SPI与SPH及其复配产物对面团特性和面条品质的影响机制

,*

(1.河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001; 2.山东凯斯达机械制造有限公司,山东济宁 272000)

小麦是饮食中蛋白质的重要来源,小麦中的面筋蛋白包含不同的组分,其中麦谷蛋白是一种大分子聚合体,赋予面团弹性;麦醇溶蛋白是一种单体蛋白,相对分子质量较小,赋予面团延展性[1-3]。面筋蛋白在面制品加工过程中发生复杂的变化,对面团的性质和最终产品的质量发挥着关键作用,了解小麦蛋白质的行为变化对于了解面团的机械性质和控制最终产品质量至关重要[1,4-6]。

在面团中加入大豆蛋白均衡并丰富小麦蛋白中的氨基酸是常用的强化面制品营养的手段,在提高小麦产品营养价值的同时也为面制品生产提供了新的产品可能性[7-8]。但值得注意的是大豆中存在抗营养因子,例如胰蛋白酶抑制剂、凝集素和大豆抗原等,而通过酶水解方法处理可有效降低其中抗营养成分;酶水解使蛋白质中的肽键断裂,生成小分子的多肽和氨基酸等,蛋白质的溶解度和生物活性物质增加,持水性降低,抗营养因子减少[9-10]。但实验室前期研究发现,添加大豆水解蛋白(soy protein hydrolyzates,SPH)的面粉在面筋特性、粉质特性和面条蒸煮特性等方面都有变差的趋势[11],因此有必要对SPH在面制品中的应用进行改良;已有研究表明,在面制品中加入适当比例的大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)能够起到良好添加效果[12-13],基于此,本实验室前期将SPI和SPH进行复配添加到面粉中,以面条的质构特性和蒸煮品质为目标值,初步优化出SPI-SPH复配的比例及替代面粉量分别为2.2%和2.0%。在此基础上,本文系统地分析了添加SPI、SPI-SPH和SPH后面粉、面团以及面条相关指标的变化,探究大豆蛋白与小麦蛋白的相互作用机制,以期为面制品的品质改良提供一定理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

SPI 山东谷神生物科技集团有限公司;金苑特一粉 郑州金苑面业有限公司;中性蛋白酶Neutrase 0.8 L 诺维信(中国)生物技术有限公司;乙二胺四乙酸(EDTA) 生化试剂,北京索莱宝科技有限公司;氨基乙酸(甘氨酸) 生化试剂,天津科密欧化学试剂有限公司;三羟甲基氨基甲烷(Tris) 分析纯,上海山浦化工有限公司;十二烷基硫酸钠(SDS)、氯化钠、无水乙醇、茚三酮、脲、硫酸铜、硫酸钾、浓硫酸、氢氧化钠等试剂 均为分析纯,天津天力化学试剂有限公司。

TA-XTPlus型物性仪 英国Stable Micro System公司;FOSS KJELTEC 2300全自动凯氏定氮仪 瑞典FossKjeltec公司;Gluten Index面筋指数仪 瑞典Perten公司;RS6000哈克流变仪 德国Thermo Fisher Hake公司。

1.2 SPH的制备以及水解度的测定

参考崔会娟等[14]的方法制备SPH,加酶量1.0%,底物浓度7.57%,酶解温度47.4 ℃,酶解pH6.92,酶解时间15 min,水解结束后90 ℃灭酶15 min,冷却至室温,冷冻干燥,茚三酮比色法测得水解度为4.54%±0.03%。

1.3 混合粉的配制及其指标的测定

1.3.1 混合粉的配制 SPI替代面粉的量为2.2%,SPH替代面粉的量为2.0%,将SPI和SPH与面粉按上述比例混合均匀,备用,此为SPI-SPH面粉;SPI替代面粉的量为4.2%,将SPI和面粉按上述比例混合均匀,备用,此为SPI面粉;SPH替代面粉的量为4.2%,将SPH和面粉按上述比例混合均匀,备用,此为SPH面粉。用WF表示小麦面粉。

1.3.2 面粉面筋特性和粉质特性的测定 分别参考GB/T 5506.2-2008[15]和GB/T 14614-2006[16]进行测定。

1.4 面团的制作及其组分含量的测定

1.4.1 面团的制作 参考孙小红等[17]的方法:称取混合粉100 g,加水32 mL,搅拌5 min,使之呈絮状,25 ℃醒发20 min后,让面絮通过辊间距为2 mm的面条机进行压片、合片,直至成型。以不添加大豆蛋白的原面粉面团为对照。

