小麦面筋蛋白及其乳化性研究概述

小麦面筋蛋白及其乳化性研究概述 摘要:综述了小麦面筋蛋白的组成､乳化性,分别介绍了物理改性､化学改性､生物酶改性､基因工程改性以及复合改性,不同的改性方法对小麦面筋蛋白的功能特性均有了较大程度的改变｡

关键词:小麦面筋蛋白;乳化性;研究概述

Research on Wheat Gluten and Its Emulsifiable Propety Abstract: The composition and emnlsifiable property of wheat Gluten was reviewed. The development of modification technologies of wheat gluten including physical modification, chemical modification, enzymatic modification, genetic engeering modification and compound modification methods were introduced. The properties of wheat protein were improved greatly by modifications.

Key words: wheat gluten; emulsification; research review

小麦面筋蛋白,也称谷朊粉(Wheat gluten),是生产小麦淀粉的副产品｡小麦面筋蛋白以其优良的粘弹性､吸水性､延伸性､吸脂乳化性､薄膜成型性和清淡醇香等物理性质,通常作为食品添加剂应用在烘焙类食品中,但其独特的性质使面筋蛋白有着广阔的应用前景｡对小麦面筋蛋白进行改性,提高其乳化特性,不仅是我国食品工业目前亟待解决的基础理论问题,也是事关我国“三农”的战略性问题｡

1小麦面筋蛋白的组成 小麦面筋蛋白是从小麦粉中提取出来的天然蛋白质,蛋白质含量约70%~80%,还含有少量淀粉､纤维､糖､脂肪､类脂和矿物质等｡根据溶解性的不同,小麦蛋白质分为麦谷蛋白(Glutenin)､麦醇溶蛋白(Gliadin)､麦清蛋白(Albumin)､麦球蛋白(Globulin)[1]｡

麦谷蛋白占面筋蛋白总量的30%~40%,溶于稀酸或稀碱溶液,是由17~20个多肽亚基构成的大分子聚合体,分为高分子量亚基(HMW-GS)和低分子量亚基(LMW-GS)两大类,前者分子量为80~130kD,占谷蛋白的10%,后者分子量为10~70kD,占90%｡HMW-GS含谷氨酸､脯氨酸､甘氨酸以及少量赖氨酸,形成了分子内的二硫键(S—S),需用还原剂打开才能溶于水;LMW-GS含半胱氨酸,形成分子间的二硫键｡麦谷蛋白依靠二硫键连结,呈纤维状,易发生聚集作用,主要为面团提供弹性｡

麦醇溶蛋白占面筋蛋白总量的40%~50%,溶于乙醇或其他有机溶剂,为单体蛋白,其中α-麦醇溶蛋白､β-麦醇溶蛋白的平均分子量为31kD,γ-麦醇溶蛋白为35kD,ω-麦醇溶蛋白为40~70kD｡麦醇溶蛋白分子无亚基结构,无肽链间二硫键｡单肽依靠分子内二硫键和分子间的氢键､范德华力､静电力及疏水键连接,形成较紧密的三维结构,呈球形｡麦醇溶蛋白具有粘性,主要为面团提供延展性｡麦谷蛋白和麦醇溶蛋白是决定面团流变学特性的重要因素｡

麦清蛋白占3%~5%,分子量为12~16kD,溶于水和稀盐中;麦球蛋白占6%~10%,分子量为20~200kD,不溶于水但溶于稀盐｡这两种蛋白属于细胞蛋白,谷氨酸的含量较低,赖氨酸的含量较高,它们含有大量的酶,主要参与代谢活动｡

2小麦面筋蛋白的乳化性 蛋白质的乳化性(Emulsification)是指将油和水混合在一起形成乳状液的性能｡影响小麦面筋蛋白乳化性主要有以下原因:①蛋白质具两亲结构,即蛋白质分子中同时含有亲水性基团和亲油性基团｡在油水混合液中,蛋白质聚集到油-水界面,并且疏水性多肽部分展开朝向脂质,极性部分朝向水相,使其表面张力下降,促进脂肪和水形成油-水乳化液｡形成乳化液后,在油滴表面的蛋白形成保护层,防止油滴的聚积和乳化状态的破坏｡②蛋白质的溶解度｡面筋蛋白的水溶性差,这直接影响了乳化性｡但不溶性的蛋白质颗粒能够在已经形成的乳状液中起到增强稳定性的作用｡③蛋白质的乳化特性也受环境影响,主要是溶液的pH值和离子强度｡总之,面筋蛋白乳化能力较差｡这直接限制了其在食品及非食品行业中的应用｡

