摘 要：明确真空和面对低水分面条面团中谷蛋白大聚合体（glutenin macropolymer，GMP）特性的影响，有助于探讨真空和面改善面条质地的化学结构基础，该研究以3个小麦品种（郑麦366、宁春4号、济麦22）磨制的面粉为材料，在不同真空度（0、0.06、0.08 MPa）下和面，和面时间为8 min，测定面团中GMP含量及粒度分布，并采用Ellman试剂比色法分析蛋白质和GMP中游离巯基含量的变化。结果表明，与非真空和面相比，0.06 MPa制作的面团中GMP含量较高，而过高的真空度（0.08 MPa）会导致GMP含量降低。真空和面对面团中GMP粒度分布有显著影响，济麦22和宁春4号面团在0.06 MPa时大粒径GMP所占体积、表面积和数目百分比显著高于0和0.08 MPa（P＜0.05），而郑麦366在0.08 MPa时大粒径GMP所占体积百分比显著较高。真空度为0.06 MPa时，济麦22和宁春4号面团中的游离巯基含量显著低于0和0.08 MPa（P＜0.05）；而对于郑麦366，0.08 MPa制作的面团中游离巯基含量显著低于非真空和面。对于2种中筋小麦粉（济麦22和宁春4号），适宜真空度和面会使GMP中更多的游离巯基参与二硫键交联。结论认为，适宜真空度和面可以提高面团中蛋白质聚合度；与蛋白质和湿面筋含量高、面团强度大的郑麦366相比，2种中筋小麦粉面团中GMP特性受真空度变化的影响更明显。研究结果为揭示真空和面的作用机制、深入认识面筋蛋白在面条加工中的作用提供参考。
关键词：真空；和面；机理；面条面团；谷蛋白大聚合体（GMP）；粒度分布；游离巯基
刘 锐，唐 娜，武 亮，等. 真空和面对面条面团谷蛋白大聚合体含量及粒度分布的影响［J］. 农业工程学报，2015，31（10）：289-295. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.039 http://www.tcsae.org
Liu Rui， Tang Na， Wu Liang， et al. Effects of vacuum mixing on glutenin macropolymer content and size distribution in noodle dough［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（10）: 289-295.（in Chinese with English abstract） doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.039 http://www.tcsae.org
0 引 言
面条是中国的传统主食，约占小麦消费量的40%。与传统的含水率50%左右的面团不同，工业化制作生鲜面、挂面、方便面等面条产品时，其面团是一种含水率仅为32%～35%的松散絮状物，只有在复合压延后，面筋碎片才形成连续的网络结构［1］。真空和面是一种用于面条工业生产中的新型和面方式，其搅拌过程在真空状态下进行。Li等［2］研究表明，真空和面可以显著改善生鲜面条的色泽［3］，使其具有更加连续紧密的面筋网络，降低其烹调损失，提高煮后面条的硬度和拉伸强度。刘锐等［4］采用三元二次回归正交旋转组合设计，探讨了真空度、加水量，和面时间等真空和面工艺参数对生鲜面条和冷藏面条感官和烹调特性的影响，确证了真空和面对面条质量的改善作用，并确定最佳真空度为0.06 MPa。刘锐等［5］进一步研究表明，真空和面（0.06 MPa）可以促进水分与面筋蛋白的相互作用，降低面团中水分子流动性，有利于面团结构的形成［6-7］；而非真空或过高真空度均会导致面团中水分自由度增加。然而，面筋蛋白结构受真空和面的影响，及其与面条面团质地的关系尚不明确。
谷蛋白大聚合体（glutenin macropolymer，GMP）是小麦籽粒中最重要的蛋白质聚合体，不溶于质量分数为1.5%的十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）溶液，且分子质量较大，由高分子量谷蛋白亚基（high molecular weight glutenin subunits，HMW-GS）和低分子量谷蛋白亚基（low molecular weight glutenin subunits，LMW-GS）通过链间二硫键组成［8］。GMP的含量和分子结构与小麦加工品质密切相关，决定着面筋强度和面团特性，在面制食品加工中的作用远大于可溶性谷蛋白聚合体和单体蛋白［9］。
