不同筋力面筋蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响

陈建省，田纪春,*，吴 澎，邓志英，郭启芳，刘金栋

(1.作物生物学国家重点实验室，山东农业大学小麦品质育种研究室，山东 泰安 271018；2.中国农业科学院，北京 100081)

面筋蛋白和淀粉是小麦面粉的主要成分，两者的含量和质量以及两者的相互关系是面粉用途和加工品质的决定因素。淀粉糊化是淀粉的重要性质之一，各类面制食品在加工过程中通常都会发生淀粉糊化现象。面筋蛋白决定面团的黏弹性，是影响面团流变学特性的关键。明确面筋蛋白对淀粉糊化特性的作用，对深入研究加工过程中面筋蛋白和淀粉相互关系及小麦品质改良有重要意义。淀粉糊化特性主要由淀粉粒大小和比例、直链淀粉含量、直链淀粉与支链淀粉的比例等本身特性决定[1]，还受到淀粉酶活性以及糊化体系中影响水分活性的其他组分如糖分[2]、蛋白质等的影响。前人研究表明，蛋白质/面筋通过影响热量传递和竞争可利用水分显著影响淀粉糊化特性[3-8]。目前，有关面筋蛋白对糊化体系热能特性的影响因为测试技术和实验材料等原因报道不一致。Champenois等[9]利用流变仪研究发现面筋蛋白降低淀粉糊和凝胶剪切模量(G’)、损耗模量(G”)和淀粉凝胶的弹性；但Lindah等[10]认为面筋对不同类型的淀粉热学特性的影响不一样：面筋蛋白会增加小麦和黑麦淀粉的剪切模量、降低玉米淀粉的剪切模量，而对大麦、黑小麦和马铃薯淀粉的黏弹性没有影响；Eliasson等[4]用示差扫描量热法(DSC)研究发现，随着面筋蛋白/淀粉比例的增加，淀粉糊化焓变(ΔH)降低而糊化峰值温度升高，Monhamed等[7]利用DSC和热量分解重量计(TGA)研究也有一致的报道。Chen Jiansheng等[11]研究认为面筋蛋白的添加会增加小麦面粉的淀粉糊化温度和糊化时间，而Ottenhof等[12]通过研究认为面筋蛋白不会对淀粉的糊化的动力学、支链淀粉回生的程度和多态性发生影响。

面筋蛋白不仅从数量方面影响糊化体系中淀粉的浓度，其分子质量大小和结构方面以及与淀粉产生相互作用也影响糊化特性。虽然，国内外围绕面筋蛋白与淀粉糊化特性方面开展有关的研究[11-15]，但影响的作用机理和规律尚不清楚[9,11]。本实验利用快速黏度仪(RVA)测定3个不同小麦品种(师滦02、优麦2号、Sun39)淀粉中添加3种不同类型的面筋蛋白(添加量分别为8%、10%、12%、14%、16%)对淀粉糊化特性的影响，以期阐明面筋蛋白类型和添加量对普通小麦和糯性小麦淀粉糊化特性影响的规律，为深入研究小麦淀粉和面筋蛋白在加工过程中的相互作用提供理论依据，并为小麦育种品质改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

具有不同筋力的3个普通小麦品种(系)为材料，其中师滦02是强筋小麦，优麦2号是中筋小麦，Sun39为弱筋糯性小麦新品系。3个品种的主要品质指标见表1、2。

表1 3个品种面粉的蛋白质品质特性Table 1 Flour protein quality of three cultivars

表2 3个品种淀粉的糊化特性Table 2 Starch pasting properties of three cultivars

1.2 试剂与仪器

氯仿(分析纯)、十二烷基硫酸氢钠(SDS)(分析纯)、2%氯化钠溶液(普通纯)。

近红外光谱仪、8620型面筋洗涤仪、2200型离心机 瑞典Perten公司；Senior实验磨、810104型电子粉质仪 德国Brabender公司；Super3-RVA型黏度仪 澳大利亚新港公司。

1.3 方法

1.3.1 面粉磨制

使用德国Brabender Senior实验磨，按AACC 26-21A方法[15]制粉。Sun39、优麦2号润麦时间18h，含水量14.0%；师滦02润麦24h，含水量16.0%。3个品种小麦的出粉率均在70%左右。4℃条件下保存备用。

