（食品科学专业论文）超声波及琥珀酰化法改性小麦面筋蛋白的研究.pdf

华中农业大学2 0 0 8 屈硕士学位论文 摘要 本文运用超声波和琥珀酸酐对小麦面筋蛋白进行改性。通过单因素和 u n i f o r mp r e c i s i o n 的中心组合实验设计原理对改性工艺进行优化。以小麦面筋蛋 白为主要成膜材料，探索了此复合膜在杨桃涂膜保鲜中的应用，得出如下结论： 1 通过单因素实验，研究了底物浓度、超声功率、超声时间及p h 值对溶解度 的影响，得出了最佳影响范围；根据u n i f o r mp r e c i s i o n 的中心组合实验设计原 理对改性工艺进行优化，结果表明：当底物浓度为8 8 、超声功率为7 2 0 w 、超 声时间为8 m i n 、p h 值为8 5 时，蛋白溶解度可达4 1 1 m g m l 。 2 研究了琥珀酰化技术改善小麦面筋蛋白的功能特性。系统研究了底物浓度、 改性剂用量、反应温度和p h 值对反应程度、溶解度等蛋白功能特性的影响。根 据u n i f o r mp r e c i s i o n 的中心组合实验设计原理对改性工艺进行优化，结果表明： 在底物浓度1 0 、反应温度4 3 、酸酐用量1 5 、p h 值9 0 条件下，蛋白溶解 度可达4 4 0 2 m g m l 。 3 利用差示扫描量热仪( d s c ) 和傅立叶红外光谱( f t 瓜) 对改性后的小麦 面筋蛋白结构做初步的结构分析。d s c 分析表明经过变性后的小麦面筋蛋白的 热变性温度远高于未变性的小麦面筋蛋白。红外光谱在相应谱带区出现特征吸收 峰，说明对小麦面筋蛋白成功进行化学改性。 4 杨桃实验结果表明，使用涂膜液的杨桃在室温下可保鲜2 0 2 4 d ，比对照组 延长6 8 d 。 关键词：小麦面筋蛋白；超声波；琥珀酰化；功能特性；可食性膜 超声波及琥舶酰化改性小麦面筋蛋 | 的研究 a b s t r a c t f o ri m p r o v i n gf u n c t i o n a l i t i e so fw h e a tg l u t e np r o t e i n p h y s i c a lm o d i f i c a t i o nb y u l t r a s o n i ca n ds u c c i n i ca n h y d r i d ew a v ew a ss t u d i e d t e c h n o l o g yw a so p t i m i z e db y s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sa n dc e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g nt h e o r yo fu n i f o r mp r e c i s i o n t h ee d i b l ef i l m sm a i n l yb a s e do nw h e a tg l u t e np r o t e i nt w g p ) h a db e e ns t u d i e d b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m p o s i t ef i l m sw a ss t u d i e dt ok e e pc a r a m b o l a sf r e s h ， w h i c hw e r er e g a r d e da sc a r r i e r so fa n t i b a c t e r i a la g e n t s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s ： 1 f o ri m p r o v i n gf u n c t i o n a l i t i e so fw h e a tg l u t e np r o t e i n p h y s i c a lm o d i f i c a t i o nb y u l t r a s o n i cw a v ew a ss t u d i e d b a s e do nt h es o l u b i l i t yi n d e x ，s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s w e r e d o n ea tf i r s tt o e s t i m a t et h ep r o p e rr a n g e s t e c h n o l o g yw a so p t i m i z e db yc e n t r a l c o m p o s i t ed e s i g nt h e o r yo fu n i f o r mp r e c i s i o n t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tu n d e rt h e c o n d i t