小麦面筋蛋白-果胶复合物的制备及功能特性研究

冀世敏，张连富

（江南大学 食品学院，江苏 无锡214122）

小麦面筋蛋白（又称谷朊粉），作为一种小麦加工副产品，是一种蛋白质含量高，氨基酸种类齐全，且来源广泛的植物性蛋白[1-2]。小麦面筋蛋白具有应用范围广、价格低廉、经济性好、自然资源丰富等诸多优点，但低的溶解性却限制了其在食品工业中的应用。因此，提高小麦面筋蛋白的溶解性对小麦面筋蛋白的进一步应用具有重大的意义。Kato等[3]通过在小麦面筋蛋白溶液中加入无机盐酸，研究发现利用无机盐酸对小麦面筋蛋白进行脱酰胺改性，虽然能提高一些功能特性，但是容易生成有害物质，对小麦面筋蛋白的结构造成严重破坏。Ribotta等[4]研究发现卡拉胶可与小麦面筋蛋白形成亲水复合物，强化小麦面团的筋力，此外海藻酸钠和果胶能改善面包体积，所有测试的胶体均降低了面包屑的初始坚硬性和咀嚼感。Leon等[5]利用SDS-PAGE和FTIR等手段对小麦面筋蛋白与卡拉胶的复合物进行分析，研究发现这种复合物的功能性质发生变化，且持水性明显提高。张红印等[6]采用乙酸酐对小麦面筋蛋白质进行酰化改性，其溶解度、乳化能力和起泡能力均得到了提高。

果胶作为一种常见的多糖在食品行业具有广泛的应用[7]。余映慧等[8]利用高甲氧基果胶所制成的面制品货架期能大大提高。在果胶的实际应用中，陶民强[9]发现低酯果胶可以减小面包的比容积；而高酯果胶酯化度与面包比容积正相关。现有资料表明，特定多糖能显著提高蛋白的溶解性，国内外学者利用果胶和大豆多糖等多糖对面粉中主要成分小麦面筋蛋白和淀粉的影响已经做了一些研究。所以研究一种高溶解度的小麦面筋蛋白-果胶复合物具有实际应用意义。

本文通过研究小麦面筋蛋白-果胶复合物湿热条件下的最优制备工艺，探讨评价该条件下复合物的持水性、持油性、起泡性与泡沫稳定性，以及乳化性与乳化稳定性等功能性质，为小麦面筋蛋白的改性研究提供相应的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

小麦面筋蛋白：河南雪梨花有限公司；果胶：烟台安德利果胶股份有限公司；大豆油：益海嘉里食品有限公司；氢氧化钠、柠檬酸三钠、盐酸、柠檬酸等分析纯：国药集团化学试剂公司。

1.2 仪器与设备

多功能数显恒温水浴锅：江苏荣华仪器制造有限公司；DELTA320型pH计：梅特勒-托利多仪器上海有限公司；真空冷冻干燥机：德国CHRIST公司；ME204E型电子天平：梅特勒-托利多仪器上海有限公司；EBA20型离心机：德国CHRIST公司。

1.3 实验方法

1.3.1 标准曲线的绘制 吸取一定量的10 mg/mL牛血清蛋白溶液放置在试管中，分别加蒸馏水至1 mL，然后加4 mL双缩脲试剂，充分混匀后室温下放置30 min，然后于540 nm测定其吸光度。以浓度为横坐标，吸光值为纵坐标，绘制标准曲线。

1.3.2 样品溶解度的测定 配制1%的样品溶液，室温静置30 min，在离心机上于3 000 r/min下离心30 min，取上清液1 mL于试管中，再添加4 mL双缩脲试剂，混合均匀，室温下静置30 min，测定540nm波长处的吸光度，将所得数值代入1.3.1节标准曲线中，计算蛋白浓度。同时测定1%的小麦面筋蛋白的溶解度。

1.3.3 小麦面筋蛋白-果胶复合物的制备 参考孙涟漪等[10]的方法，并做适当的修改。精确称取10 g小麦面筋蛋白溶解于100 mL蒸馏水中，称取一定质量的果胶溶解于上述溶液中并调整其pH，500 r/min条件下反应一定时间后，把悬浮液倒入培养皿中，冷冻干燥。最后将冷冻干燥好的复合物粉碎，过100目筛，待用。

