小麦面筋形成及其理化特性影响因素研究进展

李 芳 张影全 李 明 苏笑芳 张 波 魏益民

（中国农业科学院农产品加工研究所 农业部农产品加工综合性重点实验室 北京100193）

2016年中国小麦产量为1.3 亿t。中国小麦的70%用于制粉，进而制造面条、馒头和饺子等面制品。小麦的醇溶蛋白和谷蛋白可形成其它谷物所不具备的面筋，使面团具有独特的黏弹性。小麦的这一特性是其加工制造种类繁多的面制食品的基础。小麦面粉加水混合后，线性的谷蛋白聚集体互相缠结，球状的醇溶蛋白等填充其中形成面筋。面筋的质量影响产品质量[1]。刘锐等[2]认为，蛋白质质量指标在一定范围，如Zeleny 沉降值≤45.9 mL，稳定时间≤15.8 min，延伸性≤20.3 cm 时，蛋白质质量的提高有助于改善面条评分。质量指标超过上述限值，对面条评分有负面影响。和面是面制品生产的必经工序，分析影响和面过程中小麦面筋形成及面筋特性的因素，为面制品的生产提供理论和技术指导，为进一步理解面筋形成的机理提供重要的依据。

1 面筋蛋白质的分类

按照T.B.Obsborne 的分类方法，面筋蛋白质主要包括麦醇溶蛋白gliadins 和麦谷蛋白（glutenins），是小麦蛋白分别经水溶、稀盐水溶后的沉淀物，其中继续溶于70%乙醇溶液的组分为麦醇溶蛋白[3]，溶于稀碱的组分为麦谷蛋白。

1.1 麦醇溶蛋白

麦醇溶蛋白为单体蛋白，通过分子内二硫键、氢键和疏水作用形成球状结构[4]，可赋予面团延展性。根据在酸性聚丙烯酰胺凝胶 （acid polyacrylamide gel electrophoresis，A-PAGE）电泳上的迁移速率，分为α/β、γ 和ω 醇溶蛋白[5]，α/β 和γ 醇溶蛋白的分子质量范围30～50 ku，ω 醇溶蛋白分子质量范围45～75 ku。醇溶蛋白的氮端无半胱氨酸。α 醇溶蛋白的碳端含有6 个半胱氨酸残基，γ 醇溶蛋白的碳端含有8 个半胱氨酸残基，形成分子内二硫键，阻碍它们参与麦谷蛋白四级结构以及巯基与二硫键的交换反应[6]。ω 醇溶蛋白缺乏半胱氨酸残基[7-8]，通过谷氨酰胺残基上氢键与其它亚基或蛋白质结合。有研究[9-12]认为，某些品种的α 醇溶蛋白含有奇数个半胱氨酸残基，例如，克隆品种A735有7 个半胱氨酸残基，它的第7 个残基被假定能与其它谷蛋白形成分子间二硫键。这样的结合有助于具有延展性的谷蛋白网状结构的形成[13]。Porceddu[14]等认为带有奇数个半胱氨酸残基的γ 醇溶蛋白可能会终止链扩展而阻止更大的多肽链形成。

1.2 麦谷蛋白

麦谷蛋白主要以聚合体的形式存在，通过分子间二硫键作用形成线状结构，赋予面团弹性。通过破坏麦谷蛋白聚集体中的疏水作用得到麦谷蛋白亚基，根据十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶（sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis，SDS-PAGE）上迁移速率，分为低分子质量麦谷蛋白亚基（low molecular weight glutenin subunits，LMW-GS） 和高分子质量麦谷蛋白亚基（high molecular weight glutenin subunits，HMWGS）[15]。

LMW 的氮端只有1 个半胱氨酸残基。LMW 分为B-LMW（分子质量42～51 ku）、C-LMW（分子值量30～40 ku）、D-LMW （分子质量55～70 ku）3 类。根据序列中第1 个氨基酸种类可分为LMW-m（第1 个氨基酸为蛋氨酸）和LMW-s（第1 个氨基酸为丝氨酸）。B-LMW 含有偶数个半胱氨酸残基，可使分子链扩展。B-LMW 既有m 型，也有s 型LMW。C-LMW 的N 端序列一般对应m 型LMW。

HMW 的分子值量范围60～90 ku，分子质量较大的x-HMW 的N-端有3 个半胱氨酸残基，较小y-HMW 有5 个半胱氨酸残基。所有HMW 的碳端通常只有1 个半胱氨酸残基，这是麦谷蛋白能形成分子间二硫键的基础[16]。

