谷朊粉

谷朊粉主要組成成分是麥谷蛋白和醇溶蛋白，另外還含有少量澱粉、脂肪、礦物質等（表1） ^[2]  。麥谷蛋白是由多肽鍵通過分子間二硫鍵作用聚合而成的蛋白，其分子量大，呈纖維狀，以分支狀方式高度交叉連接在一起，結構不規則，分子內含β-摺疊結構較多，富含谷氨醯胺(Gln)和胱氨酸(Cys)。醇溶蛋白為單體蛋白，分子量約35 kD，呈球形，不溶於水及無水乙醇，但溶於70%～80%的乙醇溶液中，特點是脯氨酸和酰胺較多，非極性側鏈較極性側鏈多，分子內既無亞基結構，又無肽鏈間二硫鍵，單肽鏈間依靠氫鍵、疏水鍵以及分子內二硫鍵連結，形成較緊密的三維結構。在低pH值條件下，依據電泳遷移率的不同，醇溶蛋白可分為α、β、γ、ω四種類型，其中α-醇溶蛋白流動性最高，ω-醇溶蛋白流動性最差。

表1 谷朊粉的成分及含量 ^[3] 

另外，根據在不同溶劑中的溶解性差異，可將谷朊粉中的蛋白質（麪筋蛋白）分為4類 ^[3]  ：溶於水的麥清蛋白(9%)、溶於鹽的麥球蛋白(5%)、溶於酒精溶液的麥醇蛋白(40%)和溶於稀酸或稀鹼的麥谷蛋白(46%)。谷朊粉中蛋白質的種類及特性見表2。

表2 谷朊粉中蛋白質的種類及特性 ^[3] 

谷朊粉蛋白中的麥醇溶蛋白分子呈球狀 ^{[2]  [4]}  ，分子量較小，具有延伸性，但彈性小；麥谷蛋白分子為纖維狀，分子量較大，具有彈性，但延伸性小。這兩者的共同作用，使得谷朊粉具有其它植物蛋白所沒有的獨特的黏彈性。

延伸性是指把麪筋塊拉到某種長度而不致斷裂的性能 ^[4]  ，可用麪筋塊拉到斷裂時的最大長度來表示。麪筋的延伸性分為三個級別：延伸性差的麪筋、延伸性中等的麪筋和延伸性好的麪筋。

谷朊粉的薄膜成型性是其黏彈性的直接表現 ^[4]  。由於谷朊粉具有彈性，CO₂或水汽等被連續蛋白相所包圍，內部充滿氣體，使麪筋呈海綿狀或纖維狀結構，形成薄膜麪筋。

谷朊粉中含有較多的疏水性氨基酸，與水接觸後，高質量的麪筋可吸收2倍麪筋量的水 ^[4]  ，可在外圍形成一層濕麪筋網絡結構，導致麪筋蛋白的低溶解性，影響其乳化性、發泡性等其他功能性質。谷朊粉的這種吸水性可增加產品得率，並延長食品的貨架期。

蛋白質溶解性會影響乳化性，在其等電點pH值時，溶解度最低，而谷朊粉的等電點pH正處於大部分食品的酸鹼範圍內，因此乳化性也較差 ^[2]  。

食品中泡沫的形成原因是氣泡分散於可溶性表面活性劑的連續液體或半固體相中的分散體系 ^[2]  。快速攪拌時，空氣進入到蛋白質溶液中，形成二維網絡結構。泡沫形成後能夠保持一定時間並具有一定抗破壞的能力稱之為泡沫穩定性。谷朊粉的起泡性和泡沫穩定性與其溶解性有關，由於溶解性較差，其起泡性也受到影響。

凝膠作用的影響因素與形成凝膠的外界條件密切相關，如温度、PH值和鹽濃度等等 ^[4]  。水溶性蛋白質加熱到臨界温度就會變性，變性後就不易溶於水，這就是熱凝固性。麪筋蛋白與其它蛋白質不同，對熱的敏感性差，如不加熱到80℃左右，便不會凝膠化。這説明麪筋中的分子間多為-S-S-交聯，即麪筋蛋白是由牢固的三級或四級結構構成的。因此，如果用還原劑切斷面筋蛋白的-S-S-交聯，其熱敏感性就會顯著提高。

影響蛋白的吸油性是蛋白質的構象和蛋白質之間的反應 ^[4]  。非共價鍵是涉及蛋白與油反應的主要作用力，其次是氫鍵。

谷朊粉是從小麥或小麥粉中提取出來的天然蛋白質，含有高比例的麩質和胰蛋白酶澱粉酶抑制劑（ATIs）。這兩種物質都可能引發人體的免疫反應，導致腸道屏障功能受損，腸道炎症增加，腸道動力異常等問題。

