不同面筋蛋白对淀粉糊化特性的影响

1、不同面筋蛋白对小麦淀粉糊化特性的影响陈建省1，田纪春1，吴 澎1，邓志英1，郭启芳1，刘金栋2（1山东农业大学小麦品质育种研究室/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018， 2中国农业科学院，北京100081）摘要：【目的】淀粉和面筋蛋白是小麦面粉中的主要成分，两者的相互关系与面粉的用途及加工品质密切相关。研究不同类型面筋蛋白对淀粉糊化特性影响的规律，为研究食品加工过程中面筋蛋白与淀粉相互作用及小麦品质育种改良提供依据。【方法】以3个不同小麦品种淀粉（2个普通小麦，1个糯性小麦）为试验材料，添加3种类型的面筋蛋白（强筋，中筋和弱筋），5个添加量处理，分析淀粉和面筋种类及其交互作用对淀粉

2、糊化特性的影响。【结果】淀粉是糊化特性的决定因素，面筋蛋白质直接或通过淀粉交互作用显著影响糊化特性。淀粉和面筋蛋白类型交互作用对峰值黏度、黏度面积、稀懈值、糊化起始时间有极显著影响；淀粉和面筋蛋白含量的交互作用对除了糊化温度和糊化起始时间外的其它糊化指标都有极显著或显著的影响；面筋蛋白类型对稀懈值影响按其降低作用大小的顺序为：弱筋中筋强筋；面筋蛋白添加量对淀粉稀懈值和反弹值的影响因淀粉种类的不同呈现显著差异。【结论】淀粉本身特性决定糊化特性，面筋蛋白的数量和类型直接或通过与淀粉的交互作用对淀粉糊化特性产生显著影响。关键词：小麦；面筋蛋白；淀粉；糊化特性effect of different g

3、luten on pasting properties of wheat starchchen jian-sheng1, tian ji-chun1, wu peng2, deng zhi-ying1 , guo qi-fang，liu jin-dong1(1state key laboratory of crop biology /group of wheat quality breeding， 2 college of food science and engineering of shandong agricultural university, taian 271018, shando

4、ng )abstract: 【objective】 starch and gluten are the most abundance ingredients in wheat flour, the interaction of them are closed related to the utilization of flour and processing quality. effect of different gluten on pasting properties of wheat starch was studied to provide scientific basis for f

5、urther study on interaction of gluten and starch and quality improvement for wheat breeding. 【method】 the pasting properties of slurry were analyzed using three kind of wheat starch (two no-waxy starch and on waxy-starch) mixed with five different additions of three kinds of gluten (strong-gluten, m

6、edium-gluten and weak-gluten)【result】 characters of starch is the determining factor of pasting properties; gluten type and gluten concentration directly or through interacting with starch affected pasting properties significantly. interaction of type of starch and gluten affected significantly on p

7、eak viscosity, integral area setback and pasting onset time; interaction of starch and gluten concentration affected notably on all the pasting properties parameters except for pasting temperature and pasting onset time; the order of the negative effect of different gluten on breakdown was weak-, me

8、dium- and strong-gluten; the effect of gluten concentration was different resulted from the different of waxy and non-waxy starch.【conclusion】characters of starch determined pasting properties. gluten concentrations and types affected directly or through the interacting with starch significantly on

9、pasting properties. key words: wheat；gluten；starch；pasting properties0 引言【研究意义】 面筋蛋白和淀粉是小麦面粉的主要成分，两者的含量和质量以及两者的相互关系是面粉用途和加工品质的决定因素。淀粉糊化是淀粉的重要性质之一，各类面制食品在加工过程中通常都会发生淀粉糊化现象。面筋蛋白决定面团的粘弹性，是影响面团流变学特性的关键。明确面筋蛋白对淀粉糊化特性的作用，对深入研究加工过程中面筋蛋白和淀粉相互关系及小麦品质改良有重要意义。【前人研究进展】淀粉糊化特性主要由淀粉粒大小和比例、直链淀粉含量、直链淀粉与支链淀粉的比例等本身特性决

