大豆蛋白對小麥面筋蛋白特性的影響

石長碩,張明,趙方圓,董夢飛,趙樹超,郭興鳳*

1(河南工業大學 糧油食品學院,河南 鄭州,450001)2(濟寧市機械設計研究院,山東 濟寧,272000) 3(山東凱斯達機械制造有限公司,山東 濟寧,272000)

將大豆蛋白添加到面粉中可以提高面制品的營養品質,但研究表明,大豆蛋白的添加會影響面筋網絡結構,改變面團的特性,影響面制品品質[1-3]。大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)添加到重構面團中,會增加重構面團的吸水性,影響面團的動態流變特性[4],而添加大豆水解蛋白(soy protein hydrolyzate,SPH)會使得面團的面筋特性等性質變差[5-7]。添加質構化大豆蛋白(texturized soy protein,TSP)可以增加面條的吸水率和蛋白質保留率,從而改善面條的蒸煮品質[8]。

本文將SPI、SPH、TSP分別按比例添加到谷朊粉(wheat gluten,WG)中,分析面筋特性的變化、面筋中蛋白組分和微觀結構的改變,探究大豆蛋白與面筋蛋白相互作用機制。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(蛋白含量90.15%,N×6.25),山東谷神生物科技集團有限公司;谷朊粉(蛋白含量81.06%,N×5.70),河南德大食品公司;其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

K1100全自動凱氏定氮儀,濟南海能儀器有限公司;DS32II雙螺桿擠壓機,濟南賽信機械有限公司;FW-200高速萬能粉碎機,北京中興偉業儀器有限公司;TA-XT Plus物性儀,英國 Stable Micro System 公司;LGJ-18C 型真空冷凍干燥機,北京四環科學儀器廠有限公司;TDL-5-A離心機,上海安亭科學儀器廠;DHR-1流變儀,美國TA儀器公司;Quanta250FEG掃描電子顯微鏡,美國FEI公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 TSP和SPH的制備以及SPH水解度的測定

參考豆洪啟[9]的方法對SPI進行質構化處理,方法略有改動:物料含水量60%、擠壓溫度120 ℃、喂料速度50 r/min,出料速度50 r/min。參考崔會娟等[7]的方法制備SPH,水解條件:加酶量1.0%,SPI質量分數7.57%,酶解溫度47.4 ℃,酶解pH 6.92,水解時間20 min。水解結束后,將水解液90 ℃滅酶15 min,冷卻至室溫后冷凍干燥。茚三酮比色法測得水解度為(5.51±0.04)%。

1.3.2 實驗原料的配制

將3種大豆蛋白分別按照質量分數0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%替代谷朊粉,混合均勻后備用。混合粉分別用SPI-WG、SPH-WG、TSP-WG表示。

1.3.3 面筋中蛋白組分含量的測定

參考郭穎等[10]的方法按照奧斯本分類方法依次提取清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、SDS可溶性蛋白,具體步驟如下。

將依據GB/T 5506.1—2008《小麥和小麥粉 面筋含量 第1部分手洗法測定濕面筋》所制得的面筋在-80 ℃預凍24 h,冷凍干燥。取0.5 g(精確到0.001 g)凍干樣品加入到20 mL的蒸餾水中,磁力攪拌提取1 h,5 000 r/min離心10 min,收集上清液;沉淀用20 mL蒸餾水重復上述步驟提取2次,合并上清液,即為清蛋白提取液。用質量分數3%的NaCl溶液提取水不溶性組分中的蛋白質,方法同清蛋白提取,提取液為球蛋白提取液。將清蛋白與球蛋白提取液合并,即為鹽溶蛋白提取液。

用體積分數70%的乙醇溶液提取鹽不溶性組分中的蛋白質,方法同清蛋白提取,得到醇溶蛋白提取液。

用質量分數1.5%的SDS溶液提取醇不溶物中的蛋白質,方法同清蛋白提取,得到SDS可溶性蛋白提取液。收集提取SDS可溶性蛋白后的沉淀上層的凝膠層,為麥谷蛋白大聚體(glutenin macropolymers,GMP)。

