不同谷物麸皮对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响

（1.北京市食品添加剂工程技术研究中心，北京食品营养与人类健康高精尖创新中心，北京工商大学，北京 100048；2.中粮营养健康研究院有限公司，北京 102209）

摘要：本实验选用小麦麸皮、黑小麦麸皮、燕麦麸皮为原材料，探究在高添加量（质量分数30%）情况下不同谷物麸皮对面团流变学特性、面筋蛋白组成及结构的影响。结果表明，谷物麸皮含有丰富的膳食纤维，麸皮的加入使面团的吸水率、黏度崩解值显著增加，回生值显著降低，面团的形成时间、稳定时间虽与麸皮种类有关，但整体均呈上升趋势；添加麸皮的面筋蛋白中麦谷蛋白与麦醇溶蛋白比例增加了24.7%～73.0%、二硫键含量显著下降了26.0%～35.5%；面筋蛋白中的二级结构以β-折叠为主，小麦麸皮和黑小麦麸皮的加入使得面筋蛋白中的β-转角结构向β-折叠结构转化；扫描电子显微镜图显示麸皮的加入破坏了面筋蛋白原本均匀致密的微观结构。综上所述，谷物麸皮的加入改变了面筋蛋白的组成及二级结构，这些变化可能是导致面团流变学特性及面制品品质下降的原因。

关键词：热机械学特性；面筋蛋白；二硫键；二级结构；微观结构

麸皮是谷物加工的主要副产物，来源广泛，研究发现，麸皮不仅含有丰富的膳食纤维，还富含酚酸、木酚素、VE等具有强抗氧化性的活性物质[1-2]。其中膳食纤维可以通过减缓胃排空，阻碍肠道内腔中不可吸收复合物的形成，从而降低各种与饮食相关的疾病的发生风险，如心血管疾病、糖尿病、肥胖、胃肠道功能紊乱等[3]；而麸皮中的酚酸物质在通过下消化道消化的过程中可以释放出生物活性物质，预防结肠癌及其他慢性疾病的发生[4]。因此多食用富含膳食纤维的全谷物食品有益于预防现代人由于久坐的生活习惯和代谢紊乱等而引起的慢性疾病。然而，目前世界范围内居民膳食纤维的摄入量都比推荐量低[5]，因此若要提高居民的膳食纤维摄入量，传统的面制主食品无疑是膳食纤维的最佳载体，而富含膳食纤维且营养丰富的谷物麸皮是最佳原料。

目前，已有许多学者将富含膳食纤维的农副产品如麦麸、米糠以及一些生物高聚物如β-葡聚糖、阿拉伯木聚糖等加入面制主食品中，以提高面制品的膳食纤维含量，但研究结果显示面团流变学性质及面制品品质通常会随这些物质添加量的增加而下降[6-7]。因此如何改良高膳食纤维面制品的品质成为了当今的研究热点。前人研究了麸皮粒径及不同组成成分对产品品质的影响，然而这些研究的结果并不完全一致。有研究表明增大麸皮粒径可以降低麸皮对产品品质的负面影响[8]，然而也有研究表明麸皮颗粒的粒径越小，产品的品质越好[9-10]。麸皮对面团流变学特性及面制品品质的影响，可能与麸皮和面筋蛋白的相互作用有关。面筋蛋白是小麦粉的重要组成部分，对面团流变学性质及产品品质起着决定性作用，添加麸皮可能会影响面筋蛋白网络结构的形成，最终导致面团流变学特性和产品品质的劣变[11-12]。目前，关于麸皮对面筋蛋白网络结构影响的假说主要有：麸皮的加入会稀释面筋蛋白，刺破气泡，阻碍面筋蛋白网络的形成，麸皮中富含的膳食纤维会与淀粉、蛋白质等竞争水分，导致面团中水分重新分布，面筋蛋白部分脱水，结构坍塌，此外麸皮在粉碎过程中释放出的活性物质也会对面筋蛋白网络的形成产生不利影响[9,13-15]。虽然这些假说能够解释研究中发现的一些现象，如麸皮面团吸水率增加、形成时间延长，但麸皮对面筋蛋白结构及面制品品质影响的机理尚未阐明，仍需进一步的研究。

