小麦籽粒不同部位蛋白质理化特性研究进展

代美瑶 巩艳菲 李 芳 张 波

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工重点实验室，北京 100193)

小麦是我国的主要粮食作物之一。国家统计局数据显示，2017年我国制粉约消费9 300万t小麦。按75%出粉率计，约生产6 975万t小麦粉。小麦籽粒主要由果(种)皮、糊粉层、胚乳和胚等组成，这些部位的蛋白组分含量和性质各不相同，使其具有不同的加工特性。

现代制粉磨机主要分为皮磨和心磨。皮磨主要用于破碎籽粒，心磨用于碾细胚粒。根据磨粉机和出粉位置，粉路粉可分为前路粉、中路粉和后路粉，三者可以近似表示来自小麦胚乳由里向外的组分[1]。例如，皮磨系统(1B、2B、3B、4B)粉样中1B近似表示来自籽粒中心组分，4B则是接近小麦籽粒皮层的组分，心磨粉类似[2]。小麦籽粒剥刮制粉是利用碾辊和小麦籽粒间的摩擦力将小麦籽粒逐层剥刮，从而得到代表籽粒不同部位的组分。

根据Osborne的方法，小麦蛋白分为清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白和麦谷蛋白。麦醇溶蛋白和麦谷蛋白是组成面筋蛋白的主要成分。根据分子质量，麦醇溶蛋白可以分为ω5-、ω1,2-、α-、γ-醇溶蛋白；麦谷蛋白可以分为高分子质量麦谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子质量麦谷蛋白亚基(LMW-GS)。根据小麦蛋白在十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中的溶解性，又可将蛋白分为SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白。SDS不可溶蛋白主要是麦谷蛋白，又被称为麦谷蛋白大聚体(GMP)。本文结合小麦籽粒结构，整理汇总了蛋白质组分、含量，及其性质在小麦籽粒中的分布规律，以期为制粉工艺、配粉控制、专用粉生产提供参考。

1 小麦蛋白质组分

蛋白质是小麦籽粒的主要成分之一，约占成熟籽粒重的9%～15%。蛋白质和约占成熟籽粒重70%淀粉的含量和组成决定了小麦籽粒的品质和最终加工用途[3]，也是评价小麦品质的重要依据。

按照Osborne的方法，根据蛋白质在水、稀盐溶液、醇溶液中的溶解度，小麦籽粒蛋白质分为清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白和麦谷蛋白。清蛋白质量分数约为14.7%，球蛋白质量分数约为7.0%，麦醇溶蛋白质量分数约为32.6%，麦谷蛋白质量分数约占45.7%[4]。麦醇溶蛋白和麦谷蛋白含量显著影响面团流变学特性，其与面团形成时间、稳定时间和延伸性也呈现出极显著正相关[5, 6]。小麦面筋中的蛋白含量约占籽粒总蛋白的80%，其中主要是麦醇溶蛋白和麦谷蛋白，分别各占约30%和50%[7]，二者的含量以及比例都影响着面筋的质量。

根据在SDS-PAGE电泳中的迁移率，麦醇溶蛋白进一步可以分为ω5-、ω1,2-、α-、γ-型，其相对分子质量分别为6.6×104～7.9×104、5.5×104～6.5×104、3.2×104、3.8×104～4.2×104[8]。麦谷蛋白可以进一步分为HMW-GS和LMW-GS。HMW-GS可以进一步分为x型和y型。x型、y型的相对分子质量分别为1.04×105～1.24×105、9.0×104～1.02×105。LMW-GS的相对分子质量为3.6×104～4.4×104[8]。在HMW-GS中，发现x-型对面团性质的贡献比y-型更重要[9]。单个亚基而言，亚基Dx5具有用于链间交联的半胱氨酸，以及亚基Bx7，其在表达的亚基中所占比例最大，对于面团质量和面包体积有显著影响[10]。有报道认为，麦谷蛋白亚基的含量组成为HMW-GS/LMW-GS≈1:2，x-/y-型≈2.5:1。麦谷蛋白聚集体的单元可能由2个y型HMW-GS，4个x型HMW-GS和约30个LMW-GS由链间二硫键连接的形成，相对分子质量约为1.5×106[11]。根据在SDS溶液中的溶解特性，小麦籽粒中蛋白质又可以分为SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白。SDS可溶蛋白包括清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白，以及摩尔质量较小的麦谷蛋白聚集体(SDS可溶性麦谷蛋白)[12]。SDS不可溶蛋白主要是麦谷蛋白，又被称为GMP[13]，其以颗粒形式存在于胚乳中，粒径范围为1～300 μm。GMP只有在SDS提取液中加入还原剂或经过超声波处理后才能溶解[14]。GMP含量与蛋白质含量、沉降指数和主要粉质参数呈显著正相关，其含量越高，面筋弹性和强度越大，最终面包烘烤品质也较好[15]。并且GMP含量对面包体积的贡献显著高于沉降指数、干、湿面筋含量、面团形成时间和稳定时间[16, 17]。研究发现，GMP含量反映了麦谷蛋白聚集体的聚集程度[18, 19]。麦谷蛋白的聚集程度或聚集体的粒度分布比含量更重要，是决定面筋物理特性及面包烘烤品质的关键因素[20, 21]。

