转谷氨酰胺酶改良青稞粉品质和青稞饼干口感研究

赵 芬，贾丁玮，周 燕，张 雷，李卓然，马 娜，刘新旗

(北京工商大学 北京食品营养与人类健康高精尖创新中心/北京市食品添加剂工程技术研究中心/食品与健康学院，北京 100048)

青稞(Hordeumvulgarevar.coelesteL.)是一种重要的高原谷类作物，具有很强的耐寒性，较短的生长期，产量高，适应性强。青稞营养价值高，具有高蛋白质、高支链淀粉含量、高纤维素含量、高维生素、低脂肪等特点，是谷类作物中的佳品。

近年来，全谷物的健康价值被重新认知[1]，研究表明，增加全谷物食品的摄入可以降低心血管疾病、糖尿病及癌症等慢性疾病的发生风险[2]。全谷物食品在发达国家已经非常普及，挖掘具有中国特色的全谷物资源具有非常重要的意义。随着人们对健康营养食品的追求，以青稞为主原料制作而成的青稞产品受到越来越多的关注，具有广阔的市场开发及应用前景。

由于青稞自身的理化特点，青稞粉很难加工成面团，且食用口感粗糙，严重制约了青稞类食品的发展。研究表明，发酵过程中发生的多种生物化学变化会改变粗粮中糖分、淀粉、蛋白质等物质的结构，从而改善粗粮的营养成分及加工性能[3]。刘晓峰等[4]研究发现发酵可以使谷物的保水力和凝胶体积膨胀率均有所提高，改善其加工性能。且发酵后青稞中的纤维素和植酸含量降低，可以降解为易消化的小分子物质，从而改善青稞产品的口感[5]。转谷氨酰胺酶(transglutaminase，TG酶)是一种可催化酰基转移反应的酶，能促使蛋白质分子内交联、间交联及促使蛋白质与氨基酸间交联。TG酶能催化蛋白质中谷氨酰胺残基γ-酰胺基和赖氨酸ε-氨基间发生酰胺基转移反应，能改变蛋白质溶解性、乳化性、起泡性等功能性质。研究表明，添加TG酶面团在发酵初期膨胀较大，面团硬度较低；面团更富有弹性，面包比容增大，品质更优。同时，TG酶还可代替氧化剂和乳化剂，用以改善面团稳定性，提高产品质量，使面包色泽更白，内部结构更均一[6]。TG酶还可以改良蛋白品质，Renzetti等[7]发现经TG 酶处理，某些谷物如荞麦、花生的蛋白平均分子质量会增加，且会形成高分子质量蛋白质聚合物，通过凝胶色谱电泳发现该酶并未对蛋白质组分呈现特异性。

青稞口感较差较为粗糙的主要原因与其主要化学成分有很大关系。首先，青稞特殊的蛋白结构使其难以形成面筋蛋白从而影响食用口感。研究发现青稞蛋白质中游离巯基、二硫键的含量低，分别为10.12、19.15 μmol/g，从而导致青稞蛋白面筋蛋白含量低，不易形成面筋，影响其加工口感；其次，青稞中直链淀粉和支链淀粉的比例关系限制了青稞的口感[8-9]。青稞中淀粉的平均质量分数为59.25%，其中支链淀粉含量高，一般为74%～78%[10]，直链淀粉含量低。三是青稞中高浓度的β-葡聚糖会延缓青稞淀粉消化[11]。高质量浓度、高分子质量的青稞β-葡聚糖溶液易形成凝胶覆盖在淀粉颗粒表面，阻碍淀粉酶与淀粉颗粒接触，从而抑制淀粉的消化[12]。

蛋白质含量是衡量谷物蛋白质品质的基本指标，它与品种的蛋白质产量、营养品质和加工品质密切相关。谷蛋白溶胀指数(glutenin swelling index，SIG)反映了谷物的蛋白与面筋特性，与面团的形成时间，稳定时间，弱化度等均具有显著的相关性[13]。保水力反映了谷物的存水能力以及直链淀粉与支链淀粉的比例关系[14]。支链淀粉相较直链淀粉抗拉伸力较弱、成形性较差，故而支链淀粉含量过高会使得面粉吸水性差、保水力低、难以形成面团，而发酵对大分子的支链淀粉有一定的降解作用，从而降低支链淀粉的含量，改善直链淀粉与支链淀粉的比例[15]，因此可以通过测定保水力的值来反映发酵对两种淀粉比例的改善。β-葡聚糖是青稞中最重要的一类还原糖[16]，可以通过苯酚硫酸法测定总糖的含量来间接反映青稞中β-葡聚糖的含量[17]。因此选取SIG值、保水力、总糖含量作为TG酶发酵青稞前后的测定指标。