本实验选用3 种不同的谷物（小麦、黑小麦、燕麦）麸皮，按质量分数30%的添加量加入到小麦粉中，通过谷物综合测定仪、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）等探究不同谷物麸皮对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响，以期为麸皮面制品品质的改良提供理论依据。

1 材料与方法

小麦、燕麦麸皮由河北热河有限公司提供；黑小麦麸皮由济南渲益农业科技有限公司提供；高筋小麦粉购于当地超市。

热稳定α-淀粉酶（40 000 U/g）北京迪朗生化科技有限公司；碱性蛋白酶（200 000 U/g）北京奥博星生物技术有限责任公司；淀粉葡萄糖苷酶液（100 000 U/mL）上海麦克林生化科技有限公司；正己烷、硼酸、硫酸、盐酸、氢氧化钠、甲基红、溴甲酚绿、无水碳酸钠、三羟甲基氨基甲烷、丙酮、2-（N-吗啉代）乙烷磺酸、冰乙酸、无水乙醇、异丙醇、5,5-二硫代（二硝基苯甲酸）、二硫糖醇（dithiothreitol，DTE）均为分析纯。

FW-100高速万能粉碎机北京中兴伟业仪器有限公司；FDV-气引式超细粉碎机台湾佑崎有限公司；JA5003电子天平上海精密科学仪器有限公司；HM730和面机青岛汉商电气有限公司；Cary 100紫外分光光度计安捷伦科技（中国）有限公司；CR22N高速离心机日本Hitachi公司；SHZ-82A恒温振荡器常州国华电器有限公司；马弗炉纳博热（上海）工业炉有限公司；干燥箱天津市通利信达仪器厂；SHBⅢ循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司；Kjeltec 8200凯氏定氮仪丹麦FOSS有限公司；Mixolab谷物综合特性测定仪法国Chopin公司；Free Zone®真空冷冻干燥机美国Labconco公司；FT-IR仪美国赛默飞世尔科技有限公司；NovaNano450 SEM 美国FEI公司。

麸皮粒径的大小会影响面团及面制品的品质，粒径过大或者过小都会对面团及面制品品质产生较大的劣变效果，本实验选用中等粒径（80 目）的麸皮，研究不同谷物麸皮对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响[16-17]。采用超微粉碎机对麸皮进行研磨，过80 目筛，将未能过筛的麸皮继续研磨，直至所有麸皮能够通过80 目筛，将磨碎后的3 种谷物麸皮分别以质量分数30%的添加量加入小麦粉中，充分混匀制得不同谷物麸皮混合粉，未添加麸皮的小麦粉为空白对照组，密封保存在4 ℃的冰箱中备用。

麸皮水分含量测定参照GB/T 5009.3—2010《食品中水分的测定》[18]；灰分测定参照GB/T 5009.4—2010《食品中灰分的测定》[19]；粗蛋白含量测定参照GB/T 5009.5—2010《食品中蛋白质的测定》[20]；粗脂肪含量测定参照GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定》[21]；膳食纤维含量的测定参照GB/T 5009.88—2014《食品中膳食纤维的测定》[22]。

Mixolab谷物综合特性测定仪可用于分析谷物粉及面团体系流变学特性、酶活力指数、黏度指数及面筋指数等物化特性。它可以通过设定恒温、升温和降温过程的测定条件，从而分析在加热和机械功作用下，样品淀粉糊化、老化及蛋白质弱化等信息[23]。采用Mixolab谷物综合特性测定仪研究高添加量的不同谷物麸皮对面团热机械学特性的影响，通过实时测量两个揉捏臂之间面团的扭矩，从而研究面团在加热过程中蛋白质和淀粉的性质。混合实验仪设定参数按照“Chopin+”标准：根据样品粉的水分含量，计算样品粉的质量，使加水后面团总质量为75 g，首先使面团扭矩达到1.1 N·m，30 ℃恒温8 min后以4 ℃/min的速率加热至90 ℃，保持7 min，之后以4 ℃/min的速率冷却至50 ℃，恒温5 min，整个过程面团搅拌速率保持在80 r/min。从实验结果中可获得面团吸水率、C1～C5扭矩值、面团形成时间、面团稳定时间、黏度崩解值、回生值等数据[24-26]。

