超声处理对脱酰胺改性后的小麦面筋蛋白功能特性的影响

周非白，廖 兰，赵谋明*

(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640)

超声处理对脱酰胺改性后的小麦面筋蛋白功能特性的影响

周非白，廖 兰，赵谋明*

(华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 510640)

以经琥珀酸脱酰胺改性、透析处理后的小麦面筋蛋白为原料，研究超声处理提高小麦面筋蛋白氮溶指数的最佳条件。在单因素试验基础上，选取超声功率、处理时间以及温度为自变量，以氮溶指数为响应值，利用响应面分析方法，模拟得到二次多项式回归方程的预测模型。结果确定超声提高小麦面筋蛋白氮溶指数的最佳条件为超声功率100W、超声时间10min、超声温度44℃。在此条件下，小麦面筋蛋白的氮溶指数达到77.28%。超声处理后样品的起泡性提高约11%，泡沫稳定性提高20%，其乳化性及稳定性均有显著改善。

小麦面筋蛋白；脱酰胺改性；超声；响应面分析；功能特性

小麦面筋蛋白是小麦淀粉生产过程中的副产品，是一种大宗的植物蛋白资源，在价格及食品安全等方面具有无可比拟的优势[1-2]，但其由于疏水性氨基酸含量多，分子内疏水作用区域较大，溶解性差而不能广泛应用到食品工业[3]。针对小麦面筋蛋白分子中含有大量酰氨基[天冬酰胺(Asn)和谷氨酰胺(Gln)][4]，本实验室采用弱有机酸脱酰胺改性方法[5]，将酰氨基转变为羧基[6-7]，减弱蛋白质分子在溶液中形成氢键的能力，增大了其溶解性[8]，但此脱酰胺改性过程会引入盐离子。在实验室研究范围或者工业化大生产中经常通过透析手段对样品进行脱盐处理，但是样品经透析处理后分子发生一定程度的聚集而使蛋白溶解性降低，部分功能特性变差。超声波是一种高频的机械振荡，其频率为2×104～1× 109Hz[9]，其在液体中能产生空化作用。超声空化是指在超声场中，液体中的微小气泡随声压变化而产生强烈振荡、膨胀及崩溃的一系列动力学过程[10]。空化作用对大分子即可产生机械性断键作用[9]。

本实验旨在通过超声处理脱酰胺改性后经透析处理的小麦面筋蛋白，通过响应面模型以氮溶指数为响应值探索小麦面筋蛋白的最佳改性条件，并比较超声处理改性小麦面筋蛋白前后功能特性的变化，为进一步提高脱酰胺小麦面筋蛋白的功能特性提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦粉(济南17高筋小麦粉) 广州番禺富得加食品有限公司；透析袋(截留分子质量14000D ± 2000D) 上海源聚生物科技有限公司；丁二酸(分析纯) 广州市东红化工厂；牛血清蛋白(生化试剂) 广州健阳生物试剂公司。

1.2 仪器与设备

THZ-82A型恒温振荡器 常州澳华仪器有限公司；GL-21M型高速离心机 长沙湘仪离心仪器有效公司；ALPHA1-4/2-4型冷冻干燥机 德国Chris公司；GT7C2A型立式杀菌锅 温州市安福防腐机械厂；pHS-3E型pH计 北京雷磁仪器公司；KQ5200型超声清洗器 东莞市科桥超声波仪器有限公司；Mastersize 2000型激光衍射粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 脱酰胺小麦面筋蛋白的制备[11]

准确称取质量分数0.6%琥珀酸溶于质量分数10%的小麦面筋蛋白悬浮液，32℃水化过夜，得到的样品悬浮液于121℃杀菌锅中湿热处理10min，冰水浴中冷却后离心得到上清液(离心条件为4℃、9500r/min，10min)。将上述上清液装入透析袋，以样品∶去离子水＝100∶1(g/L)的比例置于塑料桶，于4℃环境透析24～48h，每8h换去离子水。之后将样品从透析袋中倒出，于4℃保存作为欲超声处理的样品。

1.3.2 氮溶指数(nitrogen solubility index，NSI)的测定[12]

得到的脱酰胺小麦面筋蛋白悬浮液，用双缩脲法测定上清液中可溶蛋白含量，凯氏定氮法测定悬浮液中总氮含量。NSI表示为上清液改性小麦面筋蛋白占样品中总蛋白含量的分数。

1.3.3 响应面数学模型模拟分析最优超声条件

表1 响应面分析试验的因素与水平Table 1 Factors and their coded levels in response surface analysis

在单因素试验基础上，以超声功率、超声时间和超声时超声场温度3个因素为自变量，以NSI为响应值，采用Design Expert 7.0软件设计响应面试验方案，确定最佳超声条件的因素和水平，建立数学回归模型，对工艺参数进行最优化分析，同时反映不同因素间的交互影响。因素水平设计见表1。