按照GB 5009.5—2016《食品安全國家標準 食品中蛋白質的測定》測定其中的蛋白含量,每種蛋白組分含量以其占面筋的百分比表示。

1.3.4 面筋含量的測定

參考GB/T 5506.1—2008《小麥和小麥粉面筋含量 第1部分手洗法測定濕面筋》測定濕面筋含量。按公式(1)計算樣品的濕面筋含量:

(1)

式中:ωwet,樣品的濕面筋含量(以質量分數表示);m1,測試樣品質量,g;m2,濕面筋的質量,g。

參考GB/T 5506.3—2008《小麥和小麥粉面筋含量 第3部分烘箱干燥法測定干面筋》測定干面筋含量。按公式(2)計算樣品的干面筋含量:

(2)

式中:ωdry:樣品的干面筋含量(以質量分數表示);m1,測試樣品質量,g;m3,干面筋的質量,g。

1.3.5 面筋的拉伸特性測定

參照黃婷玉[11]的方法并略有改動。采用儀器專用的面筋拉伸測定裝置處理面筋,將1.3.4中所制備的濕面筋整形,壓制,然后將面筋從模具中取出,測定。測定條件:拉伸模式;測前速率2.0 mm/s;測試速率2.0 mm/s;測后速率10.0 mm/s;拉伸距離100 mm;每個樣品測試重復3次。

1.3.6 面筋的動態流變學特性測定

參考李翠翠等[12]的方法。將1.3.4中制備的濕面筋置于25 mm 圓形平板上,平行板間距設置為1 050 μm,刮掉平板周圍多余的面團,在25 ℃分別對樣品進行小振幅振蕩測試,采用的頻率范圍為0.1～130.0 r/s;應變振幅調整為1%。

1.3.7 面筋微觀結構的測定

參考王強等[13]的方法,略作改動。將1.3.4中制備的濕面筋于-80 ℃進行預凍,然后真空冷凍干燥處理36 h,選取相對平整的區域,小心掰斷,取少量的樣品進行鍍金處理,使用掃描電子顯微鏡對樣品微觀結構進行拍照,然后通過ImageJ軟件進行分析并計算孔隙率。

1.3.8 數據處理

每組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 23.0軟件的Duncan新復極差法進行顯著性分析,以P<0.05為顯著性檢驗標準;采用Excel 2013和Origin 9.0 進行數據整理和圖表繪制。

2 結果與討論

2.1 大豆蛋白對面筋蛋白組分的影響

由圖1可知,隨著大豆蛋白添加比例增加,SPI-WG面筋、TSP-WG面筋和SPH-WG面筋中醇溶蛋白含量減少,VOGEL等[14]認為在面筋形成過程中,含有半胱氨酸的α-醇溶蛋白和γ-醇溶蛋白通過二硫鍵的交換反應,轉化成了醇不溶性的麥谷蛋白,從而使得醇溶蛋白含量減少。SDS可溶性蛋白含量顯著性增加,說明添加大豆蛋白與麥谷蛋白相互作用,使得通過非共價鍵結合在GMP骨架上的蛋白易被分離,SDS可溶性蛋白含量增加[15]。SPI-WG面筋、TSP-WG面筋中GMP含量增加,且TSP-WG面筋中GMP含量增加明顯,這是因為GMP中不僅有SPI、TSP與面筋蛋白相互作用產生的聚合物,同時也有少量大豆蛋白不溶性聚集體與GMP共沉淀。PéREZ等[16]也發現添加熱處理的大豆粉可以增加面團中的GMP的含量。而SPH-WG面筋中GMP含量明顯減少,說明在面筋形成過程中,SPH通過二硫鍵與麥谷蛋白連接,阻礙了GMP的聚合,使得GMP含量顯著減少[5]。

a-SPI;b-TSP;c-SPH圖1 SPI、TSP和SPH對面筋中蛋白組分的影響Fig.1 Influence of SPI,TSP and SPH on gluten protein components注:圖中不同字母表示差異(P<0.05)(下同)

