（制糖工程专业论文）湿热—琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白的制备及应用.pdf

江南大学硕士学位论文 摘要 本文主要研究了湿热一琥珀酸酐酰化对小麦面筋蛋白进行复合改性。探讨了 小麦面筋蛋白质量分数：湿热处理时的p h 、温度、时问；酰化处理时的p r i 、温 度、琥珀酸酐质量分数对产物酰化反应和功能性的影响。在单因素实验的基础上， 通过正交实验确定了最佳工艺条件为：小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 为7 5 ： 湿热处理时间为2 0 m i n 、p h 值为5 、温度为9 0 。c ；琥珀酸酐酰化时的p h 值为 8 5 、温度为4 0 、琥珀酸酐质量分数1 0 9 6 ( 以小麦面筋蛋白的干基计) 。湿热一 琥珀酸酐处理小麦面筋蛋白可显著的提高其乳化性。 利用差示扫描量热仪( d s c ) 和傅立叶红外光谱( f t 陬) 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。f t i r 分析表明小麦面筋蛋白的二级 结构是以b 一折叠结构为主，经过变性处理会使小麦面筋蛋白部分旦一转角结构转 化为b 一折叠结构。琥珀酸酐酰化处理时b 一折叠结构增加的比较多，a 一螺旋结 构含量明显减少。 将小麦面筋蛋白、改性后的小麦面筋蛋白、大豆分离蛋白添加到肉丸中做应 用实验。实验结果表明：各种功能性蛋白质的添加改变了肉丸碎肉制品的质构特 性，随着蛋白质的加入，肉丸的性质均有所提高。添加3 左右的湿热一琥珀酸 酐酰化小麦面筋蛋白，从综合性能上看要优于小麦面筋蛋白和大豆分离蛋白，能 够显著的提高肉丸的质构特性，尤其是蒸煮损失率的降低有利于产品的得率。 关键词：小麦面筋蛋白湿热处理琥珀酸酐酰化乳化性肉丸 a b s t r a c t ht h i ss u b j e c t g l u t e nw a sm o d i f i e db yb o t hw e th e a tt r e a t m e n ta n ds u c c i n i c a n h y d r i d ea c y l a t i o n g l u t e nq u a l i t yc o n c e n t r a t i o n ，p h ，t e m p e r a t u r e ，t i m eo fw e th e a t a n dp h ，t e m p e r a t u r e ，s u c c i n i ca n h y d r i d eu s a g eo fs u c c i n i ca n h y d r i d ea c y l a t i o nt 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 es t u d i e d b a s e do ns i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n s w 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 ：g l u t e nq u a l i t yc o n c e n t r a t i o n7 5 ( d r yb a s e ) ，p hv a l u e5 ， r e a c t i o nt i m e2 0m i l la n dt e m p e r a t u r e9 0 。cb yw e th e a tt r e a t m e n t ，a l s op hv a l u e8 5 ， t e m p e r a t u r e4 0 a n dt h er a t i o no fs u c c i n i ca n h y d r i d et og l u t e nl o ( d r yb a s e ) b y s u c c i n i ca n h y d r i d ea c y l a t i o n 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 i i 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 wg l u t e n f t i ra n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em a i ns e c o n d a r ys t r u c t u r e so fg l u t e nw a sp - s h e e t t h e s e c o n d a r ys t r u c t u r e so fm o d i f i e dg l u t e nw e