大豆蛋白對(duì)小麥面筋蛋白特性的影響

石長(zhǎng)碩,張明,趙方圓,董夢(mèng)飛,趙樹超,郭興鳳*

1(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院,河南 鄭州,450001)2(濟(jì)寧市機(jī)械設(shè)計(jì)研究院,山東 濟(jì)寧,272000) 3(山東凱斯達(dá)機(jī)械制造有限公司,山東 濟(jì)寧,272000)

將大豆蛋白添加到面粉中可以提高面制品的營養(yǎng)品質(zhì),但研究表明,大豆蛋白的添加會(huì)影響面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),改變面團(tuán)的特性,影響面制品品質(zhì)[1-3]。大豆分離蛋白(soy protein isolate,SPI)添加到重構(gòu)面團(tuán)中,會(huì)增加重構(gòu)面團(tuán)的吸水性,影響面團(tuán)的動(dòng)態(tài)流變特性[4],而添加大豆水解蛋白(soy protein hydrolyzate,SPH)會(huì)使得面團(tuán)的面筋特性等性質(zhì)變差[5-7]。添加質(zhì)構(gòu)化大豆蛋白(texturized soy protein,TSP)可以增加面條的吸水率和蛋白質(zhì)保留率,從而改善面條的蒸煮品質(zhì)[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(jié)構(gòu)的改變,探究大豆蛋白與面筋蛋白相互作用機(jī)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(tuán)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(shè)備

K1100全自動(dòng)凱氏定氮儀,濟(jì)南海能儀器有限公司;DS32II雙螺桿擠壓機(jī),濟(jì)南賽信機(jī)械有限公司;FW-200高速萬能粉碎機(jī),北京中興偉業(yè)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(jī),北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司;TDL-5-A離心機(jī),上海安亭科學(xué)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(yàn)方法

1.3.1 TSP和SPH的制備以及SPH水解度的測(cè)定

參考豆洪啟[9]的方法對(duì)SPI進(jìn)行質(zhì)構(gòu)化處理,方法略有改動(dòng):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(huì)娟等[7]的方法制備SPH,水解條件:加酶量1.0%,SPI質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.57%,酶解溫度47.4 ℃,酶解pH 6.92,水解時(shí)間20 min。水解結(jié)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(cè)得水解度為(5.51±0.04)%。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)原料的配制

將3種大豆蛋白分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(cè)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(jù)GB/T 5506.1—2008《小麥和小麥粉 面筋含量 第1部分手洗法測(cè)定濕面筋》所制得的面筋在-80 ℃預(yù)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(fù)上述步驟提取2次,合并上清液,即為清蛋白提取液。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的NaCl溶液提取水不溶性組分中的蛋白質(zhì),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?jǐn)?shù)70%的乙醇溶液提取鹽不溶性組分中的蛋白質(zhì),方法同清蛋白提取,得到醇溶蛋白提取液。

用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的SDS溶液提取醇不溶物中的蛋白質(zhì),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(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》測(cè)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(cè)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(cè)定濕面筋》測(cè)定濕面筋含量。按公式(1)計(jì)算樣品的濕面筋含量:

(1)

式中:ωwet,樣品的濕面筋含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示);m1,測(cè)試樣品質(zhì)量,g;m2,濕面筋的質(zhì)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(cè)定干面筋》測(cè)定干面筋含量。按公式(2)計(jì)算樣品的干面筋含量:

(2)

式中:ωdry:樣品的干面筋含量(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示);m1,測(cè)試樣品質(zhì)量,g;m3,干面筋的質(zhì)量,g。

1.3.5 面筋的拉伸特性測(cè)定

參照黃婷玉[11]的方法并略有改動(dòng)。采用儀器專用的面筋拉伸測(cè)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(cè)定。測(cè)定條件:拉伸模式;測(cè)前速率2.0 mm/s;測(cè)試速率2.0 mm/s;測(cè)后速率10.0 mm/s;拉伸距離100 mm;每個(gè)樣品測(cè)試重復(fù)3次。