i o n so fs u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o n 8 8 ，u l t r a s o n i cp o w e r7 2 0 w , u l t r a s o n i ct i m e 8 m i n ，p h 8 5 ，t h es o l u b i l i t yw a s4 11m g m 1 2 s u c c i n i ca n h y d r i d ew e r eu s e dt om o d i f yt h ew h e a tg l u t e np r o t e i n ( w g p 、i nt h i s p a p e r t h e i n f l u e n c eo fw h e a t g l u t e n c o n c e n t r a t i o n ，a d d i t i v ed o s a g er e a c t i o n t e m p e r a t u r ea n dp ht ot h e e x t e n to fm o d i f i c a t i o na n df u n c t i o n a l i t yo fp r o d u c tw e r e s t u d i e d u s i n gs o l u b i l i t y , e x t e n t o fm o d i f i c a t i o na si n d e x e s ，t h e o p t i m a l r e a c t i o n c o n d i t i o n sw e r ef o u n dt h r o u g ht h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t s t e c h n o l o g yw a s o p t i m i z e db yc e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g nt h e o r yo fu n i f o r mp r e c i s i o n t h eo p t i m u m c o n d i t i o n so fs u c c i n y l a t i o no fw h e a tg l u t e nw e r e ：s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n l 0 ，t h e t e m p e r a t u r eo fr e a c t i o ni s4 3 c ，t h er a t i oo fs u c c i n i ca n h y d r i d et ow h e a tg l u t e n 15 ， p h 9 0 ，u n d e rt h ec o n d i t i o n s ，t h eo p t i m u ms o l u b i l i t yw a s4 4 0 2 m g m 1 3 t h es t r u c t u r e so fm o d i f i e dg l u t e nw e r es t u d i e db yd s ca n df h r d s ca n a l y s i s s h o w e dt h a tt h em o d i f i e dt e m p e r a t u r eo fm o d i f i e dg l u t e nw a sh i g h e rt h a nr a w g l u t e n f t 之s p e c t r as h o w e dt h a tw g p w e r es u c c e s s f u l l ym o d i f i e db yu l t r a s o n i cw a v e a n ds u c c i n i ca n h y d r i d e ，t h o u g hu l t r a s o n i cw a v ea n ds u c c i n i ca n h y d r i d ew e r ei n d u c e d t op r o t e i nm o l e c u l et oa l t e ri t ss t r u c t u r ea n dt oi m p r o v et h e i f f u n c t i o n a l i t i e s 4 t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc a r a m b o l ac o a t e dw i t hc o m p l e xc o a t i n ga g e n t s c o u l d b ek e p tf r e s ha n dp r e s e r v e df o r2 0 - 2 4d a y sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，6 - 8d a y sl o n g e r t h a nt h o s eu n t r e a t e dc a r a m b o l a n 华中农业大学2 0 0 8 届硕i ：学位论文 k e yw o r d s ：w h e a tg l u t e np r o t e i n ；u l t r a s o n i c ；s u c c i n y l a t i o n ：f u n c t i o n a l i t y ；e d i b l e f i l m i i i 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 磊 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：汤l 屯 时间：渺占年多月，1 日 学位论文使用授权书 本人完全了解“华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定”，即学生必须按 照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论 文的全部或部分内容。 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。 学位论文作者签名：两自导师签名：办锄色 签名日期：p 咯年z 月心日签名日期：刎d 宫年f 月f ，歹日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业人学2 0 0 8 届硕十学位论文 1 1 小麦面筋蛋白概况 第一章前言 小麦面筋蛋白，俗称谷阮粉( w h e a tg l u t e np r o t e i n ，w g p ) ，又叫做活性面筋 粉，是从小麦中提取出来的粉状的天然植物蛋白质( k e n ，1 9 8 5 ) 。当它吸水后会形 成具有网络结构的湿面筋，具有优良的粘弹性，延伸性，热凝固性，乳化性及薄 膜成型性，而且含氨基酸种类较多，可作为一种天然的保健食品配料或添加剂， 在食品安全方面具有极大的优势( 王叔全，2 0 0 0 ) ，因此它被广泛地应用于食品， 各种专用面粉，营养保健食品等行业。 1 2 小麦面筋蛋白的结构组成与性质 小麦经粉碎后，可分离为麦麸和面粉两部分。小麦面粉一般含有9 - 1 4 的 蛋白质，是人们日常所需蛋白质的主要食物来源( 佘纲哲，1 9 8 7 ) 。小麦面粉中加 适量的水，再用手或机械进行揉合即得到黏聚在一起并具有黏弹性的面块。面块 静置一段时间后，在水中搓洗，淀粉渐渐离开面团而悬浮于水中，最后只剩下一 块具有黏性( c o h e s i v e ) 、延伸性( e x t e n s i b l e ) 和橡胶状( r u b b e r y ) 的物质，这就 是所谓的湿面筋( w e tg l u t e n ) 。湿面筋烘去部分水分，就成为干面筋( d r y g l u t e n ) 。 面筋的主要成分是蛋白质。据测定，面筋蛋白占小麦蛋白的8 0 左右( 刘东 儿，1 9 9 1 ) ，是小麦蛋白的主体。化学分析证明面筋主要是由麦醇溶蛋白和麦谷蛋 白组成的高度水化物，除此之外，还含有少量的淀粉、纤维、糖、脂肪、类脂和 矿物质等。早在1 7 2 8 年意大利科学家b e c c a r i ( b e c c a r i ，1 9 4 1 ) 从小麦面粉中洗 出面筋蛋白，确立了小麦面筋的存在，但并未受到人们的重视，直到o s b o r n e ( o s b o r n e ，1 9 0 7 ) 根据小麦籽粒中蛋白质的溶解特性，将它分成清蛋白、球蛋白、 醇溶蛋白和麦谷蛋白等四种蛋白质。小麦面筋蛋白中主要含有麦醇溶蛋白和麦谷 蛋白，合称储藏蛋白( 占小麦蛋白干基的8 0 ) ，两者比例约1 ：1 ，除蛋白质外， 小麦面筋蛋白中还含有少量的脂质、碳水化合物及矿物质队，小麦面筋蛋白组成 见表卜1 ( 贾光锋等，2 0 0 4 ) 。因此，小麦蛋白的功能特性主要取决于储藏蛋白 的功能性，对储藏蛋白的结构更加透彻的了解为我们以后对它的应用奠定了理论 超声波及琥f 广i 酰化改性小麦面筋蛋白的研究 基础( 刘冬儿，1 9 9 9 ) 。 表1 - 1 小麦面筋的化学成分 t a b1 - 1c h e m i c a lc o m p o n e n t so fw h e s tg l u t e np r o t e i n 面筋蛋白中醇溶蛋白为单体蛋白，分子量较小，约3 5 k d ( 道尔顿) ，不溶于 水及无水乙醇，但可溶于7 0 8 0 乙醇中，组成上的特点是脯氨酸和酰胺较多， 非极性侧链远较极性侧链多( 刘邻渭，2 0 0 0 ) ，分子内既无亚基结构，又无肽链 间二硫键，单肽链间依靠氢键、疏水键以及分子内二硫键连结，形成较紧密的三 维结构，呈球形。它多由非极性氨基酸组成，故富于粘性和膨胀性，主要为面团 提供延展性( o r t ha n db u s h u k ，1 9 7 2 ) 。麦谷蛋白是一种非均质的大分子聚合体， 分子量为4 0k d 3 0 0k d ，其中某些聚合体分子量可高达数百万k d 。