2.2 大豆蛋白對面筋特性的影響

面筋是由麥醇溶蛋白與麥谷蛋白通過二硫鍵交聯形成的復合物,其中面筋含量是評價面筋品質的重要標志,醇溶蛋白與麥谷蛋白的含量與比例的改變勢必影響著面筋含量的改變[15-16]。由圖2可知,SPI-WG面筋的濕面筋含量由215.4%增長至224.95%,干面筋含量由86.69%下降至79.89%,GMP與濕面筋含量以及蛋白質結合水的能力呈顯著正相關[17],因此GMP含量增加(圖1),使得SPI-WG面筋中干濕面筋含量均有所增加,更好的說明高吸水性SPI與面筋蛋白之間存在相互作用,影響面筋網絡結構的形成[18]。TSP-WG面筋的濕面筋含量由205.4%上升至228.58%,干面筋含量由83.34%上升至96.43%,干面筋含量增大可能是由于TSP與面筋蛋白吸水競爭的同時,相互作用形成新的面筋大分子聚合物。在谷朊粉中添加5%的SPH,水洗結束后有面筋團形成,而增加SPH的添加比例后,使用相同的洗面筋步驟,無面筋形成,這是因為SPH與麥谷蛋白通過二硫鍵形成小分子量聚合物,抑制麥谷蛋白間二硫鍵的連接,從而阻礙面筋蛋白網絡結構的形成[5]。

圖2 SPI、TSP及SPH對濕面筋含量的影響Fig.2 Effect of SPH,SPI and TSP on gluten content

2.3 大豆蛋白對面筋拉伸特性的影響

從圖3可知,SPI-WG面筋的最大拉伸阻力由61.69 g增加到75.89 g,拉伸距離也就是延展度由103.26 mm減小到62.32 mm,TSP-WG面筋的最大拉伸阻力由61.69 g增加到100.39 g,拉伸距離由103.26 mm減小到65.67 mm。最大拉伸阻力與面筋中GMP含量有關,這是因為GMP與其他蛋白通過非共價鍵形成面筋網絡結構,賦予面筋的抗拉伸性[19]。醇溶蛋白通過疏水作用形成水合物主要賦予面筋的延展性[20],這也與圖1中面筋蛋白含量變化趨勢一致,醇溶蛋白含量減少引起面筋拉伸距離的減少。添加SPH后面筋的拉伸距離及拉伸力均減小,說明加入SPH后,小分子量的SPH與面筋蛋白相互作用阻礙GMP的形成,從而弱化面筋結構。LAMACCHIA等[21]研究表明,酶解產物導致GMP的形成受限,對面筋網絡結構產生不利影響。在添加5%大豆蛋白的情況下,TSP-WG的拉伸力,拉伸面積以及拉伸距離均大于SPI-WG,這說明TSP對面筋網絡結構的弱化程度要小于SPI與SPH對面筋網絡結構的弱化。

圖3 SPI、TSP和SPH對面筋拉伸特性的影響Fig.3 Effects of SPI,TSP and SPH on gluten tensile properties