2 蛋白质及其组分的数量属性在小麦籽粒中的分布

2.1 蛋白质和面筋在小麦籽粒中的分布

将PBW175品种小麦籽粒用磨粉机进行碾磨，得到9种粉路粉。皮磨粉，从B1到B4，每个组分小麦粉中干面筋的质量分数从8.1%上升到9.8%；心唐粉，从C1到C5，其从7.9%上升到9.6%[22]。越接近皮层，干面筋在组分小麦粉中的含量越高。

采用商用磨粉机对小麦籽粒进行研磨，取得不同粉路小麦粉。皮磨粉，从1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，每份组分小麦粉中干基蛋白、湿面筋的质量分数分别从11.7%上升到16.1%、从31.3%上升到39.7%再降低至38.6%；心磨粉，从1M-Ⅰ到9M-Ⅲ，二者分别从10.5%上升到17.8%、从22.7%上升至27.8%再降低至18.0%[23]。结果说明，越接近皮层，干基蛋白在组分小麦粉中的含量越高。越接近糊粉层，湿面筋在组分小麦粉中的含量越高。

以氮肥350 kg/ha处理的Hereward、Cordiale、Malacca和Istabraq共4个品种小麦为实验材料，用剥皮机处理籽粒，共获得7个组分，分别代表小麦籽粒的果(种)皮组织、糊粉层、亚糊粉层、从外到内的胚乳及胚乳中心组分。从胚乳中心到皮层，每份组分小麦粉中4个品种的蛋白质平均质量分数范围为11%～19%，且呈现出先上升再下降的趋势。每份组分4个品种面筋在蛋白质的平均占比范围为82%～65%，且呈现出先缓慢降低再急剧降低的趋势[24]。越接近糊粉层，蛋白质在组分小麦粉中含量越高。越接近皮层，面筋在组分蛋白中占比越低。

2.2 蛋白质组分在小麦籽粒中的分布

2.2.1 Osborne蛋白组分

将Toraysa品种小麦籽粒用磨粉机进行研磨，得到4个组分：皮磨粉、心磨粉、次粉、粗麸。从皮磨粉、心磨粉、次粉到粗麸，清蛋白干基含量从17.11 mg/g上升到66.82 mg/g再降低到56.60 mg/g；球蛋白干基含量从15.13 mg/g上升到76.93 mg/g再降低到65.24 mg/g，且二者在次粉组分达到最大值。麦醇溶蛋白干基含量从43.77 mg/g上升至49.13 mg/g降低到26.20 mg/g；麦谷蛋白干基含量从104.97 mg/g上升到140.28 mg/g再降低到128.47 mg/g，且二者在心磨组分达到最大值[25]。结果表明，越接近糊粉层，清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白、麦谷蛋白含量越高。

将郑麦9023和宁麦13两个品种的小麦籽粒用碾米机进行剥皮，共获得9份组分。从胚乳中心到皮层，两个品种籽粒的清蛋白、球蛋白在每份组分中平均质量分数范围分别为1.7%～4.5%、0.5%～2.5%，二者均呈现出先略有降低再迅速增加的趋势，且都在最外层皮层组分中达到最大值。两个品种的麦醇溶蛋白在每份组分中的平均质量分数范围为2.4%～4.0%，且呈现出先逐渐上升后下降的趋势，郑麦9023在次外层组分达到最大值，宁麦13在P3组分达到最大值。2个品种的麦谷蛋白在每份组分中的平均质量分数范围为2.9%～4.4%，均呈现出先逐渐上升后迅速下降的趋势，且在次外层组分达到最大值[26]。结果表明，越靠近皮层，清蛋白、球蛋白含量越高。越接近糊粉层，麦醇溶蛋白和麦谷蛋白含量越高。