1.4.2 面团中蛋白质组分含量的测定 参考Mueller等[18]的方法提取不同种类的蛋白质,略有改动:

清蛋白:1 g新鲜面团溶于10 mL蒸馏水中,水浴振荡提取30 min,5000 r/min离心20 min,收集上清液。残渣分别用10 mL蒸馏水如上法洗涤2次,离心,合并上清液。球蛋白:向上述残渣中加入10 mL 10%的氯化钠溶液,提取3次,合并上清液。其中清蛋白和球蛋白合并称为盐溶蛋白。

醇溶蛋白:将球蛋白提取后的残渣中加入10 mL 75%的乙醇,同前方法提取3次,合并上清液。

SDS可溶性麦谷蛋白:将醇溶蛋白提取后的残渣中加入10 mL 1.5%的SDS溶液,同前方法提取3次,上清液中蛋白即为可溶性谷蛋白,沉淀中的蛋白质为麦谷蛋白大聚体(GMP)。

蛋白质的测定采用凯氏定氮方法,具体步骤参考GB/T 5009.5-2016[19]。每种蛋白组分含量以占面团的百分比表示。

1.4.3 面团动态流变学特性的测定 参考Singh等[20]的方法并略有改动,按照1.4.1的方法,面团成型后,再调节压辊间距从3.5～1.0 mm依次压片,最终将面片切成3.5 cm×3.5 cm大小,置于直径30 mm平行板之间,去除多余部分。夹缝距离改为1 mm,频率扫描参数:温度25 ℃,应变0.5%,扫描频率范围0.1～10.0 Hz。

1.4.4 面团中游离巯基和二硫键含量的测定 参考Chan等[21]的方法略有改动。用0.2 mol/L的Tris-Gly缓冲溶液(pH8.0,8 mol/L尿素,1% SDS,3 mmol/L EDTA)配制2 mmol/L的L-半胱氨酸标准溶液,并进行梯度稀释,其浓度分别为0、0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06 mmol/L的标准溶液。分别取4 mL稀释后的标准溶液加入10 mmol/L 5,5′-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)0.1 mL,室温条件下显色20 min,以蒸馏水做空白对照,在412 nm下测定其吸光度值,绘制标准曲线。

取0.5 g新鲜面团溶解于10 mL的0.2 mol/L Tris-Gly缓冲溶液中,4000 r/min离心15 min,收集上清液。取上清液4 mL,加入10 mmol/L的DTNB溶液0.1 mL,显色20 min,在波长412 nm下测定吸光度,通过L-半胱氨酸标准曲线计算得到面团中游离巯基的含量。另取上清液1 mL于4 mL缓冲液中,加入0.1 mLβ-巯基乙醇混匀,25 ℃保温1 h后加入10 mL 12%三氯乙酸溶液混匀,25 ℃再次保温1 h,4500 r/min离心15 min,弃去上清液,分别用5 mL三氯乙酸溶液洗涤沉淀两次,沉淀物中加入10 mL缓冲液,复溶后加入0.1 mL DTNB,显色20 min,412 nm下测定其吸光度,以L-半胱氨酸标准曲线计算得到面团中总巯基含量。

表1 大豆蛋白对面粉面筋特性和粉质特性的影响Table 1 Effect of soy proteins on gluten characteristics and farinographic characteristics of flours

注:“-”表示无面筋检出,每列不同字母表示差异显著(P<0.05),表2、表3同。

二硫键含量(μmol/g面团)计算如下:

式中,SS为二硫键含量;SF为游离巯基含量,μmol/g面团;ST为总巯基含量,μmol/g面团。

1.4.5 面团分子间作用力的测定 通过面团在不同溶剂中溶解性的不同,评价蛋白质分子力,具体参考Liao等[22]的方法略有改动。将300 mg的新鲜面团加入上述溶液中磁力搅拌至面团完全溶解,4000 r/min离心10 min。取上清液2 mL与2 mL 20%的三氯乙酸混合均匀,静置30 min后4000 r/min离心10 min以除去上清液。将沉淀溶解在1 mL的0.5 mol/L NaOH中,加入4 mL的双缩脲试剂,并在540 nm下测吸光度值。用牛血清蛋白做标准曲线[23]。

