小麦蛋白质研究与开发现状*

吕一鸣，田潇凌，王晓曦，马 森

（河南工业大学粮油食品学院，郑州 450001）

小麦(Triticum aestivum L.)是世界范围内重要的主粮作物，是30%人口的食物来源，小麦中含有8%～20%的蛋白质，主要存在于小麦胚乳中 （70%～75%），少量存在于小麦皮层（19%）和麦胚中（8%）[1]。根据溶解性的不同可以将小麦蛋白分成四种，分别是清蛋白（溶于水）、球蛋白（仅溶于盐溶液）、麦醇溶蛋白（溶于70%～90%乙醇）以及麦谷蛋白（溶于稀酸和稀碱溶液）[1]。小麦蛋白以生物学功能分类，可以分为贮藏蛋白质和代谢蛋白质，贮藏蛋白质主要是指面筋蛋白约占小麦籽粒总蛋白的80%，主要包括麦醇溶蛋白和麦谷蛋白，面筋蛋白的含量会影响小麦粉的品质和加工用途，面筋蛋白具有水化性质，可以吸水膨胀但不溶于水，有着较好的亲油性和乳化性；在面筋或面团的形成过程中，麦谷蛋白形成连续的网状蛋白基质，麦醇溶蛋白则填充在蛋白基质中，两者共同作用，使得面筋蛋白具有黏弹性[2]。代谢蛋白质包括各种酶、调控蛋白和转运蛋白，α-淀粉酶、蛋白酶抑制因子、调控酶等清蛋白可以调节小麦籽粒的生长，还可以作为发芽胚的营养物质，清蛋白和球蛋白的氨基酸组成更加平衡，赖氨酸、色氨酸及蛋氨酸含量相对较高；小麦的清蛋白与球蛋白的功能性质相似，具有很好的乳化性、起泡性、泡沫稳定性，小麦球蛋白和大豆球蛋白性质相似，有着较好的乳化稳定性[1]。然而目前关于小麦蛋白的应用更多的是局限于面制品方面，形式单一。因此，本文通过对小麦蛋白质的提取、改性和应用进行综述，旨在为充分利用小麦蛋白质资源、提高小麦的附加值、扩大其应用范围提供理论指导。

1 小麦蛋白质的提取

小麦中总蛋白质的提取需要首先将原料粉碎，再加入碱液溶解蛋白质，通过离心除去不溶性物质(例如淀粉和不可溶性纤维)，然后将溶液pH调节至小麦蛋白质的等电点使蛋白质沉淀，洗涤沉淀物后并再次离心除去其中可溶性物质(糖、可溶性纤维)，将沉淀物水洗并干燥后，即得到浓缩的小麦蛋白[3]。而对于小麦中清蛋白、球蛋白、麦醇溶蛋白以及麦谷蛋白的提取，主要是利用各个蛋白质在不同溶液中溶解性的差异依次分级提取，但是用这种方法获得的蛋白组分具有广泛的异质性，组分之间存在重叠的现象，在分离蛋白质的过程中还容易受到非蛋白组分的干扰[1]。