不溶于水， 醇及中性盐溶液，但易溶于稀酸或稀碱。普通小麦籽粒中的麦谷蛋白一般由1 7 2 0 种不同的多肽亚基组成，靠分子内和分子间二硫键连结，呈纤维状，其氨基酸组 成多为极性氨基酸，容易发生聚集作用，肽链间的二硫键和极性氨基酸是决定面 团强度的主要因素，它赋予面团以弹性。这两种蛋白独特的氨基酸组成赋予了小 麦蛋白能够形成具有粘弹性的网络结构的特性，是其它蛋白质无法媲美的( 钟 耕，2 0 0 1 ) 。当水分子与蛋白质的亲水基团互相作用时会形成水化物湿面筋。水化 作用由表及里逐步进行，表面作用阶段体积增大，吸水量较少。当吸水胀润进一 步进行时，水分子进一步扩散到蛋白质分子中去，蛋白质胶粒犹如一个渗透袋， 使吸水量大增。吸水后的湿面筋保持了原有的自然活性及天然物理状态，具有粘 性、弹性、延伸性、薄膜成型性和吸脂乳化性( 余莉莉，1 9 9 6 ) 随着研究的不断 深入，小麦面筋蛋白的用途不断得到扩展，这些都与其独特的功能特性密切相关， 而它的功能特性则取决于贮藏蛋白的功能性。 1 3 小麦面筋蛋白的应用 小麦面筋蛋白因其独特的功能特性而在一些传统食品中得到应用，通常是作 为食品添加剂和品质改良剂( 王叔全，2 0 0 0 ) 。这是因为小麦面筋蛋白与水混合 2 华中农业人学2 0 0 8 届硕士学位论文 后立即恢复其原有的活性，呈胶体状，具有很强的粘弹性、成团性、成膜性和形 成立体网络的能力。面筋独特的粘弹性可提高面团的强度、形成时间和操作性能； 它的成膜能力可以保留气体，并控制过度膨胀，达到提高面团体积、均匀性和组 织结构改善的目的；它的凝固性有助必要的结构硬度和耐咬性，其吸水性能则提 高了烘烤产品产量、柔软度，使食品的货架期延长( m a g n g s o n ，1 9 8 5 ) 。 谷阮粉在食品工业的主要应用范围有如下几种： ( 1 ) 在面包、蛋糕等烘焙食品中调节蛋白质水平，添加到筋力不足的面粉中， 改良面粉的品质，并能防止食品老化。 ( 2 ) 在方便面制作中，使面条更有弹性，不易起糊，不易断裂，改善口感。 ( 3 ) 谷肮粉具有吸脂乳化性，可防止脂肪分离，给予肉类制品良好的粘和作 用，保水作用及高温硬化( 热凝固) 效果，并是一种良好的蛋白来源。 ( 4 ) 谷肮粉的高粘合及营养成分特别适用于多种鱼用饲料。 ( 5 ) 谷肮粉可使早餐麦片更为松脆及更富营养价值。 ( 6 ) 可作为乳化剂，制作乳酪或高蛋白乳酸饮料，别有风味。 ( 7 ) 谷肮粉可制备可食性蛋白包装膜。 ( 8 ) 用于专用粉的生产，提高面筋含量和面团结构强度，改善面团的加工性 能。 从营养价值方面来说，虽然小麦面筋蛋白缺乏赖氨酸，但是将其与其他食用 蛋白混合，便可保证营养充分。同时其中钙、磷、铁含量较高，面筋中的含量远 远大十鸡蛋、牛肉等食品，因此面筋蛋白在保健食品、婴儿食品中得到了广泛利 用( 陆恒，1 9 8 9 ) ( o s b o r n e ，1 9 0 7 ) 。小麦面筋蛋白经酸或酶水解后，可用于饮 料中( f i n l e y ，1 9 7 5 ) ；小麦面筋蛋白用十油炸食品可降低含油率( m o h a m e d ，1 9 9 5 ) ； 小麦面筋蛋白还可以作为口香糖的基料( k o k a ie ta l ，1 9 9 6 ) 。 由于小麦面筋蛋白资源充足且品质相对稳定，与其他合成聚合物相比价格低 廉( l e n se ta l ，1 9 9 9 ) ，同时小麦面筋蛋白是一种很好的可生物降解的材料，可 存放期长，更重要的是小麦面筋蛋白生产的薄膜具有很好的机械和阻挡气体的性 能，因此，小麦面筋蛋白除了在食品行业应用广泛外，在其他行业的应用亦得到 蓬勃发展，如医用胶囊( g e n n a d i o s ，1 9 9 3 ) ；发胶等化妆品( b i e t z ，1 9 9 6 ) ；香 烟的过滤嘴；鱼虾的饲料；可降解可重新利用的绿色黏贴剂( b a b i k e r ，1 9 9 6 ) 超声波及琥珀酰化改性小麦面筋蛋白的研究 ( m i m o u m i ，1 9 9 4 ) ；环境保护工作者可将其作为处理废水的固化物( 史新慧和 王兰，2 0 0 0 ) 。 1 4 国内外小麦面筋蛋白改性的研究进展 蛋白质是由各种氨基酸相互联接而构成的具有空间结构的生物大分子。其理 化性质( 尤其是分子量、氨基酸组成、静电荷和表面疏水性等) 和功能特性直接相 联系。蛋白质改性就是用生物化学因素( 如化学试剂、酶制剂等) 或物理因素( 如热、 射线、机械化振荡等) 使其氨基酸残基和多肽链发生某种变化，引起蛋白质大分 子空间结构和理化性质的改变，从而获得较好功能特性和营养特性的蛋白质( 李 丹和崔凯，1 9 9 9 ) 对小麦面筋蛋白进行改性，可通过化学方法、物理方法、基因工程法和生化 方法( 即酶促改性) 四种方法进行( 史新慧和王兰，1 9 9 6 ) 。