谷朊粉及其主要组分对果糖吸湿的抑制作用

王双双，李斌，李晶

（华中农业大学食品科学技术学院，湖北武汉 430070）

果糖是一种主要存在于水果和蜂蜜中的小分子糖，具有强吸湿性，在运输、储藏和销售过程中易受到环境等因素的影响出现结块和潮解现象，严重影响果糖以及富含果糖的产品的感官、质量和货架期[1-3]。为了改善食品体系的物理性质和稳定性，人们经常在食品体系中添加防吸湿剂。防吸湿剂已被证明可以与食品争夺水分，能够消除表面摩擦，改变晶体的晶格结构或抑制其生长从而起到防潮屏障的作用[4,5]。现在国内外常用的防吸湿剂有二氧化硅、亚铁氰化钾、硅铝酸钠、磷酸三钙、硬脂酸镁、碳酸镁、氧化镁等[6-8]。但是他们大多是无机化合物或者是小分子有机物，在某些条件下可能具有毒性或者对人体器官及环境造成伤害[9]。因此，近年来研究者们将目光投向了生物大分子物质，比如多糖和蛋白质[10,11]。

已有研究表明在小分子糖以及富含小分子糖的产品中添加少量的蛋白质，有可能改变它们的性能。比如蔗糖和白蛋白混合物的玻璃化转变温度随白蛋白含量的增加而增加[12]；乳清分离蛋白（WPI）的加入，能够改变蜂蜜粉颗粒亲水-疏水中心的平衡，从而降低蜂蜜粉的吸水量；另外，添加WPI可能会改变蜂蜜粉的吸附等温线类型[13,14]。

谷朊粉是一种从小麦中提取的混合蛋白质，其主要成分为麦醇溶蛋白（3×104~7.5×104u）和麦谷蛋白（5×104~1×107u）[15]。由于谷朊粉组成中含有较多的非极性氨基酸（Gln、Pro、Cys等）和较少的带电残基，使其具有较强的疏水性。课题组前期研究发现，在果粉中加入谷朊粉可以降低样品的吸湿性，而果粉吸湿的一个主要原因就是含有高占比的小分子糖。我们比较了果粉中常见的小分子糖葡萄糖、果糖和蔗糖的吸湿特性，发现蔗糖和葡萄糖在11%~75%的相对湿度下几乎不发生吸湿，而果糖吸湿现象显著。所以本研究以果糖为对象，探究谷朊粉抑制果糖冻干品吸湿的影响规律，并进一步探究其主要成分在抑制果糖吸湿方面的差异。

1 材料与方法

1.1 原料

果糖（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；谷朊粉（食品级），华丰粉业有限公司；氯化锂（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；醋酸钾（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；氯化镁（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；碳酸钾（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；溴化钠（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；碘化钾（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；氯化钠（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；盐酸（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；二氯甲烷（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；五氧化二磷（分析纯），美国Aladdin工业公司。

1.2 主要仪器设备

BSA124S-CW电子分析天平，德国Sartorius公司；BL310电子天平，德国Sartorius公司；HD2010W电动搅拌机，上海司乐仪器有限公司；UB-7数显pH计，美国DENVER INSTRUMENT；H1850R高速离心机，湖南湘仪实验仪器公司；干燥器（Φ210 mm），武汉华威化工仪器有限公司；DHG-9240A电热恒温鼓风干燥箱，武汉德力祥仪器设备有限公司；LGJ-30FD冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；OCA15EC接触角测定仪，德国 Dataphysics 公司；NMI20-015V-I低场核磁共振仪，上海纽迈科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 麦醇溶蛋白的制备

以谷朊粉为原料，参考 Peng等[16]的方法提取麦醇溶蛋白。首先对谷朊粉进行脱脂，将谷朊粉和二氯甲烷按料液比1:10（m/V）混合，室温下400 r/min机械搅拌3 h，抽滤除去二氯甲烷；待得到的粉末完全干燥，再次重复此步骤。用70%乙醇溶液与处理过的谷朊粉混合，料液比为1:10（m/V），以400 r/min的转速搅拌3 h，然后在4 ℃下10 000g离心10 min，收集上清液，将上清液在4 ℃条件下放置12 h，进行第二次离心。40 ℃旋蒸除去乙醇，剩余的浓缩液冷冻干燥即得麦醇溶蛋白。

