性與總蛋白電泳圖譜的變化，發現小米蛋白的高分子亞基含量減少[30]，三級結構發生變化，溶解性降低。因此，谷物蛋白三、四級結構被破壞后，蛋白質分子會發生相互聚集，隨著擠壓作用的進一步增強，維持二級結構的作用力如疏水作用和二硫鍵也會被破壞，這是導致溶解性降低的主要原因。

有學者認為也存在著一種可能是蛋白質通過與其他共價鍵相互交聯。對擠出物表現出的纖維狀結構進行分析，發現在混合溶劑中氫鍵和二硫鍵之間表現出明顯的協同作用[31]。對比小麥面筋蛋白在擠壓與傳統堿化處理的溶解度變化，擠壓處理更能使蛋白質聚集，引起溶解度降低[32]。在對玉米蛋白進行擠壓處理，發現玉米醇溶蛋白的二級結構發生了改變，使聚集體的顆粒形態和大小發生變化[33]，從而使溶解性發生變化。

2.2 起泡性

泡沫是氣泡分散在含有表面活性劑的連續液相或半固相的分散體系[34]。溶解性和表面疏水性是影響蛋白質的起泡性的重要因素，主要決定于蛋白質二級結構的變化。由于谷物蛋白分子中二硫鍵及次級鍵的作用，會使親水性分子提高界面的交互作用，蛋白質的起泡能力會受到影響，同時，對泡沫的穩定性也會有一定作用。

谷物蛋白經擠壓處理，二級結構發生改變，破壞蛋白分子內的二硫鍵及次級鍵，巰基含量增加，表面疏水性改變，影響蛋白質的起泡性。經過擠壓處理后的米糠蛋白，起泡能力和穩定性方面都有所改善，這體現在擠壓后的起泡體積比未擠壓米糠蛋白高[35,36]。蛋白質起泡的效果會隨著擠壓參數的提高和擠壓時間的延長而愈加顯著。

有研究也發現擠壓能夠提高泡沫容量，但會使蛋白質的泡沫穩定性降低[37]。與天然大米蛋白相比，擠壓大米蛋白的疏水性降低，可能是因為原蛋白表面帶有蛋白質的水合相互作用，而蛋白經擠壓后，三級結構發生變化，引起蛋白質分子部分聚集和降解，使疏水基團向分子內部釋放，表面疏水性變小[38]，起泡性提高。

2.3 乳化性

蛋白質的乳化性是指油、水形成乳狀液的能力，主要是包括乳化和乳化穩定性。谷物蛋白的乳化性與其溶解性、表面電荷、表面疏水性等有關[39]。經過擠壓處理后，谷物蛋白的二、三、四級結構均會改變，發生不可逆變性，表面電荷發生變化，游離巰基含量增加，使乳化性提高[40]。

谷物蛋白在高溫條件下進行擠壓膨化處理，四級結構首先被破壞，進而引發三級結構的改變，蛋白質分子鏈展開，暴露內部疏水基，疏水性多肽部分展開朝向脂質，極性部分朝向水相，從而降低谷物蛋白的表面張力，促進油—水乳化液的形成。蛋白質的表面聚集的乳化油滴狀態穩定，會形成一種保護層，使油滴的聚集減少，同時減弱對乳化狀態的破壞[41]。因而擠壓膨化后，谷物蛋白質的乳化性明顯提高。

有學者也認為在擠壓過程中，擠壓會導致二硫鍵數量急劇增加，但巰基會減少，分子量的增加可能是由于擠壓過程中形成的蛋白質聚集體所致，使谷物蛋白分子間相互作用力減弱，從而降低乳化穩定性[38]。Ma等[42]研究發現擠出溫度對乳化性有負影響，當擠壓溫度低于80 ℃時，自由巰基含量會有所增加，這些疏水基團的增加可能是由于疏水基團從蛋白分子的內部向表面進行了移動。擠壓膨化改性后，谷物蛋白質的分子量降低，蛋白質分子間相互作用減弱，使其無法附在油滴界面上，蛋白質膜強度也會降低，因而乳化穩定性有所降低。

2.4 蛋白質的消化率

蛋白質消化率是反應食物被消化酶分解的程度以及消化后的氨基酸和肽被吸收程度的指標。眾多研究表明，谷物蛋白經過擠壓加工后，消化率會顯著提高[43,44]，這可能是由于谷物蛋白在擠壓過程中，三、四級結構被破壞，蛋白質發生變性，伸展的蛋白質分子更易被蛋白酶所消化[41]。同時，擠壓產品與烘焙產品相比，具有更高的蛋白質效率比值、更高的蛋白質消化率修正氨基酸評分值等優點[45]。

有學者通過研究不同熱處理方式對小米蛋白質的消化情況的差異，發現擠壓對小米蛋白質的消化率的影響優于蒸煮方式[46]。且在擠壓過程中，高溫結合高水分或低水分均有利于提高谷物蛋白消化率[47]。擠壓膨化后大米蛋白體外消化率比原大米蛋白提高了10.31%[48]。雙螺桿擠壓過程中，膨化小麥面筋制品的保水性和體外蛋白消化率也顯著提高[49]。