10、定1，还受到淀粉酶活性以及糊化体系中影响水分活性的其他组分如糖分2，蛋白质等的影响。前人研究表明，蛋白质/面筋通过影响热量传递和竞争可利用水分显著影响淀粉糊化特性3-8 。目前，有关面筋蛋白对糊化体系热能特性的影响因为测试技术和试验材料等原因报道不一致。champenois等9利用热量仪研究发现面筋蛋白降低剪切模量(g) 、损耗模量(g)和淀粉凝胶的弹性；但lindah等10认为面筋对不同类型的淀粉热学特性的影响不一样: 面筋蛋白会增加小麦和黑麦淀粉的剪切模量、降低玉米淀粉的剪切模量，而对大麦、黑小麦和马铃薯淀粉的粘弹性没有影响；eliasson等4用示差扫描量热法（dsc）研究发现，随着面筋

11、蛋白/淀粉比例的增加，淀粉糊化焓变（h）降低而糊化峰值温度升高， monhamed等7利用dsc和热量分解重量计（tga）研究也有一致的报道。chen等11研究认为面筋蛋白的添加会增加小麦面粉的淀粉糊化温度和糊化时间，而ottenhof等12通过研究认为面筋蛋白不会对淀粉的糊化的动力学、支链淀粉回生的程度和多态性发生影响。【本研究切入点】面筋蛋白不仅从数量方面影响糊化体系中淀粉的浓度，其分子量大小和结构方面以及与淀粉产生相互作用也影响糊化特性。虽然，国内外围绕面筋蛋白与淀粉糊化特性方面开展有关的研究11-15，但影响的作用机理和规律尚不清楚9, 11。【拟解决的关键问题】本文利用快速黏度仪（r

12、va）测定3个不同小麦品种淀粉中添加3种不同类型的面筋蛋白（5个添加量）对淀粉糊化特性的影响，以期阐明面筋蛋白类型和添加量对普通小麦和糯性小麦淀粉糊化特性影响的规律，为深入研究小麦淀粉和面筋蛋白在加工过程中的相互作用提供理论依据，并为小麦育种品质改良提供参考。1 材料与方法1.1 试验材料选用具有不同筋力的2个普通小麦品种（系）为材料，其中师滦02是强筋小麦，优麦2号是中筋小麦，sun39为弱筋糯性小麦新品系。3个品种的主要品质指标见表1, 表2。表1 三个品种面粉的蛋白质品质特性table 1 flour protein quality of three cultivars品 种cultiv

13、ars蛋白质干基含量protein （%）面筋指数gluten index（%）湿面筋含量（14%水分基）wet gluten（14% water base）面团稳定时间stability（min）蛋白质亚基组成composition of hmw-gs师滦02shiluan 0213.4091.336.518.2n， 14+15，5+10,优麦2号youmai 212.2050.335.94.11，14+15, 2+12sun3911.502.8522.11.81，7+8, 2+12表2 三个品种淀粉的糊化特性table 2 starch pasting properties of thre

14、e cultivars淀粉糊化特性pasting properties峰值粘度peak(cp)低谷粘度trough(cp)最终粘度final(cp)粘度面积area(cp*min)稀懈值breakdown(cp)反弹值setback(cp)峰值时间peak time(min)糊化温度pasting temp()糊化时间pasting time(min)师滦02shiluan 02107980312627565.392764596.3387.854.13优麦2号youmai 2104480310477168.122412446.8088.854.20sun3944031579208122128.

15、5128245023.1359.001.801.2试验方法1.2.1面粉磨制 使用德国brabender senior 实验磨，按aacc 26-21a 方法15制粉。sun39, 优麦2号润麦时间18h , 含水量14.0%；师滦02润麦24 h，含水量16.0%。3个品种小麦的出粉率均在70%左右。4下保存备用。1.2.2 面粉粗蛋白含量测定 用瑞典perten 公司产8620型近红外仪测定。1.2.3 面筋蛋白及纯淀粉的制取与粉碎 参考macritchie 的方法16 , 略有改动。用氯仿(氯仿/面粉为v/w =21) 提取面粉34 次，然后在15下，将脱脂面粉用手洗法(蒸馏水/面粉为v

