麪筋蛋白

麪筋蛋白是由麪粉中的蛋白質轉化而來的、具有黏性與彈力的一種物質。和麪時，我們會感覺到有一股反彈力在阻止我們向下按壓麪糰，而產生這種反彈力的物質就是麪粉中的麪筋蛋白。實際上，麪筋蛋白原本並不存在於麪粉中。它是在麪粉中加入一定量的水後，通過揉捏，在蛋白質的作用下，麥醇溶蛋白、麥谷蛋白與水結合形成的產物。雖然多數食品中都含有蛋白質，但是麪粉中的這種蛋白質是獨一無二的。正因為如此，能夠形成麪筋蛋白這一點成了麪粉的特性。

小麥麪筋主要由麥醇溶蛋白和麥谷蛋白組成，並含有少量澱粉、脂肪和礦物質等，其中麥醇溶蛋白的含量為小麥蛋白總量的40%-50%，麥谷蛋白的含量為小麥蛋白總質量的30%-40%，通常統稱為麪筋蛋白。麥醇溶蛋白分子量小，不溶於水及中性鹽溶液，能溶於中等濃度乙醇溶液（70%-80%的溶液溶解度最大），多由非極性氨基酸組成，決定麪筋的延伸性；麥谷蛋白不溶於水稀鹽溶液和乙醇溶液，但能溶於烯酸或稀鹼溶液，決定麪筋的彈性和抗延伸性。

麪筋蛋白的纖維構造呈網眼狀緊密相連，因此，其最大的特點就是能夠產生黏性與彈力。麪糰揉捏越充分，產生的麪筋蛋白量越多，網眼構造更加細密，因而麪糰的黏性與彈力就越強。 ^[1] 

氨基酸序列分析也可以幫助我們加深對面筋蛋白結構的理解。對分離蛋白及編碼這些蛋白基因的研究，已經揭示了麪筋蛋白質亞基中氨基酸的組成順序。把對面筋蛋白分析各方面的知識綜合起來，就能更多的瞭解單個蛋白的結構，以及單個蛋白之間如何相互作用，形成麪筋的。麥谷蛋白的X一型和Y一型高分子亞基對構成麪筋蛋白結構、決定麪筋性質有重要作用。這些亞基分子末端呈球形，包含絕大多數的半胱氨酸殘基分子，可能使高分子麥谷蛋白亞基末端彼此相連，而少量的半胱氨酸殘基可能發生交聯作用。這些亞基中間部位是重複區，使麪筋產生彈性。

麪筋蛋白由麥谷蛋白和麥醇溶蛋白組成，二者在結構上差異很大。 ^[1] 

麥醇溶蛋白的類型和結構麥醇溶蛋白是單體蛋白，根據它在低pH下電泳遷移率的不同被分為α一麥醇溶蛋白、β一麥醇溶蛋白、γ一麥醇溶蛋白和ω一麥醇溶蛋白這四種類型。α一麥醇溶蛋白、β一麥醇溶蛋白、γ一麥醇溶蛋白結構相似，均有重複的N一端區域和非重複的C一端區域，肽鏈上存在3～4個分子內二硫鍵。而”麥醇溶蛋白結構特殊，以一個肽段為主要重複區域(PGGPPPGG)，該重複區域沒有半胱氨酸殘基，因此無二硫鍵的形成。麥醇溶蛋白間

通過氫鍵和疏水作用相互反應，有助於麪筋黏性的形成。在盱麥醇溶蛋白中N一端和C-端這兩個區域幾乎等長。N一端區域由兩段重複的氨基酸順序組成(PGGPT和PGPGPPP)，形成富含β轉角的結構，但β轉角在肽鏈上分佈不規則，不能形成β螺旋，故分子不具有彈性；C端區域主要含有球狀結構，以α一螺旋為主。ω一麥醇溶蛋白肽鏈通過谷氨醯胺殘基上的氫鍵與其他亞基或蛋白質進行結合。它們的二級結構處於β轉角和多聚ω一脯氨酸類似結構的平衡態，在溶液中呈棒狀。麥醇溶蛋白的β轉角雖有規則的分佈於整個肽鏈，但分子中缺乏半胱氨酸，因此肽鏈間不能交聯形成彈性聚合物。 ^[2] 

