阿拉伯木聚糖的功能性质及其应用研究

江南大学博士学位论文阿拉伯木聚糖的功能性质及其应用研究姓名：马福敏申请学位级别：博士专业：食品科学指导教师：王璋20090601摘要摘要全麦食品富含膳食纤维、维生素、矿物质及多种植物营养素。经常食用全麦食品会降低多种慢性病的发生率。全麦食品中全麦面包是西方国家首选的主食，是补充膳食纤维及多种营养素的最佳途径。在我国，由于全麦面包结构粗糙，消费者接受程度差，因而消费量受到极大的限制。面筋蛋白、阿拉伯木聚糖( A r a b i n o x y l 锄，A X ) 及它们之间的相互作用对全麦面团的流变性质和全麦面包品质有很大影响。因此研究A X 的功能性质，能改善全麦面包质构，提高民众健康水平，具有重要的理论意义和实用价值。本论文以全麦面粉为原料，优化水不溶性阿拉伯木聚糖( W a t e ru n e x t r a c t a b l ea r a b i n o x y l a n ，W U A X 3 的提取工艺，制得高纯度的水溶性阿拉伯木聚糖( W a t e re x t r a c t a b l ea r a b i n o x y l a n ，W E A X ) 和W U A X ； 研究了W E A X 及W U A X 的氧化胶凝机理以及A X 与面筋蛋白之间的相互作用；研究了氧化酶在实际体系中的应用。从全麦粉中提取纯化得到纯度较高的W E A X ，相对重均分子质量为4 1 4 ，4 5 9 。其单糖组成为阿拉伯糖4 2 6 0 ，木糖5 1 5 5 ，葡萄糖3 8 9 ，甘露糖1 9 6 。F A含量较低为0 2 5 。采用B a ( O H ) 2 提取W U A X ，优化了提取工艺。碱提W U A X 预处理结果发现高压蒸煮法可提高W U A X 的提取率及提取物中W U A X 的含量。B a ( O H ) 2 提取W U A X的最佳工艺条件为：料液比l ：1 8 8 ，提取温度6 3 ，提取时间3 h ，提取率为3 1 6 0 ；方差分析结果显示各因素对提取率影响的模型显著( P 3 0 9 的膳食纤维可使乳腺癌的发病率降低5 2 t 。S u z u k i 等对瑞典5 1 8 2 3名绝经期后妇女进行8 年3 个月的群组跟踪观察，发现全麦膳食纤维可使乳腺癌发病率降低5 0 【”。6 】；荷兰研究人员对5 9 8 名8 1 3 岁的儿童的研究发现长期食用全麦食品与鱼类可使d , J L 哮喘发病率降低5 4 t 1 7 1 ；据丹麦研究人员报道，经常食用全麦食品可明显提高血液中木酚素的水平，木酚素可在人体中转化为反式二氢3 ，4 双 甲基 2 一呋哺酮，从而起到保护心脏的作用【1 8 1 9 1 ；此外，全麦食品对高胆固醇，高血压等心血管疾病有很好的缓解作用【2 0 l ；可有效的防止心力衰竭【2 1 之4 1 。由于全麦食品的上述功能性质，在国外其消费量备受关注。美国2 0 0 5 饮食指引计划( 2 0 0 5D i e t a r yG u i d e l i n e sf o rA m e r i c a n s ) 及2 0 1 0 全民健康计戈l J ( H e a l t h yP e o p l e2 0 1 0 ) 推荐的全麦食品的日摄入量为9 0 盎斯，而实际日摄入量远远低于这一水平1 2 5 2 6 】。全麦食品中全麦面包作为西方国家的主食，是补充膳食纤维及多种营养素的最佳途径，因此全麦面包的消费量日益增加【2 ¨o 】。而在我国，由于全麦面包结构粗糙，消费者接受程度差，因而消费量受到极大的限制。因此研究全麦面团加工性能及全麦面包质构形成的机理具有极其重要的意义。1 2 全麦面粉的主要成分及其在全麦面包制作中的功能性质全麦面团的加工性能及全麦面包的质量主要由面粉的组成决定( 蛋白、淀粉及非淀粉多糖等) 。