本研究利用TG酶对青稞粉进行半固态发酵，通过单因素实验和正交试验优化发酵工艺，并比较发酵前后青稞饼干的感官改良情况。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

青稞为青海海东市互助县市场采购；乳酸，分析纯，天津福晨化学试剂厂；转谷氨酰胺酶，105U/g，东圣生物科技有限公司；浓硫酸，分析纯，北京化工厂；苯酚，分析纯，西陇科学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

EX623型电子天平，奥豪斯仪器有限公司；HH系列数显恒温水浴锅，金坛市科析仪器有限公司；Carry60 UV- Vis型紫外分光光度计，美国Agilent Technologies公司；WG9200A型恒温干燥风箱，天津市通利信达仪器厂；Allegra X- 15R型离心机，美国Beckman Coulter公司；DFY- 600型高速万能粉碎机，温岭市林大机械有限公司；EOFO945616型漩涡振荡器，美国Talboys公司；T1- L101B型烤箱，美的集团有限公司；CTV1.8 Build31型质构仪，美国Brookfield Engineering公司。

1.3 实验方法

1.3.1青稞半固态发酵的处理

将青稞用粉碎机磨成粉，电子天平分别称取5.00 g青稞粉于250 mL三角瓶中，加入7 mL蒸馏水后121 ℃高压灭菌，冷却至室温加入TG酶后进行半固态发酵。另称取5.00 g青稞粉于250 mL三角瓶中，加入7 mL蒸馏水作为未发酵对照组。半固态发酵后的青稞粉以及未发酵青稞粉分别放在55 ℃的恒温鼓风干燥箱中烘干后粉碎待测。

1.3.2谷蛋白溶胀指数的测定

谷蛋白溶胀指数的测定参考文献[13]，并略做修改。准确称取青稞粉0.20 g，分别放入50 mL已称重的离心管中，加3.5 mL蒸馏水，再加入 0.6 mL体积分数为12%的乳酸水溶液，置于旋涡混合器上震荡混匀5 min，3 000 r/min 离心25 min，弃上清液后称重。离心管中残余物的质量与原样品质量(0.2 g)的比值即为 SIG。每个样品做3次平行实验取平均值。

1.3.3保水力的测定

保水力的测定方法参考文献[18]，并略做修改。准确称取青稞粉0.20 g，分别置于10.0 mL已称重的离心管中，加入5.0 mL蒸馏水，置于旋涡混合器上震荡水化20 min，再于2 500 r/min离心20 min，将上清液倒掉后称重，保水力即为单位质量样品所能吸附的水量。每个样品做3次平行实验取平均值。

1.3.4青稞粉中总糖含量的测定

1.3.4.1 标准曲线的绘制

标准曲线的绘制方法参考文献[19]。准确称取标准葡萄糖10 mg于100 mL容量瓶中，加水至刻度，充分溶解后即为葡萄糖标准液。分别吸取葡萄糖标准液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL，各以蒸馏水补至2.0 mL，然后加入 质量分数为6%的苯酚水溶液1.0 mL及浓硫酸5.0 mL，摇匀冷却，室温放置20 min后于490 nm测定吸光度，以标准液浓度为横坐标，为吸光度为纵坐标绘制葡萄糖标准曲线并得到回归方程y=11.167x+0.173 6，相关系数R2=0.998。

1.3.4.2 总糖的测定

青稞粉中总糖含量的测定采用苯酚硫酸法[19]，准确称量0.5 g青稞粉，加入浓度为1 mol/L的稀硫酸50 mL于试管中，在水浴锅中沸水浴加热水解20 min，取青稞粉水解液1 mL稀释100倍，取2 mL于试管中，然后加入 质量分数为6%的苯酚水溶液0.5 mL及浓硫酸2.5 mL，摇匀冷却，室温放置20 min后于490 nm测定吸光度，分别以发酵时间，发酵温度以及酶处理浓度为横坐标，以每毫升水解液中总糖含量为纵坐标，每组设3次平行实验。

1.3.5青稞粉发酵条件的选取

1.3.5.1 TG酶添加量的单因素实验

按照酶处理时间5 h、酶处理温度25 ℃进行半固态发酵，考察TG酶的质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%时分别对SIG值、保水力和总糖含量的影响，每组设3次重复实验，综合单因素结果选出较佳TG酶添加量。

1.3.5.2 酶处理时间的单因素实验

按照TG酶的质量分数为0.4%、酶处理温度为25 ℃，考察酶处理时间为1、3、5、7、9 h时分别对SIG值、保水力和总糖含量的影响。每组设3次重复实验，综合单因素结果选出较佳酶处理时间。