1.3.6 面筋的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性測(cè)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(shè)置為1 050 μm,刮掉平板周圍多余的面團(tuán),在25 ℃分別對(duì)樣品進(jìn)行小振幅振蕩測(cè)試,采用的頻率范圍為0.1～130.0 r/s;應(yīng)變振幅調(diào)整為1%。

1.3.7 面筋微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定

參考王強(qiáng)等[13]的方法,略作改動(dòng)。將1.3.4中制備的濕面筋于-80 ℃進(jìn)行預(yù)凍,然后真空冷凍干燥處理36 h,選取相對(duì)平整的區(qū)域,小心掰斷,取少量的樣品進(jìn)行鍍金處理,使用掃描電子顯微鏡對(duì)樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍照,然后通過ImageJ軟件進(jìn)行分析并計(jì)算孔隙率。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理

每組指標(biāo)測(cè)試每個(gè)樣品至少重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。采用SPSS 23.0軟件的Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行顯著性分析,以P<0.05為顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn);采用Excel 2013和Origin 9.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 大豆蛋白對(duì)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(rèn)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(yīng),轉(zhuǎn)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(jià)鍵結(jié)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?yàn)镚MP中不僅有SPI、TSP與面筋蛋白相互作用產(chǎn)生的聚合物,同時(shí)也有少量大豆蛋白不溶性聚集體與GMP共沉淀。PéREZ等[16]也發(fā)現(xiàn)添加熱處理的大豆粉可以增加面團(tuán)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(duì)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(duì)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(lián)形成的復(fù)合物,其中面筋含量是評(píng)價(jià)面筋品質(zhì)的重要標(biāo)志,醇溶蛋白與麥谷蛋白的含量與比例的改變勢(shì)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(zhǎng)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(zhì)結(jié)合水的能力呈顯著正相關(guān)[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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jìng)爭(zhēng)的同時(shí),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(jié)束后有面筋團(tuán)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?yàn)镾PH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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[5]。

圖2 SPI、TSP及SPH對(duì)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(duì)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(guān),這是因?yàn)镚MP與其他蛋白通過非共價(jià)鍵形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),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(shì)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(jié)構(gòu)。LAMACCHIA等[21]研究表明,酶解產(chǎn)物導(dǎo)致GMP的形成受限,對(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱化程度要小于SPI與SPH對(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱化。

圖3 SPI、TSP和SPH對(duì)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(duì)面筋動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性的影響

蛋白質(zhì)的含量與比例對(duì)于面筋的動(dòng)態(tài)流變學(xué)起著重要作用[22]。G′代表的是樣品的彈性和能量?jī)?chǔ)存的性質(zhì),G″代表著樣品的黏性、能量耗散的性質(zhì)[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(gè)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(qiáng)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(dǎo)致G′和G″變化的主要原因[24],結(jié)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(chǎn)生新的交聯(lián)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?yàn)樵诿娼钚纬蛇^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(tuán)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(jié)果一致。并且在同一比例同一頻率時(shí),TSP-WG的G′和G″要遠(yuǎn)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(chǔ)能模量和損耗模量;b-TSP-WG面筋的儲(chǔ)能模量和損耗模量;c-SPH-WG面筋的儲(chǔ)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(chǔ)能模量和損耗模量圖4 SPI、TSP和SPH對(duì)面筋動(dòng)態(tài)流變學(xué)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(duì)面筋微觀結(jié)構(gòu)的影響

在面筋網(wǎng)絡(luò)形成過程中,GMP通過氫鍵和疏水鍵與其他蛋白結(jié)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(gòu)成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),當(dāng)麥谷蛋白含量增加,相對(duì)少量的麥醇溶蛋白不能完全與麥谷蛋白分子結(jié)合,從而影響面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成[26]。由圖5可知,添加SPI、SPH和TSP后面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成受阻。SPH-WG面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中能看到較大的空隙,結(jié)合圖6孔隙率的變化,可以看出添加SPH后,面筋網(wǎng)絡(luò)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(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有弱化作用,SPI和SPH的弱化作用要大于TSP對(duì)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Network microstructures of WG,SPI-WG,TSP-WG and SPH-WG gluten

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

3 結(jié)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jìn)而影響了面筋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成。