1.3.4 小麦面筋蛋白-果胶复合物最佳制备工艺的确定 以复合物的溶解度为评价指标，分别考察果胶添加量、pH、温度、反应时间这4个因素对小麦面筋蛋白-果胶复合物溶解度的影响。

1）果胶添加量的确定。分别配制果胶质量分数为 0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%的反应体系，调整溶液pH至4.5，于45℃，500 r/min条件下搅拌120 min，按照1.3.3节的方法制备小麦面筋蛋白-果胶复合物，并测定所得复合物的溶解度，筛选最佳果胶添加量。

2）pH的确定。将筛选的最佳果胶添加量，分别配制 pH 为 2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0 的反应体系，500 r/min条件下反应120 min，按照1.3.3节的方法制备小麦面筋蛋白-果胶复合物，并测定所得复合物的溶解度，筛选最佳pH。

3）反应温度的确定。以上述最佳果胶添加量和最佳 pH，将反应体系分别于 20、30、40、50、60 和 70℃下反应，搅拌120 min，按照1.3.3节的方法制备小麦面筋蛋白-果胶复合物，并测定所得复合物的溶解度，筛选最佳反应温度。

4）反应时间的确定。以上述最佳果胶添加量和最佳pH，将反应体系置于最佳反应温度下分别反应 15、30、60、90、120、150 和 180 min，按照 1.3.3 节的方法制备小麦面筋蛋白-果胶复合物，并测定所得复合物的溶解度，筛选最佳反应时间。

1.3.5 小麦面筋蛋白-果胶复合物制备工艺的优化为进一步优化小麦面筋蛋白-果胶复合物的制备工艺条件，选取 A：果胶添加量（%）、B：pH、C：温度（℃）、D：反应时间（min）为实验因素，进行 4 因素 3水平的正交实验（表1）。

表1 因素水平表Table 1 Table of factors and levels

1.3.6 小麦面筋蛋白-果胶混合物的制备 将果胶粉末和小麦面筋蛋白粉末按小麦面筋蛋白-果胶复合物最佳质量分数在干燥环境下混匀。以不添加果胶的小麦面筋蛋白为对照样品。

1.3.7 持水性的测定 持水性的测定参照Zhao等[11]的方法，并做适当修改。称取0.10 g（m1）样品置于离心管中并称重（m2）。以1∶20质量比的比例加入蒸馏水，搅拌30 min后于3 000 r/min条件下离心10min，倒去上清液后记录离心管和沉淀物的质量（m3）。根据式（1）计算小麦面筋蛋白的持水性。

1.3.8 持油性的测定 持油性的测定参考Javier等[12]的方法，并进行修改。称取0.50 g（m1）样品置于离心管中并称重（m2）。加5 mL大豆油，用玻璃棒搅均，于2 200 r/min条件下离心25 min，倒去上清液后记录离心管和沉淀物的质量（m3）。根据式（2）计算小麦面筋蛋白的持油性。

1.3.9 起泡性与泡沫稳定性的测定 配制1%的样品溶液100 mL，10 000 r/min剪切2 min，然后立刻将溶液倒入量筒中，并记录泡沫与液体的总体积（V0）。 上述起泡性（FC）的测定参考 Bernardi等[13-14]的方法，并做适当的修改。按式（3）计算FC。

泡沫稳定性（FS）的测定：将上述剪切后的溶液室温静置30 min后，记录泡沫与液体的总体积（V30），按照式（4）计算 FS。

1.3.10 乳化性与乳化稳定性的测定 乳化性的测定：参考赵冬艳等[15-16]的方法，并做适当的修改。配制0.2%的样品溶液20 mL于离心管中，加入20 mL大豆油，10 000 r/min剪切60 s，于1 500 r/min离心300 s后，静置，记录液体总高度（h）和乳化层高度（h1）。按式（5）计算乳化性。

乳化稳定性的测定：将上述离心管置于85℃水浴锅中加热30 min，室温静置20 min后，再次在离心机上用1 500 r/min离心5 min，记录此时的离心管中乳化层高度（h2）及总高度（h3）。 按式（6）计算乳化稳定性。