1.3.2 面粉成分及品质参数的测定

粗蛋白含量测定：用8620型近红外仪测定。

湿面筋含量及面筋指数的测定：使用面筋洗涤仪，测定方法按ICC-155标准[16]，面粉10g，湿面筋换算成14%湿基。经5000×g离心1min，称量通过筛网的面筋和总面筋的量，两者的比值即为面筋指数。

水分含量的测定：基础面粉、面筋和淀粉的水分含量按照GB 5497—1985《粮食、油料检验水分测定》方法[17]测定。

高分子质量麦谷蛋蛋白质亚基组成分析：高分子质量麦谷蛋白亚基的提取和SDS-PAGE电泳参考文献 [18]。

面粉粉质参数：使用电子粉质仪按AACC-54-21方法[15]测定，用50g揉面钵。

1.3.3 面筋蛋白及纯淀粉的制取与粉碎

参考MacRitchie[19]的方法，略有改动。用V(氯仿)∶m(面粉)=2∶1提取面粉3～4次，然后在15℃条件下，将脱脂面粉用手洗法V(蒸馏水)∶m(面粉)= 2∶1洗涤6 次，得到湿面筋；洗涤液5000×g离心10min，弃上清液，沉淀为淀粉；将面筋和淀粉抽空干燥，用JFSD-100型粉碎机粉碎后，过160μm筛，4℃保存备用。师滦02、优麦2号、Sun39这3个品种的淀粉分别用A1、A2、A3表示，面筋蛋白分别用B1、B2、B3表示。

1.3.4 面筋蛋白与淀粉的组配

面筋蛋白、淀粉种类采用正交试验设计。用万分之一天平分别称取14.0%水分基的各种纯淀粉2.30、2.25、2.20、2.15、2.10g，按要求分别添加折合14.0%水分基的不同类型面筋蛋白0.20、0.25、0.30、0.35、0.40g(总共3×3×5=45组实验)，使得面筋与淀粉总质量为2.50g。测定前淀粉与面筋蛋白混合均匀，面筋蛋白的添加量分别为0%(纯淀粉对照)、8%、10%、12%、14%、16%，用C1、C2、C3、C4、C5、C6表示。面筋蛋白与淀粉的混配比例范围为8/92～16/84。

1.3.5 淀粉糊化特性的测定

用Super3-RVA型黏度仪测定。测定模式选用标准方法1和标准分析方法1。测定起始温度50℃，960r/min混合10s，测定速率为160r/min，糊化阶段从50℃升温至95℃，耗时4min 32s，然后95℃恒温3min 30s，随后从95℃降温至50℃耗时3min 48s，50℃恒温2min，整个测试共计13min。每个样品重复3次。

1.4 统计分析

采用完全随机设计，分别向3种淀粉中添加3种面筋蛋白，设定6个面筋蛋白添加量处理(0%、8%、10%、12%、14%、16%)，每个处理测定淀粉糊化3次，重复间主要糊化特性参数误差＜5%。利用DPS 7.05统计软件。

2 结果与分析

2.1 面筋蛋白对淀粉峰值黏度、低谷黏度和最终黏度的影响

表3 添加面筋蛋白对淀粉峰值黏度、低谷黏度和最终黏度的影响Table 3 Effect of gluten addition amount on peak viscosity, trough viscosity and final viscosity

表3表明，随着强筋、中筋和弱筋蛋白含量的升高，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积都有极显著的降低，不同添加量处理之间都存在显著或极显著的差异。其中添加8%面筋蛋白，糊化体系峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积纯淀粉的相应指标分别降低了26%、17%、14%、18%；当面筋蛋白添加量增加到16%时，以上指标分别降低44%、36%、29%、34%。平均每增加2%的面筋蛋白，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积分别降低4.5%、5%、4%、4%。降低的幅度是单纯的含量替代比例下降的2倍。由此可见，面筋蛋白添加引起以上糊化指标的降低，不是简单物质的替代。