r ec h a n g e d t h es e c o n d a r ys t r u c t u r e sw e r e c h a n g e df r o mp - t u mt o1 3 - s h e e t g l u t e n ，m o d i f i e dg l u t e na n ds o y b e u np r o t e i nw e r ea d d e dt o r o l l e dm e a ta s a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t s a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t so fg l u t e ns h o w e dt h a tt h et e x t u r e p r o p e r t yo fr o l l e dm e a tw a si m p r o v e db ya d d i n gd i f f e r e n tp r o t e i n s b ya d d i n g3 m o d i f i e dg l u t e n ，t h et e x t u r ep r o p e r t yo fr o l l e dm e a tw a so b v i o u s l yi m p r o v e d a n dt h e e f f e c to fa d d i n gm o d i f i e dg l u t e nw a ss u p e r i o rt ot h ee f f e c to fa d d i n gr a wg l u t e na n d s o - y b e a l lp r o t e i n ，e s p e c i a l l yt h er e d u c eo fc o o kl o s sw a sa v a i l a b l ef o rg e to f p r o d u c t k e yw o r d s ：w h e a tg l u t e n ；w e t h e a tt r e a t m e n t ；s u c c i n i c a n h y d r i d ea c y l a t i o n e m u l s i f i c a t i o n ；r o l l e dm e a t 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盏盔区 日期：2 。嘶年嘶月。7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 盏显题导师签名：硅堑叠 日期：2 0 0 6 年0 6 月0 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 小麦面筋蛋白概况 随着人们生活水平的不断提高，在食品工业中迫切需要大量具有功能特性和 营养特性的蛋白质，作为食品的原料或添加基料。在开发蛋白质资源以满足人 们日益增长的需求时，食品科学家们逐渐认识到蛋白质功能性质的重要性。然而， 一些重要的蛋白质资源被应用于食品时所表现出的功能性质却不能充分满足食 品加工的要求。1 。因此，一方面要大力开发具有优良特性的蛋白质资源，另一方 面就是要对现有的蛋白质( 尤其是植物蛋白) 进行改造，以满足人类的特殊要求， 这就是通常意义上的改性蛋白质。对食品蛋自质的改性已成为开发和利用蛋白质 资源的重要研究课题。 小麦是人类生活中重要的粮食作物，据统计，世界上7 0 以上的可耕地种植 粮食，其中小麦占地最多，高于2 2 。3 。我国是世界上生产小麦最多的国家，每 年小麦产量约占世界总产量的1 5 左右“1 。 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 一1 4 的蛋 白质，是人们日常所需蛋白质的主要食物来源0 1 。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。面块静置一段时问 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 yg l u t e n ) 。1 7 4 8 年，意大利科学家比凯里( b e c a r r i ) 从小麦中分离出面筋“1 。我国生产面筋的历 史也很早，如烤麸、水面筋等，很早就成为我国人民的重要的蛋白质食品。目前， 世界上用于从小麦中分离面筋的方法主要有马丁法、拜特法、氨法、拉西奥法、 水力旋流法、全麦粒分离法等n ，。 1 2 小麦面筋蛋白的组成结构 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0 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。