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《江南大学》 2016年
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冷冻面团中小麦面筋蛋白品质劣变机理及改良研究

王沛  
【摘要】:冷冻面团技术的标准化、方便化等诸多优点推动了烘焙行业工业化和品牌连锁经营模式的变革性发展。面团品质劣变是缩短冷冻面团货架期的主要问题,其中小麦面筋蛋白在冻藏过程中品质劣变是导致冷冻面团品质下降的最主要因素之一。目前针对面筋蛋白品质劣变机理研究多以面筋蛋白整体为研究对象,而对其组分谷蛋白和醇溶蛋白这些亚单元的变化研究较少。这种缺失很难从本质上清晰地揭示面筋劣变的根本原因,从而也削弱了目前调控面团品质变化手段的有效性。本文拟通过对比研究面筋蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白在冻藏过程中结构和物理性能变化来从根本上揭示面筋劣变的主要机制,为延缓劣变提供理论依据和技术支持。在此基础上,运用实际冷冻面团体系证实了面筋蛋白关键组分谷蛋白大分子聚合体(GMP)解聚对冷冻面团馒头品质的重要影响,并针对性的利用从黑麦麸皮中提取的水溶性阿拉伯木聚糖(WEAX)改良了冷冻面团馒头品质,印证了机理的有效性。主要研究内容和结论如下:面筋蛋白和谷蛋白的GMP组分随着冻藏时间的延长而发生不同程度的解聚。十二烷基磺酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)和高效液相分子排阻色谱(SE-HPLC)分析面筋蛋白和谷蛋白分子量和亚基组成后发现,GMP的解聚是以链外二硫键(SS)断裂形式进行,形成SDS可溶性聚合体(Mw≈91,000~688,000)和单体蛋白(Mw≈16,000~91,000)。运用可见光分光光度计和反相色谱(RP-HPLC)分析醇溶蛋白中游离巯基(SH)和亚基组成,表明醇溶蛋白分子链内SS键在冻藏过程中较稳定,其各亚基组成保持不变。由此证明醇溶蛋白分子本身无共价聚集行为,但其对GMP解聚具有一定促进作用,该作用致使面筋蛋白中GMP解聚程度较谷蛋白中的大。并且这种关系满足方程:Y(GMP解聚度)=0.012X1(冻藏时间)+0.609X2(醇溶蛋白含量)-0.169,R2=0.94。非共价作用力的变化降低了三种蛋白的空间聚集有序度。利用傅里叶转换红外光谱(FTIR)对三种蛋白在冻藏过程中二级结构变化进行了研究,发现三种蛋白中较为有序的α-螺旋骨架结构会部分转化为反向平行β-折叠和β-转角结构,反映了蛋白的非共价作用力也受到影响,使得空间结构聚集有序度降低。冻藏削弱了面筋蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白与水分的结合作用。联用水蒸气吸附等温线、时域核磁共振(TD-NMR)和差示扫描量热(DSC)技术研究了蛋白水合作用变化,结果表明蛋白与水分结合作用的弱化主要表现为蛋白吸水能力的下降、蛋白中水分流动性的增强和可冻结水含量的增加。对比三种蛋白水合作用变化趋势可得,面筋蛋白与水分作用变弱有可能源于醇溶蛋白中不可冻结的刚性水(TD-NMR图谱中横向弛豫时间T2=0.1~1 ms)和限制水(T2=1~10 ms)流动性的增加。但醇溶蛋白同时具有稳定谷蛋白网络中水分的能力,从而限制了冻藏过程中面筋蛋白可冻结的自由水(T2=10~100 ms)变化。面筋蛋白水合作用的下降亦说明了其疏水性增强。运用DSC和热重分析(TGA)技术研究了蛋白热力学行为,发现冻藏过后的面筋蛋白的低温(≈50°C)热稳定性升高,熔化焓值降低,印证了其结构疏水性的增强以及有序度的降低;而高温(≈300°C)热稳定性的下降和失重率(600°C)增加则说明了面筋网络结构的退化。