麥谷蛋白的組成和結構通過SDS-PAGE可將紅硬春小麥中的麥谷蛋白分成三個區域：A區、B區、C區，即高分子量谷蛋白亞基(HMW一GS)、中分子量谷蛋白亞基(MMW一GS)和低分子量谷蛋白亞基(LMW一GS)。由於在SDS-PAGE凝膠中難以將LMW一GS和麥醇溶蛋白鑑別開，所以目前對LMW一GS的結構和性質研究較少。

HMW一GS一般含有630～830個氨基酸，相對分子質量約為67500～88000，它們的肽鏈可分為三段：由N一端和C-端較短的非重複區域夾着較長的有重複區域的中間區域。非重複區域含有大量甚至全部的半胱氨酸殘基，其中一部分用於形成分子間二硫鍵以穩定高分子麥谷蛋白多聚體。HMW一GS的N一端中的α一螺旋上的半胱氨酸殘基能彼此間或與LMW一GS間交聯形成彈性聚合物。相比之下，重複區域只有少數幾個或根本沒有半胱氨酸殘基，而是以重複的六肽(PGQGQQ)和九肽(GYYPTSP/LQQ)以串聯與分散的形式所組成。通過光譜、黏度和小角度X射線分析表明中間區域重複序列通過β轉角形成鬆弛的β一螺旋結構，這是一種特殊的超二級結構。LMW一GS肽鏈上的β一轉角成重複規則的分佈，在β轉角區域中疏水和形成氫鍵能力強的氨基酸較多。目前，根據HMW—GS中各亞基電泳遷移率的差異已分離出20種亞基。 ^[1] 

最初對面筋的研究採用的是超速離心法，認識到麪筋蛋白及其麥谷蛋白是由較小的蛋白質形成的大分子聚合物，相對分子質量達幾百萬；而麥醇溶蛋白相對分子質量小，不屬於高分子聚合物。移動界面電泳研究結果表明，麪筋蛋白質不是由單一成分組成，而是複合物。不同小麥品種的麪筋蛋白組成不同，且蛋白質成分與小麥品質有關。

麪筋蛋白氨基酸的分析表明，其含有較多的谷氨醯胺、半胱氨酸、非極性氨基酸，這些氨基酸以多種形式把蛋白質鍵合在一起。谷氨醯胺和非極性氨基酸是以氫鍵的方式，半胱氨酸以二硫鍵，而極性氨基酸則以靜電作用。這些鍵合方式對面筋結構的形成很重要，其中二硫鍵尤為突出。就像分解高分子聚合物一樣，斷開面筋蛋白中的二硫鍵，麪筋黏度會急劇下降。麪筋蛋白中產生的巰基在不同條件下，有可能氧化成二硫鍵，生成分子大小和性質不同的蛋白質。在製作麪包時，混合麪糰並加入麪糰品質改良劑，麪筋蛋白中的二硫鍵在氧化/還原作用下，發生了重排和重組。 ^[2] 

對面筋蛋白結構的研究需要使用複雜的分析方法，澱粉凝膠電泳是較早經改進用於蛋白質分離的，隨着不斷的完善，現在的設備更好，凝膠層更薄，冷卻效率更高，所需的染色樣品量更小，分辨率更高。而且澱粉已主要為聚丙烯酰胺所取代，SDS一PAGE電泳可以高分辨分離麪筋蛋白，特別是麥醇溶蛋白。SDS一PAGE在麪筋蛋白的分析中極為重要。在此方法中，蛋白質一表面活性劑複合物，依據分子大小在電場有不同的遷移速度。使用SDS一PAGE首先闡明瞭麥谷蛋白質含有與小麥功能和品質密切相關的高分子亞基。採用雙向凝膠電泳，可以獲得更高的分辨率。麪筋蛋白質的分離也可以採用毛細管電泳法(CE)。CE具有速度快的優點，且在眾多的電泳法中，首先實現自動化操作。更為重要的是，CE易於對蛋白質定量，經過改進的CE，可以分析多種麪筋蛋白，包括麥谷蛋白高分子亞基，也可用於小麥品種的鑑別和品質預測。電泳分析表明，小麥中包含了數百種不同的蛋白質，其蛋白成分主要由品種決定，其次受環境影響。影響小麥品質的不是麪筋的數量，而是個體蛋白的種類和數量。 ^[2] 