麦 醇溶蛋白的分子量小，平均分子量约为4 1 0 4 ，分子呈球形，其分子中二硫键都 分布于分子内部，分子为非极性；麦谷蛋白是一类不同组分的蛋白质，多链，相 对分子量变化于1 1 0 5 至数百万之间，平均相对分子量为3 1 0 6 。麦谷蛋白除了 分子内二硫键外，还有许多亚基通过分子问二硫键形成纤维状的大分子且极性 大，使麦谷蛋白不易流动，故延伸性小。麦醇溶蛋白没有这种联结，所以具有延 伸性。另外，还有剩余蛋白质，它是一种在亚基组成上交联程度更大的不溶性三 维网状结构。一般来说，面筋的弹性归因于麦谷蛋白组分：面筋的黏性和延伸性 则来自于麦醇溶蛋白成分8 1 。简单地讲，麦醇溶蛋白可以理解为麦谷蛋白的溶剂， 江南大学硕士学位论文 根据熵的弹性理论，溶剂量的增加必然减少很多交联点，以致使面筋弹性弱化“。 1 3 小麦面筋蛋白的应用 目前，活性面筋粉( 又名谷朊粉) 在国内外都得到了广泛地应用 i l l 。首先，在 面粉工业中作为一种纯天然添加剂用于小麦专用粉的生产，可明显提高面筋含量 以及面团强度，改善面团的加工性能；另外小麦面筋蛋白由于其优良的工艺性能 和营养价值，在食品工业上得到广泛地应用。迄今为止，小麦面筋蛋白在烘焙工 业的应用比其它食品行业相对较多，利用小麦面筋蛋白能增加面团筋力，留存气 体并控制膨胀使面包体积一致，小麦面筋蛋白的吸水性和留存性能提高产率，保 持面包柔软，延长货架寿命，增加天然口味等“；而且食品工业中用其制成集营 养、保健、方便于一体的各类食品，如水面筋、油面筋、素鸡等“：在食品贮藏 保鲜方面，利用小麦面筋蛋白制成可食性膜处理荔枝等水果，可大大延长水果的 保鲜期o ”；在饲料工业中用于生产高档水产品如螃蟹、对虾等饲料的黏合剂和营 养添加剂，不仅提高了饲料营养价值、制作悬浮饲料时其吸水后的悬浮性、自然 黏弹性，还提高了饲料在饲喂中的利用率“。、 在国外，小麦面筋蛋白还常添加于谷物早餐食品中，用小麦面筋蛋白强化过 的早餐食品与牛奶同饮，口味佳，营养好”。在粉末油脂的制取过程中，将面筋 蛋白与油在溶剂中混合搅拌，去除溶剂后，再将固体物干燥制成粉末，该法优于 以往的乳化剂法、微胶囊法、环糊精法，因为用该法处理过的粉末油脂聚合裂变 的可能性降低，具有高度的稳定性“”1 。将2 2 5 9 的v 。与1 k g 的活性面筋在3 1 7 0 ( v v ) 乙醇中混合，5 0 加热1 6 0 h ，v 仍保持活性“。 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 远远大于鸡蛋、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“”1 。小麦面筋蛋白经酸或酶水解后，可用于饮料中o “；小麦面筋蛋白用于 油炸食品可降低含油率”1 ；小麦面筋蛋白还可以作为口香糖的基料”1 。 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。“，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0 5 ；发胶等化妆品o “；香烟的过滤嘴o ”；鱼虾的饲料o “；可降解可重新利 用的绿色黏贴剂汹；环境保护工作者可将其作为处理废水的固化物”1 。 1 4 小麦面筋蛋白的功能性质 植物蛋白质越来越广泛地应用于食品加工的各个领域，一方面是由于植物蛋 白质的营养价值高，资源丰富，原料成本低：另一方面则是因为植物蛋白质还具 有与食品的嗜好性、加工性等相关的各种功能特性。所谓植物蛋白的功能特性 ( f u n c t i o n a lp r o p e r t y ) 就是指植物蛋白在配制、加工、制取和储藏的过程中， 第一章绪论 对产品质量能产生影响的某些物理和化学性质，例如吸水性( 即水分保持性) 、 吸水膨胀性、黏性、胶凝性、乳化性、脂肪吸收性、起泡性、组织化功能以及漂 白和着色性等。可以将植物食品蛋白质的这些功能性质分成三个主要类别：水化 性质( 取决于蛋白质一水相互作用) ，这一类性质包括：水吸收及保留、湿润性、 膨胀性、黏着性、溶解度和黏度( 后者被称为水动力性质) ；蛋白质一蛋白质相互 作用有关的性质，这一类性质在产生沉淀、凝胶作用和形成各种其他结构( 例如 蛋白质面团和纤维) 时才有实际意义：表面性质，这一类性质主要关系到蛋白质 的表面张力、乳化作用和泡沫特征。上述几类功能性不是完全独立的，而是相互 影响。例如，凝胶作用不仅包括蛋白质一蛋白质的相互作用，而且也涉及到蛋白 质一水相互作用；黏度和溶解度同时取决于蛋白质一水和蛋白质一蛋白质相互作 用；蛋白质的乳化性能除了和它的表面性质有关外，还受其溶解度( 水化性质) 的影响等m 。 植物蛋白质的功能性是蛋白质本身固有的理化性质( 如成分、分子量、等电 点、氨基酸序列、形态结构等) 的反映，它们的发挥受与其共存的某些食物组分( 如 水分、糖类物质、脂肪、p h 值、盐等) 的影响，同时还受所接触环境( 如温度等加 工条件) 的制约。