为明确真空和面对低水分面条面团中GMP特性的影响，本研究以3个小麦品种磨制的面粉为材料，在不同真空度下和面，测定面团中GMP含量及其粒度分布，采用Ellman试剂比色法分析蛋白质和GMP中游离巯基含量的变化，并讨论GMP特性的变化与面团质地的关系，以期为揭示真空和面改善面条质量的作用机制、探讨蛋白质结构与面团物理特性之间的关系、深入认识面筋蛋白在面条加工中的作用提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验选用的郑麦366、宁春4号、济麦22为中国小麦主栽品种，2012年收获籽粒，分别由河南开封市农林科学院、内蒙古巴彦淖尔市农牧业科学研究院、山东省农业科学院作物研究所提供。小麦籽粒清理后，测定含水率和硬度。润麦参照NY/T 1094.1-2006，根据籽粒硬度确定润麦加水量，硬麦为16.5%，中硬为15.5%。润麦时间为24 h，采用Buhler MLU 202实验磨制粉，出粉率约70%。
小麦粉质量测定方法：蛋白质含量采用Perten DA 7 200型近红外分析仪测定，参照小麦粉粗蛋白质含量测定：近红外法（GB/T 24871-2010）［10］。湿面筋含量测定参照小麦和小麦粉面筋含量：第1部分：手洗法测定湿面筋（GB/T 5506.1-2008）［11］。粉质参数采用Brabender 827504型粉质仪测定，参照小麦粉面团的物理特性-吸水量和流变学特性的测定：粉质仪法（GB/T 14614-2006）［12］。拉伸参数采用Brabender 860033/002型拉伸仪测定，参照小麦粉面团的物理特性-流变学特性测定：拉伸仪法（GB/T 14615-2006）［13］。淀粉糊化特性采用Brabender MVAG803202 型微量快速黏度仪测定，参照小麦、黑麦及其粉类和淀粉糊化特性测定：快速黏度仪法（GB/T 24853-2010）［14］。蛋白质组分量化参照Hou等［15］的体积排阻高效液相色谱法（SE-HPLC），采用Agilent 1200高效液相色谱仪和TOSOH TSK-gel G4000 SWxl色谱柱；色谱图分析参照Johansson等［16］和Hussain等［17］的方法。
试验用小麦粉的质量性状如表1所示。郑麦366小麦粉的蛋白质和湿面筋含量较高，面团稳定时间、最大拉伸阻力、延伸性均大于其他2种小麦粉，属于强筋小麦粉［18］；其峰值黏度和崩解值也高于其他2种小麦粉。济麦22的蛋白质和湿面筋含量高于宁春4号，而面团稳定时间和最大拉伸阻力小于宁春4号，两者均属于中筋小麦粉。表明济麦22小麦粉的蛋白质和湿面筋数量多，而质量弱；宁春4号小麦粉的蛋白质数量少，而质量高［19］。
表1 试验用小麦粉质量性状
Table 1 Flour quality properties of wheat cultivars
1.2 主要仪器与设备
真空和面机（河南东方面机集团有限公司）；JMTD-168/140试验面条机（北京东方孚德技术发展中心）；ALPHA 1-2LD PLUS真空冷冻干燥机（德国CHRIST公司）；ZM 200超离心粉碎机（德国Retsch公司）；ComfortTM恒温混匀仪（德国Eppendorf公司）；3-30K高速台式冷冻离心机（德国SIGMA公司）；S3500 Bluewave型激光粒度分析仪（美国Microtrac公司）；Kjeltec TM 2300凯式定氮仪（丹麦Foss公司）；MLU 202实验磨（瑞士Buhler公司）；DA 7200 型近红外分析仪（瑞典Perten公司）；827504型粉质仪（德国Brabender公司）；860033/002型拉伸仪（德国Brabender公司）；MVAG803202 型微量快速黏度仪（德国Brabender公司）；Ymnl-150Y 超声波细胞破碎仪（南京以马内利仪器设备有限公司）；1200高效液相色谱仪（美国Agilent公司）；TSK-gel G4000 SWxl 排阻色谱柱（日本TOSOH公司）。
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准确称量2 000 g小麦粉于真空和面机中，加入适量蒸馏水，控制面团最终含水率为35%，启动和面机；先低速搅拌（85 r/min）1 min，然后高速（125 r/min）搅拌3 min，再低速搅拌（85 r/min）4 min；真空泵在低速搅拌1 min后启动，真空度分别设置为0、0.06、0.08 MPa。其中，0.06 MPa是前人研究得出的最佳和面真空度［2，4，20］。