面筋蛋白通常被加工成谷朊粉后用来提高面包、馒头、面条等面制品的品质。提取面筋蛋白的第一步就是将淀粉和面筋分离，分离方法主要有马丁法、高速离心分离法、旋流法和三相卧螺工艺等。马丁法是传统面筋提取方法，用水冲洗生面团，将其中的淀粉与水溶性蛋白质洗出，剩下的即为面筋蛋白；高速离心分离法是将小麦粉和水混合匀质后形成面浆，然后再高速离心使淀粉、可溶性蛋白与面筋蛋白分离；三相卧螺工艺是规模化生产小面筋蛋白的首选方法，小麦粉与水充分混合后，不同组分间吸水率相差较大，吸水后出现密度差，从而在离心时将物料分为A淀粉相、B淀粉和面筋相、戊聚糖相，然后再用分离筛将B淀粉与面筋分离[4-5]。还可以将乙醇溶液调至酸性后作为面筋蛋白的提取液，小麦粉与提取液混合均匀后再离心分离，即可得到面筋蛋白[6]。面筋蛋白和淀粉通过水处理分离后，为了提高谷朊粉的贮藏期和方便运输，需要进行干燥，由于面筋蛋白对温度很敏感，因此合适的干燥温度极为重要。一般认为面筋蛋白可以被加热到70℃而不会对其功能特性产生有不利的影响；然而，在80℃以上时，面筋蛋白就会发生变性。面筋在环形干燥器中干燥，促进湿面筋(湿度约70%)与之前干燥的面筋混合。湿面筋的干燥速度和温度必须小心控制，因为它的功能特性很容易受到湿热破坏。其它可用于工业的干燥工艺还有滚筒干燥和喷雾干燥。除高温烘箱干燥外，还可采用冷冻干燥和真空干燥。干燥完成后，再磨成细颗粒粉即为谷朊粉[7]。此外，值得一提的是小麦感染赤霉病以后，籽粒干瘪，品质降低，加工出粉率降低，严重影响小麦加工品质，造成产量损失[8]。然而这些真菌毒素主要分布在皮层，由于呕吐毒素易溶于水，水洗或表面清理后能够除去大量的呕吐毒素，所以针对仅感染镰刀菌的小麦可以通过研磨制粉后再提取谷朊粉，能够显著降低提取物中呕吐毒素含量；但是黄曲霉毒素 B1、玉米赤霉烯酮以及赭曲霉毒素A不易溶于水难以在水洗工艺中除去，会导致这些毒素在谷朊粉中富集，所以针对真菌污染严重以及混合污染的小麦不适合提取谷朊粉[9]。

2 小麦蛋白质的改性

2.1 小麦蛋白质的改性

由于面筋蛋白中含有大量的谷氨酸、亮氨酸及脯氨酸等疏水性氨基酸，使得面筋蛋白分子内疏水区域较大，最终导致其水溶性差、起泡性差，从而限制了应用范围[2]。为了使面筋蛋白应用范围更广，对其进行改性处理非常重要。面筋的结构由共价键(二硫键)和非共价键(氢键、离子键、疏水键)组成，通过各种改性处理后容易发生改变。蛋白质的改性可分物理改性、酶法改性、化学改性等，改性对其结构、功能特性都有很大的影响。

2.1.1 物理改性

物理改性涉及面筋蛋白的聚集和降解，其二级和三级结构受到离子、氢键、二硫键以及静电和疏水相互作用的影响，它们在决定面团流变学性质和功能性特性方面起着主导作用[10]。物理改性的方法一般都是通过热能、机械能使小麦蛋白质分子的高级结构和相应的理化性质等发生改变。小麦面筋蛋白经微波处理后，二级结构发生改变，同时促进了二硫键和异肽键的形成，导致α-螺旋和β-转角增多，但是分子间β-折叠则有明显的减少；微波功率达到1000 W时，会破坏面筋结构，且随着功率的升高和处理时间的增长，蛋白质分子之间发生的交联愈加明显[11]。微波处理通常还伴随着热作用，热能通过改变离子键、氢键和二硫键以及静电和疏水相互作用，导致蛋白质的构象改变[12]。微波处理后的面筋蛋白的乳化稳定性和起泡稳定性提高，蛋白质的受控热变性还增加了蛋白质的表面疏水性[13]。超声处理会导致小麦蛋白质的水合、分子大小以及构象发生变化，进一步导致其功能性质的改变[14-15]。面筋蛋白超声处理后网络结构变得松散，面筋网络的孔隙增大，这可能是由于超声波处理引起的微射流、剪切力、冲击波和湍流，导致多肽链中氢键和范德华相互作用的破坏，以及蛋白质分子之间的交联，进一步导致了面筋蛋白的膨胀及其空间构象和二级结构的变化；随着超声频率的增加，面筋的溶解度、持水能力和持油能力显著提高，面筋表面疏水性增加[16]。辐照处理会对面筋的物理化学性质和流变性质产生影响[17]。根据γ辐射的范围，观察到辐射对蛋白质的破碎和聚集有两种不同的影响[18]。根据SDS-PAGE图谱，由于多肽链的轻微断裂，在低剂量范围的γ射线照射下，随着照射剂量的增加，谷蛋白诱导高分子量和低分子量谷蛋白亚基的强度显著降低；然而，在高剂量范围降解蛋白分子的交联产物是通过静电相互作用、交联反应、二硫键和二酪氨酸交联产生的[19]。