化学方法主要有酸水 解( m a t s u d o m i ，1 9 8 5 ) 、酯化( m i t aa n dm a t s u m o t o ，1 9 8 1 ) 、酰化( f r a n z e na n d k i n s e l l a ，1 9 7 6 ) 、磷酸化( f r a n k ，1 9 7 8 ) 等作用；物理法主要集中在蛋白质的 热处理和挤压、蒸煮等作用( h o s e n e y ，1 9 8 6 ) ( v o u t s i n a s ，1 9 8 3 ) ；酶法主要采 用某些酶来处理蛋白质( h a m a d a ，1 9 8 9 ) ；基因工程法是通过重组蛋白质的合成 基因，从而改变蛋白质的功能特性( 郑铁松等，2 0 0 0 ) 。 1 4 1 物理改性 物理改性：通过适度的物理方法改变蛋白质的高级结构和分子间的聚集方 式，从而改善蛋白质的功能特性。物理改性一般不涉及蛋白质的一级结构，实际 上物理改性就是在控制条件下蛋白质的定向变性，具有费用低、无毒副作用、作 用时间短以及对产品营养性质影响较小等优点。物理法一般包括搅拌增溶，挤压 冷冻，添加增稠剂，湿热处理，微波处理，质构化，超声波处理，y 射线处理 等。华欲飞等( 华欲飞和谷文英，1 9 9 5 ) 从分子间作用力的角度对不溶性大豆浓缩 蛋白物理改性机理进行研究，通过蛋白质溶出物分布可知，分子间力均匀作用于 各个醇法大豆浓缩蛋e i ( a l p s c ) 的蛋白分子，而改性大豆浓缩蛋t 兰t ( m s p c ) 的蛋 白分子则通过共价键形成聚集体，聚集体间无任何形式的作用力，荧光光谱证明 疏水性基团处于聚集体内部，因而具有可溶性蛋白结构。另外还发现，8 5 。c 条件 下加热处理2 m i n 能明显提高大豆蛋白的表面活性和营养特性( 李川和蒋和体， 4 华中农业大学2 0 0 8 届硕上学位论文 2 0 0 0 ) 。根据s c h o f i e l d ( s c h o f i e l d ，1 9 8 3 ) ；d a v i e ( d a v i e ，1 9 8 6 ) 以及h o s e n e y ( h o s e n e y ， 1 9 8 6 ) 报道，即使高温下对小麦蛋白进行短暂处理，蛋白质的结构也能发生明显 的变化。 1 4 2 化学改性 化学改性：通过化学手段在植物蛋白中引入各种功能基团，改变蛋白质的结 构，静电荷和疏水基，除去抗营养因子，使之具有特殊加工特性，从而改善蛋白 质功能和营养性质。化学改性在产生预期效果的同时，可能在营养和毒理方面造 成有害的效应。例如，蛋白质采用酸或碱处理后会造成某些氨基酸的损失，又如， 采用各种化学药剂处理蛋白质时所产生的蛋白质衍生物所包含的非天然结构或 许不能被人体代谢，甚至也有可能产生抑制作用或毒性。因此，蛋白质的化学方 法改性在食品加工中的应用受到一定的限制( 李书国，2 0 0 1 ) 。 化学法通常有磷酸化改性，酰化改性，脱氨基改性，糖基化作用等。n a t o s h i ( m a t s u d m ie ta l ，1 9 8 5 ) 研究发现，2 的大豆蛋白和0 0 5 m o l l h c i ，在9 0 时 处理3 0 m i n ，大豆蛋白有明显的去酰胺作用，其溶解性、乳化性、起泡性有了明 显的提高。f r a n k ( f r a n k ，1 9 8 4 ) ( f r a n k ，1 9 8 7 ) 、m a t h e i s 和w h i t a k e r ( m a t h e i s a n dw h i t a k e r ，1 9 8 4 ) 等用不同的化学试剂对大豆分离蛋白进行磷酸化改性，发 现p o c l 3 能很大程度地提高蛋白质的经济和实用价值。卢寅泉( 卢寅泉，1 9 9 3 ) 采用三聚磷酸钠( s t p ) 对大豆蛋白进行改性，得到大豆分离蛋白磷酸化程度最大 的工艺条件为p h 8 0 ，s t p 浓度3 ，3 5 c 保温3 5 h ，此时磷酸化程度为5 7 潘秋 琴等( 潘秋琴，1 9 9 7 ) 采用低摩尔比的p o c l 3 蛋白质对花生蛋白进行磷酸化改性， 溶解度乳化能力和乳化稳定性显著提高，从而拓宽了花生蛋白在食品体系中的应 用范围。 1 4 3 酶法改性 食品蛋白质酶法改性分为两类：非水解改性和水解改性。其中蛋白质的水解 改性具有重要的实用价值，除酶水解之外，酶法脱酚胺也能增加蛋白质的亲水性， 从而提高溶解性及分散性能。目前发现很多酶可以催化蛋白质分子交联，其中以 转谷氨酞胺酶最具代表性( w h i t a k e r ，1 9 8 2 ) 。蛋白质的酶法改性一般不会导致营 养方面的损失，也不会产生毒理上的问题，还具有如下优点：( 1 ) 反应具有特异 5 超声波及琥玎】酰化改性小麦面筋蛋白的研究 性；( 2 ) 在低酶浓度下也能产生很显著的效果；( 3 ) n - - j 在温和条件下进行，能耗很低 ( l e ea n dl o p e z ，1 9 8 4 ) 。 王兰等( 王兰，2 0 0 4 ) 用中性蛋白酶水解小麦面筋蛋白，酶解后，蛋白中的 多肽类、小分子和游离琉基增多。国外有研究者用转谷酰胺酶在p i l l 0 ，2 0 。c 条件 下水解小麦面筋蛋白酶，得到去酰胺程度2 5 的改性蛋白。h o r i u c h i ( h o r i u c h i ， 1 9 7 8 ) 用胃蛋白酶水解小麦面筋蛋白，在5 5 。