因此，蛋白质的功能性是由多方面因素决定的。蛋白质的理化 性质，取决于它的氨基酸组成、分子大小及形态结构等。因此，一切能改变蛋白 质氨基酸组成、分子大小和形态结构的因素也必将影响其功能特性。但是这些影 响是非常复杂的，究竟什么样的结构显示什么样的功能特性? 功能特性与结构及 其变化有什么样的相互关系? 这些问题有待进一步研究。 植物蛋白质的功能特性是多样的，而且不同的蛋白质具有不同的功能性。各 种不同的功能特性对于不同的用途，其重要程度是不相同的，胶凝作用对肉制品 很重要；乳化作用对于生产腊肠、饼干、面包、咖啡乳脂很重要；发泡性对于生 产甜点、调味品等很重要。很多食品的加工往往需要蛋白质的多种功能特性，例 如：饮料生产中蛋白质溶解度、黏度、清晰度和混浊度等都很重要，熟肉制品中 蛋白质的持水率、乳化稳定性以及胶凝性都很重要。可见，尽管我们不能在食品 的各个方面都利用蛋白质的功能特性，但是只要我们充分地掌握了蛋白质的功能 性，对于植物蛋白在食品工业中的利用，以及进行新蛋白食品的开发，都是很有 意义的。下面将从几个方面阐述小麦面筋蛋白的功能特性与存在的问题以及原 因。 1 4 1 小麦面筋蛋白的溶解性 小麦面筋蛋白用于食品生产时，其溶解程度及溶解稳定性是考虑的首要问 题。除此以外，蛋白质的各种功能特性，如起泡性、乳化性、凝胶形成性、润湿 性、水合性和分散性等的发挥，都与溶解性密切相关。小麦面筋蛋白的低溶解性 是谷物学家面临的一大难题。下面从热力学角度来分析小麦面筋蛋白低溶解度的 原因。小麦面筋蛋白是由许多分子量不同、品质不同的蛋白质分子组成的混合物， 因此从热力学分析较复杂。 江南大学硕士学位论文 g = a h - t a s( 1 ) 其中：g 一溶质和溶剂组成的体系的自由能变化； 卜恒压下，溶质溶于溶剂的溶解热： s 一上述体系溶解过程中嫡( 混乱度) 的变化： t 一绝对温度。 因蛋白质的氨基酸残基和水作用的途径不同，所以溶解焓不仅与蛋白质分子 的构型有关，还取决于氨基酸残基的类型。相似相溶原则在此也适用。如：尿素 和小麦面筋蛋白的肽链结构相似，因此小麦面筋蛋白易被尿素提取；极性氨基酸 残基易与水作用。但是小麦面筋蛋白较其它蛋白的离子性低( 1 0 ) ，非极性氨基 酸含量高( 3 0 一4 0 ) ，易形成疏水相互作用；面筋蛋白中谷氨酰胺侧链含量高易 形成氢键。所以溶解面筋蛋白大分子时必须破坏疏水相互作用和氢键，这样一来 h 为正值。 在纯水中，水分子是通过氢键相互作用的。当溶质进入水分子体系时，氢键 必定被破坏，水分子体系表面形成孔穴。若为极性溶质，溶质分子易与水形成新 的氢键。而疏水性溶质进入空穴，水分子体系必须调整结构才能生成新的氢键。 而该过程使体系的有序度比纯水的高，那么s 为负值，即该过程是熵减的过程。 根据物理化学理论，一个熵的增加过程可以自发进行，而一个熵减的过程必须要 有外加的能量才能进行。 由此看来，方程( 1 ) 中的a g 为正值，自由能改变为正值，此过程在能量上是 不利的，难于白发进行，所以小麦面筋蛋白难溶于水。 小麦面筋蛋白的低溶解性限制了其在食品工业中的应用，提高小麦面筋蛋白 的溶解性己成为扩大小麦面筋蛋白应用范围的关键。为此，前人在改善小麦面筋 蛋白的溶解性方面作了大量的工作，概括起来，主要有两大类：物理方法和化学 方法。其中物理方法主要包括搅拌法。“、超声波法。”等；化学方法主要包括改 变溶液酸度“、采用离子型表面活性剂增溶、有机溶剂o “”、水解法“4 “” 等。前人研究改善小麦面筋蛋白溶解度所采用的物理、化学方法，在很多方面尚 有不足。例如有些物理方法会对蛋白质分子结构造成破坏“”；有的有机溶剂去除 很难不适用于食品生产等u “。 用于液态食品和饮料中的蛋白质必须拥有较高的溶解性，用于其它食品也需 要有一定的溶解度，然而，对于小麦面筋蛋白而言，溶解度显然是一个难以达到 的重要的功能指标。另外，食品体系本身可能引起溶解度问题。因此，如何提高 小麦面筋蛋白的溶解度仍是食品科技工作者需要解决的一项课题。 1 4 2 小麦面筋蛋白的乳化性 食品中脂肪和水的乳胶体，因为两相界面上的张力产生正的自由能，不易稳 定，而添加适量的蛋白质可以起到乳化稳定的作用。这是因为蛋白质具有乳化剂 的特征结构，即两亲结构，在蛋白质的分子中同时含有亲水性基团和亲油性基团。 在油水混合液中，分散蛋白质有扩散到油一水界面的趋势，并且使疏水性多肽部 4 第一章绪论 分展开朝向脂质，极性部分朝向水相，蛋白质分子聚集于油一水界面，使其表面 张力下降，i 促进脂肪和水形成油一水乳化液，形成乳化液后，乳化的油滴被聚集 在其表面的蛋白质所稳定，形成一种保护层。这个保护层可以防止油滴的聚积和 乳化状态的破坏。这就是通常所说的蛋白质的乳化性。蛋白质的乳化能力，在食 品中可以提高食品对脂肪的吸收和对脂肪的保存性，促进对脂肪的结合，从而减 少加工时脂肪的损失。另外，蛋白质的乳化能力还可以使食品组织均匀、细腻， 口感良好 蛋白质的乳化特性不仅与其内在质量有关，而且还受应用体系的影响。