参照Day等[27]的方法稍作修改。称取100 g样品粉放入揉面机中，根据Mixolab谷物综合特性测定仪测定的吸水率调整加水量，揉混5 min，面团揉好后静置30 min，以便更好地形成面筋蛋白。然后用去离子水洗涤，直至洗出的清水遇碘不变蓝色，剩下的便是面筋蛋白。将得到的面筋蛋白立即放入-80 ℃冰箱中冷冻，随后用真空冷冻干燥机冷冻干燥48～72 h，得到冷冻干燥的面筋蛋白，留一小块面筋蛋白用于SEM的观察，其余面筋蛋白均用高速万能粉碎机粉碎并过80 目筛，储存于4 ℃冰箱中备用。

参照李炜炜等[28]的方法并稍作修改。称取20 g冷冻干燥的面筋蛋白粉置于300 mL 70%的乙醇中，在室温下用磁力搅拌器搅拌2 h，然后在室温下4 000 r/min离心10 min，收集上清液，沉淀按照上述操作重复两次。将上清液混合后用旋转蒸发器浓缩，进行真空冷冻干燥得到麦醇溶蛋白。沉淀物用蒸馏水洗涤3次，除去残留的乙醇，进行真空冷冻干燥得到麦谷蛋白。计算麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的比例。

参照Morel等[29]的方法对面筋蛋白的巯基、二硫键含量进行分析。游离巯基含量的测定：取40 mg粉碎后面筋蛋白加入5.5 mL Ellman’s试剂（异丙醇、250 mmol/L Tris-HCl缓冲液（pH 8.5）、4 g/L 5,5-二硫代（二硝基苯甲酸）（5∶5∶1，V/V）），4 800 r/min离心10 min，在412 nm波长处用分光光度计测定吸光度。

总巯基含量的测定：30 mg粉碎后面筋蛋白，用DTE还原（用80 mmol/L Tris-HCl缓冲液配制40 mmol/L的DTE溶液，pH 8.5），60 ℃反应2 h后，加入3 mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液终止反应，4 ℃条件下6 000 r/min离心10 min，沉淀物悬浮于300 μL100 mmol/L冰醋酸溶液中，然后再用3 mL 100 mmol/L的冰醋酸丙酮溶液洗涤沉淀，离心，重复3 次，沉淀用Ellman’s试剂溶解，412 nm波长处测定吸光度。

式中：A为样品在412 nm波长处的吸光度；ε为消光系数（13 600 mol-1·cm-1）；b为比色皿厚度（1 cm）；V为样品体积/L；m为样品质量/g。

采用FT-IR分析面筋蛋白的二级结构，在分辨率为4 cm-1的条件下，扫描次数为32 次/s，每个样品重复测定3 次。FT-IR酰胺Ⅰ带（1 600～1 700 cm-1）是反映蛋白二级结构的区域，用Omnic 8.0软件截取1 600～1 700 cm-1波段，用PeakFit 4.12软件对截取的波段进行基线校正、高斯去卷积、二阶导数拟合，得到拟合出的各个子峰的峰面积百分含量，按表1找到子峰的归属并进行加和，即得该二级结构的百分含量[14,29]。

表1 蛋白质酰胺Ⅰ带组分的特征频率和峰的归属
Table 1 Wavenumber and band assignment in amide Ⅰ region

参照Gómez等[31]的方法，将冷冻干燥所得的面筋蛋白用小锤破裂，取其内表面进行喷金镀膜，将处理好的样品立即放入SEM载物腔内抽真空，加压至5 kV，然后分别用从小到大的放大倍数进行观察、拍照。

所有实验均设定3组平行实验，结果用 ±s表示，实验结果采用Excel 2010和SPSS Statistics 22软件进行数据处理和分析，采用单因素方差分析法检验，显著性水平为p＜0.05。

