定義
面筋蛋白是由面粉中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化而來(lái)的、具有黏性與彈力的一種物質(zhì)。和面時(shí),我們會(huì)感覺到有一股反彈力在阻止我們向下按壓面團(tuán),而產(chǎn)生這種反彈力的物質(zhì)就是面粉中的面筋蛋白。實(shí)際上,面筋蛋白原本并不存在于面粉中。它是在面粉中加入一定量的水后,通過(guò)揉捏,在蛋白質(zhì)的作用下,麥醇溶蛋白、麥谷蛋白與水結(jié)合形成的產(chǎn)物。雖然多數(shù)食品中都含有蛋白質(zhì),但是面粉中的這種蛋白質(zhì)是獨(dú)一無(wú)二的。正因?yàn)槿绱?,能夠形成面筋蛋白這一點(diǎn)成了面粉的特性。
小麥面筋主要由麥醇溶蛋白和麥谷蛋白組成,并含有少量淀粉、脂肪和礦物質(zhì)等,其中麥醇溶蛋白的含量為小麥蛋白總量的40%-50%,麥谷蛋白的含量為小麥蛋白總質(zhì)量的30%-40%,通常統(tǒng)稱為面筋蛋白。麥醇溶蛋白分子量小,不溶于水及中性鹽溶液,能溶于中等濃度乙醇溶液(70%-80%的溶液溶解度最大),多由非極性氨基酸組成,決定面筋的延伸性;麥谷蛋白不溶于水稀鹽溶液和乙醇溶液,但能溶于烯酸或稀堿溶液,決定面筋的彈性和抗延伸性。
面筋蛋白的纖維構(gòu)造呈網(wǎng)眼狀緊密相連,因此,其最大的特點(diǎn)就是能夠產(chǎn)生黏性與彈力。面團(tuán)揉捏越充分,產(chǎn)生的面筋蛋白量越多,網(wǎng)眼構(gòu)造更加細(xì)密,因而面團(tuán)的黏性與彈力就越強(qiáng)。1
氨基酸序列與結(jié)構(gòu)氨基酸序列分析也可以幫助我們加深對(duì)面筋蛋白結(jié)構(gòu)的理解。對(duì)分離蛋白及編碼這些蛋白基因的研究,已經(jīng)揭示了面筋蛋白質(zhì)亞基中氨基酸的組成順序。把對(duì)面筋蛋白分析各方面的知識(shí)綜合起來(lái),就能更多的了解單個(gè)蛋白的結(jié)構(gòu),以及單個(gè)蛋白之間如何相互作用,形成面筋的。麥谷蛋白的X一型和Y一型高分子亞基對(duì)構(gòu)成面筋蛋白結(jié)構(gòu)、決定面筋性質(zhì)有重要作用。這些亞基分子末端呈球形,包含絕大多數(shù)的半胱氨酸殘基分子,可能使高分子麥谷蛋白亞基末端彼此相連,而少量的半胱氨酸殘基可能發(fā)生交聯(lián)作用。這些亞基中間部位是重復(fù)區(qū),使面筋產(chǎn)生彈性。
面筋蛋白由麥谷蛋白和麥醇溶蛋白組成,二者在結(jié)構(gòu)上差異很大。1
麥醇溶蛋白麥醇溶蛋白的類型和結(jié)構(gòu)麥醇溶蛋白是單體蛋白,根據(jù)它在低pH下電泳遷移率的不同被分為α一麥醇溶蛋白、β一麥醇溶蛋白、γ一麥醇溶蛋白和ω一麥醇溶蛋白這四種類型。α一麥醇溶蛋白、β一麥醇溶蛋白、γ一麥醇溶蛋白結(jié)構(gòu)相似,均有重復(fù)的N一端區(qū)域和非重復(fù)的C一端區(qū)域,肽鏈上存在3~4個(gè)分子內(nèi)二硫鍵。而”麥醇溶蛋白結(jié)構(gòu)特殊,以一個(gè)肽段為主要重復(fù)區(qū)域(PGGPPPGG),該重復(fù)區(qū)域沒(méi)有半胱氨酸殘基,因此無(wú)二硫鍵的形成。麥醇溶蛋白間
