《Food Research International》：Modulating hydrated wheat gluten network structure with different types of polysaccharides: unraveling interaction mechanisms
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本研究系統(tǒng)評(píng)估了陽(yáng)離子殼聚糖（CS）、陰離子藻酸鈉（SA）和非離子瓜爾膠（GG）三種不同電荷及結(jié)構(gòu)多糖對(duì)小麥蛋白網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制。結(jié)果表明：CS和SA通過(guò)靜電作用與氫鍵協(xié)同促進(jìn)二硫鍵含量分別達(dá)13.54和13.76 μmol/L；GG憑借6個(gè)氫鍵和3個(gè)疏水位點(diǎn)形成更高強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)（14.38 μmol/L）。微觀結(jié)構(gòu)顯示SA改性體系最致密，各多糖均通過(guò)優(yōu)化蛋白構(gòu)象提升質(zhì)構(gòu)特性。該研究為功能性多糖在小麥制品中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
王子瑜|王欣|曾浩森|岳崇輝|陳圓圓|王麗波|韓思海|李培彥|白周雅|羅登林
河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，中國(guó)洛陽(yáng)471023
摘要
本研究系統(tǒng)地探討了三種多糖——陽(yáng)離子殼聚糖（CS）、陰離子海藻酸鈉（SA）和非離子瓜爾膠（GG）對(duì)水合小麥面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。結(jié)果表明，與0%組（WHC：1.56 g/g；A??：1.94%；Zeta電位：?28.71 mV；S含量：10.43 μmol/L）相比，添加多糖顯著改善了小麥面筋的功能特性和微觀結(jié)構(gòu)（p < 0.05）。殼聚糖和海藻酸鈉憑借其獨(dú)特的線性結(jié)構(gòu)和帶電基團(tuán)，通過(guò)靜電交聯(lián)作用顯著改變了Zeta電位（添加0.9%殼聚糖的面筋系統(tǒng)：?10.31 mV；添加0.9%海藻酸鈉的面筋系統(tǒng)：?39.62 mV），并促進(jìn)了通過(guò)分子對(duì)接確定的三個(gè)穩(wěn)定結(jié)合位點(diǎn)的定向氫鍵形成，從而使S含量分別增加到13.54 μmol/L和13.76 μmol/L。相比之下，瓜爾膠具有富含高密度羥基的分支結(jié)構(gòu)，通過(guò)6個(gè)氫鍵和3個(gè)疏水位點(diǎn)的協(xié)同作用，顯著促進(jìn)了小麥面筋蛋白的分子間交聯(lián)，最終使二硫鍵（S）含量達(dá)到最高值14.38 μmol/L。微觀結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步表明，所有多糖都有助于精煉面筋網(wǎng)絡(luò)，其中添加0.6%海藻酸鈉的面筋系統(tǒng)形成了最致密且連接良好的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。本研究為在基于面粉的產(chǎn)品中合理選擇多糖作為面筋網(wǎng)絡(luò)改良劑以提升最終產(chǎn)品質(zhì)量提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。
引言
小麥面筋由麥谷蛋白和醇溶蛋白形成三維的二硫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)賦予面團(tuán)必要的粘彈性和持氣能力，是面包和面條等小麥基產(chǎn)品質(zhì)地和感官品質(zhì)的關(guān)鍵決定因素（Ooms & Delcour, 2019）。然而，在加工過(guò)程中（如混合、擠壓和烘焙）產(chǎn)生的機(jī)械剪切和熱應(yīng)力會(huì)破壞天然面筋網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的技術(shù)性能下降、質(zhì)地粗糙和保質(zhì)期縮短（Hu et al., 2024）。