2 结果与分析

表2 不同谷物麸皮基本成分
Table 2 Proximate components of wheat bran, rye bran,and oat bran

注：同列肩标小写字母不同表示差异显著（p＜0.05）。表3同。

由表2可知，3 种谷物麸皮均含有丰富的膳食纤维，尤其是小麦麸皮和黑小麦麸皮，总膳食纤维含量高达41.00%和53.42%，燕麦麸皮的膳食纤维含量相对较低为29.66%，这一结果与顾尧臣[32]报道的谷物麸皮膳食纤维含量相一致。且3 种谷物麸皮中的膳食纤维多为不可溶性膳食纤维，可溶性膳食纤维含量极低，其中黑小麦麸可溶性膳食纤维含量最低，仅为1.45%，小麦麸和燕麦麸中可溶性膳食纤维含量也分别仅为2.85%、4.47%。

表3 不同谷物麸皮对面团热机械学特性的影响
Table 3 Effects of different cereal brans on thermomechanical properties of dough

从表3可知，3 组麸皮面团的吸水率（72.41%～78.81%）较对照（5 8.0 0%）均显著增加（p＜0.0 5），这与前人的研究结果一致[33-34]。加入麸皮后面团吸水率增加可能是由于麸皮中含有丰富的膳食纤维，膳食纤维含有大量的羟基基团，可以与水通过氢键结合在一起，使得膳食纤维具有比小麦粉中的主要成分淀粉、蛋白质更强的吸水性，因此面团吸水率增加[35]。但是本实验中吸水率最高的是膳食纤维含量最低的燕麦麸面团而不是膳食纤维含量最高的黑小麦麸面团，这说明面团的吸水率不能单用膳食纤维含量及膳食纤维的持水力来解释，还可能与麸皮中的其他物质成分以及与面粉的相互作用有关。Noort等[10]的研究结果证明了这一观点，他们将糊粉层强化过的小麦麸皮与未强化过的小麦麸皮添加到小麦粉中，发现前者面团有更高的吸水率。面团的形成时间能反映面筋蛋白网络的形成速度，面筋含量越高，面筋筋力越强，则面团形成时间越长。除了燕麦麸皮组外，麸皮面团的形成时间与对照组相比均显著延长，这说明添加小麦和黑小麦麸皮后需要更长的时间形成稳定的面团。Sudha等[36]将不同的谷物麸皮（小麦、大米、黑小麦）加入小麦粉中，发现添加谷物麸皮后面团的形成时间延长。麸皮面团形成时间的延长，可能是麸皮中的膳食纤维和阿拉伯木聚糖凝胶会与小麦面筋蛋白之间产生竞争性吸水现象，部分水分从小麦面筋蛋白网络结构迁移到膳食纤维或阿拉伯木聚糖凝胶体系中，导致小麦面筋蛋白形成面筋网络结构的时间延长[37-39]。回生值表示糊化了的淀粉遇冷后出现的淀粉分子重新排列并重结晶的现象，在宏观上表现为淀粉糊凝胶化，对于面制品而言，一般建议回生值不要过低[40]。黏度崩解值代表的是面团的糊化稳定性，黏度崩解值越小表示面团的糊化稳定性越好[40]。而表3数据表明，加入小麦、黑小麦、燕麦麸皮后面团的回生值与对照组相比均显著降低（p＜0.05），而黏度崩解值显著增加（p＜0.05）。综上所述，加入3 种谷物麸皮都能显著降低面团的热机械学性质，并且麸皮对面团热机械学性质的影响与麸皮种类、组成成分有关。