以氮肥350 kg/ha处理Hereward、Cordiale、Malacca和Istabraq四个品种小麦为实验材料。采用体积排阻高效液相色谱法，对面筋进行分离，呈现四个洗脱峰，F1(主要是HMW-GS)、F2(主要是LMW-GS)、F3(主要是ω-麦醇溶蛋白)和F4(主要是α-/γ-麦醇溶蛋白)。从胚乳中心到皮层，4个品种F1组分占面筋的比例平均值为14%～9%，呈现先缓慢降低再急剧降低的趋势；F2组分占面筋的比例平均值为27%～26%，呈现缓慢降低的趋势；F3组分占面筋的比例平均值为10%～17%，呈现逐渐上升的趋势；F4组分占面筋的比例平均值为45%～53%，呈现先缓慢上升再急剧上升的趋势[24]。结果表明，越靠近皮层HMW-GS、LMW-GS在面筋中占比越低。越靠近皮层ω-麦醇溶蛋白在面筋中占比越高。

用剥皮机处理Cadenza品种小麦籽粒，共获得7份组分。根据SDS-PAGE中印迹，从籽粒的中心到皮层，HMW-GS、γ-麦醇溶蛋白免疫印迹深度明显变浅；LMW-GS+α-,β-,γ-麦醇溶蛋白免疫印迹深度明显增加；α-麦醇溶蛋白和ω-麦醇溶蛋白免疫印记深度逐渐增加[27]。用SDS-PAGE凝胶的密度扫描对剥皮各组分的HMW-GS进行定量，每个凝胶泳道添加相同质量的小麦粉或相同质量的蛋白质，电泳之后，在泳道中HMW-GS占小麦粉质量的比例和占蛋白质质量的比例分别为10%～17%、10%～20%。从籽粒的中心到皮层，这两种方法HMW-GS在组分中的比例均呈现出逐渐降低的趋势。结果表明，越靠近皮层，HMW-GS和γ-醇溶蛋白含量越低，α-醇溶蛋白和ω-麦醇溶蛋白含量越高。

用磨粉机对Nekota品种的小麦籽粒进行研磨得到6种粉路粉。皮磨粉，从B1到B3，HMW和LMW在小麦粉的比例分别从1.5%上升到2.3%、2.6%上升到4.6%。心磨粉，从R1到R3，二者分别从1.2%降低到1.1%、2.0%降低到1.6%[28]。B1、R1是较为接近籽粒中心的组分，B3、R3是较为接近籽粒皮层的组分，皮磨粉中HMW-GS、LMW-GS在小麦粉的比例明显高于心磨粉。越接近小麦籽粒皮层，HMW-GS、LMW-GS在小麦粉中的比例越高。

2.2.2 SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白组分

用磨粉机对Glenn品种的小麦籽粒进行磨粉得到6个粉路粉。按小麦粉基计算，皮磨粉从B1到B3，SDS可溶蛋白和SDS不可溶蛋白比例，分别从9.38%上升至11.78%和从4.41%上升至6.03%。心磨粉从R1到R3，二者分别从7.76%降低至7.17%和从4.31%降低至4.21%，但变化幅度较小。但按照组分中蛋白基计算，从B1到B3，SDS可溶蛋白比例从68.22%降低至65.91%；SDS不可溶蛋白比例从31.78%上升到34.08%。从R1到R3，SDS可溶蛋白比例从64.26%降低至62.93%，SDS不可溶蛋白含量从35.74%上升至37.08%[29]。结果表明，越靠近皮层，SDS可溶蛋白在小麦粉中的比例越高，在蛋白中的比例越低；SDS不可溶蛋白在小麦粉中的比例越高，在蛋白中比例也越高。