式中,P为分子间作用力;n为查标曲或按照回归方程计算的蛋白质含量,mg/mL;c为单位体积溶液中湿面团的质量,mg/mL;V1为上清液体积,mL;V2为沉淀复溶后的体积,mL。

1.5 面条的制作及其指标的测定

1.5.1 面条的制作 参考1.4.1中面团的制作方法,面团成型后,再调节压辊间距从3.5～1.0 mm依次压片,之后切成宽度2.0 mm的面条备用;以不添加大豆蛋白的原面粉面条为对照。

1.5.2 面条蒸煮品质的测定 取蒸馏水500 mL煮沸,放入20根长为6 cm的面条,3 min后每隔10 s取出1根,在两块透明玻璃下观察面条白芯刚好消失即为面条最佳蒸煮时间[17]。

取40根长度22 cm的面条称重后置于400 mL沸水中,煮至最佳蒸煮时间捞出,用100 mL蒸馏水冲淋面条30 s,转移至滤纸上吸水晾制5 min后称重,测定面条吸水率;将面汤冷却,定容到500 mL,取100 mL倒入已恒重的烧杯中,水浴锅内蒸发至将近干,然后移至105 ℃烘箱中烘至恒重,计算干物质损失率;另取25 mL面汤用凯氏定氮法测定其蛋白质含量[17]。

面条吸水率(%)=(煮后面条质量-煮前面条质量)/煮前面条质量×100

干物质保留率(%)=(煮前面条中蛋白质质量-面汤中蛋白质质量)/煮前面条中蛋白质质量×100

1.5.3 面条质构特性的测定 参考孙小红等[17]的方法略有改动,按照面条最佳蒸煮时间将面条煮熟,捞出后浸入自来水冷却30 s,沥干水分,进行质构分析。挑选三根外形无损伤的面条,平行且互不接触地放于载物台上,选用HDP/PFS探头,在压缩模式下,测前速度2.0 mm/s,测试速度1.0 mm/s,测后速度1.0 mm/s,压缩应变70%,两次压缩之间的时间间隔为1 s,触发力5 g。

1.6 数据处理

质构测试中每个样品至少重复测定6次,其它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 16.0和Excel进行数据处理和分析,均值的多重比较采用Duncan法,P<0.05。

2 结果与分析

2.1 大豆蛋白对面粉面筋特性和粉质特性的影响

面筋是面团中的淀粉和水溶性成分被洗脱后剩余的一种粘性物质,是由麦谷蛋白和醇溶蛋白通过二硫键连接而成的复合物,与面团的黏弹性有关,在面制品生产过程中起着重要的作用[1]。面筋含量和面筋指数是评价小麦粉质量的重要指标[3]。如表1所示,添加大豆蛋白使面粉面筋特性发生明显变化。添加SPI和SPI-SPH的面粉的湿面筋含量升高,面筋指数降低,而添加SPH的面粉中无面筋洗出,说明无论是SPI还是SPH都使面筋网络弱化。大豆蛋白嵌入面筋原纤维中,降低了面筋网络的连续性[24],在离心力作用下通过筛网的面筋蛋白数量增加;并且SPH对面筋网络的弱化程度要大于SPI,当SPI和SPH复配后,其对面筋网络的弱化作用介于单独添加SPI和SPH之间。添加SPI和SPI-SPH后湿面筋含量增加,该结果与SPI自身具有很强的持水性有关。表1的结果与之前的研究一致,即面筋形成受到SPI[24]和SPH[11]的干扰。