1.3.2 麦谷蛋白的制备

脱脂过程同麦醇溶蛋白。将脱脂后的谷朊粉以固液比1:30与蒸馏水混合，18 ℃恒温搅拌调节pH值至12，静置1 h，离心取上清液。在上清液中加入无水乙醇使溶液的乙醇体积分数至65%，然后调节pH值至7，4 ℃静置24 h，离心取沉淀，冷冻干燥得麦谷蛋白[17]。

1.3.3 冻干样品的制备

将谷朊粉或麦醇溶蛋白（Gliadin，Gli）、麦谷蛋白（Glutenin，Glu）与果糖（Fructose，Fru）溶液混合，使其质量比分别为0:10、2:8、3:7和10:0。所有样品均在-20 ℃冰箱预冻24 h，然后在真空度＜1 Pa的条件下冷冻干燥48 h。将冻干样粉碎并放置在装有P2O5的真空干燥器中，以防样品进一步吸湿。

1.3.4 吸湿曲线的测定

取一定质量（M0）不同比例的冻干样品，置于干燥至恒重的称量瓶（M1）中，将装有样品的称量瓶敞口放置于盛有不同饱和溶液的干燥器内，温度控制在25 ℃。分别在0、3、6、12、24 h取样称量，然后每隔24 h记录装有样品的称量瓶的质量（M2），直至达到平衡，以样品吸湿率（D，%）作为时间的函数绘制吸湿曲线。

1.3.5 吸湿等温线的绘制

当样品质量变化小于0.0003 g时，认为样品在该温度和相对湿度（Relative Humidity，RH）下达到了平衡状态。根据样品达到平衡时的吸湿率绘制吸湿等温线。常用的吸湿等温线拟合模型如下：

1.3.6 表观形态分析

将达到吸湿平衡的样品置于黑色背景下，用数码相机记录形态差异，从表观上比较样品的分散、粘结程度。

1.3.7 接触角的测定

接触角测量仪用于确定样品的亲疏水性。将直径15 mm、厚度约1 mm的样品压片固定在样品台上，选择座滴法并结合软件仪器拟合液滴的外观轮廓确定样品的接触角。每个样品平行测量6次取平均值。

1.3.8 低场核磁共振（LF-NMR）分析

称取0.26 g样品置于核磁管中并放入探头线圈中心，先用FID序列校准，再用CPMG序列进行扫描获得样品的横向弛豫时间T2。检测设置参数为：质子共振频率SF21 MHz，采样率200 kHz，重复间隔时间TW 3 000 ms，重复扫描次数NS32次，回波时间TE 0.30 ms，回波个数NECH 10 000个。每个样品均进行3次重复试验取平均值。

1.4 数据处理与分析

利用Excel计算处理数据，通过Origin 2018软件绘图。

2 结果与讨论

2.1 谷朊粉对果糖吸湿特性的影响

2.1.1 吸湿曲线

将果糖与谷朊粉比例分别为0:10、2:8、3:7和10:0的冻干粉末在25 ℃，相对湿度43%~75%的环境中放置14 d，所得的吸湿曲线如图1所示。从图中可以看出随着所处环境相对湿度的增加所有样品的平衡吸湿率（EMC）增大。在吸湿初始阶段，各体系中的水分含量急剧增加，随着时间的延长吸湿速度逐渐减小，最终达到吸湿平衡。选取75%相对湿度下的吸湿数据进行分析，果糖与谷朊粉质量比为10:0、2:8、3:7和0:10样品的平衡吸湿率分别为36.33%、16.00%、14.61%和12.39%，谷朊粉的加入对于果糖的吸湿有良好的抑制效果，在其他相对湿度下具有同样趋势。

图1 不同配比果糖-谷朊粉的吸湿曲线Fig.1 Moisture absorption curves of Fru-WG powder with different proportions