c ( 酶：底物= 1 ：5 0 ) 水解2 0 h ，水解产 物具有良好的起泡性和泡沫稳定性。d r a g o ( d r a g oa n dg o n z a l e z ，2 0 0 1 ) 采用9 8 。c 热处理方式对小麦面筋蛋白进行酶解，使得其起泡性有了较大提高。舒展选用微 生物蛋白酶对大豆分离蛋白进行水解改性，在温度4 5 ，p h 值6 5 7 o 酶浓度2 0 1 0 2 ( 4 0 ，0 0 0 i u ) g g 底物、固液比1 ：1 0 的条件下水解1 5 h ，乳化度可以从5 4 增加到9 2 ，乳化稳定度从4 2 8 增加到8 8 3 溶解度则从5 1 增加了约1 0 0 ， 扩大了大豆分离蛋白的使用范围。 1 4 4 基因工程改性 一_ t - - 一 通过基因工程或选育优良野生系可改善植物蛋白的功能和营养特性。它是通 过重组植物蛋白的合成基因来改进蛋白质的功能特性，但由于该技术周期长，见 效慢，目前仍处于实验室阶段，尚未在生产中应用( 沈蓓英等，1 9 9 0 ) 。 此外，由于食品加工多方面的要求，单一的蛋白质改性技术往往不能达到目 的。近些年来，应用2 种或2 种以上的方法对蛋白质改性的技术大量涌出，这就 是复合法改性( 赵国华，2 0 0 1 ) 。 1 5 课题研究意义及主要内容 1 5 1 课题研究意义 本论文主要采用物理的方法进行改性，再在物理改性的基础上进行化学改性。物 理改性主要是通过蛋白质热变性后其构象的展开，表面疏水性和表面亲水性的变 化，改善其功能性质，而且研究设备简单，所需时间短，成本很低，有良好的经 济效益。化学改性是在蛋白质分子上联接亲水性的琥珀酸酐基团，以增大蛋白质 分子质量和增加蛋白质与水分子的相互作用，从而提高小麦面筋蛋白的功能特 性，反应条件简易，具有良好实验效果。而且从毒理学的观点看，酰化作用是一 6 华中农业大学2 0 0 8 届硕士学位论文 种毒物代谢反应。通过酰化反应，可降低或消除某些有毒物质的毒性。面筋蛋白 经过酰化改性，不会产生对人体有害的物质，采用琥珀酸酐对蛋白质进行改性是 安全可行的( g r u e n e r ，1 9 9 7 ) 。相反，酰化改性在改善食品蛋白质的功能特性的 同时，可提高蛋白质的营养特性。具体表现在性质不稳定的赖氨酸经过酰化改性 被保护起来，从而减少赖氨酸在加工过程中的损失。酰化作用是可逆的，在消化 过程中经过脱酰化作用，赖氨酸被复原( 吴红奎，1 9 9 4 ) 。赖氨酸是多数谷物中的 第一限制氨基酸，在加工过程中又容易被破坏，酰化作用对提高谷物蛋白的营养 价值具有重要意义。另外，当采用琥珀酸酐对小麦而筋蛋白进行酰化反应时，因 采用氢氧化钠来调节反应体系的酸碱度，反应的终产物中会产生少量的琥珀酸钠 和琥珀酸二钠，琥珀酸钠和琥珀酸二钠都是鲜味剂，可改善食品的风味( 依霍奇 森和弗格恩里，1 9 8 7 ) 。 深入开发利用食品蛋白质资源，其关键是进一步提高其功能特性。小麦面筋 蛋白具有较好的吸水性、粘弹性、薄膜成型性、粘附热凝固性、吸脂性、并具有 清淡醇香或略带谷物品味等多种独特的物理特性。目前国内把小麦面筋蛋白作为 一种高效的面粉增筋剂，将其用于高筋粉、面包专用粉的生产。添加小麦面筋蛋 白还是增加食品中植物蛋白质含量的有效方法，能满足食品多种功能的需要，为 开发食品新领域提供了功能多、感官好、富有营养和经济性强的基础原料。小麦 面筋蛋白作为小麦淀粉生产的副产品，在食品及其它领域的应用正逐步受到人们 的青睐，但由于小麦面筋蛋白功能特性的某些局限性，尤其是其溶解能力和其它 功能特性较差，不能满足食品工业以及其它行业的要求，极大地限制了小麦 面筋蛋白的应用。因此，通过各种方法提高小麦面筋蛋白的溶解度、乳化性和起 泡性，以拓宽小麦面筋蛋白的应用范围，正是本课题的研究目的。 1 5 2 主要研究内容 1 通过超声波处理、琥珀酰化以及两者复合改性来提高小麦面筋蛋白的溶解 度、乳化性、乳化稳定性、起泡性和起泡稳定性；讨论小麦面筋蛋白质量分数、 超声波功率、改性剂用量、温度、时间和p h 值对小麦面筋蛋白功能特性的影响， 通过旋转正交试验优化三种改性条件：探讨其改性机理。并采用红外光谱及d s c 对改性前后的小麦面筋蛋白结构变化进行简单表征。 2 采用原始小麦面筋蛋白及复合改性小麦面筋蛋白制备可食性蛋白膜，测定 7 超声波及琥珀酰化改性小麦面筋蛋白的研究 并比较蛋白膜各项理化指标。 3 改性前后小麦面筋蛋白应用于杨桃的涂膜保鲜的研究 8 华中农业人学2 0 0 8 届硕十学位论文 2 1 引言 第二章超声波法改性小麦面筋蛋白的研究 目前对植物蛋白的改性已成为食品科技工作者研究的热点。国外对植物蛋白 的改性研究主要集中在大豆蛋白，其次还有棉籽蛋白、燕麦蛋白和叶蛋白。对小 麦面筋蛋白进行改性研究，国外文献报道比较少，有过酸处理，和酶法变性的报 道。我国对植物蛋白质改性研究起步较晚，且大多集中在对大豆分离蛋白和玉米 蛋白改性上。对小麦面筋蛋白的改性，有酸法去酰胺作用、碱处理蛋白改性、酶 法改性、美拉德反应改性，酰化改性，湿热改性，微波改性等方面的报道( 张红 印等，2 0 0 3 ) ( 周瑞宝和周兵，2 0 0 0 ) ( 陆启玉和中振，1 9 9 4 ) ，而对于小麦面筋 蛋白的复合变性的报道国内外比较少见。 