16、/w = 21) 洗涤6 次，得到湿面筋；洗涤液5000g 下离心10 min，弃上清液，沉淀为淀粉；将面筋和淀粉抽空干燥，用jfsd-100型粉碎机粉碎后，过160 m 筛，4保存备用。师滦02，优麦2号，sun这3个品种的淀粉分别用a1、a2、a3表示，面筋蛋白分别用b1、b2,、b3表示。1.2.4 湿面筋含量及面筋指数的测定 用瑞典perten公司生产的2200型面筋洗涤仪，测定方法按icc-155标准17，面粉10g，湿面筋换算成14湿基。利用perten centrifuge2015离心机，经5000g离心1min，称量通过筛网的面筋和总面筋的量，两者的比值即为面筋指数。1.2.5

17、 水分含量的测定：基础面粉、面筋和淀粉的水分含量按照gb5497-85方法18测定。1.2.6 面筋蛋白与淀粉的组配 用万分之一天平分别称取14%水分基的各种纯淀粉2.30、2.25、2.20、2.15、2.10g，按要求分别添加折合14%水分基的不同类型面筋蛋白0.20、0.25、0.30、0.35、0.40g，使得面筋与淀粉总重为2.50 g（14%水分基）。测定前淀粉与面筋蛋白混合均匀，面筋蛋白的添加量分别为0%（纯淀粉对照）、8%、10%、12%、14%、16%，用c1、c2、c3、c4、c5、c6表示。面筋蛋白与淀粉的混配比例范围为10/9018/82，包含面粉中两者的自然比例12/

18、88。1.2.7 淀粉糊化特性的测定 用澳大利亚新港公司制造的super3-rva型黏度仪。测定模式选用标准方法1和标准分析方法1。测定起始温度50，960 r/min混合10 s，测定速度为160 r/min，糊化阶段从50升温至95，耗时4 min32 s，然后95恒温3 min30 s，随后从95降温至50耗时3 min48 s，50恒温2 min，整个测试共计13 min。每个样品重复3次。1.2.8 面粉粉质参数 用德国brabender公司生产的810104型电子粉质仪按aacc-54-21方法15 测定，用50 g揉面钵。1.2.9 高分子量麦谷蛋蛋白质亚基组成分析 高分子量麦谷

19、蛋白亚基的提取和sds-page电泳参考刘现鹏方法19。1.3 统计分析利用dps 7.05统计软件。2结果与分析2.1面筋蛋白对淀粉峰值黏度、低谷黏度和最终黏度的影响由图1和表3表明，随着强筋、中筋和弱筋蛋白含量的升高，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积都有极显著的降低，不同添加量处理之间都存在显著或极显著的差异。其中添加8%面筋蛋白，糊化体系峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积比纯淀粉的相应指标分别降低了26%，17%，14%，18%；当面筋蛋白含量增加到16%时，以上指标分别降低44%，36%，29%，34%。平均每增加2%的面筋蛋白，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积分别降低

20、4.5%，5%，4%，4%。降低的幅度超过单纯的含量替代比例的2倍。由此可见引起以上糊化指标的降低，不是简单物质的替代。强筋和中筋面筋蛋白类型之间对以上四项指标的影响差异不显著，但它们与弱筋面筋之间的差异存在的极显著。普通小麦淀粉与糯性淀粉之间以上四项指标存在极显著差异，这主要是由于支链和直链淀粉之间的差异引起的，说明淀粉类型是淀粉糊化特性的直接因素。虽然强筋和中筋小麦的两种淀粉之间没有显著差异，但从面筋的显著性检验分析，面筋蛋白类型对以上淀粉糊化指标却起着显著和极显著的影响。从三个因素的交互作用分析，淀粉类型和面筋蛋白含量的交互作用对四项指标都有显著的影响；淀粉类型和面筋类型对峰值黏度和黏度

21、面积有极显著影响，但对低谷黏度和最终黏度没有显著差异。面筋蛋白类型和含量的交互作用对淀粉糊化特性指标没有影响；三因素的交互作用对峰值黏度和黏度面积有显著影响。表3 添加面筋蛋白对淀粉峰值黏度、低谷黏度和最终黏度的影响table 3 peak viscosity，trough，final viscosity of blends糊化特性pasting properties淀粉类型starch type平均值mean面筋类型gluten type平均值mean面筋添加量addition平均值mean显著性检验significant testp值p value峰值黏度（rvu）a1807.5 bb11