强筋和中筋面筋蛋白类型之间对以上4项指标的影响差异不显著，但它们与弱筋面筋之间的差异存在极显著差异。普通小麦淀粉与糯性淀粉之间以上4项指标存在极显著差异，这主要是由于支链和直链淀粉之间的差异引起的，说明淀粉类型是淀粉糊化特性的直接因素。虽然强筋和中筋小麦的两种淀粉之间没有显著差异，但从面筋的显著性检验分析，面筋蛋白类型对以上淀粉糊化指标却起着显著和极显著的影响。从3个因素的交互作用分析，淀粉类型和面筋蛋白添加量的交互作用对4项指标都有显著的影响；淀粉类型和面筋类型对峰值黏度和黏度面积有极显著影响，但对低谷黏度和最终黏度没有显著差异。面筋蛋白类型和添加量的交互作用对淀粉糊化特性指标没有影响；三因素的交互作用对峰值黏度和黏度面积有显著影响。

2.2 面筋蛋白对淀粉稀懈值和反弹值的影响

表4 供试样品淀粉稀懈值和反弹值Table 4 Breakdown and elasticity of tested starch samples

由表4可知，面筋蛋白含量对稀懈值的影响明显分为两种情况，面筋蛋白添加量对糯性淀粉稀懈值的影响呈现显著影响，原因是由于糯性淀粉峰值黏度随着面筋蛋白添加量的增加而降低的幅度显著超过低谷黏度的降低幅度，从而使稀懈值(稀懈值数值上等于峰值黏度减去低谷黏度)发生显著的变化。但面筋蛋白添加量对普通小麦淀粉的稀懈值影响差异不显著，原因是普通淀粉的峰值黏度随面筋蛋白添加量的增加而降低的幅度接近低谷黏度的降低幅度，从而使得稀懈值没有显著的变化。

面筋蛋白类型对稀懈值影响有显著差异，按其降低作用大小的顺序为：弱筋＞中筋＞强筋。面筋蛋白类型和淀粉种类的交互作用以及面筋蛋白添加量与淀粉的交互作用对稀懈值都有极显著影响。

反弹值主要由淀粉本身特性决定，面筋蛋白在一定添加量范围内通过与淀粉的交互作用对其产生影响。面筋蛋白类型对反弹值影响因糯性淀粉和普通淀粉的差异而不同。其中面筋蛋白类型对糯性淀粉的影响没有显著差异，而对普通淀粉的影响差异显著；但总体表现为面筋蛋白类型对反弹值没有显著差异。随着面筋蛋白添加量的增加，反弹值呈现下降趋势，但在面筋蛋白添加量超过12%后， 添加量处理间没有显著差异。从交互作用分析，淀粉和面筋蛋白添加量及三因素的交互作用对反弹值有显著影响。

2.3 面筋蛋白对淀粉峰值时间、糊化温度和糊化起始时间的影响

表5 供试样品淀粉峰值时间、糊化温度、糊化起始时间Table 5 Pasting temperature, pasting time and peak time of tested starch samples

由表5可知，淀粉的峰值时间主要是由淀粉决定的，面筋类型和添加量虽然不是直接的影响因素，但它们与淀粉的交互作用显著的影响峰值时间。淀粉是糊化温度和糊化起始时间的决定因素，但淀粉糊化温度和糊化起始时间因面筋蛋白的添加而增加。其中，8%的面筋蛋白添加量使得淀粉糊化温度和糊化起始时间平均值分别比纯淀粉(3种淀粉的平均值)的糊化温度(78.60℃)和糊化起始时间(3.38min)升高1.43℃和0.11min，随着面筋蛋白添加量由8%升高到16%，淀粉在糊化体系中的浓度下降，但淀粉糊化温度和糊化起始时间却没有明显的变化，平均值最高值与最低值之差只有1.04℃和0.09min，可能原因是淀粉糊化温度和糊化起始时间反映淀粉自身固有特性，受淀粉浓度的影响较小。面筋蛋白类型对糊化温度和糊化起始时间的影响差异不显著。