2 面筋形成过程

面筋形成过程主要包括水和蛋白质的作用、蛋白质和蛋白质的作用。面粉加水，麦谷蛋白吸水胀润，醇溶蛋白、清蛋白发生水合作用。麦谷蛋白在聚集过程中将其它蛋白和成分包埋在网络中，最终形成面团[17]。面团经水洗后，水溶性蛋白和淀粉均从网络中被洗涤出去，仅剩麦谷蛋白网络结构和部分结合紧密的麦醇溶蛋白。

Van Vliet 等[18]指出，面筋网络被视为不溶性胶体颗粒的聚集网络，这与面筋形成是蛋白质胶体（干胶）有限溶胀（胀润）的观点一致。Levebvre 等[19]认为面团中的蛋白质网络被认为是0.1～100 μm 尺度的颗粒网络。分子化学的观点是，蛋白质分子接近球形，表面是亲水基团，内部是疏水基团，水分子与蛋白质分子表面亲水基团通过氢键结合，形成水化层，使蛋白质从紧密堆积的基质结构中转变为水溶液中的独立分子。这些分子表面的亲水侧链，由于水溶液的存在和分子间距的增加，所以自由度增加，尤其在侧链的单链处允许侧链发生旋转，蛋白质分子表面反应基团生成化学键的机会增加，利于分子间的缔合，促进面筋网状结构形成。这些变化包括蛋白质空间结构发生变化，肽链展开，与毗邻的肽链重新键合，其中麦谷蛋白亚基间与麦谷蛋白亚基内发生巯基（位于半胱氨酸残基上）和二硫键（位于胱氨酸残基上）的交换反应，最后通过分子间二硫键交联形成纤维状大分子聚合体[20-24]。醇溶蛋白在分子内二硫键、氢键和疏水键的作用下形成球状结构，通过非共价键与麦谷蛋白结合，充填在纤维状大分子聚合体中，形成面筋的主干[25]。

Hamer 等[26]提出的超聚集模型中，通过从单个谷蛋白到宏观网络的聚合来描述麦谷蛋白网络，分为3 个层次。第1 个层次为仅存在共价键的分子水平，HMW 和LMW 之间通过二硫键相互作用，形成麦谷蛋白亚基；第2 个层次为麦谷蛋白亚基间通过次级键（如疏水键）相连，形成麦谷蛋白聚集体；第3 个层次为物理聚集，具体相互作用方式尚不明确。麦谷蛋白聚集体之间的相互作用形成SDS 不溶性GMP 颗粒。麦谷蛋白颗粒形成网络结构，并影响面团的性质。面筋网络由软的粒子或粒子聚集体的相互作用组成，这些软颗粒通过彼此相互作用形成网络，并且不管是否聚集或颗粒大小均具有相同的黏弹性特性。Levebvre 等[18]也认为软的和可变形的胶体面筋颗粒网络决定面团的流变性质。

3 影响面筋形成及特性的因素

3.1 麦谷蛋白聚集体

麦谷蛋白聚集体是影响面筋形成及特性的主要内因。目前虽有很多关于麦谷蛋白聚集体的模型，但始终没有统一的观点。近期的观点认为，HMW 形成线性链和支链结构，LMW 形成线性链结构，部分LMW 通过分子间二硫键连接形成支链生长在线性HMW 分子链上的麦谷蛋白亚基，麦谷蛋白亚基间通过氢键、疏水键等次级键连接形成麦谷蛋白聚集体。

不溶于质量分数为1.5%的十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS） 溶液的麦谷蛋白聚集体，相对分子质量较大，被称为谷蛋白大聚集体（glutenin macropolymer，GMP）[27]。Lindsay 等[16]考虑GMP 中HMW 和LMW 质量比例（≈1∶2）及其物质的量，提出分支模型，认为GMP 的一个基本分子单元由6 个HMW，30 个LMW 通过分子间二硫键连接形成。GMP 的含量和分子结构与小麦加工品质密切相关，决定着面筋强度和面团特性，在面制食品加工中的作用远大于可溶性麦谷蛋白聚合体和单体蛋白[28-34]。