1 2 1 蛋白质众所周知，含有麦醇溶蛋白和麦谷蛋白的面筋蛋白同小麦面粉质量以及焙烤食品的品质有着紧密的关系。面筋蛋白是组成面团的最主要的蛋白质组分。面筋蛋白质约占面粉蛋白质总量的8 0 - 9 0 ，包含二种主要蛋白质麦谷蛋I 刍( g l u t e n i n ) 和醇溶蛋( j ( g l i a d i n ) ，而且两者的量大致相等【3 1 1 。在醇溶蛋白和麦谷蛋白之间存在着重要的物理和化学性质上的差别，这些差别与其功能特性密切相关。醇溶蛋白是面粉中主要的蛋白质之一，根据它在低p H 值的电泳迁移率的不同被2第一章绪论分为Q 、B 、1 ：- 、和醇溶蛋白四种类型【3 2 1 。口、I s - 和丫一醇溶蛋白是单体蛋白质，由2 5 0 3 0 0 个氨基酸残基组成，含3 4 个分子内二硫键，N 端由一个富含脯氨酸和谷氨酸的重复序列组成的区域，C 端无重复序列，含有半胱氨酸残基【3 3 1 。醇溶蛋白的氨基酸顺序排列为重复8 肽( P r o ，G i n ，G i n ，P r o ，P h e ，P r o ，G l n ，G I n ) ，不含半胱氨酸残基【3 4 】。动态流变性质测定表明，a 、p 和丫醇溶蛋白较醇溶蛋白易与面筋蛋白发生相互作用，因而增大了面筋蛋白的凝胶强度，这是由于前者蛋白质分子链中含有的半胱氨酸残基，能与面粉中其他蛋白质形成稳定的二硫键【3 5 1 。主要原因由于一醇溶蛋白属于贫硫蛋白，它不能与面粉中其他蛋白质形成二硫键，只能以非共价键的形式结合，所以对面团加工品质影响不大p 6 J 。麦谷蛋白是由分子量不一的，其各个亚基主要以二硫键结合成更大分子量的纤维状聚合体【3 7 】。还原分子间二硫键可得到麦谷蛋白亚基，分别为高分子量谷蛋白亚基( H i g hm o l e c u l a rw e i g h tg l u t e n i n ，H M W G S ) 和低分子量谷蛋白亚基( L o wm o l e c u l a rw e i g h tg l u t e n i n ，L M W G S ) t 强3 引。H M W G S 相对分子质量约为6 7 0 0 0 8 8 0 0 0 ，由三个结构域组成：含8 0 1 0 5 个氨基酸残基，无重复序列的N 末端( A ) ：含4 8 0 7 0 0 个氨基酸残基的重复序列的中间结构域( B ) 及含4 2 个氨基酸残基的C 末端( C ) p 9 1 。A 和C 结构域含较多带电氨基酸残基并包含了H M W G S 中多数甚至全部的半胱氨酸残基。B 结构域以六肽重复序列( Q Q P G O G ) 为骨架，并穿插六肽( Y Y P T S P ) 及三肽( Q Q P 或Q P G ) 。通过光谱、粘度和小角度X 射线分析表明中间区域重复序列通过p 转角形成松弛的螺旋结构，这是一种特殊的超二级结构。H M W G S 肽链上的B 转角成重复规则的分布，在B 转角区域中疏水的和形成氢键能力强的氨基酸较多 4 0 1 。L M W G S 相对分子质量约3 0 ，0 0 0 7 0 ，0 0 0 。圆二色性测定结果表明，L M W G S 与a 及丫醇溶蛋白结构相似，含3 0 重复序列，两个明显的结构域：N 端结构域及富含脯氨酸的中间结构域中存在B 转角，而C 端含a 螺旋结构，占L M W G S 结构的3 5 4 1 - - 4 3 1 。面团特有的黏弹性质主要是由麦胶蛋白和麦谷蛋白引起的。麦胶蛋白单体含有的分子内二硫键及分子间的非共价键( 氢键、范德华力、静电力及疏水相互作用) 使其具有特有的黏性。麦谷蛋白除非共价键作用外，主要是分子内及分子间的二硫键，使其具有很高的弹性【3 5 1 。可溶性麦谷蛋白的含量与面筋强度存在相关性。组成麦谷蛋白的蛋白质极大地影响了面团的流变学性质。面筋是面粉蛋白质中非极性醇溶蛋白和极性较大的麦谷蛋白在吸水膨胀后形成的网状结构。