第九章谷物蛋白生产

第九章谷物蛋白生产谷物蛋白主要是指从谷物的胚乳及胚中分离提取出来的蛋白质。谷物种子是多种化学成分的复合体，它的主要有效成分是淀粉、蛋白质、脂肪等。随着食品科学的发展，对谷物的加工已由物理性加工进入了化学加工和生物加工，由颗粒状的研磨，进入到有效成分的分离提取，因而大大地提高了谷物的经济价值。在200多年前意大利科学家比凯里(Beceari)从小麦中分离出小麦蛋白质——面筋，之后小麦面筋的生产技术得到了迅速发展。到目前为止，世界小麦面筋产量达到了20多万吨，其中美国年产约3万吨，而年消费量是5—6万吨，并继续以每年8％的消费量增长，目前需求量的40％由加拿大、澳大利亚提供，澳大利亚年产约3.5万吨，主要作为小麦粉和面包的添加剂，每年出口约2万吨，主要向美、日等国出日。欧洲共同体也大量生产活性面筋.。第一节小麦蛋白质的提取小麦是当今世界上人类重要的食粮之一。小麦面粉一般含有9—14％的蛋白质，所以它是人们日常食物蛋白质的主要来源。蛋白质在小麦粒中的分布并不均匀，外周部高而中心部低。即从皮混入概率高的外周部制取的小麦粉为：三等粉、四等粉；作为低品位粉大部分用于食用以外的用途。但这些粉的蛋白质含量却高于优质粉。低品位粉由于经受反复的制粉操作，其中的蛋白质可能不同程度地发生变性，以至大部分低品位粉的面筋形成力下降。(一)小麦蛋白质的分类早在1907年奥斯本(Osborne)根据小麦籽粒中蛋白质的溶解特性，将它分成清蛋白(leu-cosin)、球蛋白(globulin)、小麦醇溶蛋白(gliadin)和麦谷蛋白(glutenin)等四种蛋白质。它们在小麦籽粒中的分布如图9—1.面粉中的蛋白质（占面粉重量的9－13％）非面筋15％不形成面团面筋85％形成面团白蛋白，球蛋白，肽，氨基酸溶于水或中性盐溶液醇溶谷蛋白类谷蛋白发泡蛋白质可凝固蛋白质麦醇溶蛋白类(βγωα)谷蛋白类面粉中的酶类高度的伸展性低度的伸展性低弹性高弹性溶于70％乙醇可悬浮在酸、碱、氢酸，碱，氢键溶剂键溶剂与脂类成复合体1.清蛋白占小麦蛋白质总量的3—5％，主要存在于胚中，能溶于水和稀盐溶液。热稳定性差，温度达到60℃时就变性；2.球蛋白占小麦蛋白质总量的6—10％。溶于10％的氯化钠溶液，3.麦醇溶蛋白占小麦蛋白质总量的40一50％，是小麦的主要蛋白，不溶于水及中性盐溶液，而溶于70一80％的乙醇水溶液；4.麦谷蛋白也是小麦蛋白质的主要成分，其含量为小麦蛋白质总量的30—40％，不溶于水、稀盐溶液和乙酵溶液，但能溶于稀酸稀碱溶液(0.2％)。小麦中各种蛋白质的氨基酸成分见表9—1。氨基酸清蛋白球蛋白醇类蛋白谷蛋白全麦粒面粉麦胚糊粉层蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质丙氨酸5.64.32.33.13.42.75.24.7精氨酸7.514.52.74.24.83.97.010.5天冬氨酸7.96.33.03.95.04.07.37.3胱氨酸6.712.63.12.51.71.71.11.7谷氨酸17.75.940.034.130.434.615.715.0组氨酸4.32.22.32.42.01.92.23.6异亮氨酸4.11.44.53.93.84.03.42.8亮氨酸10.79.27.26.96.66.85.75.5赖氨酸11.012.20.72.32.72.05.04.2氨基酸清蛋白球蛋白醇类蛋白谷蛋白全麦粒面粉麦胚糊粉层蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质蛋氨酸00.41.51.71.71.71.81.4苯丙氨酸5.03.25.64.84.55.03.53.7脯氨酸8.43.314.711.010.111.75.63.6丝氨酸4.79.15.15.95.25.54.64.1苏氨酸2.94.52.33.32.92.83.42.9色氨酸－－0.72.11.21.01.0－酪氨酸3.42.32.63.63.23.32.82.7缬氨酸8.12.24.44.54.74.54.95.0(二)小麦面筋组成及其特性1.