面筋蛋白是小麦粉的主要成分，对面制品的品质有着非常重要的影响。根据溶解度的不同可将面筋蛋白分为醇溶蛋白和麦谷蛋白。麦谷蛋白既有分子内二硫键也含有分子间二硫键，分子质量较大，呈纤维状，占面筋蛋白的30%～40%，能够赋予面筋蛋白弹性；醇溶蛋白仅具有分子内二硫键，分子质量较小，呈球状，占面筋蛋白的40%～50%，能够赋予面筋蛋白黏性[41]。麦谷蛋白和麦醇溶蛋白之间通过二硫键、氢键及疏水相互作用形成具有特殊黏弹性质的三维网络结构，赋予小麦面团特殊的流变学特性[42-43]。从表4可知，加入谷物麸皮后，面筋蛋白的组成发生了变化，麦谷蛋白含量显著增加（p＜0.05），而麦醇溶蛋白含量显著降低（p＜0.05），与对照组相比，小麦麸皮组、黑小麦麸皮组及燕麦麸皮组面筋蛋白中麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的比例分别增加了44.9%、24.7%、73.0%。这表明谷物麸皮的加入会改变面筋蛋白的组成，影响面筋蛋白网络的黏弹性，麦谷蛋白与麦醇溶蛋白比例的改变可能与面团流变学性质及面制品品质降低有关。

二硫键是面筋蛋白网络结构中重要的化学键，对维持面筋蛋白的稳定及面团的流变学性质有着非常重要的作用。由表4可知，加入谷物麸皮后，面筋蛋白的游离巯基含量增加，但总巯基含量显著降低（p＜0.05），小麦麸皮组、黑小麦麸皮组、燕麦麸皮组面筋蛋白二硫键含量与对照组相比分别降低了33.0%、26.0%、35.5%。二硫键含量的降低表明麸皮的加入阻碍了二硫键的形成，面筋蛋白的稳定性受到了严重的破坏。

图1是面筋蛋白图1 600～1 700 cm-1波段拟合后特征曲线图，面筋蛋白二级结构的含量如表4所示。面筋蛋白的二级结构以β-折叠为主，α-螺旋和β-转角所占的比例较小，这与张浩[30]的研究结果一致。本实验中对照组面筋蛋白的β-折叠、α-螺旋、β-转角的含量分别为34.95%，16.94%、20.88%。加入小麦麸皮和黑小麦麸皮的面筋蛋白的β-折叠结构含量显著增加（p＜0.05），β-转角含量显著下降（p＜0.05），α-螺旋含量没有显著性变化（P＞0.05），而燕麦麸皮面筋蛋白的二级结构与小麦粉面筋蛋白相比并没有显著性差异。β-折叠结构含量的增加伴随β-转角含量的下降说明这两种结构之间可以发生相互转化。Bock等[14]的研究也发现添加小麦麸皮到小麦粉中会使面筋蛋白的β-转角结构转化为β-折叠，导致面团中的水分重新分布、面筋蛋白部分脱水。Wang Pei等[44]的研究发现，麦谷蛋白比麦醇溶蛋白中含有更多的β-折叠结构。因此，麦谷蛋白和麦醇溶蛋白比例高的面筋蛋白可能会具有更高含量的β-折叠结构，这与小麦麸皮和黑小麦麸皮组面筋蛋白中麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的比例结果一致。然而，燕麦麸皮组面筋蛋白的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白比例最高，但是其面筋蛋白的β-折叠结构却没有明显的增加，这表明面筋蛋白结构的变化不仅与麦谷蛋白和麦醇溶蛋白的含量有关，还受其他因素的影响。

表4 添加不同谷物麸皮的面筋蛋白的理化性质及二级结构
Table 4 Composition and secondary structure of glutens with different cereal brans added

注：同行不同肩标小写字母表示差异显著（p＜0.05）。

图1 对照组（A）、小麦麸皮（B）、黑小麦麸皮（C）、燕麦麸皮（D）组面筋蛋白酰胺Ⅰ带去卷积示意图
Fig. 1 Deconvolution of amide band of control (A), and glutens with added wheat bran (B), rye bran (C) and oat bran (D)

不同谷物麸皮对面筋蛋白微观结构的影响如图2所示，添加不同谷物麸皮后面筋蛋白的微观结构明显不同。从图2A可知，未添加麸皮的对照组面筋蛋白孔洞大小均匀且光滑，这表明小麦粉面筋蛋白结构致密统一，具有较好的稳定性。然而添加谷物麸皮后，面筋蛋白的微观结构发生了明显的变化，添加小麦麸皮（图2B）的面筋蛋白孔洞出现锯齿状的边缘，孔洞的大小也不均匀；添加黑小麦麸皮（图2C）的面筋蛋白展现出类似纤维状的结构；而添加燕麦麸皮（图2D）面筋蛋白结构孔洞坍塌严重。面筋蛋白的SEM图表明谷物麸皮的加入会破坏面筋蛋白的微观结构，降低其稳定性，且谷物麸皮对面筋蛋白微观结构的影响与麸皮的种类及成分有关。

