大豆蛋白对小麦面筋蛋白特性的影响

石长硕,张明,赵方圆,董梦飞,赵树超,郭兴凤*

1(河南工业大学 粮油食品学院,河南 郑州,450001)2(济宁市机械设计研究院,山东 济宁,272000) 3(山东凯斯达机械制造有限公司,山东 济宁,272000)

将大豆蛋白添加到面粉中可以提高面制品的营养品质,但研究表明,大豆蛋白的添加会影响面筋网络结构,改变面团的特性,影响面制品品质[1-3]。大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)添加到重构面团中,会增加重构面团的吸水性,影响面团的动态流变特性[4],而添加大豆水解蛋白(soy protein hydrolyzate,SPH)会使得面团的面筋特性等性质变差[5-7]。添加质构化大豆蛋白(texturized soy protein,TSP)可以增加面条的吸水率和蛋白质保留率,从而改善面条的蒸煮品质[8]。

本文将SPI、SPH、TSP分别按比例添加到谷朊粉(wheat gluten,WG)中,分析面筋特性的变化、面筋中蛋白组分和微观结构的改变,探究大豆蛋白与面筋蛋白相互作用机制。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大豆分离蛋白(蛋白含量90.15%,N×6.25),山东谷神生物科技集团有限公司;谷朊粉(蛋白含量81.06%,N×5.70),河南德大食品公司;其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

K1100全自动凯氏定氮仪,济南海能仪器有限公司;DS32II双螺杆挤压机,济南赛信机械有限公司;FW-200高速万能粉碎机,北京中兴伟业仪器有限公司;TA-XT Plus物性仪,英国 Stable Micro System 公司;LGJ-18C 型真空冷冻干燥机,北京四环科学仪器厂有限公司;TDL-5-A离心机,上海安亭科学仪器厂;DHR-1流变仪,美国TA仪器公司;Quanta250FEG扫描电子显微镜,美国FEI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 TSP和SPH的制备以及SPH水解度的测定

参考豆洪启[9]的方法对SPI进行质构化处理,方法略有改动:物料含水量60%、挤压温度120 ℃、喂料速度50 r/min,出料速度50 r/min。参考崔会娟等[7]的方法制备SPH,水解条件:加酶量1.0%,SPI质量分数7.57%,酶解温度47.4 ℃,酶解pH 6.92,水解时间20 min。水解结束后,将水解液90 ℃灭酶15 min,冷却至室温后冷冻干燥。茚三酮比色法测得水解度为(5.51±0.04)%。

1.3.2 实验原料的配制

将3种大豆蛋白分别按照质量分数0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%替代谷朊粉,混合均匀后备用。混合粉分别用SPI-WG、SPH-WG、TSP-WG表示。

1.3.3 面筋中蛋白组分含量的测定

参考郭颖等[10]的方法按照奥斯本分类方法依次提取清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、SDS可溶性蛋白,具体步骤如下。

将依据GB/T 5506.1—2008《小麦和小麦粉 面筋含量 第1部分手洗法测定湿面筋》所制得的面筋在-80 ℃预冻24 h,冷冻干燥。取0.5 g(精确到0.001 g)冻干样品加入到20 mL的蒸馏水中,磁力搅拌提取1 h,5 000 r/min离心10 min,收集上清液;沉淀用20 mL蒸馏水重复上述步骤提取2次,合并上清液,即为清蛋白提取液。用质量分数3%的NaCl溶液提取水不溶性组分中的蛋白质,方法同清蛋白提取,提取液为球蛋白提取液。将清蛋白与球蛋白提取液合并,即为盐溶蛋白提取液。

用体积分数70%的乙醇溶液提取盐不溶性组分中的蛋白质,方法同清蛋白提取,得到醇溶蛋白提取液。

用质量分数1.5%的SDS溶液提取醇不溶物中的蛋白质,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层的凝胶层,为麦谷蛋白大聚体(glutenin macropolymers,GMP)。

按照GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》测定其中的蛋白含量,每种蛋白组分含量以其占面筋的百分比表示。

1.3.4 面筋含量的测定

参考GB/T 5506.1—2008《小麦和小麦粉面筋含量 第1部分手洗法测定湿面筋》测定湿面筋含量。按公式(1)计算样品的湿面筋含量:

(1)

式中:ωwet,样品的湿面筋含量(以质量分数表示);m1,测试样品质量,g;m2,湿面筋的质量,g。

参考GB/T 5506.3—2008《小麦和小麦粉面筋含量 第3部分烘箱干燥法测定干面筋》测定干面筋含量。按公式(2)计算样品的干面筋含量:

(2)