通過(guò)氫鍵和疏水作用相互反應(yīng),有助于面筋黏性的形成。在盱麥醇溶蛋白中N一端和C-端這兩個(gè)區(qū)域幾乎等長(zhǎng)。N一端區(qū)域由兩段重復(fù)的氨基酸順序組成(PGGPT和PGPGPPP),形成富含β轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu),但β轉(zhuǎn)角在肽鏈上分布不規(guī)則,不能形成β螺旋,故分子不具有彈性;C端區(qū)域主要含有球狀結(jié)構(gòu),以α一螺旋為主。ω一麥醇溶蛋白肽鏈通過(guò)谷氨酰胺殘基上的氫鍵與其他亞基或蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)合。它們的二級(jí)結(jié)構(gòu)處于β轉(zhuǎn)角和多聚ω一脯氨酸類似結(jié)構(gòu)的平衡態(tài),在溶液中呈棒狀。麥醇溶蛋白的β轉(zhuǎn)角雖有規(guī)則的分布于整個(gè)肽鏈,但分子中缺乏半胱氨酸,因此肽鏈間不能交聯(lián)形成彈性聚合物。2
麥谷蛋白麥谷蛋白的組成和結(jié)構(gòu)通過(guò)SDS-PAGE可將紅硬春小麥中的麥谷蛋白分成三個(gè)區(qū)域:A區(qū)、B區(qū)、C區(qū),即高分子量谷蛋白亞基(HMW一GS)、中分子量谷蛋白亞基(MMW一GS)和低分子量谷蛋白亞基(LMW一GS)。由于在SDS-PAGE凝膠中難以將LMW一GS和麥醇溶蛋白鑒別開,所以目前對(duì)LMW一GS的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究較少。
HMW一GS一般含有630~830個(gè)氨基酸,相對(duì)分子質(zhì)量約為67500~88000,它們的肽鏈可分為三段:由N一端和C-端較短的非重復(fù)區(qū)域夾著較長(zhǎng)的有重復(fù)區(qū)域的中間區(qū)域。非重復(fù)區(qū)域含有大量甚至全部的半胱氨酸殘基,其中一部分用于形成分子間二硫鍵以穩(wěn)定高分子麥谷蛋白多聚體。HMW一GS的N一端中的α一螺旋上的半胱氨酸殘基能彼此間或與LMW一GS間交聯(lián)形成彈性聚合物。相比之下,重復(fù)區(qū)域只有少數(shù)幾個(gè)或根本沒(méi)有半胱氨酸殘基,而是以重復(fù)的六肽(PGQGQQ)和九肽(GYYPTSP/LQQ)以串聯(lián)與分散的形式所組成。通過(guò)光譜、黏度和小角度X射線分析表明中間區(qū)域重復(fù)序列通過(guò)β轉(zhuǎn)角形成松弛的β一螺旋結(jié)構(gòu),這是一種特殊的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。LMW一GS肽鏈上的β一轉(zhuǎn)角成重復(fù)規(guī)則的分布,在β轉(zhuǎn)角區(qū)域中疏水和形成氫鍵能力強(qiáng)的氨基酸較多。目前,根據(jù)HMW—GS中各亞基電泳遷移率的差異已分離出20種亞基。1
分離與鑒定最初對(duì)面筋的研究采用的是超速離心法,認(rèn)識(shí)到面筋蛋白及其麥谷蛋白是由較小的蛋白質(zhì)形成的大分子聚合物,相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)幾百萬(wàn);而麥醇溶蛋白相對(duì)分子質(zhì)量小,不屬于高分子聚合物。移動(dòng)界面電泳研究結(jié)果表明,面筋蛋白質(zhì)不是由單一成分組成,而是復(fù)合物。不同小麥品種的面筋蛋白組成不同,且蛋白質(zhì)成分與小麥品質(zhì)有關(guān)。