图2 对照组（A）、小麦麸皮（B）、黑小麦麸皮（C）、燕麦麸皮（D）组面筋蛋白的SEM图
Fig. 2 Scanning electron microscopic images of control (A), glutens with added wheat bran (B), rye bran (C) and oat bran (D)

3 结论

本实验研究结果表明，小麦、黑小麦及燕麦麸皮都含有丰富的膳食纤维，将这3 种麸皮添加到小麦粉中会对面团的热机械学性质产生很大的影响，面团吸水率、形成时间、稳定时间、黏度崩解值分别增加，回生值降低，面团品质下降。加入麸皮后，面筋蛋白的麦谷蛋白和麦醇溶蛋白比例显著增加（p＜0.05），二硫键含量显著下降（p＜0.05），β-转角结构向β-折叠结构转化（图3）。面筋蛋白组成及结构的变化表明添加麸皮破坏了面筋蛋白的稳定性，这与面筋蛋白的SEM图观察结果一致。综上，加入麸皮后面团流变学特性及面制品品质的下降可能与面筋蛋白组成及结构的变化有关，但麸皮如何影响面筋蛋白及面制品品质仍需进一步研究。

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Effect of Different Cereal Brans on Dough Rheological Properties and Gluten Secondary Structure

HUANG Lianyan1, ZHANG Xiaoshuang1, ZHANG Junhui2, ZHANG Huijuan1,*, WANG Jing1
(1. Beijing Engineering and Technology Research Center of Food Additives, Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China;2. Nutrition & Health Research Institute, COFCO Corporation, Beijing 102209, China)

Abstract:The effects of a high level (30%, m/m) of different cereal brans (wheat, triticale and oat) added to wheat fl our on dough rheological properties, and gluten composition and secondary structure were studied. The results showed that addition of cereal bran, rich in dietary fi ber, resulted in a remarkable increase of water-absorbing capacity and breakdown viscosity,a distinct decrease of setback viscosity and in general an increase of dough development time and stability time, which were dependent on cereal varieties. Moreover, an increase in gliadin and glutenin of 24.7%–73.0% and a reduction in disulf i de bond content of 26.0%–35.5% were found. β-Sheet was the predominant secondary structure of gluten proteins, and addition of wheat and triticale brans led to the conversion of β-turn to β-sheet. The scanning electron microscopy showed that addition of cereal bran destroyed the compact and uniform microstructure of gluten. Together these fi ndings indicated that bran addition could result in changes in gluten composition and secondary structure, leading to the deterioration of dough rheological properties and the fi nal product quality.

Key words:thermomechanical property; gluten protein; disulf i de bonds; secondary structure; microstructure

黄莲燕, 张小爽, 张君慧, 等. 不同谷物麸皮对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响[J]. 食品科学, 2017, 38(23): 1-7.

基金项目：“十三五”国家重点研发计划重点专项（2017YFD0401105）；国家自然科学基金青年科学基金项目（31401522）；北京市教委科研类专项科技创新平台项目（19008001226）；北京市优秀人才教育资助青年拔尖团队项目；北京工商大学2017年研究生科研能力提升计划项目

作者简介：黄莲燕（1992—），女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：huanlanyanz@163.com

*通信作者：张慧娟（1983—），女，副教授，博士，研究方向为食品科学。E-mail：zhanghuijuan@th.btbu.edu.cn

HUANG Lianyan, ZHANG Xiaoshuang, ZHANG Junhui, et al. Effect of different cereal brans on dough rheological properties and gluten secondary structure[J]. Food Science, 2017, 38(23): 1-7. (in Chinese with English abstract)

不同谷物麸皮对面团流变学特性及面筋蛋白结构的影响

1 材料与方法

2 结果与分析

3 结 论

3 结论