22、577.4 a c12175.3 a a0.0001peak viscosity（rvu）a2782.8 bb21551.1 a c21609.1 b b0.0001a33041.8 ab31503.5 b c31517.2 c c0.0001c41413.4 d ab0.0001c51325.8 e ac0.0001c61223.2 f bc0.6433abc0.0053低谷黏度 (rvu)a1523.8 c b1838.1 a c11061.7 a a0.0001trough (rvu)a2588.7 b b2835.2 ab c2877.1 b b0.050a31377.9 a b381

23、7.1 b c3826.8 c c0.0001c4784.2 d ab0.3706c5749.8 e ac0.0374c6681.2 f bc0.7562abc0.0680最终黏度(rvu)a1931.0 b b11213.9 a c11463.3 a a0.0001final viscosity（rvu）a2873.7 c b21213.1 a c21260.8 b b0.0081a31806.9 a b31184.7 b c31203.2 c c0.0001c41144.2 d ab0.1072c51106.4 e ac0.0002c61045.2 f bc0.8386abc0.0351黏

24、度面积a15333.0 b b19697.6 a c112287.3 a a0.0001area of viscosity (rvu*min)a25389.6 b b29745.5 a c210060.3 b b0.0081a318161.9 a b39441.4 b c39568.8 c c0.0001c49075.4 d ab0.0136c58714.6 e ac0.0001c68062.6 f bc0.7925abc0.0089g1、g2、g3表示山农12、优麦3号、ph1391这3个品种面筋蛋白；a0、a1、a2、a3、a4、a5表示面筋蛋白的添加量0%（纯淀粉对照）、10%、12%、

25、14%、16%、18%。数据后不同字母表示处理间差异达0.05显著水平。下表同。g1: shannong 12 gluten; g2:youmai 3 gluten; g3: ph1391 gluten. a0: 0% gluten (pure starch); a1: 10% gluten; a2: 12% gluten; a3: 14% gluten; a4: 16% gluten; a5: 18% gluten. values followed by a different letter are significantly different at 0.05 probability le

26、vel. the same as table 3 and table 4a b c a b c图 1 不同含量面筋蛋白对不同品种淀粉糊化特性的影响figure 1 effect of different gluten on pasting properties of starcha, b, c分别代表师滦02，优麦2号和sun39 淀粉；a, b, c, 分别代表添加师滦02，优麦2号和sun39不同含量的面筋蛋白a, b, c shows shiluan 02, youmai 2 and sun 39 starch; a, b, c shows different addition leve

27、ls of shiluan 02, youmai 2 and sun 39 gluten 2.2 面筋蛋白对淀粉稀懈值和反弹值的影响面筋蛋白含量对稀懈值的影响明显分为两种情况（图1，表4），面筋蛋白添加量对糯性淀粉稀懈值的影响呈现显著影响，原因是由于糯性淀粉峰值黏度随着面筋蛋白含量的增加而降低的幅度显著超过低谷黏度的降低幅度，从而使得两者的差值即稀懈值（稀懈值数值上等于峰值黏度减去低谷黏度）发生显著的变化。但面筋蛋白含量对普通小麦淀粉的稀懈值影响差异不显著，原因是普通淀粉的峰值黏度随面筋含量的增加而降低的幅度接近低谷黏度的降低幅度，从而使得稀懈值没有显著的变化。面筋蛋白类型对稀懈值影响有显著差