面筋蛋白氨基酸的分析表明,其含有較多的谷氨酰胺、半胱氨酸、非極性氨基酸,這些氨基酸以多種形式把蛋白質(zhì)鍵合在一起。谷氨酰胺和非極性氨基酸是以氫鍵的方式,半胱氨酸以二硫鍵,而極性氨基酸則以靜電作用。這些鍵合方式對(duì)面筋結(jié)構(gòu)的形成很重要,其中二硫鍵尤為突出。就像分解高分子聚合物一樣,斷開面筋蛋白中的二硫鍵,面筋黏度會(huì)急劇下降。面筋蛋白中產(chǎn)生的巰基在不同條件下,有可能氧化成二硫鍵,生成分子大小和性質(zhì)不同的蛋白質(zhì)。在制作面包時(shí),混合面團(tuán)并加入面團(tuán)品質(zhì)改良劑,面筋蛋白中的二硫鍵在氧化/還原作用下,發(fā)生了重排和重組。2
電泳法對(duì)面筋蛋白結(jié)構(gòu)的研究需要使用復(fù)雜的分析方法,淀粉凝膠電泳是較早經(jīng)改進(jìn)用于蛋白質(zhì)分離的,隨著不斷的完善,現(xiàn)在的設(shè)備更好,凝膠層更薄,冷卻效率更高,所需的染色樣品量更小,分辨率更高。而且淀粉已主要為聚丙烯酰胺所取代,SDS一PAGE電泳可以高分辨分離面筋蛋白,特別是麥醇溶蛋白。SDS一PAGE在面筋蛋白的分析中極為重要。在此方法中,蛋白質(zhì)一表面活性劑復(fù)合物,依據(jù)分子大小在電場(chǎng)有不同的遷移速度。使用SDS一PAGE首先闡明了麥谷蛋白質(zhì)含有與小麥功能和品質(zhì)密切相關(guān)的高分子亞基。采用雙向凝膠電泳,可以獲得更高的分辨率。面筋蛋白質(zhì)的分離也可以采用毛細(xì)管電泳法(CE)。CE具有速度快的優(yōu)點(diǎn),且在眾多的電泳法中,首先實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。更為重要的是,CE易于對(duì)蛋白質(zhì)定量,經(jīng)過(guò)改進(jìn)的CE,可以分析多種面筋蛋白,包括麥谷蛋白高分子亞基,也可用于小麥品種的鑒別和品質(zhì)預(yù)測(cè)。電泳分析表明,小麥中包含了數(shù)百種不同的蛋白質(zhì),其蛋白成分主要由品種決定,其次受環(huán)境影響。影響小麥品質(zhì)的不是面筋的數(shù)量,而是個(gè)體蛋白的種類和數(shù)量。2
色譜法使用色譜法也有助于了解面筋的結(jié)構(gòu)。早期的凝膠過(guò)濾色譜法是根據(jù)蛋白分子大小進(jìn)行分離的,它揭示了品質(zhì)不同的小麥蛋白質(zhì)分子大小種類不同,麥膠、麥谷數(shù)量不同,而且大小不同的麥谷蛋白的相對(duì)數(shù)量也有差異。但這類方法所需時(shí)間長(zhǎng),數(shù)小時(shí)甚至幾天。而基于同樣原理的高效液相色譜(HPLC),僅需幾分鐘,且準(zhǔn)確度更高。HPLC在準(zhǔn)確反映小麥蛋白數(shù)量方面有很大的優(yōu)越性,用反相高效液相色譜(RP一HPLC)法就更為明顯。RP-HPLC與其他分離方法特征不一樣,是依據(jù)表面親和力的不同來(lái)分離蛋白的。它對(duì)小麥品種的鑒定,對(duì)由于環(huán)境的影響,導(dǎo)致品質(zhì)差異的蛋白質(zhì)成分?jǐn)?shù)量不同的分析,十分有用。
在面團(tuán)形成過(guò)程中的變化面團(tuán)的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理和生物化學(xué)的變化過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,面筋蛋白不僅與水發(fā)生溶劑化作用,而且在定向剪切力的作用下,多肽鏈間的二硫鍵和次級(jí)鍵(氫鍵、疏水鍵、離子鍵)的斷裂和重組,會(huì)形成有序的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這兩方面的作用使面團(tuán)具有延展性和彈性。2