3小麦面筋蛋白的改性 蛋白质改性就是人为地对蛋白质结构进行修饰,引起蛋白质大分子空间结构和理化性质改变,从而改善产品相容性和功能性,获得较好功能特性和营养特性的蛋白质｡目前对植物蛋白质的改性方法有物理改性､化学改性､生物酶法改性､基因工程改性和复合改性,这同样适用于小麦面筋蛋白｡

3.1物理改性 物理改性是通过适度的热变性､机械处理､挤压､冷冻､质构化和超声波等方式改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集方式,从而改善植物蛋白的功能性和营养特性,其主要方式包括高频电场改性､热改性､高静压改性和超声波改性等｡物理改性一般不涉及蛋白质的一级结构,实际上就是在控制条件下蛋白质的定向变性[2],具有费用低､无毒副作用､作用时间短以及对产品营养性质影响较小等优点｡

高频电场造成蛋白质分子部分降解或空间结构改变､表面电荷增加,进而使大分子表面的双电水化层加厚,提高了蛋白质分子在蛋白质乳浊体系中的分散性,提高了蛋白质的乳化性｡热处理可以提高植物蛋白质在水溶液的分散性,改善乳化性｡超声波具有方向性､穿透力强,且能在液体中引起空化作用,利用超声波处理面筋蛋白溶液,可使其溶解度提高｡通过研究发现在优化工艺条件下,物理改性处理可提高小麦蛋白质的溶解度,且乳化性､起泡性､吸油性等功能性质也能随之得到改善｡根据Honseney等[3]的研究,即使高温下对小麦面筋蛋白进行短暂处理,蛋白质的结构也能发生明显的变化｡赵冬艳等[4]通过湿热处理小麦面筋蛋白,其原始溶解度为7.7%,改性后小麦面筋蛋白溶解度为48.4%,且乳化性及乳化稳定性均为100%｡

3.2化学改性 化学改性是通过化学手段在植物蛋白质中引入各种功能基团而使之具有特殊加工特性,具有反应简单､应用广泛和效果显著等特点,包括磷酸化､酰化､糖基化､硫醇化､还原烷基化以及氨基酸共价连接等｡化学改性可以改善植物蛋白质的功能和营养特性,其实质是通过改变蛋白质的结构､静电荷和疏水基团,除去抗营养因子,从而改善植物蛋白质的性质｡

磷酸化改性是有选择利用蛋白质侧链活性基团,如Thr､Ser､Tyr的羟基及Lys的ε-氨基,分别接进一个磷酸基团,使之变成(Thr､Ser)Tyr-PO32-和Lys-PO32-,从而引进大量磷酸根基团｡常用磷酸化试剂有三氯氧磷(POCl3)､磷酸和三聚磷酸钠等｡研究表明小麦面筋蛋白经磷酸化改性后其功能性质显著改善,可使乳化性､溶解性､起泡性及其稳定性都有较大提高[5]｡该方法通常用来强化筋力较弱的面包用粉,用于面包生产中,可改善面包内部结构和松软性,使面包蜂窝均匀细腻,面包瓤松软而富有弹性｡

蛋白质酰化作用是蛋白质分子亲核基团(如氨基或羟基)与酰化试剂中亲电子基团(如羰基)相互反应而引入新功能基团的过程｡常用酰化改性剂为乙酸酐和琥珀酸酐｡采用乙酸酐及琥珀酸酐对面筋蛋白进行酰化改性后,面筋蛋白溶解度､乳化性､起泡性和稳定性显著增加,且在相同反应条件下,琥珀酰化对面筋蛋白功能性改善效果强于乙酰化反应｡另一方面,酰化作用是可逆的｡在消化过程中经脱酰化作用,赖氨酸被复原｡蛋白质琥珀酰化程度提高,会干扰蛋白质利用的生物作用,不利于动物消化吸收｡故对酰化蛋白质,需进一步阐明其代谢机制,讨论其是否适于作为食品｡