1.3.4 起泡性及泡沫稳定性的测定[13]

质量分数1%的蛋白溶液在高速分散均质机(20000r/min)均匀搅拌1min。蛋白质起泡性为搅拌过程中蛋白质悬浮液增加的体积分数，泡沫稳定性为静置10min后泡沫保留的分数。

1.3.5 乳化性及乳化稳定性的测定

利用高压均质后，蛋白与油结合的粒径大小和显微镜观察的油水状况表征乳化能力的强弱，利用静置乳析率来表征乳化稳定性的强弱。样品蛋白质量分数2%、油水比2∶8、均质压力为30MPa。

粒径测试条件：样品用激光衍射粒度分析仪进行分析，可得到其粒度分布图。D[3,2]和D[4,3]为重复3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 响应面优化超声工艺

2.1.1 响应面分析方案及结果

如表2所示，响应面试验设计20个试验点，6个中心试点。通过响应面软件Design-Expert 7.0的分析结果见表3、4。

表2 响应面分析试验设计及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表3 回归方程的方差分析表Table 3 Variance analysis for the fitted regression equation for NSI

表4 模型分析表Table 4 Analysis for the fitted regression equation for NSI

以氮溶指数为响应值，经回归拟合后，各因素对响应值的影响可用下面回归方程表示：

NSI＝75.52＋0.18A-0.19B＋0.41C＋0.15AB-0.34AC＋0.50BC-0.92A2-1.01B2-0.80C2

通过方差分析可以得到如下结论：R2=0.96，表明失拟项不显著(P=0.3343＞0.1000)，说明回归方程的拟合程度较好，模型显著。回归模型的F检验显著，说明所拟合的二次回归方程合适，各因素对NSI的影响大小顺序为超声温度＞超声时间＞超声功率。

2.1.2 交互作用分析

超声时间与超声温度的交互作用如图1a所示，较低温度处理下，NSI随着时间的延长先增加后减少，9min出现拐点；随着超声温度的升高，NSI随时间主要呈上升趋势，10min后略有下降。当超声时间为9min时，响应值在40～45℃都较高。

超声功率与超声温度的交互作用如图1b所示，当小功率(80W)、低温度(30℃)处理时，样品NSI出现最低值。随着功率、温度的增加，NSI呈上升趋势并在超声功率100W、超声温度40℃分别出现拐点，之后随功率及温度的升高呈下降趋势。

超声波的空化作用使小麦面筋蛋白的分子结构变得疏松，与水结合能力增强，NSI得到提高。此外，超声波还有机械剪切和热作用[14]。机械剪切作用使疏水性多肽部分展开朝向脂质，极性部分朝向水相，同时超声处理时一定的热作用使分子立体结构更伸展，均有利于小麦面筋蛋白分子和水分子的运动及其相互作用以提高样品的NSI。但当超声强度和超声温度超过一定范围后，蛋白变性严重，肽键特定结构被破坏，原来在分子内部的一些非极性基团暴露到分子表面，使蛋白质的溶解度降低。

图1 超声时间与超声温度(a)、超声功率与超声温度(b)交互作用响应面图Fig.1 Response surface plots showing the interactive effects between ultrasonic treatment time and ultrasonic field temperature (a) and between ultrasonic power and ultrasonic field temperature (b) on NSI

2.1.3 最佳条件的确定及验证

对回归方程取一阶偏导等于零，得方程组：

解方程组，得最佳值为A＝0.6704、B＝0.8602、C＝3.7550，即超声促进小麦面筋蛋白NSI的的最佳条件为超声功率100.6704W、超声时间9.8602min、超声场温度43.7550℃，在此条件下，NSI的理论值可达75.5212%。

为了检验RSM分析的可靠性，采用上述最优工艺条件进行超声验证实验，同时考虑实际操作的便利，将超声的最佳条件修正为超声功率1 0 0 W、超声时间10min、超声温度44℃，重复实验3次，结果预测值75.52%、测定值(77.28±0.06)%。

2.2 改性前后功能特性比较

2.2.1 起泡性及泡沫稳定性

表5 超声处理前后样品的起泡性及泡沫稳定性Table 5 Foaming capacity and foam stability before and after ultrasonic treatment

由表5可知，超声处理透析后的样品使样品的起泡性提高了约11%。超声使透析后的小麦面筋蛋白在水中的溶解度逐渐增大，参与起泡作用的蛋白质分子数目也在逐渐增多。另外，随着亲水基团的引入，增加了蛋白质的表面活性，降低了溶液气液界面间的表面张力，使得小麦面筋蛋白的起泡性逐渐增大。另一方面，样品的泡沫稳定性提高了20%。超声使透析后聚集的面筋蛋白结构较原来变得松散，亲水亲油基暴露较多，泡沫容易形成，分子易于在液膜上定向，因此泡沫稳定性也提高。