與水的溶劑化作用從攪拌階段開始,面筋蛋白質(zhì)便發(fā)生膠體化學(xué)變化。麥谷蛋白首先吸水膨脹,然后麥醇溶蛋白也逐漸吸水膨脹。此時(shí)吸水不多,水化作用僅在蛋白質(zhì)外圍的親水性基團(tuán)進(jìn)行,面筋尚未形成。隨著攪拌的繼續(xù),水分子與蛋白質(zhì)膠體各個(gè)鏈的所有極性基團(tuán)發(fā)生溶劑化作用,將蛋白質(zhì)膠團(tuán)表面的可溶性粒子洗脫下來(lái),使其在蛋白質(zhì)膠體間處于溶解狀態(tài)。水化作用由表及里將蛋白質(zhì)膠體內(nèi)的可溶性成分溶解,由此產(chǎn)生的內(nèi)部滲透壓將促使大量水分子進(jìn)入膠體內(nèi)部,直到滲透壓平衡為止。最后,面筋蛋白外部形成具有疏水區(qū)的凝聚體,內(nèi)部形成親水區(qū),保持了滲透的大量水分。該過(guò)程可明顯的感覺到面團(tuán)逐漸變軟,黏性減弱,體積膨大,彈性增強(qiáng)。若攪拌過(guò)度,面團(tuán)表面會(huì)出現(xiàn)游離水浸濕現(xiàn)象,面團(tuán)又恢復(fù)黏性狀態(tài)。2
面筋網(wǎng)絡(luò)的形成在攪拌前,面筋蛋白的連接是雜亂無(wú)章的,在攪拌機(jī)的定向攪拌下,疏水鍵展開,鏈間部分二硫鍵和次級(jí)鍵被打斷,然后與相鄰的肽鏈又重新鍵合。其中重要的反應(yīng)有:麥谷蛋白亞基間/內(nèi)發(fā)生巰基(位于半胱氨酸殘基上)和二硫基(位于胱氨酸殘基上)的交換反應(yīng)。最后,麥谷蛋白亞基通過(guò)分子間二硫鍵交聯(lián)形成有序的纖維狀大分子聚合體,從宏觀上表現(xiàn)為彈性的逐漸形成。聚合體體積越大,分子間相對(duì)滑移越困難,彈性也越大。麥醇溶蛋自在肽鏈內(nèi)二硫鍵、氫鍵和疏水作用下形成球狀結(jié)構(gòu),通過(guò)非共價(jià)鍵和麥谷蛋白結(jié)合,穿插在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。麥醇溶蛋白的介入減弱了相鄰麥谷蛋白亞基間的相互作用,從宏觀上表現(xiàn)為面團(tuán)具有滑移和黏性。
二硫鍵對(duì)穩(wěn)定高分子麥谷蛋白多聚體起到了關(guān)鍵作用,但最新研究表明位于相鄰亞基之間、HMW一GS亞基和其他蛋白質(zhì)之間形成的氫鍵,對(duì)穩(wěn)定面團(tuán)結(jié)構(gòu)也非常重要。HMW一GS上大量有規(guī)則分布的谷氨酰胺殘基有利于亞基間氫鍵的形成。用AFM研究HMW一GS間的相互作用時(shí),所拍攝的圖片顯示了烷基化的HMW一GS和取自HMW一GS中間重復(fù)區(qū)域的肽段能并排形成直徑約為20nm的纖維狀結(jié)構(gòu),這可能是由于谷氨酰胺側(cè)鏈和位于相鄰多肽主鏈上的氨基之間形成了分子間氫鍵所導(dǎo)致的。對(duì)HMW一GS的FTI的研究表明,β折疊結(jié)構(gòu)的比例隨著蛋白質(zhì)濃度的增加而增加,這些結(jié)果證明了分子間氫鍵能穩(wěn)定纖維狀結(jié)構(gòu)的形成。另外在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)缺乏二硫鍵的HMW一GS能形成有分枝的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這意味著亞基間非共價(jià)鍵作用具有類似二硫鍵的能力。3