每种小麦粉在3种真空度下各重复和面2次，和面试验共18次。
1.4 试验方法
1.4.1 样品处理方法
将和面后面团取出，于-196℃液氮中快速冷冻30 s，然后真空冷冻干燥24 h，绝对真空度为3.7×10-5MPa，冷阱温度-40℃；采用Retsch ZM 200超离心粉碎机粉碎，选用0.50 mm筛圈，转速10 000 r/min。
1.4.2 谷蛋白大聚合体（GMP）含量测定
取50 mg小麦粉中加入1 mL质量分数1.5%的SDS溶液，漩涡振荡混匀，30℃恒温振荡30 min，25℃ 15 500 g离心15 min，弃上清液，采用凯氏定氮法测定沉淀中的蛋白质含量作为GMP的近似含量［21］。每个样做2次重复，取平均值。
1.4.3 GMP粒度分布测定
参照Don等［22］和曹丽等［23］的方法，略作修改。称取1.5 g冻干面团样品，置于50 mL离心管中，加质量分数1.5%的SDS溶液30 mL，漩涡振荡混匀，30℃恒温振荡30 min，25℃ 80 000 g离心30 min，弃上清液。将约1 g上层蛋白质凝胶转移到10 mL离心管中，加入5 mL 1.5% SDS溶液，混匀。采用Microtrac S3500 Bluewave型激光粒度分析仪分析。
1.4.4 蛋白质中游离巯基（-SH）含量测定
参照Anderson和Ng［24］的方法。称取30 mg冻干面团样品，加入1.0 mL A液（8 mol/L 尿素，3 mmol/L乙二胺四乙酸（Ethylene Diamine Tetraacetic Acid，EDTA），1%SDS和0.2 mol/L三羟甲基氨基甲烷盐酸溶液（Tris（hydroxymethyl）aminomethane，Tris-HCl，pH值8.0）），漩涡振荡混匀，25℃恒温振荡1 h，再往其中加入0.1 mL B液（10 mmol/L 5，5′-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（5，5′-Dithiobis-（2-nitrobenzoic acid），DTNB），0.2 mol/L Tris-HCl（pH值 8.0）），继续25℃恒温振荡1 h，13 600 g离心10 min，上清液在412 nm处比色，对照为1.0 mL A液+0.1 mL B液。
1.4.5 GMP中游离巯基（-SH）含量测定
称取0.1 g冻干样品，用质量分数1.5%SDS溶液提取1次，具体操作参考1.4.2；然后测定沉淀中-SH含量，具体操作参考1.4.4。
1.5 统计分析
采用Excel 2007进行数据整理和图表绘制，所有数据采用平均值±标准差表示。采用SPSS 16.0中的One-Way ANOVA程序进行方差分析，LSD法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 谷蛋白大聚合体（GMP）含量
谷蛋白大聚合体（glutenin macropolymer，GMP）在面团形成过程中起重要作用，其含量与Mixograph面团和面时间、Farinograph面团形成时间、Farinograph面团稳定时间和Extensigraph面团最大拉伸阻力显著正相关［25-28］。真空和面对3种小麦粉面团GMP含量的影响如图1所示。郑麦366小麦粉及其制作的面团，其GMP含量均明显高于其他2种小麦粉（表1，图1）；这与前人的研究结果一致，GMP含量高的小麦品种，其面筋含量较高、面团的强度和弹性较大［27-29］。如图1所示，真空和面对郑麦366和济麦22面团中的GMP含量有显著影响（P＜0.05）；真空度为0.06 MPa时，2种小麦粉制作的面团中GMP含量较高。对于济麦22，0.06 MPa面团的GMP含量显著高于非真空和面（P＜0.05），而对于其他2种小麦粉，0与0.06 MPa之间的差异不显著（P＞0.05）；这表明，面筋质量弱、面团强度小的济麦22小麦粉在和面时，其面筋蛋白聚合度受真空度变化的影响更明显。
图1 真空和面对面团中谷蛋白大聚合体（GMP）质量分数的影响
Fig.1 Effect of vacuum mixing on glutenin macropolymer （GMP）content in noodle dough
注：同一品种小麦粉间不同小写字母表示P＜0.05 水平上差异显著，下同。Note: Different letters within wheat cultivars are significantly different at P＜0.05，the same as below.