小麦面筋的组成在小麦面粉中加适量水，再用手或机械进行揉合即得到粘聚在一起并具有粘弹性面块，这就是所谓的面团(dough)。静置之后，面团在水中搓洗时，淀粉、麸皮渐渐离开面团而悬浮于水中，最后只剩下一块具有粘性(cobesive)、延伸性(extensible)和’橡胶似的(rubbery)物质。这就是所谓的面筋(gluten)；因这种面筋含65—70％的水分，所以又称为湿面筋(wetgluten)；湿面筋烘去部分的水即为干面筋(drygluten)。面筋在面团中所表现的功能待性，对于面团烤制品的工艺品质和食用品质具有决定性的意义。小麦蛋白质在目前实际被利用的主要是小麦面筋，市场上流通的小麦蛋白制品基本都属于这一类型.化学分析证明面筋主要是麦醇溶蛋白和麦谷蛋白组成的高度水化产物。另外还含有少量的淀粉、纤维、糖、脂肪、类脂和矿物质等，见表9—2。表9－2小麦面筋的化学成分（对干物％）麦醇麦谷麦清蛋白和淀粉糖纤维脂肪灰份来源溶蛋白蛋白麦球蛋白39.0935.076.759.44－2.024.202.48Norton43.0239.104.416.452.13－2.802.00CMNPHOB2．小麦面筋的物理性质(1)面筋的物理性质小麦面筋具有一系列的物理功能性，如粘弹性、延伸性、成膜性等，这与组成面筋的两种主要蛋白质在分子形状、大小和存在状态上有所不同密切相关。小麦面筋由麦醇溶蛋白和麦谷蛋白组成见表9－6。由此表可知，麦醇溶蛋白与麦谷蛋白在溶解性、分子形状、大小等方面有一定区别。如果将面筋蛋白质溶于稀醋酸中，添加乙醇使其浓度达到70％，再添加微量碱使酸中和，面筋蛋白质就会约有一半沉淀。这种沉淀部分就是麦谷蛋白，溶解部分是麦醇溶蛋白。麦醇溶蛋白分子呈球形，分子量较小(25，000—100，000)，具有延伸性，但弹性小；麦谷蛋白分子为纤维状，分子量较大(100，000以上)，具有弹性，但延伸性小。这些特性都与蛋白质分子中的二硫键有关。如果切断麦谷蛋白的二硫键，即离解为多肽，从中可以清楚地看出，麦谷蛋白是多肽，由二硫键聚合的聚合体(如图9—2所示)，麦谷蛋白是聚合程度不同的各种大小分子的混合物。麦谷蛋白由于呈溶液状态时的粘性大，沉淀速度慢，估计其结构接近交联较少的线状结构。面筋在液体中即使水分过剩，仍然具有粘弹性。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面筋极性低(10％)，放出正电荷，而其它蛋白质的极性通常为30一45％，放出负电荷。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。①弹性面筋的弹性是指面筋在拉长或压缩后恢复到原始状态的能力。根据面筋弹性的强弱，将面筋分为三等：弹性良好的面筋：面筋块被拉长时有很大的抵抗力，用手指按压后能迅速恢复原状，且不留手指痕迹。弹性脆弱的面筋：拉长时几乎没有抵抗力，悬挂时，因自身的重量而下垂至断裂；用手指按压后，很难或不能恢复原状，而且留有较深的指印。弹性适中的面筋：弹性介于上述两种面筋之间。②延伸性把面筋块拉到某种长度而不致断裂的性能，可用面筋块拉到断裂时的最大长度来表示。按面筋延伸性强弱把其分为三个级别：延伸性差的面筋，延伸长度为＜8cm；延伸性中等的面筋，延伸长度为8—15cm；延伸性好的面筋，延伸长度为＞15cm。③比延性面筋在自然悬挂下，单位时间的伸长度叫面筋的比延性。并以每分钟伸长的厘米为量度。如悬挂一个2．5克的面团，并在其下端挂上一个5克重的砝码，就可以测出它的比延性，其结果见表9—7所示。④薄膜成型性小麦面筋的薄膜成型是其粘弹性的直接表现。由于足够压力而克服部分弹性，面筋内部就可形成C02或水汽，使面筋呈海绵状或纤维结构，所产生的气体被连续蛋白相所包围，孔内充满气体，形成薄膜面筋。。这种面筋如再加足够的热，就会失去活性，不再恢复原来的特性。