将Monad品种小麦籽粒用磨粉机进行研磨得到11个粉路粉。皮磨粉，从1B到4B，SDS可溶麦谷蛋白和SDS不可溶麦谷蛋白在该组分小麦粉中的含量分别为0.037～0.055、0.035～0.055 g/g，均呈现出逐渐增加的趋势，在4B时达到最大值。心磨粉，从A到F，SDS可溶麦谷蛋白在小麦粉中的含量为0.030 g/g上升至0.050 g/g。SDS不可溶麦谷蛋白在小麦粉中的含量范围在0.025 g/g附近波动再降低至0.020 g/g[30]。1B、A是较为接近籽粒中心，4B、F是较为接近籽粒皮层。可见，越靠近糊粉层，SDS可溶麦谷蛋白和SDS不可溶麦谷蛋白在小麦粉中的含量越高。

SDS不可溶蛋白也被称为麦谷蛋白大聚体。将扬麦16和连麦6两个品种小麦籽粒用碾米机进行碾磨，共获得5份组分。除皮层外，从外到内胚乳组分中，两个小麦品种的GMP在小麦粉的平均比例依次为4.2%、3.5%、2.2%、1.2%，呈现出逐渐降低的趋势，在外层胚乳组分处出现最大值[31]。可见，从籽粒中心向外围，越靠近糊粉层，GMP在小麦粉中的平均比例越高。

用碾米机对郑麦9023和宁麦13两个品种小麦籽粒进行剥皮，共获得9份组分。其中，P1+P2主要成分是麸皮；P3层主要为部分糊粉层+外层胚乳；P4-P9主要是胚乳。从小麦籽粒皮层到胚乳中心，两个品种小麦的GMP占小麦粉的平均比例分别为3.5%、4.5%、5.7%、4.0%、2.8%、2.6%、2.2%、2.2%、2.0%，呈现出先逐渐上升后逐渐下降的趋势，在P3达到最高值[26]。越靠近糊粉层或外层胚乳，GMP在小麦粉中的平均比例较高。

以不同叶龄期追氮处理的徐麦7086小麦籽粒为实验材料也有类似的结果，GMP在小麦粉中的平均比例分别为4.0%、5.5%、10.0%、7.0%、4.5%、3.0%、2.5%、2.0%、1.5%，呈先逐渐升高后逐渐下降的趋势，在外层胚乳组分中达到最高值[32]。

3 小麦籽粒不同部位蛋白质的质量属性

3.1 粉质参数

吸水率表示面团到达一定阻力或稠度时加入的水量。采用商用磨粉机对小麦籽粒进行研磨，取得不同粉路小麦粉。从1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，皮磨粉的吸水率从50.0%上升到56.9%；从1M-Ⅰ到9M-Ⅲ，心磨粉的吸水率从58.1%上升到72.0%再下降到58.8%[23]。越接近籽粒皮层，小麦粉的吸水率越高。

形成时间是指从小麦粉开始加水到粉质曲线达到500 BU稠度所需的时间。以Glenn品种的小麦籽粒为实验材料，用磨粉机进行磨粉。从B1到B3、R1到R3，平均形成时间均无显著性差异[36]。皮磨粉的平均形成时间比心磨粉长。以河南许昌当地小麦品种为实验材料，用磨粉机进行磨粉。皮磨粉的形成时间从1.2 min上升到4.9 min。心磨粉的形成时间从1.5 min上升至4.3 min[33]。结果表明，越接近外层胚乳或糊粉层，面团形成时间有波动或逐渐增加。

面团稳定时间是指粉质曲线首次穿过500 BU标线到曲线离开500 BU标线两点之间的距离，反映了面团能维持500 BU稠度的时间及面团耐受机械搅拌的能力。以9023品种小麦籽粒为实验材料，用磨粉机进行磨粉。皮磨粉的稳定时间从14.7 min上升到26.3 min再下降至11.6 min，且在2B处达到最大值。心磨粉的稳定时间从17.5 min降低至10.0 min，再从13.3 min降低到3.9 min[34]。以河南许昌当地小麦品种为实验材料，用磨粉机进行磨粉。皮磨粉的稳定时间从4.1 min上升到12.1 min。心磨粉的稳定时间从3.6 min上升至7.4 min再下降至4.1 min，再从7.1 min下降至4.0 min，且2M和5M稳定时间较长[33]。结果表明，从内到外稳定时间有波动，在接近籽粒外层胚乳或糊粉层，稳定时间较长。