2.1.2 表观形态分析

图2展示了不同配比的果糖和谷朊粉在11%~75%相对湿度下的表观形态图片。观察图2a可知冻干样品在低于33%的相对湿度下均可以维持细腻的粉末状态；湿度为 43%时开始聚集；58%时形成容易粉碎的结块；当相对湿度上升至69%时，形成比较大的结块；在75%相对湿度下，形成有粘性的，不易破碎的团块。同时，可以观察到谷朊粉添加量的增加能够明显的改善样品的结块情况，由图2b可知，在高相对湿度下，效果更加显著。

图2 冻干果糖-谷朊粉在不同相对湿度下的表观形态图片Fig.2 Apparent photos of the morphology of Fru-WG at different relative humidity

2.1.3 接触角结果分析

通过接触角的测定，发现在果糖中加入谷朊粉可以增加样品的疏水性。纯果糖的接触角为11.3°而加入谷朊粉后，样品的接触角大于 60°，并且随着谷朊粉添加量的增加样品的接触角达到94.8°，相较于纯的果糖，混合样品的接触角显著增加，疏水性增强。这可能是因为谷朊粉中的疏水性氨基酸增加了整个体系对外界水分的阻隔作用。

图3 不同配比果糖-谷朊粉的接触角Fig.3 Contact angle of Fru-WG with different proportions

2.2 麦醇溶蛋白和麦谷蛋白抑制果糖吸湿性的比较

2.2.1 吸湿曲线

果糖与麦醇溶蛋白和麦谷蛋白配比为 0:10、2:8、3:7的样品在58%、69%和75%相对湿度下的吸湿行为如图4所示。从图4a中可以看出，在3个相对湿度下纯麦谷蛋白的平衡吸湿率（EMC）均低于纯麦醇溶蛋白。在58% RH下，麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的EMC分别为6.30%和6.73%；RH上升至69%时，两者差距增大至0.98%，而在75% RH下，麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的EMC差距缩小为0.72%。当果糖与麦醇溶蛋白、麦谷蛋白的质量比为2:8时，在58%的相对湿度下，添加麦谷蛋白的样品吸湿率低于添加麦醇溶蛋白的样品；当相对湿度为 69%时，吸湿曲线几乎重合，达到吸湿平衡时仅相差0.02%（添加麦谷蛋白的样品略高于添加麦醇溶蛋白的样品）；而当RH上升至75%时，添加麦谷蛋白的样品吸湿率超过添加麦醇溶蛋白的样品，且随着储存时间的延长，差距逐渐减小。当果糖与两种蛋白的比例为3:7时，趋势与只含有蛋白的样品相同，为添加麦谷蛋白的样品平衡含水量低于添加麦醇溶蛋白的样品，并且在69% RH下，两者差距达到最大值0.68%。

图4 果糖和麦醇溶蛋白或麦谷蛋白配比为0:10、2:8、3:7的吸湿曲线Fig.4 Moisture absorption curve of fructose and gliadin or glutenin ratio of 0:10, 2:8 and 3:7

结合以上结果，对于只含有蛋白质和果糖与蛋白比例为3:7的体系，相较于麦醇溶蛋白，麦谷蛋白抑制体系吸湿性效果更佳；而对于果糖与蛋白比例为2:8的样品，在中等相对湿度下，含有麦谷蛋白的体系吸湿性较低，在高相对湿度下，含有麦醇溶蛋白的体系吸湿性更低，但整体差异不大。

2.2.2 吸湿等温线

利用7种经典模型，对25 ℃下7个相对湿度的吸湿数据进行拟合所得到的拟合相关系数（R2）如表1和表2所示。经过分析比较，添加麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的样品，模型拟合效果顺序为 Peleg＞GAB＞BET＞Simth＞Ferro-Fontan＞Henderson＞Oswin。其中Peleg、GAB模型的拟合相关系数均在0.99以上，说明这两种模型较适合用于果糖和蛋白体系的研究。