主要 影响因素是溶液的p h 值和离子强度。一般情况下，随着含盐量的降低( 即离子强 度下降) 和鄙值上升，蛋白质的乳化能力逐渐增强。在蛋白质的溶解度和乳化性 及乳化稳定性之间存在着一致的关系，不溶性的蛋白质对乳化作用的贡献很小， 因此小麦面筋蛋白的低溶解度是导致其乳化作用低的重要原因。并且，蛋白质在 等电点的溶解度是很低的，这就损坏了它促使形成乳化液的能力i 而小麦面筋蛋 白的等电点在p h 6 9 之间，这是多数食品所处的酸碱度范围，因此，小麦面筋 蛋白在许多食品中的乳化能力是很差的，这也大大限制了小麦面筋蛋白的应用范 围。 1 4 3 小麦面筋蛋白的起泡性 食品泡沫通常是气泡分散在含有可溶性表面活性剂的连续液体或半固体相 中的分散体系。在泡沫中称为薄层的薄液体层连续相将气泡分开，气液界面能 达到1m 2 i i l l 液体的水平。如同乳状液那样，在形成这个界面时需要机械能量。为 了保持界面而不使气泡聚集，通常需要加入表面活性剂。表面活性剂能降低界面 自由能，并能在截留的气泡之间形成一个弹性的保护壁垒。 一些蛋白质能通过吸附在气液界面形成一个保护膜。在这种情况下，两个 相邻的气泡之间的薄层是由被一薄层液体分开的两个吸附蛋白质膜所构成的。蛋 白质分子由于具有典型的两亲结构，因而在分散液中表现出较强的表面活性，具 有一定程度的降低界面张力的作用“”。当蛋白质的溶液受到快速机械搅拌时，会 有大量的气体混入，形成相当量的水一空气界面，溶液中的蛋白质分子吸附到水 一空气界面上来，降低其界面张力，促进界面形成。同时，由于蛋白质的部分肽 链在界面上伸展开来。并通过肽链间( 包括分子内和分子间) 的相互作用，形成一 个二维保护网络，使得界面膜得以加强，这样就促进了泡沫的形成与稳定。所谓 “稳定”，就是指泡沫形成以后能保持一定的时间，并具有一定的抗破坏能力， 这是实际应用的先决条件。 许多种类的食品泡沫以各不相同的结构形式存在。例如打擦发泡的加糖蛋 白、蛋糕、棉花糖及一些其他类型的糖果产品、起泡奶油、冰淇淋、啤酒泡沫和 面包等。在许多情况下，气体是空气( 偶尔也会是c 0 2 ) ，而连续相是含蛋白质的 水溶液或悬浊液。蛋白质的起泡特性对食品行业有着应用价值。 天然未变性的小麦面筋蛋白具有一定的发泡性和泡沫稳定性，但是同其乳化 江南大学硕士学位论文 性一样，由于没有良好的溶解性作为基础，其起泡性没有充分地发挥。采用各种 改性方法来提高小麦面筋蛋白的起泡性，是食品行业中一个很有前景的研究工 作。 1 4 4 小麦面筋蛋白的其他功能性质简述 1 4 4 1 吸水性和黏弹性 高质量的小麦面筋蛋白可吸收两倍面筋量的水。小麦面筋蛋白的这种吸水性 增加了产品得率，并可延长食品的货架期。麦谷蛋白是小麦面筋蛋白的主要功能 成分，它是一种多肽聚合物，在分子内和分子间都存在着二硫键( 一s s 一) ，二硫 键会产生黏弹性。如果还原二硫键，小麦蛋白的黏弹性降低；氧化，则黏弹性增 加。麦谷蛋白赋与面粉的功能就是黏弹性，黏弹性对于面包、蛋糕和饼干的质量， 有很大的影响。小麦面筋蛋白的吸水性和黏弹性相结合，就产生“活性面筋” ( v i t a lg l u t e n ) ，小麦湿面筋在干燥前烧煮，就会产生不可逆的变性，不再具有 吸水性和黏弹性，而是一种普通植物蛋白。 1 4 4 2 薄膜形成性 面筋在液体中即使水分过剩，仍然具有黏弹性，这是小麦面筋与其他一切食、 用蛋白的最大区别。这种特异性是由于小麦而筋极性低，只有1 0 ，而其它蛋白 质的极性高，通常为3 0 - 4 5 1 。因此小麦面筋能排出过量的游离水，使面筋互 相紧密地结合在一起而不分散，具有成团、成膜和立体网络的功能，这就是面筋 蛋白的薄膜形成性。由于足够压力而克服部分弹性，面筋内部就可形成c 0 ：和水 汽，使面筋呈海绵状或纤维结构，所产生的气体被连续相包围。对于活性面筋粉 ( 小麦面筋蛋白) 来说，吸水后的湿面筋保持了原有的自然活性及天然的物理状 态，具有黏弹性、延伸性、薄膜成型性和吸脂乳化性，这些均是小麦面筋蛋白功 能性质的体现且有很重要的应用价值。 1 5 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 玎 。 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) 四种方法进行陆0 1 。化学方法主要有酸水解。“5 “、酯化。、酰化 ”1 、磷酸化。”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” 5 ”；酶法主要采用某些酶来处理蛋白质”1 ；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“。 基因工程法，技术周期长，见效慢，目前仍处于实验室阶段。而物理改性方 6 第一章绪论 法对设备要求较高，因此尚未实用于食品工业。