式中:ωdry:样品的干面筋含量(以质量分数表示);m1,测试样品质量,g;m3,干面筋的质量,g。

1.3.5 面筋的拉伸特性测定

参照黄婷玉[11]的方法并略有改动。采用仪器专用的面筋拉伸测定装置处理面筋,将1.3.4中所制备的湿面筋整形,压制,然后将面筋从模具中取出,测定。测定条件:拉伸模式;测前速率2.0 mm/s;测试速率2.0 mm/s;测后速率10.0 mm/s;拉伸距离100 mm;每个样品测试重复3次。

1.3.6 面筋的动态流变学特性测定

参考李翠翠等[12]的方法。将1.3.4中制备的湿面筋置于25 mm 圆形平板上,平行板间距设置为1 050 μm,刮掉平板周围多余的面团,在25 ℃分别对样品进行小振幅振荡测试,采用的频率范围为0.1～130.0 r/s;应变振幅调整为1%。

1.3.7 面筋微观结构的测定

参考王强等[13]的方法,略作改动。将1.3.4中制备的湿面筋于-80 ℃进行预冻,然后真空冷冻干燥处理36 h,选取相对平整的区域,小心掰断,取少量的样品进行镀金处理,使用扫描电子显微镜对样品微观结构进行拍照,然后通过ImageJ软件进行分析并计算孔隙率。

1.3.8 数据处理

每组指标测试每个样品至少重复3次,试验结果表示为平均值±标准偏差。采用SPSS 23.0软件的Duncan新复极差法进行显著性分析,以P<0.05为显著性检验标准;采用Excel 2013和Origin 9.0 进行数据整理和图表绘制。

2 结果与讨论

2.1 大豆蛋白对面筋蛋白组分的影响

由图1可知,随着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减少,VOGEL等[14]认为在面筋形成过程中,含有半胱氨酸的α-醇溶蛋白和γ-醇溶蛋白通过二硫键的交换反应,转化成了醇不溶性的麦谷蛋白,从而使得醇溶蛋白含量减少。SDS可溶性蛋白含量显著性增加,说明添加大豆蛋白与麦谷蛋白相互作用,使得通过非共价键结合在GMP骨架上的蛋白易被分离,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含量增加明显,这是因为GMP中不仅有SPI、TSP与面筋蛋白相互作用产生的聚合物,同时也有少量大豆蛋白不溶性聚集体与GMP共沉淀。PÉREZ等[16]也发现添加热处理的大豆粉可以增加面团中的GMP的含量。而SPH-WG面筋中GMP含量明显减少,说明在面筋形成过程中,SPH通过二硫键与麦谷蛋白连接,阻碍了GMP的聚合,使得GMP含量显著减少[5]。

a-SPI;b-TSP;c-SPH图1 SPI、TSP和SPH对面筋中蛋白组分的影响Fig.1 Influence of SPI,TSP and SPH on gluten protein components注:图中不同字母表示差异(P<0.05)(下同)

2.2 大豆蛋白对面筋特性的影响

面筋是由麦醇溶蛋白与麦谷蛋白通过二硫键交联形成的复合物,其中面筋含量是评价面筋品质的重要标志,醇溶蛋白与麦谷蛋白的含量与比例的改变势必影响着面筋含量的改变[15-16]。由图2可知,SPI-WG面筋的湿面筋含量由215.4%增长至224.95%,干面筋含量由86.69%下降至79.89%,GMP与湿面筋含量以及蛋白质结合水的能力呈显著正相关[17],因此GMP含量增加(图1),使得SPI-WG面筋中干湿面筋含量均有所增加,更好的说明高吸水性SPI与面筋蛋白之间存在相互作用,影响面筋网络结构的形成[18]。TSP-WG面筋的湿面筋含量由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与面筋蛋白吸水竞争的同时,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,水洗结束后有面筋团形成,而增加SPH的添加比例后,使用相同的洗面筋步骤,无面筋形成,这是因为SPH与麦谷蛋白通过二硫键形成小分子量聚合物,抑制麦谷蛋白间二硫键的连接,从而阻碍面筋蛋白网络结构的形成[5]。

图2 SPI、TSP及SPH对湿面筋含量的影响Fig.2 Effect of SPH,SPI and TSP on gluten content

2.3 大豆蛋白对面筋拉伸特性的影响

从图3可知,SPI-WG面筋的最大拉伸阻力由61.69 g增加到75.89 g,拉伸距离也就是延展度由103.26 mm减小到62.32 mm,TSP-WG面筋的最大拉伸阻力由61.69 g增加到100.39 g,拉伸距离由103.26 mm减小到65.67 mm。最大拉伸阻力与面筋中GMP含量有关,这是因为GMP与其他蛋白通过非共价键形成面筋网络结构,赋予面筋的抗拉伸性[19]。醇溶蛋白通过疏水作用形成水合物主要赋予面筋的延展性[20],这也与图1中面筋蛋白含量变化趋势一致,醇溶蛋白含量减少引起面筋拉伸距离的减少。添加SPH后面筋的拉伸距离及拉伸力均减小,说明加入SPH后,小分子量的SPH与面筋蛋白相互作用阻碍GMP的形成,从而弱化面筋结构。LAMACCHIA等[21]研究表明,酶解产物导致GMP的形成受限,对面筋网络结构产生不利影响。在添加5%大豆蛋白的情况下,TSP-WG的拉伸力,拉伸面积以及拉伸距离均大于SPI-WG,这说明TSP对面筋网络结构的弱化程度要小于SPI与SPH对面筋网络结构的弱化。