按加热后含水量的多少构成胶体或食物脆性，面包生产就是利用气体被连续蛋白相包围的原理。利用这一原理，即使面筋水解后仍可制作香肠外衣，以及管状、壳状、食馅外皮等⑤吸水性商质量的面筋可吸收二倍面筋量的水。小麦面筋的这种吸水性可增加产品得率，并可延长食品的货架期。小麦面筋的吸水性和粘弹性相结合，就产生“活性”，通话称为“活性面筋”(Vitalgluten)。小麦湿面筋在干燥前烧煮，则会产生不可逆的变性，不再具有吸水性和粘弹性，而是一种普通植物蛋白。我国的烤麸水面筋就是这称无活性面筋。⑥热凝固性水溶性蛋白质加热到临界量度就会变性，变性后就不易溶于水了，这叫热凝固性。当面筋蛋白质含量达到25—30％时，加热到85℃就会发生热凝固。将面筋的热变性与面筋在稀醋酸中的溶解度进行比较，其结果是，随着加热温度上升和加热时间延长，面筋在稀醋酸中的溶解度下降，而变性度增加，见图9—3。用面筋和淀粉制作面包，并根据面包容积探讨了面筋的变性度。其结果仍是随着温度升高和加热时间延长，面包容积减小，表明面筋的变性度对面包容积有很大影响，见图9—4所示。面筋与其它蛋白质不同，对热的敏感性差，如不加热到80℃左右，便不会凝胶化。这说明面筋中的分子间多为S—S交联，即面筋是牢固的三级或四级结构构成的。因此。如果用还原剂切断面筋的S—S交联，其热敏感性就会显著提高。如果将这种现象应用于面筋制品，就要降低其热凝固温度。为了与肉蛋白质的凝固温度相一致，在利用鱼肉、畜肉制品尤其是用于后者时，面筋的粘弹性便能有效地发挥。pH值对变性的影响如图9—5所示。当加热到90℃时，pH值为4的变性速度最小；当pH值接近5时，变性速度迅速加快；当pH值5—6时，变性速度保持不变；当PH值为6—6．5，变性速度急剧上升；但当pH值为6．5一7．5，变性速度又保持不变。当加热到80℃时，面包容积法(图9—5曲线2)和稀醋酸溶解法(图9—5曲线3)出现了同样的倾向。尤其是曲线3，pH值接近5，变性速度最小。当90℃时，可以认为PH值接近4，变性速度呈最小值。考虑到活性面筋是将水面筋分散于酸或碱中，再进行喷雾干燥而成的，所以pH值对加热性的影响是重要的。⑦酸值小麦面筋是一种络合蛋白质，它没有明显的等电点。也就难于找出其正负电子正好平衡的分辨点，这是因为麦谷蛋白不溶于水，它具有正常的酸值范围，而面筋则趋向于反映麦醇溶蛋白在酸中溶解的等离子现象。研究麦醇溶蛋白质在不同酸值中的溶解度时发现，在酸值PH为6—9时，其溶解度最小。这一范围内小麦面筋的粘性、网络张力最强，因而小麦面筋在酸或碱的分散作用下，加速溶解是值得注意的，有些生产厂商就是利用这一点对小麦面筋进行喷雾干燥的。添加的醋酸溶液或氨水在干燥过程中会瞬时挥发，生产的小麦面筋仍为“活性面筋”。因此，控制面筋的酸值就能生产许多含有面筋的食品。⑥口味加工适当而又合理贮藏的活性面筋具有“清淡醇味”，或略带“谷物味”，这都是人们喜欢的口味。小麦面筋与其它谷物混合，或掺入肉类、鱼类等，即使大量加入也不会产生异味。(2)影响面筋物理性质的因素面筋性质的强弱，除了与小麦本身的品质有关外，还受许多物理和化学因素的影响。一般的规律是：凡能促进蛋白质解胶或溶化的因素都能使面筋弱化。例如稀酸溶液、还原剂和蛋白酶的作用等。凡能阻碍蛋白质吸水膨胀的因素都能使面筋强化。例如，热处理、不饱和脂肪酸、亲水性比蛋白质更强的中性盐及某些氧化剂的作用等。在小麦制粉过程中，反复精碾会使面筋强化。如果原来是弱力面筋，那么受到强烈的机械作用之后，就会变成强力的面筋。①面筋对于高温的敏感性具有重要的实际意义。面筋和其它水化状态的蛋白质一样，能够在加热时发生变性。如果变性过分，则面筋便无法形成，如果局部变性，则只会使软胶强化．因此，通过适当热处理，就有可能改进具有缺陷性小麦的面筋品质。例如，用日光曝晒或水热处理等方法，只要温度适宜，就能改善面筋的品质、增加弹性、由弱变强。但是，温度过高，反而有害。②不饱和脂肪酸对面筋的性质有很大的影响。少量的油酸(例如0．5—1．0％)加到面粉中，会异