物理改性是利用热、电、磁机械能等物理作用形式对大豆蛋白的功能特性加 以改善方法，具有费用低、无毒副作用及对产品营养性能影响较小等优点。超声 波的应用领域十分广阔，而应用于蛋白并为之改性的研究很少。由于超声波是一 种高频的机械振荡，其频率为2 x1 0 4 h z 一1x1 0 9 h z ( 史新慧和王兰，2 0 0 0 ) ，在 物料中局部小区域中压缩和膨胀迅速交替，对物料施加张力和压溃作用，产生空 蚀”( 也称“空化作用) 。空化作用是指超声波在介质中传播时，液体中分子的 平均距离随着分子的振动而变化，当其超过保持液体作用的临界分子间距，即形 成空化。超声波空化分稳态空化( 声强 1 0 w c m 2 ) 两 种。空化作用对大分子即可产生机械性断键作用，并有资料显示机械效应对高分 子物质效应更为显著，且随分子量增加而增加( p o v e ya n dc l e e m e n t s ，1 9 8 8 ) 。 本章研究了小麦面筋蛋白超声波法改性前后功能性质的变化，并通过旋转正交实 验探索了小麦面筋蛋白的最佳改性条件( j a c o b sa n dd e l c o u r ，1 9 9 8 ) 。 2 2 实验材料和方法 2 2 1 实验材料 市售谷朊粉河南南阳天冠植物蛋白有限公司蛋白质含量：7 5 2 ，水分含 量：5 3 9 超声波及琥珀酰化改性小麦面筋蛋白的研究 2 2 2 主要仪器 仪器名称型号 超声波细胞粉碎机 k s 9 0 0 台式离心机t d l 5 ph计phs一3c 分析天平 f a 2 0 0 4 数显恒温水浴锅删_ 4 数字显示转速电动搅拌机j b 9 0 s 分光光度计 u v - 1 7 0 0 冷冻干燥机 f d 1 2 2 3 化学分析方法 生产厂家 宁波科生仪器厂 上海安亭科学仪器厂 上海理达仪器厂 上海精科天平厂 金坛市富华仪器有限公司 上海标本模型厂 s i g m a 公司，美国 北京博医康实验仪器公司 含水量测定：常压烘干法g b 5 4 7 9 8 5 粗蛋白测定：微量凯氏定氮法g b 5 5 1 1 8 5 2 2 4 功能特性测定方法 2 2 4 1 溶解度的测定( 黄伟坤，1 9 8 9 ) 配制1 的小麦面筋蛋白悬浮液，平衡3 0 m i n ，3 0 0 0 r m i n 离心3 0 m i n ，取l m l 上清液于试管中，加入4 m l 双缩脉试剂，剧烈振荡1 0 m i n 后，放置3 0 m i n ，于 5 4 0 n m 处进行比色。配制1 0 m g m l 的牛血清蛋i 刍( b s a ) ，分别吸取0 、0 2 、o 4 、 0 6 、0 8 、1 0 m l 于试管中，用蒸馏水补足到l m l ，加4 m l 双缩脉试剂于5 4 0 n m 处进行比色，以吸光度值为横坐标，b s a 浓度为纵坐标，绘制标准曲线。待测 蛋白吸光度值代入标准曲线，可求出待测蛋白的浓度。 2 2 4 2 乳化性及乳化稳定性的测定( d i p a ke ta l ，1 9 8 6 ) 配制l 的小麦面筋蛋白悬浮液，取1 0 0 m l 该悬浮液与1 0 0 m l 玉米油混合， 在组织捣碎机中以1 0 0 0 0 r m i n 的速度搅打l m i n ，1 5 0 0 r m i n 离心5 m i n ，量取乳 化层高度与总高度，乳化性记为乳化层高度与总高度之比。 乳化性= 乳化层高度( c m ) 总高度( c m ) x1 0 0 ； 在5 0 c 水浴3 0 m i n ，再次测量体积比，记为乳化稳定性。 乳化稳定性= 水浴加热后乳化层高度( c m ) 总高度( c m ) x1 0 0 2 2 4 3 起泡性及起泡稳定性的测定( 俪伟章，1 9 9 1 ) 1 0 华中农业人学2 0 0 8 届硕上学位论文 配制2 的小麦面筋蛋白悬浮液1 0 0 m l ，在组织捣碎机中以1 0 0 0 0 r m i n 的速 度搅打i m i n ，迅速倒入5 0 0 m l 量筒中，泡沫体积记为起泡性。 起泡性= 泡沫体积( m 1 ) 1 0 0 ( m 1 ) 1 0 0 ； 静置1 0 m i n 后，再次测量泡沫体积，记为泡沫稳定性。 泡沫稳定性= 静置后泡沫体积( m 1 ) 1 0 0 ( m 1 ) 1 0 0 。 2 - 2 5 超声波改性小麦面筋蛋白的制备 称取一定量小麦面筋蛋白溶于水中， p h 值( 8 5 - 9 o ) 设定超声功率与超声时间， 冷冻干燥，粉碎，保存。 