由粉质特性测定结果可知,与原面粉相比,添加SPI和SPI-SPH的面粉吸水率显著增大(P<0.05),这一结果再次说明添加SPI和SPI-SPH后湿面筋含量增加与SPI自身的持水性有关。同时也说明SPI和面筋蛋白之间对水分的竞争非常激烈。Roccia等[24]研究发现,将SPI按一定比例掺入面筋蛋白中,混合物的持水性大大增加,这与本实验结果相似;两种蛋白质对水分的竞争导致面筋水合不完全,面筋结构弱化。三种添加方案中,仅SPI-SPH的面粉粉质特性评价值显著增大(P<0.05),其他混合粉与原面粉相比无显著性差异。添加SPH后面团形成时间显著增大(P<0.05),这与Schmiele等[7]的研究结果一致,Schmiele通过Mixolab对WF和SPH的混合物进行流变学特性实验,发现面团的形成时间增大,稳定时间减小。通常面团形成的时间越长,面团的强度越大。又因为添加SPH的面粉中没有面筋形成,因此面团形成时间的延长不是由面筋强度的增加引起的,可能与SPH的性质有关。一方面,SPH具有很强的亲水性和较弱的持水性,使得SPH先于小麦蛋白质与水结合,面筋蛋白水合过程延长,面团形成时间增加。另一方面,SPH可以改变氢键和疏水性相互作用以及共价键相互作用,面筋网络水合过程受到影响,面筋网络结构弱化,面团稳定时间减小[25]。

2.2 大豆蛋白对面团蛋白组分的影响

根据麦谷蛋白在十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中的溶解度,可将麦谷蛋白进一步分为SDS可溶性麦谷蛋白和麦谷蛋白大聚体(glutenin macropolymer,GMP)。GMP不溶于SDS溶液,是最大的面筋聚合物,通过二硫键高度聚合,对面团性能的贡献最大[1,3,24]。同时,GMP含量与面团弹性[26]和强度[27]相关。图1表示大豆蛋白对面团蛋白组分的影响结果。由图1可知,与原面粉面团相比,面团添加大豆蛋白后，醇溶蛋白含量显著增大(P<0.05),SPI和SPI-SPH面团的麦谷蛋白含量(包括SDS可溶性麦谷蛋白和GMP)也显著增大(P<0.05)。SPI和SPI-SPH面团中GMP含量较原面粉面团分别提高28.7%和24.1%,说明SPI和SPI-SPH均促进了GMP的形成。但Gabriela等[26]在小麦粉中添加3%的SPI后发现SPI不改变面团的GMP含量,造成两者差异的原因可能与SPI添加量以及原料理化性质有关。而添加SPH的面团的GMP含量较原面粉面团降低7.3%,这里与Singh等[20]的结论相驳:GMP含量增加会导致G′和G″增大。该差异可能由面团体系不同引起,Singh等的研究对象是不同品种的小麦粉面团,而本实验是面粉和大豆蛋白的混合粉面团。添加SPH的面团的GMP含量降低的根本原因在于SPH通过二硫键与面筋蛋白结合,此过程中SPH与面筋蛋白竞争形成二硫键,阻碍了面筋蛋白的正常交联,面筋网络结构遭到破坏,无面筋洗出(表1);另一方面,SPH是一种小分子可溶性蛋白,形成蛋白质凝胶网络结构的能力下降[28],提取过程中随盐溶蛋白一起被提取出来,两者都会造成SPH面团的GMP含量降低。

图1 大豆蛋白对面条蛋白组分的影响Fig.1 Effect of soy proteins on protein components in dough 注:不同字母表示表示差异显著(P<0.05)。

2.3 大豆蛋白对面团动态流变学特性的影响

储能模量G′代表样品的弹性和能量储存的性质,损耗模量G″代表样品的黏性和能量消散的性质[29]。由图2可知,面团的G′和G″都表现出频率依赖性,即两个模量随着扫描频率的增大而增大。几种面团的G′和G″的大小顺序为WF

图2 大豆蛋白对面团动态流变学特性的影响Fig.2 Effect of soy proteins on dynamic rheological properties of dough

2.4 大豆蛋白对面团中游离巯基及二硫键含量的影响

通常面筋蛋白中固有的二硫键在面筋形成过程中会被破坏并重新结合,包括一些巯基相互结合形成二硫键和二硫键裂解成巯基[30]。二硫键和游离巯基的数量在一定程度上反映了面团形成期间面筋网络的交联程度,二者的相互转换和面筋网络的结构稳定性有关[30-31]。添加大豆蛋白的面团与原面粉面团相比,游离巯基含量增加但无显著性差异(P>0.05);二硫键含量增加,说明面团中交联结构增加。面筋特性(表1)的实验结果分析得出,大豆蛋白使面筋网络结构弱化,可见大豆蛋白通过二硫键与面筋蛋白结合,降低了面筋网络的连续性[24]。