谷朊粉引起的過敏有不同的類型和嚴重程度，可能表現為以下幾種情況：

乳糜瀉：這是一種自身免疫性疾病，由於對麩質過敏，導致小腸黏膜受損，影響營養吸收。乳糜瀉的主要症狀是腹瀉、腹脹、體重下降、貧血等2。

食物過敏：這是一種IgE介導的過敏反應，由於對麩質或ATIs過敏，導致進食後2小時以內出現蕁麻疹、血管性水腫、喘息、噁心、腹痛甚至嚴重的過敏反應3。

食物依賴運動誘發的過敏性休克：這是一種特殊的食物過敏類型，由於對ω-5醇溶蛋白（一種麩質蛋白）過敏，導致進食含小麥產品後1-6小時由運動誘發出現低血壓、呼吸困難和全身蕁麻疹等症狀4。

非乳糜瀉型小麥敏感性：這是一種不清楚機制的反應類型，由於對小麥中的某些成分敏感，導致進食後出現類似於腸易激綜合徵（IBS）的症狀，如腹瀉、腹脹、腹痛等 ^[7] 

谷朊粉最基本的用途就是用來調整面粉蛋白含量 ^[4]  。許多地方面粉生產廠家通過添加谷朊粉到低筋粉中以達到麪包粉的要求，而不必混合昂貴的、進口高筋粉。這種方法在歐洲已被普遍採用。同樣，麪包製造商也用谷朊粉來強化一般級別的麪粉，而不必儲存大量的高筋粉。

谷朊粉的獨特的黏彈性能改善麪糰強度、混合性和處理性能；其成膜發泡能力能夠保存空氣用以控制膨脹度，改善體積、勻稱度和紋理；其熱凝固性能提供了必要的結構強度和咀嚼特性；其吸水能力提高了烘烤產品的產量、柔軟度和保質期。據估計大約70%的谷朊粉用於生產麪包、甜點心和各種各樣的發酵產品。根據烘烤食品特定的用途，紋理和保質期的要求，谷朊粉的用量各有不同。例如，在小麥粉中增加約1%谷朊粉能降低椒鹽脆餅成品的破損率，但增加了太多谷朊粉可能導致椒鹽脆餅吃起來太硬。在預切漢堡和熱狗麪包中使用大約2%谷朊粉，可以改善其強度，並能給小麪包提供想要的的脆皮特性。

在掛麪生產中，添加1%～2%谷朊粉時，由於面片成型好，柔軟性增加，所以收到了提高操作性，增加筋力，改良觸感的效果 ^[4]  。煮麪時，能減少麪條成分向湯中溶出，有提高煮麪得率，防止麪條過軟或斷條，增加面延伸效果。

谷朊粉能夠結合脂肪和水的同時增加蛋白質含量，這使谷朊粉在肉類、魚類和家禽產品中也有廣泛的應用 ^[4]  。麪筋通過組織化重構過程提高了對牛肉、豬肉和羊肉的利用，麪筋可以削切成更美味的牛排型產品以轉換不夠理想的鮮肉。麪筋具有良好刨削性質，對於肉製品加工，如在家禽卷、“整體”罐頭火腿和其他非特異性麪包型產品中，它提高了刨削的特點，減少了烹飪過程中的損耗。

在肉製品中，谷朊粉蛋白作為黏合劑、填充劑或增量劑而呈現出許多優點。使用量1%～5%的谷朊粉作為黏合劑使用在肉製品中賦予產品許多優點，諸如增加黏彈性、色澤穩定性、硬度、出汁率和保水性，降低了保油性和加工損耗。其凝固特性有利於改善流變特性，增強成片能力和保持感官特性。小麥麪筋獨特的黏合性、薄膜成型性和熱固性有助於將肉和果蔬粘合在一起製成牛排，也可將谷朊粉撒到肉片上。它也可被用在罐裝漢堡包及麪包切片中，以減少加工和蒸煮損失。谷朊粉的添加量為其質量的2%～3.5%。另外，谷朊粉也被用到肉餅中，有時也可作為香腸和一些肉產品的黏結劑。當面筋被水化後，它的結構伸展開，可被拉成絲、線或膜，利用此特點可被做成各種各樣的人造肉。例如：谷朊粉可生產蟹肉類似物，甚至人工魚子醬，溶於酒精的谷朊粉可用於製備可剝的食用膜，如腸衣膜。