3.2 拉伸参数

拉伸曲线面积即面团的粉力，是指面团在拉伸过程中，抗延伸力与拉伸长度的乘积，代表了面团从拉伸到拉断为止所需要的总能量。采用商用磨粉机对小麦籽粒进行研磨，取得不同粉路小麦粉。从1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，皮磨粉粉力从44 cm2上升到126 cm2再降低到106 cm2；从1M-Ⅰ到8M，心磨粉粉力从66 cm2上升到71 cm2再降低到16 cm2[23]。越接近籽粒外层胚乳或糊粉层，拉伸曲线面积越大。面团拉伸阻力表示面团的强度和筋力。从1B-Ⅰ1到4B-Ⅰ2，拉伸阻力从172 BU上升到292 BU再降低到190 BU；从1M-Ⅰ到8M，其从302 BU波动至252 Bu，在3M-ΙΙ达到最大值333 BU，然后逐渐降低到112 BU[23]。结果表明，拉伸阻力有波动，越接近籽粒外层胚乳部位，拉伸阻力较大。

以Glenn品种的小麦籽粒为实验材料，用磨粉机进行磨粉。面团的延伸性表示面团的可塑性。从B1到B3，延伸性从237 mm降低到220 mm；从R1到R3，其从187 mm降低到157 mm[29]。皮磨粉的延伸性大于心磨粉。越靠近籽粒糊粉层，延伸性越小。

3.3 面筋指数

面筋指数是评价面筋质量的指标，面筋指数越大，表面面筋筋力越强。以小麦品种9023为实验材料，从小麦粉厂取各粉路粉进行检测。从1B到4B，皮磨粉面筋指数从78.4上升到86.7再下降至83.0，3B的面筋指数最高。从1M到7M，心磨粉从87.7降低至84.4再上升至87.6再降低至72.8[34]。越接近小麦籽粒糊粉层，面筋指数越大。

以河南许昌当地小麦品种为实验材料，也有类似的结果。从1B到4B，皮磨粉面筋指数从71.9上升至88.2再降低至77.9，3B的面筋指数最高。心磨粉的面筋指数从84.1上升至88.4再降低至78.0，5M的面筋指数最高[33]。

3.4 沉降指数

沉降指数是反映小麦面筋蛋白的质和量的综合指标，表示单位质量小麦粉中蛋白质吸水膨胀后的体积，主要有Zeleny方法和SDS方法[35]。

用磨粉机对PBW175品种小麦籽粒进行碾磨。从B1到B4，SDS沉降指数从51 mL上升到60 mL；从C1到C5，其从40 mL上升到48 mL[22]。类似的，用磨粉机对中等硬度的小麦进行磨粉，得到十二种粉路粉。从1BK到5BK，SDS沉降指数从53 mL上升到64 mL；从C1到C7，其从40 mL上升到46 mL再降低到38 mL[36]。可见，总体来说，皮磨粉SDS沉降值大于心磨粉。越靠近糊粉层，SDS沉降指数越高。

采用逐层研磨的方法也有类似的结果。以扬麦16品种小麦籽粒为实验材料，用碾米机进行碾磨。从小麦籽粒P3层到P9层，SDS沉降指数从85 mL降低到38 mL。其中，P3～P4、P8～P9层沉降值下降迅速；P4～P8下降缓慢[37]。越靠近糊粉层，SDS沉降指数越高。

4 结论

小麦籽粒不同部位蛋白质分布情况受到多种因素的影响。首先是小麦籽粒的品种。其次，样品制备方法也会影响蛋白质的含量。如采取剥皮机一层一层剥取的方式制备样品；另一种是通过磨粉机研磨收集粉路粉。磨粉机的制粉工艺虽然是轻研细分，但是无法真正将小麦籽粒各个部位的组分分开，必然有部分组分重叠，导致部分结果略有差异。蛋白质提取方法、溶剂也会影响各组分蛋白质含量和性质。含量的表示方法，如以组分质量为基数，还是以组分中蛋白质为基数，或以组分中面筋为基数等，呈现出的分布规律可能就不相同。

小麦籽粒由内向外，蛋白质含量呈现逐渐增大的分布规律，面筋含量呈现先逐渐增加后降低的分布规律。由内向外，越接近外层胚乳或糊粉层，清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白、麦谷蛋白、SDS可溶蛋白、GMP含量、面筋指数、沉降指数等呈现逐渐增大的趋势，各蛋白组分增加的幅度有所不同；面团吸水率和拉伸面积逐渐增加，延伸性逐渐降低；面团形成时间、稳定时间、拉伸阻力等变化规律不明显，总体表现为波动至较大值后降低。