表1 拟合实验数据的数学模型Table 1 Mathematical model fit for the experimental data

表2 不同比例果糖-麦谷蛋白样品数学模型的拟合相关系数（R2）Table 2 Fitting correlation coefficient s (R2) of mathematical models of Fru-Glu samples withdifferent proportion

由于BET是基于单层水分概念的模型，常用于评价食品稳定性，对于单分子层水分区间的拟合具有重要意义[18]。所以将其和拟合效果较好的Peleg与GAB模型一起进行实测值与预测值的比较，结果如表3~6所示。

表3 不同比例果糖-麦醇溶蛋白样品数学模型的拟合相关系数（R2）Table 3 Fitting correlation coefficient s (R2) of mathematical models of Fru-Gli samples withdifferent proportion

表4 果糖:麦谷蛋白=2:8样品的实测值与预测值比较Table 4 Predicted values compared with measured values of samples of Fru:Glu=2:8

表5 果糖:麦谷蛋白=3:7样品的实测值与预测值比较Table 5 Predicted values compared with measured values of samples of Fru: Glu=3:7

表6 果糖:麦醇溶蛋白=2:8样品的实测值与预测值比较Table 6 Predicted values compared with measured values of samples of Fru: Gli=2:8

表7 果糖:麦醇溶蛋白=3:7样品的实测值与预测值比较Table 7 Predicted values compared with measured values of samples of Fru: Gli=3:7

对表3~6的结果进行计算分析，Peleg、GAB与BET三种模型实测值与预测值的平均相对误差分别为2.20%~5.99%、3.21%~13.08%、3.69%~17.46%。因此，对于果糖-蛋白样品 Peleg模型是最优的吸湿等温线模型。

图5为果糖与两种蛋白在25 ℃下7个相对湿度的吸湿等温线。如图5a和图5b所示，各种比例样品的平衡吸湿率随着水分活度（aw）的增加而增加，吸湿等温线随蛋白添加量的增加而下移，并且随着水分活度的增加。此外，数据显示了富糖食物的典型行为：由于与糖溶解相关的溶质-溶剂相互作用的普遍效应，在低aw范围内平衡水分含量缓慢增加，在中高aw时急剧增加[19]，如富含果糖的蜂蜜、苹果粉[20]、草莓粉[21]均表现出类似的吸湿行为。经过对吸湿曲线斜率计算分析，发现只有纯果糖和果糖与麦谷蛋白比例为3:7的样品斜率值是一直增大的，其他冻干样品的斜率值皆为先减小后增大。根据Brunauer分类[22]，麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的吸湿等温线为典型的“S”型，遵循 II型等温线。纯果糖的吸湿等温线呈“J”型增长，为 III型等温线，符合单糖的吸湿等温线在0.1~0.6aw范围内呈长而平的段，在0.6~0.8aw其含水量快速增加这一结论，关于这一现象Biliaderis等[23]进行过相关报道。果糖与麦谷蛋白质量比为3:7的冻干样品与纯果糖体系的吸湿行为一致，仍为III型等温线，而添加麦醇溶蛋白的样品和果糖与麦谷蛋白比例为2:8的样品皆表现为II型等温线，与只含有蛋白质样品的体系相同。

图5 果糖-麦醇溶蛋白和果糖-麦谷蛋白样品的吸湿等温线Fig.5 Moisture absorption isotherms of Fru-Gli and Fru-Glu samples

分别对含有麦醇溶蛋白和麦谷蛋白样品的平衡吸湿率进行分析，发现在0.11~0.75aw范围内，添加麦醇溶蛋白样品的平衡吸湿率均大于添加麦谷蛋白样品的平衡吸湿率。说明谷朊粉可以抑制果糖的吸湿，麦谷蛋白起主要作用。

2.2.3 表观形态分析

由图6可知，纯麦醇溶蛋白在33%相对湿度下开始出现的小的聚集块，并且相对于纯的麦谷蛋白，麦醇溶蛋白的粉末颗粒较大，当达到75% RH时，样品变成几个较大的聚集块，此时仍然是麦谷蛋白粉末颗粒居多。