2.1.2 化学改性

化学改性与其它处理方法相比具有许多优点，包括反应时间短、成本低、不需要专门设备和改性效果明显。面筋蛋白的化学改性主要可以通过酰化、糖基化、磷酸化和脱酰胺化进行。化学改性导致面筋蛋白变性、分解蛋白质基质和蛋白质表面必需氨基酸的可用性增加而改善营养质量，改善面筋蛋白的功能特性（起泡和乳化能力）；尽管各种化学改性在理论上是可行的，但是必须注意其改性后的安全性，当赖氨酸发生美拉德反应和碱性降解等反应时，会产生类似赖丙氨酸等有毒的化合物，改性过程中可能会残留化学物质[20]。磷酸化的面筋蛋白能够吸收大约85倍至200倍于自身重量的水，水的吸收率的提高是由于面筋蛋白中的氨基酸的羟基(包括酪氨酸、丝氨酸和苏氨酸)形成的酯，带负电荷的磷酸基可能导致蛋白质聚合链相互排斥，导致吸水量的增加[21]。通过使用葡萄糖、乳糖和右旋糖酐生成糖基化面筋蛋白，与未处理的面筋蛋白相比，糖基化面筋的溶解度、乳化能力和稳定性增强，而且糖基化面筋的表面疏水性有所提高[22]。酰化会导致面筋蛋白中的氢键断裂、静电斥力引起的蛋白质展开、高分子量蛋白质的解离、蛋白质与水之间的相互作用增多、高分子量麦谷蛋白、麦醇溶蛋白含量降低，从而使面筋蛋白的吸水、发泡、乳化及持水等功能特性增强[23-24]。面筋蛋白乙酰化后粘性、弹性、硬度及咀嚼性降低，这表明氢键作用于谷蛋白酰胺基，改变了疏水相互作用和分子量分布[23]。

2.1.3 酶法改性

酶法改性是一种清洁的工艺，其所需的能耗低，产生的废弃物少，以及更安全的工作条件。与化学改性不同，酶法改性不影响面筋蛋白的营养价值，同时酶也是生物可降解的蛋白质，在热加工的过程中会发生变性。酶法改性提高了面筋蛋白的持水能力、黏弹性和流变学特性，进一步影响产品的风味、体积、内部结构以及保质期[25]。此外，酶能根据酶的类型水解或交联谷蛋白，并能增强面筋蛋白的乳化性、溶解度和起泡性[26]。酶能够通过影响面筋蛋白的交联和键合来影响其性质和面筋网络的形成。谷氨酰胺转胺酶催化谷氨酰胺残基上的酰基供体与酰基受体间发生酰基转移反应，从而使蛋白质发生共价交联，形成强有力的凝胶，有效改善蛋白质产品的弹性、持水性等功能特性[27]。通过使用水解酶，面筋蛋白二级结构的变化可以使其乳化能力增强，肽键的破坏可以促进肽和脂质之间的相互作用，并增加油水界面肽残基的可用性，从而降低界面张力并提高乳化性[28]。

