[科普中国]-面筋蛋白

定义

面筋蛋白是由面粉中的蛋白质转化而来的、具有黏性与弹力的一种物质。和面时，我们会感觉到有一股反弹力在阻止我们向下按压面团，而产生这种反弹力的物质就是面粉中的面筋蛋白。实际上，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，通过揉捏，在蛋白质的作用下，麦醇溶蛋白、麦谷蛋白与水结合形成的产物。虽然多数食品中都含有蛋白质，但是面粉中的这种蛋白质是独一无二的。正因为如此，能够形成面筋蛋白这一点成了面粉的特性。

小麦面筋主要由麦醇溶蛋白和麦谷蛋白组成，并含有少量淀粉、脂肪和矿物质等，其中麦醇溶蛋白的含量为小麦蛋白总量的40%-50%，麦谷蛋白的含量为小麦蛋白总质量的30%-40%，通常统称为面筋蛋白。麦醇溶蛋白分子量小，不溶于水及中性盐溶液，能溶于中等浓度乙醇溶液（70%-80%的溶液溶解度最大），多由非极性氨基酸组成，决定面筋的延伸性；麦谷蛋白不溶于水稀盐溶液和乙醇溶液，但能溶于烯酸或稀碱溶液，决定面筋的弹性和抗延伸性。

面筋蛋白的纤维构造呈网眼状紧密相连，因此，其最大的特点就是能够产生黏性与弹力。面团揉捏越充分，产生的面筋蛋白量越多，网眼构造更加细密，因而面团的黏性与弹力就越强。1

氨基酸序列与结构氨基酸序列分析也可以帮助我们加深对面筋蛋白结构的理解。对分离蛋白及编码这些蛋白基因的研究，已经揭示了面筋蛋白质亚基中氨基酸的组成顺序。把对面筋蛋白分析各方面的知识综合起来，就能更多的了解单个蛋白的结构，以及单个蛋白之间如何相互作用，形成面筋的。麦谷蛋白的X一型和Y一型高分子亚基对构成面筋蛋白结构、决定面筋性质有重要作用。这些亚基分子末端呈球形，包含绝大多数的半胱氨酸残基分子，可能使高分子麦谷蛋白亚基末端彼此相连，而少量的半胱氨酸残基可能发生交联作用。这些亚基中间部位是重复区，使面筋产生弹性。

面筋蛋白由麦谷蛋白和麦醇溶蛋白组成，二者在结构上差异很大。1

麦醇溶蛋白麦醇溶蛋白的类型和结构麦醇溶蛋白是单体蛋白，根据它在低pH下电泳迁移率的不同被分为α一麦醇溶蛋白、β一麦醇溶蛋白、γ一麦醇溶蛋白和ω一麦醇溶蛋白这四种类型。α一麦醇溶蛋白、β一麦醇溶蛋白、γ一麦醇溶蛋白结构相似，均有重复的N一端区域和非重复的C一端区域，肽链上存在3～4个分子内二硫键。而”麦醇溶蛋白结构特殊，以一个肽段为主要重复区域(PGGPPPGG)，该重复区域没有半胱氨酸残基，因此无二硫键的形成。麦醇溶蛋白间

通过氢键和疏水作用相互反应，有助于面筋黏性的形成。在盱麦醇溶蛋白中N一端和C-端这两个区域几乎等长。N一端区域由两段重复的氨基酸顺序组成(PGGPT和PGPGPPP)，形成富含β转角的结构，但β转角在肽链上分布不规则，不能形成β螺旋，故分子不具有弹性；C端区域主要含有球状结构，以α一螺旋为主。ω一麦醇溶蛋白肽链通过谷氨酰胺残基上的氢键与其他亚基或蛋白质进行结合。它们的二级结构处于β转角和多聚ω一脯氨酸类似结构的平衡态，在溶液中呈棒状。麦醇溶蛋白的β转角虽有规则的分布于整个肽链，但分子中缺乏半胱氨酸，因此肽链间不能交联形成弹性聚合物。2