2.4 大豆蛋白對面筋動態流變學特性的影響

蛋白質的含量與比例對于面筋的動態流變學起著重要作用[22]。G′代表的是樣品的彈性和能量儲存的性質,G″代表著樣品的黏性、能量耗散的性質[23]。由圖4可知,添加SPI的面筋和添加TSP的面筋的G′與G″都隨著掃描頻率的增大而增大,并且在同一頻率下的每個樣品的G′明顯大于G″,即面筋體系的彈性大于黏性。面筋蛋白中的麥谷蛋白吸水后能夠賦予面筋彈性和強度,而醇溶蛋白吸水后賦予面筋黏性和延展性[23]。GMP含量的變化是導致G′和G″變化的主要原因[24],結合圖1中GMP的含量增加可以說明SPI、TSP與麥谷蛋白相互作用產生新的交聯以及大豆蛋白不溶性聚集體使得GMP含量增加,SPI-WG面筋和TSP-WG面筋的G′和G″增大。而添加SPH-WG后G′和G″明顯減小,這是因為在面筋形成過程中,SPH阻礙GMP的形成[25]。圖4-e中tanδ值是黏性組分與彈性組分的比值,代表的是面筋的損耗因子,tanδ越小說明面團彈性組分越高[25-26]。隨著添加大豆蛋白的比例增加,大豆蛋白增加了面筋中彈性組分的比例,從而使得tanδ值下降,這也與圖1中SDS可溶性麥谷蛋白含量增加結果一致。并且在同一比例同一頻率時,TSP-WG的G′和G″要遠大于SPI-WG和SPH-WG的G′和G″,這說明TSP-WG的彈性和黏性都要大于SPI-WG和SPH-WG的彈性和黏性。

a-SPI-WG面筋的儲能模量和損耗模量;b-TSP-WG面筋的儲能模量和損耗模量;c-SPH-WG面筋的儲能模量和損耗模量;d-SPI-WG面筋、TSP-WG面筋及SPH-WG面筋的tanδ值;e-5%比例的SPI-WG、TSP-WG及SPH-WG面筋的儲能模量和損耗模量圖4 SPI、TSP和SPH對面筋動態流變學特性的影響Fig.4 Influence of SPI,TSP and SPH on dynamic rheological properties of gluten

2.5 大豆蛋白對面筋微觀結構的影響

在面筋網絡形成過程中,GMP通過氫鍵和疏水鍵與其他蛋白結合,起到骨架和橋梁的作用[6]。麥醇溶蛋白與麥谷蛋白共同構成面筋網絡結構,當麥谷蛋白含量增加,相對少量的麥醇溶蛋白不能完全與麥谷蛋白分子結合,從而影響面筋網絡結構的形成[26]。由圖5可知,添加SPI、SPH和TSP后面筋的網絡結構變得無序多孔,這說明大豆蛋白與面筋蛋白相互作用,從而影響麥醇溶蛋白與SDS麥谷蛋白的比例,使得面筋網絡結構的形成受阻。SPH-WG面筋網絡結構中能看到較大的空隙,結合圖6孔隙率的變化,可以看出添加SPH后,面筋網絡的孔隙率明顯增加,有序性明顯減弱。綜上所述,添加不同大豆蛋白均對面筋網絡結構有弱化作用,SPI和SPH的弱化作用要大于TSP對面筋網絡結構的弱化作用。

a-WG面筋;b-5%SPI-WG面筋;c-5%TSP-WG面筋;d-5%SPH-WG面筋圖5 添加SPI、TSP、SPH的面筋網絡微觀結構Fig.5 Network microstructures of WG,SPI-WG,TSP-WG and SPH-WG gluten

圖6 SPI、TSP及SPH對面筋孔隙率的影響Fig.6 Effect of SPI,TSP and SPH on the porosity ratio

3 結論

與純谷朊粉制得的面筋相比,添加SPI、TSP后的面筋GMP含量增加,從而引起面筋的濕面筋含量增加,最大拉伸阻力增大,G′和G″增大,醇溶蛋白含量減少引起面筋拉伸距離減小。SPI與面筋蛋白相互作用影響面筋網絡結構的形成,TSP與面筋蛋白相互作用使得TSP-WG面筋的干面筋含量增大。添加SPH的面筋干、濕面筋含量以及G′和G″均明顯減小。大豆蛋白與麥谷蛋白相互作用影響了面筋的組分含量進而影響了面筋的網絡結構形成。