3 讨 论

本研究发现面筋蛋白添加量升高，使得淀粉糊化体系的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积都有极显著的降低，降低的幅度超过单纯的添加量替代比例的2倍；并且淀粉类型、面筋类型和面筋蛋白添加量的交互作用对淀粉糊特性指标有显著的影响，充分说明面筋蛋白对糊化指标的影响不是简单的物质的替代。面筋蛋白主要是由麦谷蛋白和醇溶蛋白组成的大分子物质，面筋蛋白种类不同，其麦谷、麦醇溶蛋白亚基组成不同，分子质量有差异较大；另外，支链和直链淀粉种类不同，其分子质量和结构也有较大差异。因此，糊化体系中面筋蛋白与淀粉糊彼此之间形成的不同结构和分子质量大小的网络复合物以及蛋白质分子的阻碍作用和水合作用也是影响淀粉黏度特性的重要原因[20-21]。Yasunaga等[14]发现木瓜蛋白酶水解蛋白导致糊化体系黏度的显著降低的主要原因之一是由于蛋白质分解为比天然蛋白质分子量降低的多肽，导致峰值黏度降低。Renzetti等[13]也发现蛋白质水解会降低大米的初始黏度。

Xie等[8]利用蛋白酶水解蛋白和二硫苏糖醇(DTT)打断蛋白二硫键的方法研究蛋白质对淀粉糊化影响发现，蛋白质的不同变性方式对大米黏度特性的影响因糯性和非糯性淀粉的差异而表现显著的差异， DTT会降低非糯性大米品种稀懈值，却增加非糯性大米品种的稀懈值。这与本实验发现的面筋蛋白对稀懈值和反弹值的影响因糯性淀粉和非糯性淀粉而表现出显著的差异的研究结果相吻合。可见面筋蛋白和淀粉的分子质量及结构的变化直接或间接的影响糊化体系的黏度特性。

Eliasson等[4]研究发现提高面筋蛋白含量会降低淀粉糊浆的焓变(ΔH)而升高淀粉糊的峰值温度[22]，认为是由于可利用水分从淀粉中转移到蛋白质中降低了淀粉的糊化度引起的。Mohamed等[7]也有面筋蛋蛋白降低焓变的一致的报道；Champenois等[9]研究表明面筋蛋白降低了淀粉糊和淀粉凝胶的弹性剪切模量(G')和损耗剪切模量(G")。因此，虽然研究者一致认为蛋白质影响糊化体系能量的传递和转化，但影响机理尚不清楚。为深入探讨蛋白的热学特性，许多学者开展了蛋白质酶解或化学变性蛋白对糊化体系热学特性的影响，Wang Jinshui等[23]发现木瓜蛋白酶解蛋白降低淀粉糊化体系的G'，结果与Wu等[24]发现生物谷氨酰胺转移酶显著增加G'和G"的影响恰好相反。原因是谷氨酰胺转移酶是与木瓜蛋白酶的水解性质相反的聚合酶，催化蛋白质中赖氨酸上的ε-氨基和谷氨酸上的γ-羟酰胺基之间的发生结合反应，从而导致蛋白质(或多肽)之间发生共价交联形成较大的共价聚合物，改变了蛋白质的结构，使内部的疏水性氨基酸暴露出来，增加了蛋白质的表面疏水性，同时也使蛋白质分子之间彼此连接形成空间网络结构。本研究发现面筋增加糊化体系的糊化温度，并认为淀粉特性及其与面筋蛋白添加量的交互作用是决定糊化温度的主要因素，Chen Jiansheng[11]、Olkku[22]等也有一致的报道，并认为面筋蛋白通过与淀粉表面分子形成复合物，阻止了淀粉颗粒渗出物，是导致淀粉糊化温度升高的重要原因。可见，以上研究虽然证实了面筋蛋白的分子质量、结构以及与淀粉的相互作用是影响糊化体系热学特性的重要原因，但其机理尚不清楚，值得进一步深入研究。

4 结 论

淀粉是糊化特性的决定因素，面筋蛋白的数量和类型通过与淀粉的交互作用对淀粉糊化特性产生显著影响。淀粉和面筋蛋白类型交互作用对峰值黏度、黏度面积、稀懈值、糊化起始时间有极显著影响；淀粉和面筋蛋白含量的交互作用对除了糊化温度和糊化起始时间外的其他糊化指标都有极显著或显著的影响；面筋蛋白类型对稀懈值影响按其降低作用大小的顺序为：弱筋＞中筋＞强筋；面筋蛋白添加量对淀粉稀懈值和反弹值的影响因淀粉种类的不同呈现显著差异。

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