1.3.5.3 酶处理温度的单因素实验

TG酶的反应温度范围为5～65 ℃。按照TG酶的质量分数0.4%、酶处理时间为5 h，考察酶处理温度为25、35、45、55、65 ℃时分别对SIG值、保水力和总糖含量的影响。每组设3次重复实验，综合单因素结果选出较佳酶处理温度。

1.3.5.4 影响因素的正交试验

根据单因素实验的结果，以半固态发酵过程中的TG酶添加量、酶处理温度和酶处理时间为关键工艺参数设计3因素3水平正交实验，以SIG值、保水力及总糖含量为综合指标共设计27组实验优化半固态发酵工艺，每组实验重复3次。

1.3.6青稞饼干的制作方法

青稞饼干的制作方法参考文献方法[20]，并做适当修改。具体工艺为按照青稞粉与小麦粉质量比为5∶1称取80 g青稞粉和16 g小麦粉[21]，另称取28 g水、25 g起酥油、23 g绵白糖、1 g泡打粉、1.6 g小苏打、10 g鸡蛋进行面团调制、挤压，冷冻15 min后手工压模成形，饼干长宽高为50 mm×35 mm×5 mm，随后摆盘，200 ℃焙烤10 min，冷却后即可食用。

1.3.7青稞饼干的质构测定

采用质构仪对饼干的硬度[22]，咀嚼性进行分析。选取TA3/100探头，负载值5.0 g，测试目标距离2.0 mm，测试速度为1.00 m/s，每份材料测试10块饼干并取平均值。

1.3.8青稞饼干的感官评价

由经过专门培训的20名专业人员对饼干成品进行感官评价，按比例计算各项分值，取总分的平均值为饼干感官得分。

2 结果与分析

2.1 发酵条件对青稞粉SIG值、保水力及总糖含量的影响

对TG 酶添加量、酶处理时间和酶处理温度进行研究，综合考察青稞粉SIG、保水力及总糖含量。

2.1.1TG酶添加量的影响

TG酶添加量对青稞粉品质的影响见图1。

图1 TG酶添加量对青稞粉品质的影响Fig.1 Influence of TG enzyme addition on quality of highland barley flour

由图1(a)可知，随着酶添加量的增加，半固态发酵青稞粉的SIG呈先平缓上升后下降的趋势，并且在酶添加量为0.3%处出现最大值；未发酵青稞粉的SIG指数保持不变。由图1(b)可知，半固态发酵青稞粉的保水力呈先上升后下降的趋势，并且在酶添加量为0.3%处出现最大值；未发酵青稞粉的SIG保持不变。由图1(c)可知，半固态发酵青稞粉的总糖含量一开始随着酶添加量的增加呈现升高的趋势，在酶添加量为0.3%时有所下降。研究表明，TG酶的催化作用可以改变蛋白质的构象，从而改变蛋白质的功能性质，引起了更多糖类向非糖物质的转化，随后总糖含量继续升高[15]。当酶添加量超过0.4%时，总糖含量开始缓慢降低，可能是因为酶浓度过高而产生了竞争抑制效应；未发酵青稞粉的总糖含量保持不变。综合SIG、保水力及总糖含量，最终确定较佳酶添加量为0.3%。

2.1.2TG酶处理时间的影响

TG酶处理时间对青稞粉品质的影响见图2。由图2(a)可知，随着酶处理时间的延长，半固态发酵青稞粉的SIG指数呈先上升后下降的趋势，并且在5 h处出现最大值；未发酵青稞粉的SIG保持不变。由图2(b)可知，半固态发酵青稞粉的保水力呈先上升后下降的趋势，上升和下降的趋势都较为平缓，并且在5 h处出现最大值；未发酵青稞粉的保水力保持不变。由图2(c)可知，半固态发酵青稞粉的总糖含量先降低，这是因为部分糖类会被酶初步分解为其他中间物质；随后总糖含量升高，是因为酶处理时间的增加使得分解产生的还原性糖类的含量增加[16]；时间超过7 h后，青稞粉的总糖含量降低，相关糖类继续分解可能产生其他物质；未发酵青稞粉的总糖含量保持不变。综合SIG、保水力及总糖含量，最终确定较佳酶处理时间为5 h。

图2 TG酶处理时间对青稞粉品质的影响Fig.2 Influence of TG enzyme treatment time on quality of highland barley flour

2.1.3TG酶处理温度的影响

TG酶处理温度对青稞粉品质的影响见图3。

由图3(a)可知，随着TG酶处理温度的增加，

图3 TG酶处理温度对青稞粉品质的影响Fig.3 Influence of TG enzyme treatment temperature on quality of highland barley flour