Don 等[35]研究了麦谷蛋白聚合体大小的变化与面团性质的关系，研究表明，面粉、面团中GMP的数量和容积不同，而在最佳混合（time-to-peak，TTP）时，不同品种面粉的GMP 颗粒的容积和大小非常相似（0.11 L/g）。随着混合时间的增加，GMP颗粒容积和大小都呈下降趋势。这些结果表明：在面粉混合过程中，容积不均匀的GMP 颗粒随着混合能量的增加，平均容积减小并趋于均匀。虽然面粉混合降低平均容积，但是GMP 颗粒一直存在于混合样品中，且最终平均容积趋于均匀，这优化了面团的形成。GMP 颗粒容积减小有两方面原因：二硫键和物理作用。将还原剂二硫苏糖醇（dithiothreitol，DTT）加入GMP 分散体系中，观察到特性黏度急剧下降（0.36 L/g 降至0.02 L/g），这证实了二硫键是稳定面团中GMP 颗粒的主要作用力，二硫键被打破使GMP 颗粒容积减小。Lefebvre 等[19]的研究表明，面筋网络是粒子网络，这就意味着在0.1～100 μm 尺度，物理作用会影响面团特性。

3.2 含水率

根据能否冻结，面团中的水分为可冻结水和非冻结水。可冻结水结冰后体积增加9%，会挤压、破坏蛋白质三维结构。非冻结水通过与蛋白质分子表面的亲水部位以氢键相结合，被束缚在大分子周围，在0 ℃无法结冰，不会出现膨胀现象，因而不会对面筋蛋白造成挤压破坏[36-37]。Seetharaman K 等[36]研究了面团中水分分布和流动性，通过核磁共振仪（NMR）检测T2弛豫时间，差示扫描量热仪（DSC）测量可冻结水含量，结果发现面团含水率25%时，弱结合水在T22未出峰，可冻结水含量为0，并且这个值与小麦品种、面粉的混合程度、戊聚糖的使用都无关，十分稳定。此结果与Davies 等[38]研究结果一致，其研究也测得面团可冻结水为0 时的面团含水率为25%，原因可能是面粉中蛋白质和淀粉能吸收的水分是定量的。

面粉与水混合，水分首先与处于基质片段表面的蛋白质分子表层的亲水基团结合，然后通过基质片段的细微孔隙扩散到基质内部。理论上，含水率25%时，蛋白质和水就能充分作用。水分增加会使蛋白质分子玻璃化转变温度降低，分子柔性增加，构象容易变化，如分子链的展开。随着面筋网络的完善，水分向结构化方向发展，与大分子的结合度增强，面筋形成。加水量过少，面筋形成不充分，面筋蛋白不能充分水合，形成的面团硬度大，弹性和拉伸性都不好，蛋白质分子扩展不够，面团颗粒松散、黏性小。加水量过多，可冻结水比例高，面筋蛋白被稀释，面团发软不成型，失去良好的加工性能[39-40]。

3.3 剪切力

小麦粉的球形麦谷蛋白颗粒在低剪切速率（1 s-1）下剪切1 min，颗粒从球形变为椭圆形，一些颗粒和颗粒间互相粘附。此时停止剪切，麦谷蛋白颗粒的轮廓仍然清晰，粒子发生部分聚集，然而不能回复到初始形状。在相对较高的剪切速率（100 s-1）下剪切1 min，粒子变形程度较大，产生看似连续的谷蛋白大聚体。此时停止剪切，无法看到麦谷蛋白颗粒，均已形成连续的网络。这可能与混合剪切有关系，因为这些现象影响麦谷蛋白颗粒的体积、大小和形态。剪切作用使紧邻蛋白质分子的相对位置不断变动，蛋白质分子表面侧链反应基团之间反应机率增大，更多次级键生成。次级键中的较强者（如二硫键），因键能较高，生成后不易断裂，面筋结构不断增强，直到二硫键数目达到饱和，此时，面团的力学性能较强。若进一步剪切，则会使部分二硫键断裂，面团力学性能下降[41]。剪切力对游离巯基和二硫键的形成有两方面作用：一是机械剪切可以导致蛋白质分子更多的巯基基团暴露，在氧气的参与下，巯基基团发生氧化反应，从而促进二硫键的形成；二是剪切力凭借物理剪切作用，打断蛋白质分子之间的二硫键，降低二硫键含量[42]。

水分含量约36%的小麦粉在流变仪中混合，剪切速率为60 s-1或70 s-1时，面团最佳混合时间为（37±18）s 或（28±18）s[43]。Bietz 等[44]研究了醇溶蛋白和麦谷蛋白悬浮液黏度和剪切速率的关系，剪切速率为0.001～1 000 s-1，醇溶蛋白悬浮液表现出剪切稀变现象。而麦谷蛋白在低剪切速率（0.001～0.01 s-1）作用下表现出剪切增稠现象，在高剪切速率（0.01～1 000 s-1）表现出剪切稀变现象。推测较低的剪切速率有利于面筋结构形成。