2.2 谷蛋白大聚合体（GMP）粒度分布
2.2.1 GMP粒度分布特征
小麦胚乳中GMP以球形颗粒形式存在，粒径范围为1～300 μm；其粒度分布反映其聚合程度，与面团特性和烘焙品质密切相关［9，22，30］。济麦22面团中GMP含量受真空度变化影响显著（图1），以济麦22为例，不同真空度制作的面团中GMP粒度分布如图2所示。以体积百分比表示的GMP粒度分布呈3峰曲线，第1个峰值出现在2～8 μm之间，第2个峰值出现在15～20 μm之间，第3个峰值出现在40～80 μm之间。以表面积百分比表示的GMP粒度分布曲线的主峰值在2.5 μm左右。以数目百分比表示的GMP粒度分布曲线在处理间差异明显；非真空和面的GMP粒度分布曲线存在3个峰，峰值分别在0.3、0.8、1.4 μm左右；而真空和面（0.06、0.08 MPa）曲线仅2个峰，峰值分别出现在0.8 μm左右和1～1.5 μm之间。Liang等［30］和蔡铁等［31］分析了小麦粉的GMP粒度分布，其曲线特征与本研究中面团的GMP粒度分布曲线特征存在较大差异，这是因为GMP在和面揉混过程中会发生解聚，其含量和分子质量分布均降低［21，32-33］。从图2的3种GMP粒度分布曲线，尤其是表面积和数目分布，可以看出，真空和面（0.06、0.08 MPa）与非真空和面之间存在明显差异。
图2 真空度对济麦22面团中GMP粒度分布的影响
Fig.2 Effects of vacuum degree on size distribution of GMP in jimai 22 noodle dough
2.2.2 体积分布
真空度对面团中GMP颗粒的体积分布有显著影响（表2）。对于济麦22小麦粉制作的面团，真空度为0.06 MPa时，大粒径（d＞100 μm）GMP的体积百分比显著高于0和0.08 MPa（P＜0.05），而小粒径（d＜10 μm）GMP的体积百分比较低。对于宁春4号，0.06 MPa真空度下制作的面团，其小粒径GMP的体积百分比显著低于0和0.08 MPa，而中粒径（10 μm≤d≤100 μm）GMP的体积百分比显著较高（P＜0.05）。对于郑麦366，0.08 MPa真空度下制作的面团，中粒径GMP的体积百分比显著低于0和0.06 MPa（P＜0.05），而大粒径GMP的体积百分比较高。
表2 真空度对面团中GMP颗粒体积分布的影响
Table 2 Effects of vacuum degree on volume distribution of GMP in noodle dough
注：同一列不同小写字母表示P＜0.05水平上差异显著。d为谷蛋白大聚合体颗粒的粒径，下同。
Note: Different letters within columns are significantly different at P＜0.05 level. d represents particle size of GMP， the same as below.
2.2.3 表面积分布
如表3所示，真空度对济麦22和宁春4号面团中GMP颗粒的表面积分布有显著影响；真空度为0.06 MPa时，大粒径（d＞100 μm）GMP的表面积百分比显著高于0和0.08 MPa，而小粒径（d＜10 μm）GMP的表面积百分比显著低于0和0.08 MPa（P＜0.05）。真空度对郑麦366面团中GMP颗粒的表面积分布无显著影响（P＞0.05）。
表3 真空度对面团中GMP颗粒表面积分布的影响
Table 3 Effects of vacuum degree on surface area distribution of GMP in noodle dough
2.2.4 数目分布
如表4所示，真空度对宁春4号面团中GMP颗粒的数目分布有显著影响，而对济麦22和郑麦366无显著影响。对于宁春4号，真空度为0.06 MPa时，大粒径（d＞100 μm）GMP的数目百分比显著高于0和0.08 MPa（P＜0.05），而其他粒径GMP的数目百分比在处理间差异不显著。
表4 真空度对面团中GMP颗粒数目分布的影响
Table 4 Effects of vacuum degree on number distribution of GMP in noodle dough
上述结果表明，真空和面对面条面团中GMP粒度分布有显著影响，采用适当的真空度和面，制作的面团中GMP粒度较大，表明GMP聚合度较高。这可能是真空和面减缓了GMP在和面过程中的解聚作用［32-34］。不同小麦粉间的表现存在差异；济麦22和宁春4号在0.06 MPa时大粒径GMP所占体积、表面积和数目百分比较高，而郑麦366在0.08 MPa时大粒径GMP所占体积百分比较大；且与2个中弱筋小麦粉相比，郑麦366面团中GMP粒度分布受真空度变化的影响较小，仅体积分布表现出显著差异。
2.3 蛋白质中游离巯基（-SH）含量