2 结果与分析

2.1 小麦面筋蛋白-果胶复合物制备条件的确定

2.1.1 果胶添加量对小麦面筋蛋白-果胶复合物溶解度的影响 由图1可知，随着果胶添加量的增加，复合物的溶解度逐步升高，在果胶添加量为1%时，复合物溶解度达到最大，达到9.80 mg/mL，相比未添加果胶的对照样品（溶解度2 mg/mL），溶解度提高了3.7倍。这是由于果胶的加入，使亲水集团增加，从而使复合物稳定；果胶含量大于1%时，复合物的溶解度呈现下降趋势，但基本保持不变，其原因可能是过量果胶使复合物生成反应饱和，从而导致其溶解度出现下降。故果胶的最佳添加量为1%。

图1 果胶添加量对复合物溶解度的影响Fig.1 Effect of pectin addition on the solubility of wheat gluten-pectin complexes

2.1.2 pH对小麦面筋蛋白-果胶复合物溶解度的影响 从图2中看出，随着pH的升高，复合物与对照样品的溶解度均呈先升高后降低趋势。在pH为5时，复合物溶解度达到最大，达到9.81 mg/mL，相比对照样品，提高了38.0%。其原因可能是在强酸的环境下，面筋蛋白的肽键断裂，此时多糖所带电荷也较少，不宜发生静电相互作用，而pH为5左右时，多糖所带的负电荷明显增多，小麦面筋蛋白与多糖发生了静电相互作用。当pH大于5时，溶解度随着pH的升高而降低，分析其原因：小麦面筋蛋白的等电点大约为6～8[17-18]，当pH在等电点附近时，蛋白质分子带电量减少，此时溶解度较小。因此，最佳pH为5.0。

图2 pH对复合物溶解度的影响Fig.2 Effect of pH on the solubility of wheat glutenpectin complexes

2.1.3 温度对小麦面筋蛋白-果胶复合物溶解度的影响 由图3可知，随着反应温度的升高，复合物的溶解度呈先升高后降低趋势，而对照样品的溶解度变化趋势不显著。在50℃时，复合物溶解度达到最大，为10.09 mg/mL。分析其原因可能是温度升高，小麦面筋蛋白分子构象轻微改变，立体结构伸展开来，这样可以使得小麦面筋蛋白和水分之间的相互作用提高，从而使其溶解性升高；但当温度再继续升高会使小麦面筋蛋白的溶解度降低。因此，最佳反应温度为50℃。

2.1.4 反应时间对小麦面筋蛋白-果胶复合物溶解度的影响 由图4可以看出，随着反应时间的增加，复合物的溶解度呈先快速升高再缓慢降低的趋势，而对照样品溶解度变化趋势不显著。在60 min时，溶解度达到最高值9.90 mg/mL。分析其原因：随着反应时间的增加，蛋白质分子的结构会变得疏松，面筋蛋白分子与果胶分子结合得更多，复合物溶解度得到稳定；时间过长，产生大量的热量，使蛋白发生热聚集，反而对复合物的结构产生一定的影响，导致其疏水基团更加暴露造成溶解度下降。故60 min为最佳反应时间。

图3 反应温度对复合物溶解度的影响Fig.3 Effect of temperature on the solubility of wheat gluten-pectin complexes

图4 时间对复合物溶解度的影响Fig.4 Effect of reacting time on the solubility of wheat gluten-pectin complexes

2.2 制备工艺的优化

在单因素实验基础上，通过正交实验，考察了1.3.4节中的各个因素对溶解度的影响，结果分别见表2和表3。

由表2正交实验结果可知，影响小麦面筋蛋白溶解度的因素主次关系为：果胶添加量，pH，温度，反应时间，其中果胶添加量是最重要指标。另外，最佳反应组合为A2B2C3D2，即当果胶添加量为1%，pH 4.5，温度50℃，反应时间60 min时能最大限度地提高小麦面筋蛋白-多糖复合物的溶解度。