谷朊粉的另一個主要用途是作為替代肉類的素食食品，以及生產人造的昂貴肉類，如海鮮和蟹類的類似物，特別是在日本，由於對健康和食品安全日益關注，越來越多的消費者正在尋找肉類替代品。純濕麪筋可以調味，變形，並加工成肉丸和牛排。組織化處理的小麥麪筋利用擠壓技術可以用來模仿肉類的口感，咀嚼性和味道。這種方法制造的“肉”產品適合作為即食主菜，也可作為三明治夾心或比薩餅和沙拉配料。麪筋可以在“素食者漢堡包”中扮演似肉物。

由於谷朊粉特有的風味和營養，被谷朊粉強化的穀物食品已被消費者廣泛地接受，尤其和牛奶一起享用 ^[4]  。如：高樂高。因為谷朊粉不僅提供必需的營養需求，而且有助於在加工中將維生素和礦物質粘合在一起，強化穀物食品。在營養小吃中，谷朊粉提供豐富的營養和酥脆性。一般添加量為1%～2%。但在澳大利亞，一些產品的谷朊粉質量分數達到30%～45%。其中一個高蛋白小吃的例子就是包含土豆條、麪包屑和谷朊粉的一種麪食。

利用谷朊粉製造的合成奶酪在質地和口感上與天然奶酪沒有什麼區別 ^[4]  。國際小麥麪筋協會近來的研究表明，谷朊粉單獨或者和大豆蛋白混合使用，可部分取代昂貴的酪蛋白酸鈉，大大地降低了奶酪的生產成本。谷朊粉也被用來強化比薩表面強度，提供硬外殼和爽口感，使外皮酥脆，增加咀嚼性，並能減少水分從醬汁轉移到比薩內部。添加量為小麥粉基質的1%～2%。

水產養殖業（包括魚類、甲殼類動物）是一個日益膨大的工業 ^[4]  。現代養殖業依靠飼養來提高產量，谷朊粉的特性正好迎合這一需求。它的粘合性將小球狀或者粒狀飼料粘結起來；它的水不溶性可以防止球潰散；它的黏彈性提供柔軟而粘着的質地組織，使其擁有一定的界面張力，懸浮於水中，利於吞食。而且谷朊粉還具有豐富的營養價值。

谷朊粉也用於製備醬油，並製造味精 ^[4]  。谷朊粉的高谷氨醯胺含量使它成為製造後者的理想的初級材料。用谷朊粉製造的醬油同傳統醬油相比，擁有淺色，緩慢褐變率，優良的風味和良好的稠度。

小麥麪筋蛋白因其獨有的黏彈性和水不溶性受到了國內外一些膜研究者的關注，並從理論上指出它可能成為一種優秀的成膜劑(Kester和Fennema) ^[3]  。Kayserilioglu等人的研究表明：在pH值4～11，乾燥或非乾燥條件下，0%～40%(w/w)的木聚糖與谷朊粉結合能形成可生物降解性的複合膜。陳新健等人的研究也表明：用可食性麪筋蛋白塗膜荔枝，對荔枝有較好的保鮮作用，不但降低了爛果率，避免了營養成分的顯著減少，荔枝保鮮期也由2～3 d延長至7 d。彭海萍等人以小麥麪筋蛋白為原料製備了可食性包裝膜。該研究不但通過單因素試驗探討了影響膜厚度、膜透光率、膜水溶性和膜阻隔性能的主要因素，還通過正交試驗確定了小麥麪筋成膜的最佳工藝條件是：小麥麪筋與甘油的配比為4:1，乙醇濃度為50%，成膜溶液的pH值為11，熱處理温度為80℃。

谷朊粉的蛋白質含量高，氨基酸組成比較齊全，在飼料工業中，可以利用其優良的蛋白源作為高檔動物及寵物的飼料 ^{[3]  [5]}  。在飼料加工過程中，只要將谷朊粉與其他食物性蛋白按比例混合，並根據動物飼料的特性及其所缺的必需成分進行合理搭配，就能製成各種動物的專用飼料。高檔谷朊粉具有“清淡醇味”或“略帶穀物口味”，與其他成分混合製成飼料後，可以説色香味俱全，特別適合於各種寵物的口味，這樣大大增加了飼料的利用率。

高質量的谷朊粉在30～80℃的温度範圍內能迅速吸入自身2倍重的水分，這種性能能夠防止製品水分分離，提高其保水性。在製作懸浮飼料時添加谷朊粉，飼料吸水後的懸浮性和自然黏彈性都得到提高。當谷朊粉與飼料中的其他成分充分拌和，由於其強力的黏附性，很容易將飼料造型成顆粒。飼料顆粒投放到水中後吸水，飼料顆粒被充分包絡在濕麪筋網絡結構中，能夠懸浮於水中，這樣不但使飼料的營養不損失，而且大大提高了動物對谷朊粉的利用率。