3.4 压力

大于200 MPa 的压力能改变小麦粉中蛋白质的结构，其机制是改变其体积。高压诱导体积的改变有利于生物大分子的范德华力、疏水相互作用，进一步诱导氢键的形成，使分子密度增加。高压不影响蛋白质的一级和二级结构，因为α-螺旋或β-折叠几乎不可压缩，但更多的巯基基团参与巯基-二硫键的交换反应中。Kieffer 等[45]发现，压力对具有相对较高巯基含量的麦谷蛋白有影响，压力从0.1 MPa 升至800 MPa（30 ℃），麦谷蛋白巯基含量从2.64 μg/g 蛋白质降至0.53 μg/g 蛋白质。而压力对较低巯基含量的麦醇溶蛋白影响不大，压力从0.1 MPa 增到500 MPa（30 ℃），麦醇溶蛋白含量从67.0%降至59.1%，巯基含量从0.34 μg/g 蛋白质升至0.37 μg/g 蛋白质。

Leder 等[46]使用激光共聚焦扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy，CLSM） 观察小于400 MPa 处理的33%和56%水分的面粉制备的面团，发现面筋蛋白质和淀粉颗粒结构相对于0.1 MPa 处理的对照组无显著差异。而在500 MPa 和600 MPa 处理的33%水分的面粉制备的面团中观察到纤维束形成的蛋白质网络结构，淀粉颗粒结构未受到影响，同时发现该面团中不溶性蛋白质聚集体 （unextractable polymeric protein，UPP）从28.3%增到38.8%，Glu ∶Gli 比（0.71）没有变化，表明500 MPa 以上的压力诱导小麦粉，主要增加蛋白质聚集，而未破坏麦谷蛋白和麦醇溶蛋白本身的结构。500 MPa 和600 MPa 处理的56%水分的面粉制备的面团，观察到较短的蛋白质束和不连续的面筋蛋白质网络，淀粉颗粒结构被破坏。被破坏的淀粉颗粒比完整的淀粉颗粒可以吸收更多水分，减少了蛋白质相的水分分配，面筋不能形成连续的网络，面团变得刚性且弹性较差。文献[46]认为，通过施加适当的压力可增加不溶性蛋白质的含量，形成较强的面筋网络，然而需要控制面粉的含水率来降低淀粉颗粒结构的破坏程度。

3.5 温度

加水温度影响面团性能，加水温度30 ℃时，水分子运动速度较快，面筋蛋白质分子与水分子充分接触，面筋蛋白质的吸水量达150%～200%，形成的面筋含量最高[47]。加水温度低于30 ℃时，基质片段表面的蛋白质分子吸水润胀，堵塞部分基质片段上的细微孔隙，阻碍水分子到达基质片段内部的蛋白质分子上，不利于面筋形成。

热会引起麦谷蛋白构象的变化，促进新的分子间二硫键，形成面筋蛋白质聚集体。麦醇溶蛋白似乎在较低的温度下不受影响，而在70 ℃以上时，巯基基团发生变化。麦谷蛋白受热影响的原因可能是蛋白质变性，而Eliasson 等[48]使用DSC 检测面筋的热行为，认为55 ℃至70 ℃之间发生的热转变主要是淀粉引起。Arntfield 等[49]指出，DSC对植物蛋白质数据的解释不清楚，因为蛋白质的吸热信号弱不表示蛋白质（面筋）不发生热转变，相反，可能发生热变性，因为疏水相互作用的破坏足以抵消极性相互作用破坏的吸热，即使发生了热转变，DSC 测量的净效应也将为零。

Anderson 等[50]研究了挤压小麦粉，发现挤出物的巯基和二硫化物含量均低于小麦粉巯基含量（10.43 nmol/L/mg）和二硫化物含量（46.04 nmol/L/mg），这表明蛋白质发生了变性或氧化。螺杆转速240 r/min 时，模头温度从120 ℃升至160 ℃，挤出物的巯基含量从6.95 nmol/L/mg 增至10.98 nmol/L/mg，二硫化物含量从38.36 nmol/L/mg 减至35.43 nmol/L/mg，与目前的研究结论一致。随着挤压温度的升高，挤出物巯基含量增加，二硫键含量降低，表明在小麦蛋白质的挤出加工过程中，热和剪切的共同作用使二硫键断裂。Schofield 等[51]也发现，温度低于100 ℃，面筋中总半胱氨酸含量基本保持不变，表明巯基和二硫键发生交换反应。