近年来,许多科学工作者采用糖改性蛋白质,在控制条件下使糖与蛋白质发生Maillard反应,生成蛋白质-糖共价化合物｡该化合物在溶解性､乳化活性､乳化稳定性等功能特性上比原始蛋白质有明显改善｡王亚平等[6]研究表明,通过控制条件使面筋蛋白与乳糖发生Maillard反应,可以明显地改善面筋蛋白乳化活性｡

3.3酶法改性 酶法改性是目前植物蛋白质改性的研究重点｡根据酶催化反应的性质可将食品蛋白质酶法改性分为非水解改性和水解改性两类｡非水解改性主要有磷酸化､脂肪氧合酶催化形成交联和酪氨酸羟基化;用来水解改性蛋白质的酶包括胃蛋白酶､胰蛋白酶､胰凝乳蛋白酶､木瓜蛋白酶及微生物酶等｡蛋白质的酶法改性一般不会导致营养方面的损失,也不会产生毒理上的问题,具有重要的实用价值,如酶作用具有特异性,在低酶浓度下也能产生很显著的效果,可以在温和的条件下进行,能耗很低｡因此,蛋白质的酶法改性受到食品科学家的普遍重视,并且已在食品加工中得到广泛应用｡目前发现很多酶可以催化蛋白质分子交联,其中以转谷氨酰胺酶最具代表性｡ 转谷氨酰胺酶处理面筋蛋白的基本方法是将一定浓度的面筋蛋白溶液调至适当pH值,加入一定比例的酶,在保持pH值基本不变的情况下进行水浴振荡处理,反应一段时间后在高温(100℃)下使酶灭活,即得到酶法改性的面筋蛋白产品｡转谷氨酰胺酶能催化酰基发生转移反应,促使蛋白质之间发生交联,产生新型的蛋白质以满足食品加工的需要,从而提高蛋白质的营养价值｡转谷氨酰胺酶的最适pH值在6.0~7.0之间,但在偏酸或偏碱的条件下,转谷氨酰胺酶使面筋蛋白分子中谷氨酰胺和天门冬酰胺发生去酰胺反应,使其变成谷氨酸和天门冬氨酸,亲水性氨基酸电荷斥力增加,疏水性基团减少,有利于乳化性能的提高｡

小麦面筋蛋白酶解改性的研究较少｡史新慧等[7]对用酸改性面筋蛋白进行了探索,在盐酸浓度为0.3 mol/L､70℃作用30 min,溶解度从3.0%上升到54.8%,乳化性有明显提高｡而用碱催化去酰胺改性后,对蛋白质中赖氨酸有破坏,毒理研究表明对小鼠肾有毒害作用｡齐军茹等[8]采用中性蛋白酶水解小麦面筋蛋白,对酶解产物的功能性质进行了系统研究,试验表明,酶解后的小麦面筋蛋白的溶解度､乳化能力和起泡性大大提高｡

3.4基因工程改性 基因工程改性是通过重组蛋白质分子的敏感基团,从而提高蛋白质的功能特性｡但是因为所需技术周期长,见效慢,所以在改性小麦面筋蛋白方面并未得到很大的发展｡目前,基因工程一般只适用在那些需要时间长､价值更高的产品中,如在小麦育种方面,如强筋小麦､弱筋小麦､中筋小麦的育种中,以及一些特殊用途小麦方面的研究,针对小麦面筋蛋白的改性,在这方面还仅仅是处于实验室研究阶段,有待更广阔地进行研究｡

3.5复合改性 单一的改性技术往往很难达到改性目的｡复合改性即同时利用上述方法中的两种或两种以上方法对面筋蛋白进行改性的方法｡利用乙酸酐和三聚磷酸钠进行复合改性的研究表明,乙酰化和磷酸化具有协同增效作用,同时作用可明显改善面筋蛋白的功能性质[9]｡