麦谷蛋白麦谷蛋白的组成和结构通过SDS-PAGE可将红硬春小麦中的麦谷蛋白分成三个区域：A区、B区、C区，即高分子量谷蛋白亚基(HMW一GS)、中分子量谷蛋白亚基(MMW一GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW一GS)。由于在SDS-PAGE凝胶中难以将LMW一GS和麦醇溶蛋白鉴别开，所以目前对LMW一GS的结构和性质研究较少。

HMW一GS一般含有630～830个氨基酸，相对分子质量约为67500～88000，它们的肽链可分为三段：由N一端和C-端较短的非重复区域夹着较长的有重复区域的中间区域。非重复区域含有大量甚至全部的半胱氨酸残基，其中一部分用于形成分子间二硫键以稳定高分子麦谷蛋白多聚体。HMW一GS的N一端中的α一螺旋上的半胱氨酸残基能彼此间或与LMW一GS间交联形成弹性聚合物。相比之下，重复区域只有少数几个或根本没有半胱氨酸残基，而是以重复的六肽(PGQGQQ)和九肽(GYYPTSP/LQQ)以串联与分散的形式所组成。通过光谱、黏度和小角度X射线分析表明中间区域重复序列通过β转角形成松弛的β一螺旋结构，这是一种特殊的超二级结构。LMW一GS肽链上的β一转角成重复规则的分布，在β转角区域中疏水和形成氢键能力强的氨基酸较多。目前，根据HMW—GS中各亚基电泳迁移率的差异已分离出20种亚基。1

分离与鉴定最初对面筋的研究采用的是超速离心法，认识到面筋蛋白及其麦谷蛋白是由较小的蛋白质形成的大分子聚合物，相对分子质量达几百万；而麦醇溶蛋白相对分子质量小，不属于高分子聚合物。移动界面电泳研究结果表明，面筋蛋白质不是由单一成分组成，而是复合物。不同小麦品种的面筋蛋白组成不同，且蛋白质成分与小麦品质有关。

面筋蛋白氨基酸的分析表明，其含有较多的谷氨酰胺、半胱氨酸、非极性氨基酸，这些氨基酸以多种形式把蛋白质键合在一起。谷氨酰胺和非极性氨基酸是以氢键的方式，半胱氨酸以二硫键，而极性氨基酸则以静电作用。这些键合方式对面筋结构的形成很重要，其中二硫键尤为突出。就像分解高分子聚合物一样，断开面筋蛋白中的二硫键，面筋黏度会急剧下降。面筋蛋白中产生的巯基在不同条件下，有可能氧化成二硫键，生成分子大小和性质不同的蛋白质。在制作面包时，混合面团并加入面团品质改良剂，面筋蛋白中的二硫键在氧化/还原作用下，发生了重排和重组。2

电泳法对面筋蛋白结构的研究需要使用复杂的分析方法，淀粉凝胶电泳是较早经改进用于蛋白质分离的，随着不断的完善，现在的设备更好，凝胶层更薄，冷却效率更高，所需的染色样品量更小，分辨率更高。而且淀粉已主要为聚丙烯酰胺所取代，SDS一PAGE电泳可以高分辨分离面筋蛋白，特别是麦醇溶蛋白。SDS一PAGE在面筋蛋白的分析中极为重要。在此方法中，蛋白质一表面活性剂复合物，依据分子大小在电场有不同的迁移速度。使用SDS一PAGE首先阐明了麦谷蛋白质含有与小麦功能和品质密切相关的高分子亚基。采用双向凝胶电泳，可以获得更高的分辨率。面筋蛋白质的分离也可以采用毛细管电泳法(CE)。CE具有速度快的优点，且在众多的电泳法中，首先实现自动化操作。更为重要的是，CE易于对蛋白质定量，经过改进的CE，可以分析多种面筋蛋白，包括麦谷蛋白高分子亚基，也可用于小麦品种的鉴别和品质预测。电泳分析表明，小麦中包含了数百种不同的蛋白质，其蛋白成分主要由品种决定，其次受环境影响。影响小麦品质的不是面筋的数量，而是个体蛋白的种类和数量。2