3.6 作用时间

小麦粉加水混合时，通常把面团黏稠度达到峰值的时间（和面时间）作为最佳混合时间的参考点，短于该时间被认为混合不足，长于该时间被认为过度混合。混合不足，面粉与水刚接触，接触面形成胶质的面筋膜，其阻止水向其它面粉浸透和接触，继续混合能破坏面筋的胶质膜，扩大水与新的面粉接触，使面粉充分水合[52]。混合后熟化15～22 min，面团中水分分布均匀，蛋白质充分吸水，并消除了一部分内部应力，利于线状麦谷蛋白分子的展开，形成较好的面筋网络结构。王灵昭等[53]认为熟化时，蛋白质分子通过氢键作用充分水合，同时空气的存在，巯基被氧化成二硫键，蛋白质分子相互粘连，相对分子质量增大，进一步促进面筋网络结构形成。

面粉从初始状态至过度混合的过程中，SDS不溶性麦谷蛋白颗粒逐渐转变成SDS 可溶性麦谷蛋白颗粒，最佳混合使几乎所有的麦谷蛋白颗粒变得可溶于SDS，过度混合会进一步破坏SDS 可溶性麦谷蛋白，最终SDS 可溶性麦谷蛋白的特性黏度接近DTT 还原后的最小特性黏度（0.02 L/g）。这说明最佳混合作用时间的重要性，此时麦谷蛋白颗粒几乎都溶于SDS，并且最佳混合后的面团熟化，其黏弹性最大。形变松弛半时间（flow relaxation half-time） 随熟化时间的增加而增加，而混合不足和过度混合的面团熟化后，不同熟化阶段的形变松弛半时间均低于最佳混合。显然，混合在很大程度上影响面团弹性。

Don 等[54]研究发现，混合不足面团中聚集体的分散不均匀，聚集体间的相互作用比最佳混合时聚集体间的相互作用弱。最佳混合的谷蛋白颗粒混合后能直接开始重新组装，并在熟化90 min后，不同品种小麦粉的面团仍保持相似的HMW/LMW 比例，聚集体的容积较小，而过度混合使麦谷蛋白颗粒分解成更小的碎片，HMW/LMW 比例也发生变化（Estica 小麦品种的HMW/LMW 比例从0.62±0.05 下降为0.34±0.03）。这解释了混合后不同小麦品种的麦谷蛋白颗粒大小接近，而熟化后麦谷蛋白颗粒大小呈现较大差异的原因，即发生了HMW/LMW 比例的变化。由此推测，对于面团的流变性质，过度混合对麦谷蛋白的HMW/LMW 比例和最终尺寸的影响比谷蛋白大聚体的量更重要，这与Bloksma[55]认为不是每个二硫键都具有流变效应的观点一致。

3.7 食盐

面筋蛋白在水合过程中，离子强度等会影响蛋白质的构象及其相互作用。食盐以低质量分数（小于2%）存在时，Na+和Cl-被蛋白质分子中电离的基团吸引，屏蔽面筋分子的电荷，减少蛋白质间的静电排斥，蛋白质分子更紧密相连；食盐在较高浓度时，阳离子和蛋白质会竞争水使麦谷蛋白分子间氢键作用增强，表现为面筋网络具有更多的纤维和延伸结构。面团流变学试验也表明，盐的添加增加面团形成时间和延展性[56-59]。

Tuhumury 等[60-61]提出了一种解释NaCl 影响面筋网络形成机制的模型。小麦面粉中麦谷蛋白和麦醇溶蛋白亚基作为蛋白质体存在，麦谷蛋白分子以天然形式折叠，水合时麦谷蛋白分子展开，分子间的氢键断裂，与水形成氢键，形成面筋网络内的环区，面筋网络中更多环区的形成使面筋网络微观结构形成，当NaCl 存在时，面筋蛋白上的电荷被屏蔽，蛋白质间的静电排斥减少，麦谷蛋白链上的环区展开，更紧密有序排列的面筋形成，面筋呈现出更多的纤维状结构。国外研究认为，添加中性盐将成为研究麦谷蛋白疏水性、面团流变学性质和加工特性的有效手段[62]。

4 小结

小麦面粉加水混合，经水合、剪切等作用形成面团。面团的黏弹性是制作面制品的基础，其物质基础主要是麦谷蛋白和麦醇溶蛋白等小麦面筋蛋白，并主要取决于麦谷蛋白所形成的聚集体大小和聚集程度。麦谷蛋白聚集体理化特性受麦谷蛋白类型、水分、温度、压力等内、外因素的影响。这些因素不仅决定了麦谷蛋白所形成的聚集体的理化特性，也影响聚集体形成的速率。麦谷蛋白聚集动力学是选择麦谷蛋白聚集体或面筋形成技术手段的重要参考依据。