采用扫描电子显微镜(sem)表征了冻藏前后面筋蛋白和谷蛋白微观结构,发现冻藏过程中冰晶的逐渐生长会破坏面筋蛋白中谷蛋白的微观网络结构。运用动态流变学研究了三种蛋白在冻藏过程中的功能性变化,发现网络结构的弱化导致面筋蛋白和谷蛋白的粘弹性(g'和g'')降低,而醇溶蛋白的粘弹性并无明显变化。并且蛋白粘弹性的变化和gmp含量变化显著正相关(r=0.96~0.98),说明gmp解聚也是引起面筋蛋白粘弹性下降的主要因素之一。冻藏诱发了醇溶蛋白起泡性能的退化,主要归因于γ-醇溶蛋白的分子链柔性降低,表面疏水性的下降以及界面吸附性能的变差。利用表面张力仪、圆二色谱仪(cd)和荧光分光光度计分别对蛋白冻藏过程中的表面张力、二级结构和表面疏水性进行了测定。结果表明,冻藏诱导了醇溶蛋白溶液中β-折叠和无规则卷曲结构向α-螺旋结构的转变,使得分子链柔性变差,并伴随着蛋白表面疏水性降低。这些因素导致了蛋白在气液界面上吸附能力下降,蛋白溶液表面张力增加,起泡性能下降。采用双缩脲法测定了醇溶蛋白起泡前后蛋白含量分布后得出,参与泡沫形成的醇溶蛋白含量降低是导致起泡体积下降的直接原因,而泡沫密度和泡沫蛋白浓度的上升在一定程度上增加了起泡稳定性。最后通过rp-hplc对醇溶蛋白溶液及其所形成泡沫亚基组成对比分析后发现,γ-醇溶蛋白对冻藏效应最为敏感,其参与泡沫形成能力下降是引起醇溶蛋白起泡性能的劣变的最主要因素。gmp解聚会诱发冷冻面团的弹性及持气性下降,从而导致冷冻面团馒头品质的劣变。根据冷冻面团劣变主要特征,利用分离重组思想在酵母醒发(yld)和泡打粉面团(cld)双重体系中研究了添加gmp对面团在反复冻融过程中gmp含量、馒头品质及面团产气和持气性能变化的影响。se-hplc分析结果表明,添加gmp可促使两种面团中面筋网络的增强,对冷冻解聚效应抵抗能力提高,导致其解聚程度明显降低。与此同时,gmp延缓了冷冻面团所制馒头品质的劣变,亦说明gmp解聚是导致冷冻面团品质劣变的直接原因。流变学分析结果显示添加gmp使得冷冻面团的弹性增强。面团产气曲线和体积增量曲线分析结果表明,冷冻yld产气量受酵母活性降低影响而下降,而cld产气量保持不变。添加gmp对两种面团的产气量均无显著作用,排除了产气性能变化对最终馒头品质的影响,然而gmp可显著提高两种冷冻面团的破裂体积,改善了面团的持气性。综合以上研究结果可说明gmp的解聚是通过作用于面团弹性和持气性来影响冷冻面团馒头品质。黑麦麸皮中的weax对冷冻面团品质具有明显改良作用,weax可抑制面筋蛋白脱水,阻碍冰晶生长,并提高酵母活性和延缓gmp解聚,使得冷冻面团馒头比容增加,质构更为松软,内部纹理结构更均匀。结合冷冻面筋蛋白主要劣变机理和weax理化特性,运用dsc和se-hplc着重探讨了冷冻面团中水分状态和面筋蛋白分子组成的变化。结果表明,添加weax可降低面团中的可冻结水含量,并在一定程度上抑制了面团在冻藏过程中的重结晶现象。这也使得weax冷冻面团中酵母死亡速率减缓,酵母存活率上升,产气能力增强。与此同时,添加weax显著降低了冷冻面团中sds可溶性单体蛋白含量(mw≈16,000~91,000),促进了gmp含量的增加。这是由于weax可诱导GMP和可溶性蛋白的聚集,使得GMP粒径和含量上升,降低了冻藏带来的解聚作用,从而有助于提高冷冻面团馒头的品质。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TS213.2

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