和面过程中，小麦粉中的面筋蛋白与水发生作用，游离巯基（free sulfhydryl group，-SH）相互结合形成二硫键，或是游离巯基与二硫键发生交换反应，线性麦谷蛋白分子相互缠结，形成无序的网状结构，醇溶蛋白填充其中［35-36］。面团中游离巯基含量可用于表征面筋形成程度［37-38］。如图3所示，强筋小麦郑麦366制作的面团，其蛋白质中-SH含量明显低于其他2种小麦粉；这与Li等［7］和Jazaeri等［37］的试验结果一致。图3显示，真空和面对面团蛋白质中-SH含量有显著影响。对于济麦22和宁春4号，真空度为0.06 MPa时，面团-SH含量显著低于0和0.08 MPa（P＜0.05）。对于郑麦366，0.06 MPa和非真空处理之间无显著差异，而0.08 MPa面团的-SH含量显著低于非真空（P＜0.05）。结果表明，适当程度的真空和面使更多的游离巯基参与了面筋蛋白的交联作用。真空度的影响程度在不同小麦粉间表现不同，主要是受蛋白质含量和质量的影响。郑麦366的蛋白质和湿面筋含量高、筋力强，与非真空和面相比，真空0.06 MPa和面后，面团蛋白质中的-SH含量有所下降，但不显著，而在更高的真空度（0.08 MPa）下表现出显著差异。济麦22小麦粉的面筋质量弱、面团强度小，0.06 MPa真空和面后-SH含量显著较低，过高真空度会导致-SH显著增加。这表明真空度对面筋质量弱的小麦粉的影响大于筋力较强的小麦粉。蛋白质质量不同的小麦粉受真空和面的影响不同，其原因和机理尚不明确，需要选择更多的品种小麦粉开展进一步的比对试验，并利用组分分离重组的模型面团探究其中的作用机制。Graveland等［38］指出谷蛋白大聚合体（GMP）主要是通过二硫键交联而成。不同真空度下-SH含量的变化可用于解释图1中GMP含量的变化结果。适当程度的真空虽然除去了和面机中的部分空气，降低了氧气浓度，却促进了小麦粉吸水和面筋蛋白水合［5-7］，面筋蛋白的充分水合有利于二硫键的形成和交换。而过高的真空度使搅拌室内的氧气浓度过低，不利于-SH氧化形成二硫键和蛋白质的聚合，导致-SH的增多和GMP的减少。
图3 真空和面对面团蛋白质中游离巯基含量的影响
Fig.3 Effect of vacuum mixing on free -SH content in protein of noodle dough
2.4 GMP中游离巯基（-SH）含量
如图4所示，真空和面对GMP中-SH含量有显著影响，且在不同品种间表现出差异。对于济麦22，真空度为0.06 MPa时，GMP中-SH含量显著低于0和0.08 MPa。对于宁春4号，真空度为0.08 MPa时，GMP中-SH含量显著低于非真空和面。而对于郑麦366，不同真空度制作的面团中GMP游离巯基含量无显著差异。上述结果表明，对于2种中筋小麦粉，一定的真空度会使GMP中更多的游离巯基参与二硫键交联。同时可以推断，GMP中-SH含量受真空度的影响程度与面筋蛋白质量密切相关；面筋强度越大，真空度的影响越小。这与Don等［33］的研究结果一致，其研究发现，和面搅拌过程对强筋小麦面团中GMP胶体的质量和流变特性的影响明显小于弱筋小麦。前人研究表明，在面团搅拌过程中，GMP会发生解聚，其粒度和分子量分布会降低［22，32-33，39］。据此推断，单位质量GMP中的-SH数量会在和面后增加［38］，适当的真空度可以降低GMP在和面过程中的解聚程度，从而导致相对较低的-SH含量；也可能是真空和面使水分充分渗入到小麦粉颗粒内部，促进面筋蛋白水合，有利于面筋结构中二硫键的形成。
图4 真空和面对面团GMP中游离巯基数量的影响
Fig.4 Effect of vacuum mixing on free -SH content in GMP
3 结 论
1）与非真空和面相比，0.06 MPa制作的面团中谷蛋白大聚合体（glutenin macropolymer，GMP）含量较高，而过高的真空度会导致GMP含量降低。真空和面对面团中GMP粒度分布有显著影响，济麦22和宁春4号小麦粉制作的面团在0.06 MPa时大粒径GMP所占体积、表面积和数目百分比显著高于非真空和0.08 MPa（P＜0.05），而郑麦366在0.08 MPa时大粒径GMP所占体积百分比显著增加。表明适宜真空度和面可以提高面团中蛋白质聚合度，这可能是真空和面改善面条质量的化学结构基础的一方面。
2）真空度为0.06 MPa时，济麦22和宁春4号小麦粉制作的面团中的游离巯基（-SH）含量显著低于非真空和0.08 MPa（P＜0.05），而过高的真空度会导致-SH增多；对于郑麦366，0.08 MPa制作的面团中-SH含量显著低于非真空（P＜0.05）。这也部分解释了面团中GMP含量和粒度分布差异的原因。对于2种中筋小麦粉（济麦22和宁春4号），一定的真空度会降低GMP中-SH含量，而郑麦366面团GMP中的-SH含量受真空度变化的影响不显著（P＞0.05）。
1.3 和面试验设计