使用色譜法也有助於瞭解麪筋的結構。早期的凝膠過濾色譜法是根據蛋白分子大小進行分離的，它揭示了品質不同的小麥蛋白質分子大小種類不同，麥膠、麥谷數量不同，而且大小不同的麥谷蛋白的相對數量也有差異。但這類方法所需時間長，數小時甚至幾天。而基於同樣原理的高效液相色譜(HPLC)，僅需幾分鐘，且準確度更高。HPLC在準確反映小麥蛋白數量方面有很大的優越性，用反相高效液相色譜(RP一HPLC)法就更為明顯。RP-HPLC與其他分離方法特徵不一樣，是依據表面親和力的不同來分離蛋白的。它對小麥品種的鑑定，對由於環境的影響，導致品質差異的蛋白質成分數量不同的分析，十分有用。

麪糰的形成是一個複雜的物理和生物化學的變化過程。在這個過程中，麪筋蛋白不僅與水發生溶劑化作用，而且在定向剪切力的作用下，多肽鏈間的二硫鍵和次級鍵(氫鍵、疏水鍵、離子鍵)的斷裂和重組，會形成有序的空間網狀結構，這兩方面的作用使麪糰具有延展性和彈性。 ^[2] 

從攪拌階段開始，麪筋蛋白質便發生膠體化學變化。麥谷蛋白首先吸水膨脹，然後麥醇溶蛋白也逐漸吸水膨脹。此時吸水不多，水化作用僅在蛋白質外圍的親水性基團進行，麪筋尚未形成。隨着攪拌的繼續，水分子與蛋白質膠體各個鏈的所有極性基團發生溶劑化作用，將蛋白質膠團表面的可溶性粒子洗脱下來，使其在蛋白質膠體間處於溶解狀態。水化作用由表及裏將蛋白質膠體內的可溶性成分溶解，由此產生的內部滲透壓將促使大量水分子進入膠體內部，直到滲透壓平衡為止。最後，麪筋蛋白外部形成具有疏水區的凝聚體，內部形成親水區，保持了滲透的大量水分。該過程可明顯的感覺到麪糰逐漸變軟，黏性減弱，體積膨大，彈性增強。若攪拌過度，麪糰表面會出現遊離水浸濕現象，麪糰又恢復黏性狀態。 ^[2] 

在攪拌前，麪筋蛋白的連接是雜亂無章的，在攪拌機的定向攪拌下，疏水鍵展開，鏈間部分二硫鍵和次級鍵被打斷，然後與相鄰的肽鏈又重新鍵合。其中重要的反應有：麥谷蛋白亞基間/內發生巰基(位於半胱氨酸殘基上)和二硫基(位於胱氨酸殘基上)的交換反應。最後，麥谷蛋白亞基通過分子間二硫鍵交聯形成有序的纖維狀大分子聚合體，從宏觀上表現為彈性的逐漸形成。聚合體體積越大，分子間相對滑移越困難，彈性也越大。麥醇溶蛋自在肽鏈內二硫鍵、氫鍵和疏水作用下形成球狀結構，通過非共價鍵和麥谷蛋白結合，穿插在網絡結構中。麥醇溶蛋白的介入減弱了相鄰麥谷蛋白亞基間的相互作用，從宏觀上表現為麪糰具有滑移和黏性。

二硫鍵對穩定高分子麥谷蛋白多聚體起到了關鍵作用，但最新研究表明位於相鄰亞基之間、HMW一GS亞基和其他蛋白質之間形成的氫鍵，對穩定麪糰結構也非常重要。HMW一GS上大量有規則分佈的谷氨醯胺殘基有利於亞基間氫鍵的形成。用AFM研究HMW一GS間的相互作用時，所拍攝的圖片顯示了烷基化的HMW一GS和取自HMW一GS中間重複區域的肽段能並排形成直徑約為20nm的纖維狀結構，這可能是由於谷氨醯胺側鏈和位於相鄰多肽主鏈上的氨基之間形成了分子間氫鍵所導致的。對HMW一GS的FTI的研究表明，β摺疊結構的比例隨着蛋白質濃度的增加而增加，這些結果證明了分子間氫鍵能穩定纖維狀結構的形成。另外在實驗中發現缺乏二硫鍵的HMW一GS能形成有分枝的網狀結構，這意味着亞基間非共價鍵作用具有類似二硫鍵的能力。 ^[3]