半固态发酵青稞粉的SIG呈先上升后下降的趋势，并且在35 ℃处出现最大值；未发酵青稞粉的SIG保持不变。由图3(b)可知，半固态发酵青稞粉的保水力呈先上升后下降的趋势，并且在35 ℃处出现最大值；未发酵青稞粉的保水力保持不变。由图3(c)可知，半固态发酵青稞粉的总糖含量先降低，这是因为部分糖类会被TG酶初步分解为其他中间物质，且越接近最适温度，酶的分解效率越高；随后总糖含量升高，是因为温度过高使得分解效率降低；温度超过55 ℃后，半固态发酵青稞粉的总糖含量急剧降低，温度达到65 ℃时，酶已基本失活，此时半固态发酵青稞粉的总糖含量接近对照组，由此可以确定出酶的有效作用范围；未发酵青稞粉的总糖含量保持不变。综合SIG、保水力以及总糖含量，酶的较佳作用温度在35 ℃附近。

综合单因素实验的分析，TG酶发酵对青稞粉的SIG、保水力以及总糖含量均有一定改善作用，受酶添加量，酶处理时间，温度影响显著，反映了TG酶对蛋白质的交联改性作用的影响。

2.1.4影响因素的正交试验结果分析

根据单因素实验结果，选取酶添加量，酶处理时间，酶处理温度为考察因素，进行正交试验，并以SIG、保水力、总糖含量为评价指标，优选转谷氨酰胺酶发酵青稞粉的较佳条件。转谷氨酰胺酶主要改良蛋白品质面筋特性以及直链淀粉与支链淀粉比例的关系，故正交实验更加侧重SIG与保水力的考察指标。通过正交实验可知，以SIG为考察指标，影响力由大到小依次为：酶处理时间、温度、酶添加量，较佳条件为25 ℃，5 h，0.3%；以保水力为考察指标，影响力由大到小依次为：酶处理时间、酶添加量、温度，较佳条件为 25 ℃，5 h，0.3%；以总糖为考察指标，影响力由大到小依次为：酶处理时间、温度、酶添加量，较佳条件为 25 ℃，7 h，0.4%。

最终确定，正交试验的较佳工艺条件为25 ℃，5 h，0.3%。

2.2 青稞饼干质构特性分析

对未发酵与在25 ℃，5 h，0.3%加酶量的条件下发酵后青稞粉制成的饼干进行质构测定，见图4。

图4 发酵对青稞饼干质构的影响Fig.4 Influence of fermentation on texture of highland barley biscuit

由图4可知，发酵后的青稞饼干硬度为4.87 N，未发酵的青稞饼干硬度为1.16 N，具有显著性差异(P<0.01)；发酵后的青稞饼干咀嚼性为4.448×10-3J，未发酵的青稞饼干咀嚼性为6.86×10-4J ，具有显著性差异(P<0.01)。在一定范围内，硬度越大，饼干酥脆性越好。咀嚼性越大，饼干总体口感越好。因此，发酵后的青稞饼干各项指标均优于未发酵的青稞饼干。

2.3 感官评价结果分析

对未发酵与在25 ℃，5 h，0.3%加酶量的条件下发酵后青稞粉制成的饼干进行感官评价，感官评价记分表与评价结果分别见表1和表2。

表1 青稞饼干感官评价标准Tab.1 Sensory evaluation standard of highland barley biscuit 分

表2 青稞饼干感官评价得分Tab.2 Sensory evaluation score for highland barley biscuit 分

经过感官评价后，采用最优工艺进行半固态发酵后的青稞粉制作的饼干各项得分均高于未发酵组；未发酵过的饼干疏松多孔，粗糙，发酵之后的饼干更加致密，口感更好，香气更浓郁宜人。在“甜度”“气味”“组织”“酥脆度”“外观”等方面的得分均高于未发酵组，说明TG酶发酵有助于青稞粉形成面筋，且可以改善青稞饼干粗糙的口感。

3 结 论

通过单因素试验与正交试验，发现TG酶发酵可以提高青稞粉的SIG、保水力、总糖含量，综合这3

个考察指标确定较优半固态发酵青稞粉工艺为酶发酵温度25 ℃，酶发酵时间5 h，酶质量分数0.4%。与文献报道对其他麦类品质改良的最适温度范围吻合[15,18]。在此最优工艺下发酵出的青稞粉制成的饼干明显优于未发酵青稞粉，饼干更加致密，甜度更加均匀，其感官评价得分为90.37分，较未发酵的青稞粉有大幅提高。实验结果表明：TG酶半固态发酵有助于提高青稞形成面筋的能力，改善青稞粉中支链淀粉和直链淀粉的比例，且可以改良青稞饼干口感粗糙的问题。

研究为以青稞为主原料的青稞食品的开发提供了理论基础，但还需对发酵的作用机理追踪分析，对发酵后青稞粉的理化性质以及内部结构进行更深层次的观察探究。