2.5 大豆蛋白对面条蛋白质分子间作用力的影响

Gabriela等[26]发现,大豆蛋白与小麦蛋白通过共价键和非共价键相互作用,产生了大中型聚合物。为进一步探究大豆蛋白与面筋蛋白

表3 大豆蛋白对面团中蛋白质分子间作用力的影响Table 3 Effect of soy proteins on the intermolecular interactions in dough

表2 大豆蛋白对面团中游离巯基及二硫键含量的影响Table 2 Effect of soy proteins on the content of free sulfhydryl groups and disulfide bonds in dough

在面团中的相互作用,分析了面团中分子间作用力变化,结果见表3。之前有研究证实,大豆和小麦蛋白通过共价键(二硫键)和非共价键(疏水性相互作用、氢键等)相互作用[8],其中疏水性相互作用是维持蛋白质三级结构的主要作用力[32]。Li等[33]将糯米粉经过尿素和SDS等试剂处理后发现其形成的凝胶基质变弱,黏弹性降低,由此说明大豆面团非共价键的变化也是导致面团G′和G″变化的原因之一。本实验中添加大豆蛋白的面团疏水性相互作用减弱,氢键和二硫键作用增强(表3),对面团黏弹性的综合影响表现为大豆面团的黏弹性增大(图2)。加入大豆蛋白后面团的疏水性相互作用减弱,说明蛋白质结构稳定性下降;氢键作用力增强,但与原面粉面团相比无显著性差异;二硫键数量增加,此趋势与2.4中二硫键测定结果一致。总之,加入大豆蛋白后,面团中共价键和非共价键均发生明显变化,大豆蛋白和面筋蛋白通过共价键和非共价键相互作用,共同维持面筋网络结构的稳定性。

2.6 面条的蒸煮品质和质构特性

面条蒸煮品质和质构特性如表4所示。与原面粉面条相比,添加大豆蛋白的面条吸水率显著降低(P<0.05),干物质损失率变化无显著性差异,仅SPH面条的蛋白质保留率与原面粉面条相比显著降低(P<0.05),由93.02%降至87.31%,这与添加SPH的面粉中无面筋洗出(表1)以及SPH面团的盐溶蛋白含量增加(图1)的实验结果相符。面条的质构特性变化表现为SPI面条的硬度增大10.82%,回复性减小8.33%;SPI-SPH和SPH面条的弹性分别减小7.23%和6.02%;其他质构特性指标与原面粉面条相比无显著性差异。面条的品质与面筋有很大的关系,大豆蛋白影响面筋网络结构进而使面条品质发生改变。和SPH面条相比,SPI-SPH面条的蛋白质保留率提高,说明SPI与SPH复配在一定程度上降低了SPH对面筋网络的弱化作用,改善了面条品质。

3 结论

SPI、SPI-SPH和SPH分别按一定比例替代面粉,与WF相比,添加SPI后面粉的湿面筋含量升高,干面筋含量下降,面筋指数降低,粉质特性评价值升高;面团的醇溶蛋白和麦谷蛋白含量增加,粘弹性增大,弹性比例增加。

表4 面条的蒸煮品质和质构特性Table 4 Cooking qualities and texture characteristics of noodles

注:每行不同字母表示差异显著(P<0.05)。

添加SPI-SPH的面粉面筋特性和面团特性变化趋势与添加SPI的面粉一致,但其粉质特性评价值增大;添加SPH的面粉中无面筋洗出,粉质特性评价值升高;面团盐溶蛋白含量显著增加(P<0.05),弹性比例降低。添加大豆蛋白的面团中二硫键含量均增加,疏水相互作用减弱,氢键增强。与原面粉面条相比,SPI面条的硬度增大10.82%,SPI-SPH和SPH面条的弹性分别减小7.23%和6.02%,且添加SPH后面条的蛋白质保留率由93.02%降至87.31%。实验表明,大豆蛋白与面筋蛋白通过二硫键交联以及非共价键相互作用,使面筋网络形成受阻,破坏了面筋网络连续性。并且,SPI和SPH复配在一定程度上减弱了SPH对面筋的弱化作用。此外,大豆蛋白和面筋蛋白都包含着复杂多样的蛋白质种类,接下来有必要进一步探究发生交联反应的蛋白质的种类及结构特征,为面制品生产与改良提供更好的指导。