图6 果糖-麦醇溶蛋白和果糖-麦谷蛋白质量比为0:10（a）、2:8（b）、3:7（c）在不同相对湿度下的表观图片Fig.6 Apparent photos of the samples with mass ratio of Fru-Gli andFru-Glu of 0:10 (a), 2:8 (b) and 3:7 (c) at different relative humidity

比较果糖与麦醇溶蛋白/麦谷蛋白的质量比为 2:8时，麦醇溶蛋白和麦谷蛋白对果糖吸湿性的影响。发现两个体系均在43% RH时出现较明显的结块现象，在69%相对湿度下，整个样品形成一个团块，但相较于麦醇溶蛋白，麦谷蛋白的结块较为疏松，且剩余的粉末更加细腻。果糖与蛋白比例为3:7时，在22%相对湿度下粉末就出现了轻微的聚集现象，相对湿度上升至69%时，添加麦醇溶蛋白的样品和添加麦谷蛋白的样品均已形成一个较难破碎的团块，特别是含有麦醇溶蛋白的样品，结块坚硬且具有表面光泽，可能是在吸湿过程中果糖发生了结晶。通过以上结论反映出，麦谷蛋白在吸湿后仍然可以较好的维持粉末状态，对于果糖的吸湿结块有明显的抑制效果。

2.2.4 接触角结果分析

果糖与麦醇溶蛋白/麦谷蛋白质量比为0:10、2:8、3:7和10:0样品的接触角结果如图7所示。从图7中可以看出，两种蛋白的添加均可以增强样品的疏水性，这主要可能是因为麦醇溶蛋白和麦谷蛋白中含有较多的疏水性氨基酸，样品极性降低。另外，麦谷蛋白的接触角（88.2°）大于麦醇溶蛋白（64.6°），即麦谷蛋白疏水性更强，这与阚建全等[24]的研究结果一致。果糖-麦谷蛋白与果糖-麦醇溶蛋白体系均表现为随着蛋白含量的增加，接触角增大，疏水性增强，且麦谷蛋白对于样品的吸湿性具有更显著的抑制作用。

图7 不同配比果糖-麦醇溶蛋白和果糖-麦谷蛋白的接触角Fig.7 Contact angle of Fru-Gli and Fru-Glu with different proportions

2.2.5 低场核磁共振（LF-NMR）分析

果糖-麦醇溶蛋白、果糖-麦谷蛋白质量比为0:10、2:8、3:7和10:0的样品在7个相对湿度下达到吸湿平衡的T2弛豫时间分布如图8a~8g所示。T2反演图谱中不同信号峰对应不同类型的水分，峰面积的大小与含水量的多少呈正相关[25]。由图8可知，不同配比样品的T2反演图谱有三个波峰，表明样品内部存在三种状态的水分[26]。参照已有研究粉末的划分方式[27]，三种状态的水分所对应的横向弛豫时间分别为结合水T21（峰顶时间＜10 ms），不易流动水T22（10 ms＜峰顶时间＜100 ms）和自由水T23（峰顶时间＞100 ms）。T2弛豫时间反映水分与物质的结合程度，时间越短，说明结合越紧密，流动性越小。如图8g所示，纯果糖样品在11%~58%相对湿度范围内，T21组分信号强度逐渐增加，直至69% RH，T21组分弛豫信号突然消失，而T22组分信号强度急剧增加，同时其波峰明显右移。这表明随着相对湿度的增加，果糖吸水量增加，并且水分子向更自由的状态迁移，水分子自由度在弛豫时间为176.40 ms时达到了最大值。从图8a、8b中可以看出，只含有麦醇溶蛋白/麦谷蛋白的样品，随着RH增大，水分的变化主要表现为结合水的增加，在75%的相对湿度下结合水信号幅度达到最大值，分别为537.36 (au ms)/g和520.71 (au ms)/g，而不易流动水和自由水没有明显变化，这可能是纯麦醇溶蛋白和麦谷蛋白可以在高相对湿度下保持较好粉末状态的原因。图8c、8d和图8e、8f显示，添加麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的样品，随着蛋白添加量的增加总峰面积减小，即样品吸水量降低。