3 小麦蛋白质的应用

3.1 谷朊粉的应用

谷朊粉一般是以小麦粉为原料经分离、提取、烘干、粉碎等工艺后得到的一种粉末状产物。由于其主要成分是面筋蛋白，具有较好的黏弹性、延伸性、吸水性且安全性较好，可作为绿色的面团改良剂，广泛地应用于面制品中。

3.1.1 谷朊粉在面条中的应用

在面条的生产过程中添加适量谷朊粉，能增加面条的硬度和柔软度，减小蒸煮损失率，减少断条或出现面条过软等现象[29]。目前，关于谷朊粉及其组分添加至面粉中影响面粉的粉质、拉伸、糊化及流变等特性已广泛研究[30]。研究表明，当谷朊粉添加量为1.5%时，对面粉的粉质和拉伸有改善，但过量则会产生不良影响，如面片亮度下降。当谷朊粉添加量为1.5%～3%时，面粉的面筋特性、粉质和拉伸特性及面带的色泽和黏弹性较好，并且面条成品具有较佳的硬度和口感[31]。在全麦面条中，麸皮稀释了面筋蛋白含量，使面条吸水性和溶出性变差，谷朊粉的加入能明显改善全麦面条品质[32]。谷朊粉对于杂粮面条的加工品质改良也有重要意义，它可以增加杂粮粉面团的面筋强度和耐揉性[33]。

3.1.2 谷朊粉在面包中的应用

在烘焙产品中，谷朊粉可以用来强化蛋白质含量低、质量不理想或不适合制作面包的面粉，添加谷朊粉后能够提高蛋白质含量，改善面包品质[34]。此外，还有研究表明，在烘焙过程中，谷朊粉蛋白质含量高，有利于发生美拉德和焦糖化反应，可以产生诱人的香味[35-36]。当使用面包粉制作面包时，谷朊粉通常用作改良剂，以改善面团的吸水性，增加弹性、持气性、面团耐揉性和稳定性。当使用杂粮粉制作面包时，杂粮面筋蛋白少，无法满足加工需求，而谷朊粉的持水性高，能锁住杂粮面包内部水分，使其增加黏弹性和获得较好的质地和口感[33]。此外，谷朊粉作为改良剂在木薯粉、大麦粉等面粉制品中也有一定的应用[37-38]。

3.1.3 谷朊粉在非面制食品中的应用

谷朊粉良好的功能特性使其在食品领域的应用也非常广泛。谷朊粉具有很好的吸脂乳化性，可以应用于肉制品中，能促进体系中脂肪和水相互结合，还可以增加肉制品的弹性、韧性、持水性[39]。随着消费者对健康和食品安全的日益关注，谷朊粉还可以作为动物蛋白的替代品，例如与大豆分离蛋白复配后进行挤压处理后制成植物肉[40]。谷朊粉中的谷氨酸含量较高使其成为制造酱油的理想原料，谷朊粉水解后再参与酱油的发酵，可以明显提高酱油的总体滋味，尤其是鲜味，还能够提高酱油的稠度[41]。谷朊粉用Protamex复合蛋白酶水解后具有良好的乳化性，可作为乳化剂应用在奶油的生产中，从而减少化学乳化剂的添加，Flavourzyme风味蛋白酶酶解后具有独特的蛋白脱苦性质，提高人造奶油的感官品质和性能[42]。

3.1.4 谷朊粉在饲料中的应用

谷朊粉作为一种天然的、易获取的植物蛋白质，在饲料工业中的应用也有其独特的优势，可以根据所饲养动物的特点与其他成分合理复配制成专用饲料。在宠物饲料中，谷朊粉具有很好的吸水能力和与脂肪的相互替代作用，因此可以用来制作类似于肉的饲料，也能够满足动物的营养需求；对于宠物饲料来说，添加谷朊粉有助于提高饲料抗破损性的能力，便于包装和运输[7]。在虾饲料中添加谷朊粉后不仅能提高饲料在水中的稳定性，还提高了饲料效率，虾的体重明显增加[43]。谷朊粉可以作为牛奶的代替品添加在牛犊的饲料中，为牛犊提供良好的蛋白质来源，有效地降低了饲料的成本[44]。