酶法改性虽反应条件温和，但专 一性强，反应速度较化学方法慢得多，生产周期长且成本昂贵，故在食品中的应 用仍不是主流。化学改性相对没有这些缺点，故化学改性始终为蛋白质改性的主 要方法。 1 6 1 小麦面筋蛋白的物理改性 物理法改性植物蛋白质研究很少，赵冬艳嘞1 等研究j p h 值为4 时小麦面筋蛋 白溶液在1 0 0 1 2 超级恒温水浴中处理2 0 m i n ，蒸煮热变性对小麦面筋蛋白结构影 响。赵冬艳等4 ”还研究了微波处理对蛋白质分子表面的结构和表面电荷的影响。 从参考资料中比较，湿热处理小麦面筋蛋白的功能性质较微波处理小麦面筋蛋白 的功能性质要好。 1 5 2 小麦面筋蛋白的化学改性 食品蛋白质化学的研究己充分表明，可以通过化学改性的方式改善蛋白质的 功能性质。史新慧等瞌6 1 研究了酸水解对小麦面筋蛋白功能性质的影响。m i t a 等“” 研究了甲酯化对小麦面筋蛋白功能性质的影响。张红印等睇1 研究了酰化对小麦面 筋蛋白功能性质的影响。f r a n z e n 等删研究了磷酸化对小麦面筋蛋白的功能性质 的影响。 在化学改性中，酰化是其中最常用的方法。常用的酰化改性试剂为乙酸酐和 琥珀酸酐，而对小麦面筋蛋白的功能性的改善效果来看，琥珀酸酐的效果比乙酸 酐要好。”。蛋白质的酰化作用是蛋白质分子的亲核基团( 例如氨基或羟基) 与酰化 试剂中的亲电子基团( 例如羰基) 相互反应而引入新功能基的过程。其反应式 可表示如下： 蛋白质一n h ：+ 琥珀酸酐一蛋白质一n h c o c h ：c h 。c o o - ( 琥珀酰化) 酰化试剂不仅要有选择性的与一种功能基团反应，而且发生亲核反应。这些基团 包括氨基( n 一末端的a 一氨基和赖氨酸的e 一氨基) ，苯环( 酪氨酸) 和脂肪族( 丝氨 酸和苏氨酸) 的羟基，巯基( 半胱氨酸) ，眯唑基( 组氨酸) 。赖氨酸e 一氨基是一种 最容易酰化的基团，由于它有相对高的活性和低的p k 值，更易参加反应。一般氨 基基团是在弱碱性的p h 7 5 - 8 5 范围内进行酰化反应“”。酰化后的蛋白质分子表 面电荷下降，多肽链伸展和空间结构改变导致分子柔韧性提高，从而增加了蛋白 质的溶解性、持水束油性、乳化性和起泡性，改善了蛋白质产品的风味旧1 。特定 功能特性的改善程度取决于反应条件，尤其是酰化作用的类型和程度。本文选用 湿热一琥珀酸酐酰化这个物理和化学方法相结合的方法对小麦面筋蛋白进行改 性。 1 6 湿热处理一琥珀酸酐酰化改性小麦面筋蛋白的可行性 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 7 江南大学硕士学位论文 好的经济效益。化学改性是在蛋白质分子经过湿热处理以后，结构充分展开的基 础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“”。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”1 。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。 1 7 立题背景和意义 小麦面筋蛋白在生产上己作为改良剂来改变食品，特别是烘焙食品的物理性 质以及饲料的黏着性和组织性，但由于面筋蛋白含有较多的疏水性氨基酸，分子 内疏水作用区域较大，溶解性较低，限制了小麦面筋蛋白在食品中的利用范围”1 。 并且在实际生产中，活性面筋粉( 小麦面筋蛋白) 在水中易水化而形成小面筋球， 这不但不能发挥其增加面团结构的作用，还会阻碍面团中其它面筋在食品中的应 用范围”1 。因此，利用一定的物理、化学、酶法对小麦面筋蛋白进行改性，改善 面筋蛋白的一些物理化学性质，提高其功能特性，就可以拓宽小麦面筋蛋白的应 用范围，满足食品工业中多种功能的需要，为中高档食品生产提供系列化的改性 植物蛋白，以适应作为不同食品改良剂的目的。 1 8 本课题研究主要内容 ( 1 ) 本课题主要研究小麦面筋蛋白的湿热一琥珀酸酐酰化复合变性，以改 善其功能特性，对其工艺进行优化。 ( 2 ) 变性前后的小麦面筋蛋白的变性温度以及其二级结构的变化做初步 分析。 ( 3 ) 变性后的小麦面筋蛋白在中国传统肉丸制品中的应用作些探索性的 工作。 第二章湿热一琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白的制备 第二章湿热琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白的制备 2 1 引言； 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呻“， 而对于小麦面筋蛋白的复合变性的报道国内外比较少见。本章选用湿热和琥珀酸 酐酰化相结合的方法对小麦面筋蛋白进行改性，研究其对小麦面筋蛋白的功能性 改善作用。 