图8 样品在不同相对湿度下的T2弛豫图Fig.8 T2 relaxation time distribution curves of samples at different relative humidit

为了更好的展示出样品在吸湿过程中发生的水分动态迁移变化，比较了结合水、不易流动水和自由水所对应的信号峰面积（A21、A22、A23）占比，如图9所示。从图9d可以看出，在11%~43% RH范围内纯果糖粉末中A21、A22和A23占比没有发生明显变化。当RH升高到58%时，A21占比升高到82.8%；而当RH继续上升至69%时，A21下降到13.8%，且此时A22占比上升到 84.8%，说明发生了结合水向不易流动水的迁移；在75%RH下，体系内的水分类型已全部为不易流动水，解释了吸湿平衡时果糖完全液化的现象。当果糖与麦醇溶蛋白比例为0:10和2:8时，从11% RH至75% RH，A22和A23占比逐渐减小，A21占比一直增大，这表明体系中的水分不断向结合水方向迁移，有利于维持粉末样品的流动性和分散性；在果糖与麦醇溶蛋白质量比为3:7的样品中，A21占比先减小后增大，A22和A23则相反，说明期间发生了不同状态水分间的渗透、转化。含有麦谷蛋白的样品，在11%~43% RH下A22和A23占比变化较多，主要进行着不易流动水和自由水之间的迁移、转化；RH大于58%后，水分开始向结合水迁移，RH上升至75%时，结合水占比最大。

图9 不同配比的果糖与蛋白样品中结合水、不易流动水、自由水对应峰面积比例的变化Fig.9 Changes of peak area ratio of bound water, immobilized water and free water in Fru-Gli and Fru-Glu samples with different proportions

另外，对不同比例的样品在75% RH下T21组分的峰顶点时间进行了比较。在75% RH下，果糖与麦醇溶蛋白质量比为0:10、2:8、3:7样品的T21峰顶点时间分别为0.98 ms、1.38 ms、2.97 ms，果糖与麦谷蛋白比例为0:10、2:8、3:7样品的T21峰顶点时间依次为0.83 ms、1.17 ms、1.82 ms。分别比较不同样品的T22和T23组分的峰顶点时间得出同样结论，相较于麦醇溶蛋白，添加麦谷蛋白样品的峰顶点弛豫时间更短。由此可见，麦谷蛋白有效减轻了水分向高自由度方向的迁移程度，而麦醇溶蛋白的影响较小。对其他相对湿度下的样品进行分析，具有同样趋势。

3 结论

果糖的平衡吸湿率（EMC）随着谷朊粉添加量的增加而降低，在25 ℃、75%相对湿度时纯果糖的EMC为36.33%，果糖与谷朊粉质量比为3:7和2:8的冻干样品EMC分别降至16.00%和14.61%，在其他相对湿度中具有同样的趋势；随着相对湿度的增大样品的结块程度逐渐增加，并与谷朊粉的添加量成反比；随着谷朊粉比例的增加接触角由 11.3°增大到94.8°，这表明加入谷朊粉可以增强样品对外界水分的抵抗能力。

在果糖:麦谷蛋白/麦醇溶蛋白为3:7的体系中，添加麦谷蛋白的样品平衡含水率低于添加麦醇溶蛋白的样品，当果糖与两种蛋白质质量比为2:8时，两种体系的平衡吸湿率无明显差距，所以在果糖占比较高的体系中，麦谷蛋白的抑湿效果更好；Peleg和GAB模型对于冻干果糖样品具有较好的描述性，其中 Peleg模型拟合程度最高，对于平衡吸湿率的预测更为准确；样品达到吸湿平衡时的宏观图片显示，麦谷蛋白和麦醇溶蛋白均可以降低其吸湿性，但麦谷蛋白效果更突出，这可能与麦谷蛋白具有更强的疏水性有关。另外，麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的加入能够影响样品中水分的状态，降低吸水量，并减少水分向高自由度方向的迁移程度，相较于麦醇溶蛋白，麦谷蛋白对降低水分自由度产生了更有效的影响。