从蛋白质分子吸水到形成面筋的过程中，蛋白质的空间结构发生变化。蛋白质分子接近球形，表面是亲水基团，内部是疏水基团。当面粉加水搅拌的过程中，肽链展开，链间部分二硫键和次级键被打断，然后与毗邻的肽链又重新键合。其中重要的反应有：麦谷蛋白亚基间与麦谷蛋白亚基内发生巯基( 位于半胱氨酸残基上) 和二硫键( 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，从宏观上表现为面筋的弹性。聚合体体积越大，分子间相对滑移越困难，弹性也越大。据报道，醇溶蛋白是面团黏3江南大学博士学位论文性的主要来源，而麦谷蛋白是面团弹性的主要来源m 4 7 1 。1 2 2 淀粉小麦淀粉主要集中在麦粒的胚乳部分，占麦粒的7 0 以上( 干物质) 。淀粉是面粉中最丰富的碳水化合物，它可以由酵母直接分解为二氧化碳和乙醇。分散于面粉蛋白质基质中的淀粉颗粒对形成多孔、黏弹性的体系起到重要作用【4 8 ' 4 9 1 。1 2 2 1 小麦淀粉结构特点小麦淀粉由直链淀粉( A m y l o s e ) 和支链淀粉( A m y l o p e c t i n ) 构成，前者大约由5 0 - 3 0 0 个u D 吡哺葡萄糖基通过1 4 连接构成的直链分子，后者是0 【D 葡萄糖以1 _4 糖苷键为主链，以a ( 1 6 ) 糖苷键为支链连接而成。小麦淀粉中，直链淀粉为1 9 2 6 ，支链淀粉占7 4 8 1 。直链淀粉易溶于温水，而且几乎不显示黏性，而支链淀粉则易形成黏糊。淀粉颗粒是由直链淀粉和或支链淀粉分子径向排列而成。淀粉颗粒具有结晶区与非结晶区交替层的结构。支链淀粉分支是以双螺旋形式存在，这些双螺旋结构堆积在一起形成小的结晶区( 构成淀粉的紧密层) 。无定形区构成淀粉颗粒的稀疏层，紧密层与稀疏层交替排列【5 0 1 。小麦淀粉一般为凸镜形( 淀粉粒尺寸2 0 3 5n m ) 或球形( 淀粉粒尺寸5 1 0n m ) 。此外，小麦在磨粉时部分( 约8 )淀粉颗粒被磨损，这部分淀粉称为损伤淀粉。淀粉颗粒的机械损伤对其功能性质产生很大影响。1 2 2 2 小麦淀粉的糊化及老化一般，小麦淀粉颗粒比较紧密，因此不溶于水，但在冷水中能少量水合。当加热到约5 2 左右时，淀粉粒膨胀度增大，当加热到8 5 ，淀粉粒一直会膨胀到原直径的5 倍以上，全部变为半透明的糊状，成为有黏性的状态。这是因为淀粉粒涨裂后分子成为单分子状态，这些直链或支链淀粉分子在被搅动时互相缠绕交联，即呈现黏性。淀粉发生的这些变化叫做糊化( 失去原有的双折射现象) 。这种糊化状态的淀粉称旺淀粉。未糊化的淀粉分子排列很规则，称为D 淀粉。一般来讲，由p 淀粉变成a 淀粉，在加热温度6 0 时，要经过十几个小时，8 0 经几个小时，9 0 需3 h ，1 0 0 只需2 0 m i n 便可完全糊化。0 【淀粉比D 淀粉易消化【2 J 。当淀粉糊冷却和贮藏时，淀粉链重新形成有序的晶体结构状态，这一过程称为淀粉的老化。直连淀粉冷却几小时后，相邻的淀粉分子形成的稳定的双螺旋形成有序的结晶。而支链淀粉由于其侧链结构，重结晶是一个缓慢的过程。所以，淀粉糊冷却后短时间内，其凝胶硬度是由直连淀粉的老化引起的：而久置的淀粉糊凝胶硬度是由支链淀粉的老化引起的【5 l 】。此外p H 值、离子强度、糖含量及脂肪含量等因素也影响淀粉的糊化【5 2 1 。小麦粉中的淀粉由于含有大量的支链淀粉，老化过程主要发生在面包的贮藏过程，主要表现在面包心硬度增加和产品新鲜度下降。1 2 2 3 小麦淀粉在全麦面包中的功能性质·和面阶段，面团在形成的过程中，淀粉吸收自身重量4 6 的水分。此时淀粉填充于面筋蛋白形成的网状结构中或与面筋蛋白共同形成网状结构。另有研究证实，4第一章绪论面团流变学性质受淀粉颗粒表面的结构的影响【5 弘5 5 J 。烘焙阶段