由表3方差分析结果可知，果胶添加量、pH和反应温度对小麦面筋蛋白的溶解度影响显著，而反应时间影响不显著。

表2 正交实验设计与结果Table 2 Orthogonal test design and results

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

按上述结果所得的最佳组合方案A2B2C3D2进行验证实验，经3次平行重复实验，求得平均溶解度为10.44 mg/mL，与正交实验结果相符。

2.3 最优制备工艺条件对小麦面筋蛋白-果胶复合物功能性质的影响

2.3.1 溶解度 从图5可以看出，与对照组相比，混合物和复合物的溶解度均显著提高 （p<0.05），分别为6.10和10.23 mg/mL。相比混合物，复合物溶解度增加了67.7%，且二者差异显著。分析其原因：果胶分子中多羟基的亲水基团使得整个复合物的亲水性增加，同时小麦面筋蛋白分子之间的空间位阻增大，从而防止了面筋蛋白分子的聚集，故小麦面筋蛋白溶解度显著提高。

图5 溶解度Fig.5 Solubility

2.3.2 持水性与持油性 从图6可以看出，与对照组相比，混合物和复合物的持水性均显著提高（p<0.05），分别为1.50和2.22。相比混合物，复合物持水性增加了48.1%，且二者差异显著。持水性增加是因为果胶是亲水性分子，加入后使得小麦面筋蛋白组织结构变得疏松，其比表面积增大，从而更易与水结合，显著增大其持水能力。与对照组相比，混合物和复合物持油性有所下降。混合物的持油性为1.80，比对照样品的1.85下降了2.7%，而复合物的持油性则下降到1.20，下降了35.1%。持油性下降是因为复合物使小麦面筋蛋白的可溶性蛋白含量增加，二级结构发生改变，疏水性减小，故持油性下降。

图6 持水性与持油性Fig.6 Water holding capacity and oil-holding capacity

2.3.3 起泡性与泡沫稳定性 从图7中看出，与对照组相比，混合物和复合物起泡性有所下降。混合物的起泡性由原来的150.1%下降到145.0%，下降了5.1%。而复合物起泡性出现了进一步的下降，其起泡性为138.2%。起泡性下降是因为加入果胶使体系的黏度增加，而泡沫结构中薄层液体的排出速度与体系黏度呈负相关，即黏度增加，速度减慢，从而导致起泡性下降。与对照组相比，混合物和复合物泡沫稳定性均显著提高（p<0.05）。混合物的泡沫稳定性由原来的60.1%上升到73.1%，增加了13.0%。而复合物的泡沫稳定性进一步升高最终到达88.2%，比对照样品的泡沫稳定性增加了28.1%，在混合物的基础上又增加了15.1%。这是因为果胶的加入使蛋白质吸附、展开和形成稳定的膜，使界面膜加厚，并且增加了泡沫结构中薄层液体的黏度，从而泡沫稳定性提高。

图7 起泡性与泡沫稳定性Fig.7 Foaming and foaming stability

2.3.4 乳化性与乳化稳定性 从图8中看出，与对照组相比，混合物和复合物乳化性与乳化稳定性均显著提高（p<0.05），混合物的乳化性由8.4%上升到35.8%，是对照样品的4.3倍；而复合物的乳化性达到了61.3%，是对照样品的7.3倍。混合物的乳化稳定性由原来的2.3%上升到15.6%，是对照样品的6.8倍，而复合物的乳化稳定性达到了26.3%，是对照样品的11.4倍。分析其原因是果胶的加入提高了蛋白质的溶解度，使参与乳化作用的分子大大增加，从而提高了小麦面筋蛋白的乳化性与乳化稳定性。

图8 乳化性与乳化稳定性Fig.8 Emulsibility and emulsion stability

3 结语

通过在小麦面筋蛋白溶液中加入果胶，从而制备了一种小麦面筋蛋白-果胶复合物来提高其溶解度，并且对制备工艺进行了优化；另外，还探究了该复合物的一些功能性质，得出如下结论：

1）本实验最佳制备工艺：果胶添加量为1%，pH 4.5，温度50℃，反应时间60 min。在此条下小麦面筋蛋白的溶解度达到10.44 mg/mL。

2)最佳制备工艺条件下所得小麦面筋蛋白-果胶复合物与混合物和对照组相比，乳化性与乳化稳定性、泡沫稳定性、持水性方面均显著提高，而起泡性和持油性显著降低。

3）本实验制得的小麦面筋蛋白-果胶复合物能较好地改善小麦面筋蛋白的溶解度，并且制备工艺简单，条件温和，故其有很大市场应用性。