近年的研究發現，某些食物蛋白質肽鏈中藴藏着生物活性肽 ^[6]  。它們在蛋白質降解過程中釋放出來，發揮代謝調節作用。研究發現，小麥麪筋蛋白經鹼性蛋白酶、胃酶、胃酶和胰酶複合水解制備的 3 種短肽具有較好的鎮痛作用和較好的阿片活性 。此外，麪筋蛋白還可以用於藥物的釋放。 Andreani L等分別用小麥麪筋蛋白和麪筋/聚乙二醇複合物對地爾硫包封成膠囊，包封率高，且添加聚乙二醇後增加了微球體的多孔性，也影響了模型藥物的體外釋放 。M ascheroni E 等以谷朊粉為基質製備了醫用抗菌劑( 香芹酚) 傳遞系統，結果發現，填充高含量(≥5 %) 蒙脱石顆粒後，很好地保留並保護了香芹酚的抗菌活性。隨着醫藥研究的不斷深入，必將進一步拓寬麪筋蛋白的應用範圍 。

隨着煤炭、石油等不可再生資源被不斷地開採，資源日益枯竭，人們對怎樣將谷朊粉作為原料運用到工業產品的生產重新產生了興趣 ^[5]  。1971年，Noznichk和Tatter研製出谷朊粉膠囊，所製得的膠囊能夠延緩色澤的衰退、減少風味物質的釋放和藥物有效成分的散失。1982年，Winter發明了用甲醛將小麥蛋白改性，可用於選擇性地吸附回收重金屬離子。1989年，Tsuda和Hann等利用部分水解後的谷朊粉合成出性能良好的去污劑。1996年，McGuire等對谷朊粉進行酸鹼改性後與害蟲控制劑混合製成噴霧型害蟲控制劑，能夠很好讓控制劑吸附在植物表面和害蟲體表毛髮上，達到有效控蟲的目的。2003年，Bassi等將利用焦亞硫酸鈉還原所得的谷朊粉添加到紙漿塗膜原料中，能夠起到增加產品光澤度的效果。2004年，Woerd等對谷朊粉進行硫醇改性，能夠製成工業用可降解膜。

隨着人類環保意識的增強及不可再生資源的短缺和人類需求日益增大，谷朊粉再度受到人們的重視。據統計，國際市場對谷朊粉需求量呈日益增長趨勢。美國、澳大利亞的谷朊粉產量佔世界總產量的70% ^[4]  ，2010年我國谷朊粉年產量達到30萬 t，國內谷朊粉市場規模迅速擴大，已從20世紀90年代不足1000t擴大到了年消費10萬 t以上，且每年都以15%以上的速度不斷遞增。

對於谷朊粉的研究和利用主要集中在食品及飼料工業，對於高附加值的應用研究還較少，並且主要集中在谷朊粉的整體特性上，對谷朊粉具體組分及其功能特性的研究較少 ^[6]  。因此，在繼續開發谷朊粉的方向上，應加強基礎性研究，進一步認識其組分的結構 、功能及其對應關係，從本質上認識谷朊粉，為以後應用奠定理論基礎。

此外，雖然谷朊粉作為改良劑已在食品加工等方面起到了較好的效果，但由於谷朊粉中含有較多的疏水性氨基酸，分子結構中疏水作用區域較大，因此其溶解度較低。這一特性使得它的應用範圍受到限制。為了提高和拓寬谷朊粉的功能特性，就需要利用技術手段對谷朊粉的蛋白質結構加以改造，該技術稱為谷朊粉改性技術，也是當前谷朊粉應用研究的熱點之一。對谷朊粉進行改性的方法主要有化學方法、物理方法、基因工程法和酶法等 ^[3]  ，其中用化學方法對谷朊粉進行改性的研究報道較多，也有少數用物理方法對谷朊粉進行改性的報道。

化學改性主要包括水解作用、磷酸化作用和酰化作用等 ^[4]  。酶法改性是採用蛋白酶對蛋白質進行酶解。化學改性在產生預期效果的同時，可能在營養和毒理方面造成有害的效應，因此，化學方法改性在食品加工中的應用受到一定的限制。採用酶法改性，酶促反應速度快，專一性強，條件温和，能耗很低，而反應效率較高，在低酶濃度下也能產生顯著效果，不需要特殊的設備，一般不會導致營養方面的損失，也不會產生毒理方面的問題。從營養和經濟上講，酶法改性都明顯優於物理改性和化學改性，該法是一種有發展前途的改性方法。

隨着針對谷朊粉應用研究的持續深入，谷朊粉必將得到更廣泛的應用，並最大限度地發揮其作用來滿足人們的需求。