28、异，按其降低作用大小的顺序为：弱筋中筋强筋。面筋蛋白类型和淀粉种类的交互作用以及面筋含量与淀粉的交互作用对稀懈值都有极显著的影响。反弹值主要由淀粉本身特性决定，面筋在一定含量范围内通过与淀粉的交互作用对其产生影响。面筋蛋白类型对反弹值影响因糯性淀粉和普通淀粉的差异而不同。其中面筋蛋白类型对糯性淀粉的影响没有显著差异，而对普通淀粉的影响差异显著；但总体表现为面筋蛋白类型对反弹值没有显著差异。随着面筋蛋白含量的增加，反弹值呈现下降趋势，但在面筋蛋白含量超过12%后， 添加量处理间没有显著差异。从交互作用分析，淀粉和面筋蛋白含量及三因素的交互作用对反弹值有显著的影响。表4 供试样品淀粉稀懈值和反弹值

29、table 4 breakdown and setback of blends糊化特性pasting properties淀粉类型starch type平均值mean面筋类型gluten type平均值mean面筋添加量addition平均值mean显著性检验significant testp值p value稀懈值 (rvu)a1283.7 b b1739.4 a c11113.7 a a0.0001breakdown (rvu)a2194.1 c b2715.9 b c2732.0 b b0.0005a31663.8 a b3686.4 c c3690.4 c c0.0001c4629.2

30、d ab0.0001c5576.0 e ac0.0001c6542.0 f bc0.6378abc0.0301反弹值 (rvu)a1407.2 b b1375.8 a c1401.7 a a0.0001setback (rvu)a2285.0 c b2377.8 a c2383.7 ab b0.3374a3429.0 a b3367.6 a c3376.4 bc c0.0021c4360.0 c ab0.223c5356.7 c ac0.0001c6 352.0 c bc0.8622abc0.04012.3 面筋蛋白对淀粉峰值时间、糊化温度和糊化起始时间的影响由表5可知，淀粉的峰值时间主要是由

31、淀粉决定的，面筋类型和添加量虽然不是直接的影响因素，但它们与淀粉的交互作用显著的影响峰值时间。淀粉是糊化温度和糊化起始时间的决定因素，但淀粉糊化温度和糊化起始时间因面筋蛋白的添加而增加。其中，8%的面筋含量使得淀粉糊化温度和糊化起始时间平均值分别比纯淀粉的糊化温度（78.60）和糊化起始时间（3.38分钟）升高1.43和0.11分钟。随着面筋蛋白添加量由8%升高到16%，淀粉糊化温度和糊化起始时间却没有明显的变化，平均值最高值与最低值之差只有1.04和0.09分钟，虽然添加量处理之间差异不显著，但是面筋含量仍是重要的影响因素。面筋蛋白类型对糊化温度和糊化起始时间的影响差异不显著。表5 供试样品

32、淀粉峰值时间、糊化温度、糊化起始时间table 5 pasting temperature, pasting time and peak time of blends糊化特性pasting properties淀粉类型starch type平均值mean面筋类型gluten type平均值mean面筋添加量addition平均值mean显著性检验significant testp值p value峰值时间 (min)a16.05 b b15.30 a c15.42 a a0.0001peak time (min)a26.32 a b25.28 a c25.35 b b0.7621a33.51 c

33、 b35.30 a c35.27 c c0.0001c45.27 c ab0.0169c55.24 c ac0.0001c65.21 c bc0.7498abc0.050糊化温度 ()a188.97 b b179.91 a c178.60 c a0.0001pasting temperature ( )a289.66 a b279.80 a c280.03 ab b0.7898a360.78 c b379.69 a c379.99 ab c0.0043c480.16 ab ab0.3012c579.49 bc ac0.5592c680.53 a bc0.4289abc0.2021糊化起始时间

34、(min)a14.21 b b13.48 a c13.38 c a0.0001pasting time (min)a24.27 a b23.47 a c23.49 ab b0.753a31.92 c b33.46 a c33.48 ab c0.0069c43.50 ab ab0.2702c53.44 bc ac0.6193c63.53 a bc0.4167abc0.04503讨论本研究发现面筋蛋白含量升高，使得淀粉糊化体系的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和黏度面积都有极显著的降低，降低的幅度超过单纯的含量替代比例的2倍；并且淀粉类型、面筋类型和面筋蛋白含量的交互作用对淀粉糊特性指标有显著的影响，