色谱法使用色谱法也有助于了解面筋的结构。早期的凝胶过滤色谱法是根据蛋白分子大小进行分离的，它揭示了品质不同的小麦蛋白质分子大小种类不同，麦胶、麦谷数量不同，而且大小不同的麦谷蛋白的相对数量也有差异。但这类方法所需时间长，数小时甚至几天。而基于同样原理的高效液相色谱(HPLC)，仅需几分钟，且准确度更高。HPLC在准确反映小麦蛋白数量方面有很大的优越性，用反相高效液相色谱(RP一HPLC)法就更为明显。RP-HPLC与其他分离方法特征不一样，是依据表面亲和力的不同来分离蛋白的。它对小麦品种的鉴定，对由于环境的影响，导致品质差异的蛋白质成分数量不同的分析，十分有用。

在面团形成过程中的变化面团的形成是一个复杂的物理和生物化学的变化过程。在这个过程中，面筋蛋白不仅与水发生溶剂化作用，而且在定向剪切力的作用下，多肽链间的二硫键和次级键(氢键、疏水键、离子键)的断裂和重组，会形成有序的空间网状结构，这两方面的作用使面团具有延展性和弹性。2

与水的溶剂化作用从搅拌阶段开始，面筋蛋白质便发生胶体化学变化。麦谷蛋白首先吸水膨胀，然后麦醇溶蛋白也逐渐吸水膨胀。此时吸水不多，水化作用仅在蛋白质外围的亲水性基团进行，面筋尚未形成。随着搅拌的继续，水分子与蛋白质胶体各个链的所有极性基团发生溶剂化作用，将蛋白质胶团表面的可溶性粒子洗脱下来，使其在蛋白质胶体间处于溶解状态。水化作用由表及里将蛋白质胶体内的可溶性成分溶解，由此产生的内部渗透压将促使大量水分子进入胶体内部，直到渗透压平衡为止。最后，面筋蛋白外部形成具有疏水区的凝聚体，内部形成亲水区，保持了渗透的大量水分。该过程可明显的感觉到面团逐渐变软，黏性减弱，体积膨大，弹性增强。若搅拌过度，面团表面会出现游离水浸湿现象，面团又恢复黏性状态。2

面筋网络的形成在搅拌前，面筋蛋白的连接是杂乱无章的，在搅拌机的定向搅拌下，疏水键展开，链间部分二硫键和次级键被打断，然后与相邻的肽链又重新键合。其中重要的反应有：麦谷蛋白亚基间/内发生巯基(位于半胱氨酸残基上)和二硫基(位于胱氨酸残基上)的交换反应。最后，麦谷蛋白亚基通过分子间二硫键交联形成有序的纤维状大分子聚合体，从宏观上表现为弹性的逐渐形成。聚合体体积越大，分子间相对滑移越困难，弹性也越大。麦醇溶蛋自在肽链内二硫键、氢键和疏水作用下形成球状结构，通过非共价键和麦谷蛋白结合，穿插在网络结构中。麦醇溶蛋白的介入减弱了相邻麦谷蛋白亚基间的相互作用，从宏观上表现为面团具有滑移和黏性。

二硫键对稳定高分子麦谷蛋白多聚体起到了关键作用，但最新研究表明位于相邻亚基之间、HMW一GS亚基和其他蛋白质之间形成的氢键，对稳定面团结构也非常重要。HMW一GS上大量有规则分布的谷氨酰胺残基有利于亚基间氢键的形成。用AFM研究HMW一GS间的相互作用时，所拍摄的图片显示了烷基化的HMW一GS和取自HMW一GS中间重复区域的肽段能并排形成直径约为20nm的纤维状结构，这可能是由于谷氨酰胺侧链和位于相邻多肽主链上的氨基之间形成了分子间氢键所导致的。对HMW一GS的FTI的研究表明，β折叠结构的比例随着蛋白质浓度的增加而增加，这些结果证明了分子间氢键能稳定纤维状结构的形成。另外在实验中发现缺乏二硫键的HMW一GS能形成有分枝的网状结构，这意味着亚基间非共价键作用具有类似二硫键的能力。3