2 2 实验材料与方法 2 2 1 实验材料 小麦面筋蛋白 琥珀酸酐 氢氧化钠 盐酸 2 2 2 实验仪器 电子天平 a r a r a b l 0 4 一n 型 可调高速均浆器f s 一1 型 干燥箱1 0 1 h l 型 烘箱3 0 3 型 离心沉淀器8 0 0 型 超级恒温器5 0 1 型 精密酸度计p h s - 2 c 型 恒温玻璃水浴6 一l 型 离心沉淀机l x j i i 型 微型高速粉碎机x a l 型 迪转式恒温调速摇瓶柜 h 1 g i ia 电动搅拌机6 5 1 1 型 2 2 3 实验方法 河南安阳恒泰小麦面粉有限公司 国药集团化学试剂有限公司 中国医药集团上海化学试剂公司 中国医药集团上海化学试剂公司 上海第二天平仪器厂 江苏金坛荣华仪器制造有限公司 中华人民共和国上海市实验仪器厂 新力仪器制造厂 上海手术器械厂 上海实验仪器厂有限公司 上海精密科学仪器有限公司 上海标兵模型厂 上海医用分析仪器厂 江苏江堰市实验仪器厂 上海欣蕊自动化设备有限公司 上海标兵模型厂 2 2 3 1 湿热一琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白的制取方法 将小麦面筋蛋白配置成一定质量分数的悬浮液，调节p h 值，在恒温水浴锅 加热一定时间，以2 m o l l 的h c l 或n a o h 调节p h 值，加热完冷却至所需温度， 调节到所需p h ，分批加入琥珀酸酐反应，用2 m o l l 的n a o h 调节p h 值，反应 9 江南大学硕士学位论文 完成后中和，3 0 0 0 r m i n 离心l o m i n ，取沉淀4 5 c 下鼓风干燥，粉碎，得产品。 工艺流程： 水h c i - 飙o h 琥珀酸酐h c l i +i 小麦面筋蛋白- 悬浮液一湿熟反应- + 冷却一酰化反应一中和一离心一千燥一狗碎一产品 1 弭a 0 h 2 2 3 2 水分质量分数的测定10 5 ( 2 恒重法”“ 2 2 3 3 粗蛋白测定：微量凯氏定氮法m 1 ( k - 5 7 ) 2 2 3 4 乳化度的测定 配制质量分数为1 ( 干基) 的小麦面筋蛋白质溶液，取2 5 m l 该溶液加入2 5 m l 大豆色拉油，在匀浆机中以1 0 0 0 0 r m i n 的速度搅打3 0 s ，分成两等份，一份在 1 0 0 0 r m i n 下离心1 0 m i n ，记录乳化层的体积。按下式计算乳化度： 、 v 乳化度( ) 2 寺1 0 0 式中：v , - - - 乳化层体积，l i j ； v z - - - 总体积，i i l l 。 2 2 3 5 乳化稳定性的测定涮 取2 3 3 中所制得的另一份乳状液，在8 0 水浴中保温3 0 m i n ，再用自来水 冷却至室温，1 0 0 0 r m i n 下离心l o m i n ，记录乳化层的体积。按下式计算乳化稳 定性： 、， 乳化稳定性( ) 2 争x 1 0 0 2 式中：v , - - - 乳化层体积，i l ； v 2 - - - 总体积：l 。 2 2 3 6 起泡性及起泡稳定性测定0 2 1 准确称取一定质量的面筋蛋白质，配制成质量分数( 干基) 1 的溶液置于 装料杯中，在可调高速均浆器中固定转速搅打l m i n ，迅速倒入1 0 0 m l 的量筒中， 记录泡沫体积，以此表示起泡能力大小。按下式计算起泡性： 、， 起泡性( ) = 1 0 0 v 2 式中：v ，泡沫体积，m l ； v 2 - - - 加入水的体积，m l 。 静置l o m i n 后，再次测量泡沫体积，即为泡沫稳定性。按下式计算起泡稳定性： 1 0 第二章湿热一琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白的制各 起抱稳定性( ) ：i 1 0 0 v 式中：y 。- - - 泡沫体积，m l ： v 。一加入水的体积，m l 。 2 2 3 7 改性小麦面筋蛋白中羧基质量分数的测定1 准确称取绝干的样品约2 9 ，置于2 5 0m l 容量瓶中，加入5 0 m l 蒸馏水混匀， 再加3 滴酚酞指示剂，然后用0 1 m o l l 氢氧化钠溶液滴定至微红色不消失为终 点，再加入2 5 m l 0 5 m o l l 氢氧化钠标准溶液，小心不要弄湿瓶口，机械振荡3 0 m i n 皂化，用洗瓶冲洗容量瓶的瓶壁，用0 5 m o l l 的盐酸标准溶液滴定，至粉红色 消失为终点。 空白实验：准确称取原料小麦面筋蛋白约2 9 ( 干基) ，测定步骤与上述一致。 琥珀酰基以- - o o c c h 2 c h 厂c o 一计。 酰化反应按下式计算： a = ( v 删2 - v i w i ) m x0 1 0 0x1 0 0 式中a 样品的琥珀酰基的质量分数，； v 。样品耗用的盐酸标准溶液的体积，n i l ： v 2 _ 一原料耗用的盐酸标准溶液的体积，m l ： m 一盐酸标准溶液的浓度，m o l l ； 0 1 0 0 一与1m l 浓度为1 0 0 0 m o l l 标准溶液所相当的琥珀酰基的质量，g ； w l 一样品干基质量，g ； w 厂空白样品干基质量，g 。 