35、充分说明面筋蛋白对糊化指标的影响不是简单的物质的替代。面筋蛋白主要是由麦谷蛋白和醇溶蛋白组成的大分子物质，面筋蛋白种类不同，其麦谷、麦醇溶蛋白亚基组成不同，分子量有差异较大；另外，支链和直链淀粉种类不同，其分子量和结构也有较大差异。因此，糊化体系中面筋蛋白与淀粉糊彼此之间形成的不同结构和分子量大小的网络复合物以及蛋白质分子的阻碍作用和水合作用也是影响淀粉黏度特性的重要原因20, 21。yasunaga等14发现木瓜蛋白酶水解蛋白导致糊化体系黏度的显著降低的主要原因之一是由于蛋白质分解为比天然蛋白质分子量降低的多肽，导致峰值黏度降低。renzetti等13也发现蛋白质水解会降低大米的初始黏度。x

36、ie等8利用蛋白酶水解蛋白和 dtt 打断蛋白二硫键的方法研究蛋白质对淀粉糊化影响发现，蛋白质的不同变性方式对大米黏度特性的影响因糯性和非糯性淀粉的差异而表现显著的差异， ddt会降低非糯性大米品种稀懈植，却增加非糯性大米品种的稀懈植。这与本文发现的面筋蛋白对稀懈值和反弹值的影响因糯性淀粉和非糯性淀粉而表现出显著的差异的研究结果相吻合。可见面筋蛋白和淀粉的分子量及结构的变化直接或间接的影响糊化体系的黏度特性。 eliasson等4研究发现提高面筋蛋白含量会降低淀粉糊浆的焓变（h）而升高淀粉糊的峰值温度24，认为是由于可利用水分从淀粉中转移到蛋白质中降低了淀粉的糊化度引起的。mohamed等7也

37、有面筋蛋蛋白降低焓变的一致的报道。champenois等9 研究表明面筋蛋白降低了淀粉糊和淀粉凝胶的弹性剪切模量(g)和损耗剪切模量(g)。因此，虽然研究者一致认为蛋白质影响糊化体系能量的传递和转化，但影响机理尚不清楚。为深入探讨蛋白的热学特性，许多学者开展了蛋白质酶解或化学变性蛋白对糊化体系热学特性的影响，wang等22发现木瓜蛋白酶解蛋白降低淀粉糊化体系的g,结果与wu等23发现生物谷氨酰胺转移酶显著增加g和 g的影响恰好相反。原因是谷氨酰胺转移酶是与木瓜蛋白酶的水解性质相反的聚合酶，催化蛋白质中赖氨酸上的-氨基和谷氨酸上的-羟酰胺基之间的发生结合反应，从而导致蛋白质（或多肽）之间发生共价

38、交联形成较大的共价聚合物，改变了蛋白质的结构，使内部的疏水性氨基酸暴露出来，增加了蛋白质的表面疏水性，同时也使蛋白质分子之间彼此连接形成空间网络结构。本研究发现面筋增加糊化体系的糊化温度，并认为淀粉特性及其与面筋蛋白含量的交互作用是决定糊化温度的主要因素，chen等11，olkku等24 也有一致的报道，并认为面筋蛋白通过与淀粉表面分子形成复合物，阻止了淀粉颗粒渗出物，是导致淀粉糊化温度升高的重要原因。可见，以上研究虽然证实了面筋蛋白的分子量、结构以及与淀粉的相互作用是影响糊化体系热学特性的重要原因，但其机理尚不清楚，值得进一步深入研究。4结论淀粉是糊化特性的决定因素，面筋蛋白的数量和类型通过

39、与淀粉的交互作用对淀粉糊化特性产生显著影响。淀粉和面筋蛋白类型交互作用对峰值黏度、黏度面积、稀懈值、糊化起始时间有极显著影响；淀粉和面筋蛋白含量的交互作用对除了糊化温度和糊化起始时间外的其它糊化指标都有极显著或显著的影响；面筋蛋白类型对稀懈值影响按其降低作用大小的顺序为：弱筋中筋强筋；面筋蛋白添加量对淀粉稀懈值和反弹值的影响因淀粉种类的不同呈现显著差异。references1 tsai c y. the function of waxy locus in starch synthesis in maize endosperm. biochemical genetics, 1974, 11: 8

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