2.2.2 乳化性及乳化稳定性

乳液中粒度分布是影响乳状液稳定性的关键因素，也是评价样品乳化性的重要指标[15]。均质把油滴打散，如果没有乳化剂的存在，小油滴马上就会聚集，这时蛋白质马上吸附到油滴表面降低其表面张力，抑制油滴发生聚合等不稳定现象，乳化性越好吸附的速度就越快效果就越好，油滴粒径就小，反之就大，因此可以通过油滴粒径的大小来确定各种产物的乳化活性。图2是超声处理前后小麦面筋蛋白的高压均质粒径分布图，表6是该组小麦面筋蛋白样品的高压均质D[3,2]和D[4,3]。

图2 超声处理前后小麦面筋蛋白的高压均质粒径分布Fig.2 Particle size distribution of deaminated wheat gluten before and after ultrasonic treatment

表6 小麦面筋蛋白样品的高压均质D[3,2]和D[4,3]的变化Table 6 Changes in D[3,2]and D[4,3] of deaminated wheat gluten before and after ultrasonic treatment

图3 超声处理前后小麦面筋蛋白乳状液均质后的显微镜照片(×40)Fig.3 Micrographs of deaminated wheat gluten emulsion before and after ultrasonic treatment (×40)

由图3可知，超声前的样品因为透析作用，蛋白发生聚集，疏水基团暴露减少，不能较好吸附到油滴表面导致油滴相互结合，粒径较大；超声作用使蛋白质分子的结构变得疏松，疏水性多肽部分暴露，有效吸附表面积增大，可抑制油滴发生聚合等不稳定现象，故样品粒径较小，此与粒度分布所得到的结果相吻合。

均质后，把一定量乳浊液倒进试管，并加入叠氮钠防腐，一段时间后(0、5、10d及15d)观察乳浊液是否分层，可以从宏观上测定其乳化稳定性。图4分别是样品均质后当天，第5、10天及15天的情况。

图4 乳化后的样品随时间的变化情况Fig.4 Appearance of deaminated wheat gluten emulsion on the first day (a), the fifth day (b), the tenth day (c) and the fifteenth day (d) of storage

由图4可知，透析后的样品在均质后第5天(图4b)发生了分层现象，而经过超声处理的样品第10天后分层(图4c)，说明小麦蛋白乳化稳定性得到提高。其原因可能是透析过程有分子聚集现象导致溶解度下降，一些疏水基团又被包埋，导致蛋白对油脂的包裹能力下降，吸附在油脂表面的能力也下降，因而导致在较短的时间里就出现絮凝、聚集和聚结等不稳定现象。而超声暴露了疏水基团，提高了蛋白质的亲油性，有利于蛋白质在乳化过程中更好地在油/水界面重排定位，一定程度上提高了小麦面筋蛋白的乳化性。

3 结 论

本研究在单因素试验的基础上，通过响应面分析得到了超声处理提高小麦面筋蛋白氮溶指数的工艺条件：超声功率100W、超声时间10min、超声温度44℃，此条件下的氮溶指数为77.28%。在此工艺条件下，样品的起泡性提高约11%，泡沫稳定性提高了20%。其乳化活性与稳定性较超声前亦均有提高，为今后开展进一步的研究工作提供基础。

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Effect of Ultrasonic Treatment on Functional Properties of Deaminated Wheat Gluten

ZHOU Fei-bai，LIAO Lan，ZHAO Mou-ming*
(College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Dialyzed deaminated wheat gluten was subjected to ultrasonic treatment under varying conditions of ultrasonic power, treatment time and ultrasonic field temperature with the aim of studying the effect of ultrasonic treatment on functional properties of deamidated wheat gluten. The optimal conditions of ultrasonic power, treatment time and ultrasonic field temperature for maximizing nitrogen soluble index (NSI) were determined by response surface methodology to be 100 W, 10 min and 44 ℃, respectively. Under the optimal conditions, the NSI was up to 77.28%. The foaming capacity and foam stability of deaminated wheat gluten were increased by 11% and 20% respectively after ultrasonic treatment. In addition, ultrasonic treatment could also improve the emulsifying capacity and emulsion stability of deaminated wheat gluten.

wheat gluten；deamidation；sonication；response surface analysis；functional properties

TQ464.7

A

1002-6630(2011)16-0157-05

2010-11-05

国家自然科学基金青年基金项目(20806030)；广东省高等学校高层次人才项目(粤教师函[2010]79号)

周非白(1988—)，女，硕士研究生，研究方向为食品生物技术。E-mail：rainbozfb@126.com

*通信作者：赵谋明(1964—)，男，教授，博士，研究方向为食品生物技术。E-mail：femmzhao@scut.edu.cn