3.1.5 谷朊粉在非食品领域中的应用

谷朊粉具有成膜性、热塑性等功能特性，因此在非食品的领域也有广阔的应用前景[45]。谷朊粉具有弹性、延伸性、吸水性和成膜性等，与其它成膜材料如多糖、蛋白质、脂类复合改性使其可以制作成可食性膜[46]。谷朊粉与大豆分离蛋白、甘油和亚硫酸钠复配后制成的蛋白质膜具有良好的性能[47]。谷朊粉是一种可再生资源，能够形成纤维网络，在形成薄膜时可以提供强度、弹性和可塑性[48]。然而，当谷朊粉被用作可食性膜时需要注明，避免乳糜泻患者误食。谷朊粉可以经脲、十二烷基硫酸钠和巯基乙醇等化学试剂改性后能够用于制作胶黏剂[49]。谷朊粉水解后产生的氨基酸再与十二烷基酰氯反应的产物可以作为表面活性剂，应用在化妆品或个人护理产品中[50]。

3.2 小麦肽

小麦肽的获取方法有化学水解法、化学合成法、DNA重组技术合成法、微生物发酵法和蛋白质酶解法[51]。小麦蛋白低聚肽是以小麦蛋白质为原料，通过酶制剂定向酶切及特定小肽分离技术获得的小分子多肽物质，小麦胚芽蛋白中也含有多种生物活性肽，与蛋白质相比，生物活性肽不仅具有更好的消化吸收性能，而且具有重要的抗氧化、调节免疫、降血压、降血脂等生理功能[52]。抗氧化性是小麦肽的最主要功能特性，这主要是因为小麦肽含有大量的谷氨酰胺，它是谷胱甘肽的主要前体物质，而谷胱甘肽具有很好的抗氧化作用，小麦肽中的氨基酸还能够直接被机体吸收并参与机体多种代谢反应，从而降低自由基对蛋白质的损伤[53]。小麦肽容易消化吸收，能迅速为机体提供能量、促进脂质代谢和恢复体力特性，可用于运动员食品的制备。采用小麦肽作为运动食品能量胶的主要原料，预防和缓解运动疲劳、运动后损伤组织的修复和减少肌酸激酶在细胞内的外渗具有重要作用[54]。以小麦肽为原料制作的运动饮料，具有抗氧化和抗疲劳活性[55]。小麦肽还可以有效刺激胃饥饿素的分泌，增强食欲[56]。

4 结论

小麦蛋白质的组成、结构及功能特性都已经有了较多的研究，但是小麦蛋白质资源的开发利用还有所欠缺。尤其是小麦清蛋白、球蛋白提取与应用远不如面筋蛋白，清蛋白、球蛋白良好的营养特性及功能特性也未得到充分的利用，有待进一步开发研究。可以通过对现有的面筋蛋白提取工艺进行改良，先利用溶解性差异将清蛋白和球蛋白提取出来，然后再提取面筋蛋白，能够有效减少蛋白质资源的浪费。小麦蛋白质中面筋蛋白的独特的功能性质在面制品中发挥着重要的作用，但同时其应用范围有一定的局限性，而面筋蛋白在经过改性后，通过改变离子健、氢键、二硫键以及疏水、静电相互作用，可以改善其功能性质。面筋蛋白经过加工后制成的谷朊粉及其衍生产物具有良好吸水性、乳化性、热塑性及成膜性等功能性质，在非面制品食品以及非食品领域都有广阔的应用空间。小麦肽还是一种质优价廉、健康安全的功能性因子，可以作为功能性食品的原料，为小麦蛋白的增值利用提供新的途径。