配成悬浮液后用l m o l l n a o h 溶液调 超声改性后离心( 3 0 0 0 r m i n ，1 0 m i n ) ， 2 2 6 超声波改性影响小麦面筋蛋白溶解度的单因素实验 2 2 6 1 小麦面筋蛋白质量分数对小麦蛋白溶解度的影响 取2 、4 、6 、8 、1 0 、1 2 六个质量分数梯度作试验，其它反应条 件固定为：超声功率7 2 0 w ，超声时间6 r a i n ，反应p h 值9 0 2 2 6 2 超声功率对小麦蛋白溶解度的影响 取1 8 0 w 、3 6 0 w 、5 4 0 w 、7 2 0 w 、9 0 0 w 五个功率梯度作试验，其它反应条 件固定为：谷朊粉质量分数8 ，超声时间6 r a i n ，反应p h 值9 o 2 2 6 3 超声时间对小麦蛋白溶解度的影响 取2 m i n 、4 m i n 、6 m i n 、8 m i n 、1 0 m i n 、1 2 m i n 六个时间梯度作试验，其他反 应条件固定为：谷朊粉质量分数8 ，超声功率7 2 0 w , 反应p h 值9 0 2 2 6 4p h 对小麦蛋白溶解度的影响 取3 o 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 八个p h 梯度作试验，其他反应条 件固定为：谷朊粉质量分数8 ，超声功率7 2 0 w , 超声时间6 r a i n 2 2 7 响应曲面因素的确定( 张锐昌，2 0 0 6 ) 中心组合设计( c e n t r a lc o m p o s i t e - o r t h o g o n a ld e s i g n ，c c d ) 对因素和水平的 组合具有广泛的适用性，是研究多因素问题强有力的工具，在食品工业中应用最 为广泛( 慕运动，2 0 0 1 ) 。本试验在完整的单因素试验结果基础上，采用s a s 8 1 设 计了4 因素3 水平的c c d 超声波及琥王l | 1 酰化改性小麦面筋蛋白的研究 2 3 结果与讨论 2 3 1 小麦面筋蛋白质量分数对溶解度及功能特性的影响 因溶解度是影响小麦面筋蛋白功能特性的主要指标，试验中发现溶解度的大 小与其乳化性、起泡性、起泡稳定性呈相应正相关关系，故以下图中指标主要反 映溶解度的变化。 4 o3 5 3 童2 5 魁 2 琏1 5 缝 1 0 5 0 0 2 4 6 81 01 2 1 4 小麦面筋蛋白质量分数) + 溶解度 图2 1 小麦面筋蛋白质量分数对溶解度的影响 f i g 2 1 t h ee f f e c to fc o n c e n t r a t i o no ns o l u b i l i t y 从图2 1 可知，底物浓度在6 一1 0 之间改性后的小麦面筋蛋白的溶解度有 显著的提高，在1 0 时溶解度达最大值。当底物浓度逐渐增大时，超声波的空 化作用增强，蛋白质分子的结构变得疏松使疏水性多肽部分展开朝向脂质而极性 部分朝向水相，导致蛋白溶解度增强，当底物浓度继续增大时，在相等时间内， 超声波空化作用减弱，蛋白质分子结构改变变小，可溶性蛋白减少，溶解度下降。 表2 2 也表明，底物浓度在8 一1 0 范围内改善小麦面筋蛋白各理化性质作用显 著。 1 2 华中农业大学2 0 0 8 届硕上学位论文 表2 2 小麦面筋蛋白质量分数对产物功能特性的影响 t a b 2 2t h ee f f e c to fc o n c e n t r a t i o no nf u n c t i o n a l i t i e s 2 3 2 超声功率对溶解度及功能特性的影响 ： 昌 占 蜊 琏 绥 一溶解度 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 超声功率( w ) 图2 2 超声功率对溶解度的影响 f i g 2 - 2 t h ee f f e c to fu l t r a s o n i cp o w e ro ns o l u b i l i t y 由图2 2 可知，超声波功率在5 4 0 。7 2 0 w 之间改性后的小麦面筋蛋白溶解度 有显著的提高。当功率增大时，超声波声强增大，蛋白质溶液受到的负压也随之 增大，水分子间平均距离就会增大，超过极限距离后，就会破坏蛋白质结构的完 整性，造成空穴，蛋白质分子的结构变得疏松，蛋白溶解度得到提高。功率继续 增大，蛋白质变性增大，超声波显现出强烈的机械性断键作用，不溶性蛋白质含 量增多，蛋白溶解度随之降低，试验结果表明超声波功率为5 4 0 。7 2 0 w 时可有效 提高小麦面筋蛋白的溶解度。 超声波及琥玎i 酰化改性小麦面筋蛋白的研究 表2 - 3 超声功率对功能特性的影响 t a b 2 - 3t h ee f f e c to fu l t r a s o n i cp o w e ro nf u n c t i o n a l i t i e s 表2 3 反映了产物的乳化性能和起泡性能变化，当功率达到7 2 0 w 时，产物 的乳化性、乳化稳定性、起泡性及起泡稳定性都达最大，功率继续增大，严重破 坏蛋白质结构的完整性，蛋白质变性增大，不溶性蛋白质含量增多，不利于液膜 和泡沫的形成，所以乳化性能和起泡性能降低。 2 3 3 超声时间对溶解度及功能特性的影响 3 2 o3 1 5 昌 瓷3 1 鑫3 0 ，、5 琏 j 缝2 9 5 2 9 2 8 5 o24681 01 21 4 超声时间( m i n ) + 溶解度 图2 3 超声时间对溶解度的影响 f i g2 - 3 t h ee f f e c to fu l t r a s o n i ct i m eo ns o l u b i l i t y 由图2 3 可知，蛋白溶解度在时间2 8 m i n 呈增长趋势之后下降。在改性8 m i n 时达到最大值。在