2 2 3 8 反应效率的计算 n = ( a m ) 1 0 0 a 一样品中的琥珀酰基的质量分数( 干基) ，； m 一加入反应的琥珀酸酐质量分数( 以小麦面筋蛋白干基计) ，。 2 2 3 9 溶解度的测定 6 3 1 称取一定量的样品，放入4 0 0 m l 的烧杯中，量取3 0 * c 2 0 0 m l 蒸馏水，加入烧 杯中，再将样品慢慢加入。调节所需p h 在3 0 。c 恒温震荡水浴锅中震荡2 h 。然后 将混合液在1 5 0 0 r m i n 下离心1 0 m i n 后，将上清液倒入铺有滤纸的漏斗中，注意 不要倒入离心的固状物，用1 0 0 m l 烧杯收集滤液。移取一定量清液用凯氏定氮测 含氮量。 2 2 3 1 0 各相关因素对产物功能性的影响 ( 1 ) 湿热处理时p h 对乳化性的影响： 取湿热处理时p h 为3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 ，7 0 这5 个梯度进行实验。其余条 件定为：小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 1 0 ，湿热处理温度9 0 c ，时间2 0 m i n ， 琥珀酸酐酰化处理温度4 5 。c ，p h 为8 5 ，琥珀酸酐质量分数为1 0 ( 以小麦面 江南大学硕士学位论文 筋蛋白干基计) 。 ( 2 ) 湿热处理时温度对乳化性的影响 取湿热处理时温度为6 0 c ，7 0 ( 2 ，8 0 。c ，9 0 c ，1 0 0 c 5 个梯度进行实验。 其余条件定为：湿热处理p h 为6 ，时间2 0 m i n ，琥珀酸酐酰化处理温度4 5 c ， p h 为8 5 ，琥珀酸酐质量分数为1 0 ( 以小麦面筋蛋白干基计) 。 ( 3 ) 湿热处理时间对乳化性的影响 取湿热处理时间为1 0m i n ，2 0r a i n ，3 0m i n ，4 0m i n ，5 0m i n 5 个梯度进行实 验。其余条件定为：小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 1 0 ，湿热处理p h 为6 ，温度 为9 0 c ，琥珀酸酐酰化处理温度4 5 c ，p h 为8 5 ，琥珀酸酐质量分数为1 0 ( 以 小麦面筋蛋白干基计) 。 ( 4 ) 小麦面筋蛋白浓度对乳化性的影响 取小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 为5 o ，7 5 ，1 0 o ，1 2 5 ，1 5 0 5 个梯度进行实验。其余条件定为：湿热处理p h 为6 ，温度为9 0 c ，时间为3 0 m i n ， 琥珀酸酐酰化处理温度4 5 。c ，p h 为8 5 ，琥珀酸酐质量分数为1 0 ( 以小麦面筋 蛋白干基计) 。 、 ( 5 ) 酰化时琥珀酸酐用量对乳化性的影响 取琥珀酸酐质量分数为5 o ，7 5 ，1 0 0 ，1 2 5 ，1 5 0 5 个梯度进行实 验( 以小麦面筋蛋白干基计) 。其余条件定为：小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 7 5 ， 湿热处理p h 为6 ，温度为9 0 c ，时间为3 0 m i n ，琥珀酸酐酰化处理温度4 5 c ， p h 为8 5 。 ( 6 ) 酰化时温度对乳化性的影响 取酰化时温度为3 5 c ，4 0 c ，4 5 c ，5 0 c ，5 5 。c 5 个梯度进行实验。其余条 件定为，小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 7 5 ，湿热处理p h 为6 ，温度为9 0 c ， 时间为3 0 m i n ，琥珀酸酐酰化处理p h 为8 5 ，琥珀酸酐质量分数为1 5 ( 以小麦 面筋蛋白干基计) 。 ( 7 ) 酰化时p h 对乳化性的影响 取酰化时p h 为7 5 ，8 o ，8 5 ，9 0 ，9 5 这5 个梯度进行实验。其余条件定 为，小麦面筋蛋白质量分数( 干基) 7 5 ，湿热处理p h 为6 ，温度为9 0 。c ，时间 为3 0 r a i n ，琥珀酸酐酰化处理时温度为4 0 c ，琥珀酸酐质量分数为1 5 ( 以小麦 面筋蛋白干基计) 。 2 2 3 1 1 正交实验因素的确定 影响小麦面筋蛋白的因素很多，实验分别对小麦面筋蛋白质量分数，湿热反 应时的温度，p h ，时间，琥珀酸酐酰化时的温度，p h ，琥珀酸酐质量分数分别进 行单因素实验，并根据结果确定了以小麦面筋蛋白质量分数，湿热反应时的温度， p h ，以及琥珀酸酐质量分数进行四因素三水平正交实验。四因素三水平正交实验 表设计如表2 1 。 1 2 第二章湿热一琥珀酸酐酰化小麦面筋蛋白的制各 表2 1 因