图3 SPI、TSP和SPH对面筋拉伸特性的影响Fig.3 Effects of SPI,TSP and SPH on gluten tensile properties

2.4 大豆蛋白对面筋动态流变学特性的影响

蛋白质的含量与比例对于面筋的动态流变学起着重要作用[22]。G′代表的是样品的弹性和能量储存的性质,G″代表着样品的黏性、能量耗散的性质[23]。由图4可知,添加SPI的面筋和添加TSP的面筋的G′与G″都随着扫描频率的增大而增大,并且在同一频率下的每个样品的G′明显大于G″,即面筋体系的弹性大于黏性。面筋蛋白中的麦谷蛋白吸水后能够赋予面筋弹性和强度,而醇溶蛋白吸水后赋予面筋黏性和延展性[23]。GMP含量的变化是导致G′和G″变化的主要原因[24],结合图1中GMP的含量增加可以说明SPI、TSP与麦谷蛋白相互作用产生新的交联以及大豆蛋白不溶性聚集体使得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″明显减小,这是因为在面筋形成过程中,SPH阻碍GMP的形成[25]。图4-e中tanδ值是黏性组分与弹性组分的比值,代表的是面筋的损耗因子,tanδ越小说明面团弹性组分越高[25-26]。随着添加大豆蛋白的比例增加,大豆蛋白增加了面筋中弹性组分的比例,从而使得tanδ值下降,这也与图1中SDS可溶性麦谷蛋白含量增加结果一致。并且在同一比例同一频率时,TSP-WG的G′和G″要远大于SPI-WG和SPH-WG的G′和G″,这说明TSP-WG的弹性和黏性都要大于SPI-WG和SPH-WG的弹性和黏性。

a-SPI-WG面筋的储能模量和损耗模量;b-TSP-WG面筋的储能模量和损耗模量;c-SPH-WG面筋的储能模量和损耗模量;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面筋的储能模量和损耗模量图4 SPI、TSP和SPH对面筋动态流变学特性的影响Fig.4 Influence of SPI,TSP and SPH on dynamic rheological properties of gluten

2.5 大豆蛋白对面筋微观结构的影响

在面筋网络形成过程中,GMP通过氢键和疏水键与其他蛋白结合,起到骨架和桥梁的作用[6]。麦醇溶蛋白与麦谷蛋白共同构成面筋网络结构,当麦谷蛋白含量增加,相对少量的麦醇溶蛋白不能完全与麦谷蛋白分子结合,从而影响面筋网络结构的形成[26]。由图5可知,添加SPI、SPH和TSP后面筋的网络结构变得无序多孔,这说明大豆蛋白与面筋蛋白相互作用,从而影响麦醇溶蛋白与SDS麦谷蛋白的比例,使得面筋网络结构的形成受阻。SPH-WG面筋网络结构中能看到较大的空隙,结合图6孔隙率的变化,可以看出添加SPH后,面筋网络的孔隙率明显增加,有序性明显减弱。综上所述,添加不同大豆蛋白均对面筋网络结构有弱化作用,SPI和SPH的弱化作用要大于TSP对面筋网络结构的弱化作用。

a-WG面筋;b-5%SPI-WG面筋;c-5%TSP-WG面筋;d-5%SPH-WG面筋图5 添加SPI、TSP、SPH的面筋网络微观结构Fig.5 Network microstructures of WG,SPI-WG,TSP-WG and SPH-WG gluten

图6 SPI、TSP及SPH对面筋孔隙率的影响Fig.6 Effect of SPI,TSP and SPH on the porosity ratio

3 结论

与纯谷朊粉制得的面筋相比,添加SPI、TSP后的面筋GMP含量增加,从而引起面筋的湿面筋含量增加,最大拉伸阻力增大,G′和G″增大,醇溶蛋白含量减少引起面筋拉伸距离减小。SPI与面筋蛋白相互作用影响面筋网络结构的形成,TSP与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、湿面筋含量以及G′和G″均明显减小。大豆蛋白与麦谷蛋白相互作用影响了面筋的组分含量进而影响了面筋的网络结构形成。