不同擠壓參數的綜合作用下，也會出現蛋白質消化率降低的情況。Palanisamy等[50]通過改變擠出參數，如筒溫(138～180 ℃)、進水(40%～68%)和螺桿轉速(400～1 800 r/min)等條件，對谷物進行高水分擠出，發現隨著桶內溫度的升高，體外蛋白質消化率卻降低了，但隨著增加谷物蛋白的進給量以后，體外蛋白質消化率升高。

3 擠壓谷物蛋白在生產加工中的應用

谷物蛋白經過擠壓改性后，微觀結構發生改變，其功能特性相較天然谷物蛋白會有很大改善，進而拓寬生產加工中谷物蛋白潛在的應用價值。其中，應用較多的是在食品中擠壓谷物蛋白組織化以及擠壓谷物蛋白改性制作生物材料。

3.1 擠壓谷物蛋白在食品中的應用

擠壓谷物蛋白在食品中的應用主要是組織化蛋白，目前，對于形成和穩定蛋白擠壓組織化結構的作用力被認為是二硫鍵、疏水相互作用和靜電作用，經過加熱和擠壓剪切過程，谷物蛋白結構發生變化，小分子亞基會發生聚集，溶解度降低，且升溫會加速二硫鍵的交聯，可以形成良好咀嚼性能和持水性能的纖維狀產品，作為一種肉類的替代品，蛋白的消化率也會得到提高。

谷物蛋白擠壓組織化的原理為，蛋白質變性使原有微觀結構發生變化，副鍵的斷裂使原來折疊部分松散，增加蛋白質交聯，促進纖維結構形成。剪切方式能明顯改善纖維結構。擠壓溫度是影響擠出產品拉伸性能和彈性的決定性因素。而含水率對色澤和硬度起著重要作用[51]。同時擠出物易受消化酶作用，谷物蛋白的消化率和必需氨基酸的生物利用率以及生物有效性會得到提高。

不同的擠壓工藝參數對擠壓制品的組織和形貌有一定的影響[52]。經過雙螺桿物理擠壓膨化可以使玉米蛋白分子之間整齊排列，組織結構紋理更有規律，含有與肉類似的多孔組織，從而擁有良好的似肉食品咀嚼特性及保水性[53]。小麥蛋白由于含有較多的疏水性氨基酸以致溶解性較差，限制了其應用范圍。經過擠壓加工處理，小麥蛋白可以成為具有類似肉的纖維質地和口感的肉制品替代物和填充物，擴大其應用在食品工業中的范圍[54]。

3.2 擠壓谷物蛋白改性在生物材料中的應用

擠壓加工是將谷物蛋白材料轉化為其他增值材料、生物塑料或其他工業前體的一種方法。谷物蛋白經過擠壓改性，使蛋白質內部的微觀結構改變，可以制成較理想功能特性的特殊材料。

Muneer等[55]研究了將小麥醇溶蛋白/麥谷蛋白和改性馬鈴薯淀粉擠壓合成復合材料，發現在兩種擠出溫度下，復合材料中均存在麥谷蛋白的層次六邊形結構，且溫度越高(130 ℃)會誘導產生更高程度的蛋白質交聯，從而增加聚合物的大小，并形成β-折疊，微觀結構的變化對于產品的加工性能以及復合材料的強度、剛度和延展性都有很大改善。這些發現為谷物蛋白-淀粉復合材料的結構功能關系的研究提供了深入的信息。

擠壓玉米蛋白共混物也會表現出吸附控釋行為，其吸附量隨共混比的變化而變化。Bouman等[56]以玉米醇溶蛋白作為唯一輔料，與水和結晶性撲熱息痛的物理混合物在80 ℃下熱熔擠壓，并注射成型，成功制備了玉米醇溶蛋白控釋膠囊。這說明熱熔擠壓玉米醇溶蛋白配方在藥物釋放速率的可調性方面具有獨特的優勢。

4 小結

隨著研究的不斷深入，擠壓技術和其他生產技術結合的新產品的開發逐漸成為研究熱點。目前，雖然谷物中蛋白的含量不及大豆等豆科植物，但谷物的生產量在糧食作物的比重中仍占據主要地位。因此，利用擠壓技術改善谷物蛋白的功能特性，從而拓寬谷物蛋白的開發利用，在未來食品領域前景非常廣闊。

谷物蛋白在擠壓溫度、壓力和機械剪切的能量作用下，同時受到進料速度，含水量、螺桿轉速等因素的影響，對蛋白質的微觀結構會造成不同程度的破壞，這些微觀結構的改變會使谷物蛋白的溶解性、起泡性、乳化性、和蛋白質消化率等功能特性發生改變，主要表現為溶解性降低，乳化性得到提高，但會降低乳化穩定性，起泡性會得到改善，蛋白質的消化率得到顯著提高，了解這些變化對于新型谷物蛋白類產品的開發有重要的作用。