為了解決這些問(wèn)題，添加多糖作為多功能改良劑在谷物加工中得到了廣泛應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂猩锵嗳菪浴⒌统杀竞涂烧{(diào)的物理化學(xué)性質(zhì)（Zhou et al., 2021）。多糖在面筋改性中的效果與其電荷特性密切相關(guān)：陽(yáng)離子多糖（帶正電）與小麥面筋表面的負(fù)電荷氨基酸殘基相互作用；陰離子多糖（帶負(fù)電）通過(guò)靜電吸引與正電荷區(qū)域結(jié)合；非離子多糖（不帶電）主要通過(guò)氫鍵作用（Pan et al., 2024）。殼聚糖（CS）是唯一天然存在的陽(yáng)離子多糖，由甲殼類動(dòng)物的幾丁質(zhì)脫乙酰化制得，其帶正電的氨基（-NH??）與面筋形成靜電復(fù)合物，減少蛋白質(zhì)聚集并使面包的比體積增加10–15%。陰離子多糖因其陰離子基團(tuán)而具有多種功能：海藻酸鈉（SA）從褐藻中提取，含有羧基（-COO?），能螯合金屬離子并增強(qiáng)面筋-淀粉的相互作用，延緩面包老化2–3天；羧甲基纖維素（CMC）通過(guò)羧甲基化反應(yīng)從天然纖維素制備，通過(guò)與面筋的多種作用（包括弱靜電吸引、空間位阻和增強(qiáng)水合作用）相互作用，有助于形成更穩(wěn)定的面筋網(wǎng)絡(luò)；黃原膠由黃單胞菌產(chǎn)生，能與醇溶蛋白中的脯氨酸富集區(qū)域形成特定的氫鍵，從而增加面包體積（Hu et al., 2021; Liu et al., 2024; Tebben & Li, 2019）。非離子多糖在小麥基產(chǎn)品中也起著重要作用：例如，瓜爾膠（GG）是一種從瓜爾豆種子中提取的半乳甘露聚糖，其β-1,4-甘露聚糖主鏈和α-1,6-半乳糖側(cè)鏈可減少面條的煮熟損失并改善其質(zhì)地；魔芋葡甘露聚糖（KGM）是一種含有乙酰基的非離子多糖，通過(guò)與麥谷蛋白形成氫鍵來(lái)增強(qiáng)面筋結(jié)構(gòu)的完整性（Kraithong & Rawdkuen, 2020; Laignier et al., 2021）。
盡管已有大量關(guān)于利用多糖改善小麥面筋的研究，但在系統(tǒng)深入探討不同類型多糖如何影響面筋蛋白（特別是基于電荷特性和分子結(jié)構(gòu)等基本聚合物性質(zhì)）的機(jī)制方面仍存在不足（Hu et al., 2025）。為填補(bǔ)這一空白，本研究系統(tǒng)評(píng)估了三種結(jié)構(gòu)不同的多糖——陽(yáng)離子殼聚糖（CS，具有線性β-(1 → 4)-葡糖胺主鏈）、陰離子海藻酸鈉（SA，線性(1 → 4)連接的葡糖醛酸/甘露醛酸共聚物）和非離子瓜爾膠（GG，具有靈活的主鏈）對(duì)小麥面筋結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的影響。通過(guò)闡明這些特定的電荷和結(jié)構(gòu)特性如何調(diào)控功能機(jī)制，本研究為合理選擇多糖改良劑以提升面團(tuán)加工性能和最終產(chǎn)品質(zhì)量提供了精細(xì)的理論基礎(chǔ)。
材料
小麥面粉購(gòu)自中國(guó)洛陽(yáng)河南綠源面粉有限公司。多糖的粒度和Zeta電位是根據(jù)Ren等人（2025）建立的方法測(cè)定的，粘度數(shù)據(jù)來(lái)自供應(yīng)商Aladdin Reagent有限公司提供的官方數(shù)據(jù)表：殼聚糖（脫乙酰度95.1%，粒度：3847.35 ± 143.70 nm，Zeta電位：13.76 ± 1.96，粘度：100–200 mPa·s，CAS編號(hào)：9012-76-4），海藻酸鈉（粒度……）
動(dòng)態(tài)頻率分析
圖1A–F展示了三種多糖對(duì)小麥面筋動(dòng)態(tài)流變性的影響。所有多糖的添加都提高了存儲(chǔ)模量（G'）和損耗模量（G"）在整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)。其中，添加海藻酸鈉的面筋系統(tǒng)顯示出最顯著的增加，這是由于海藻酸鈉中的負(fù)電荷羧酸根離子（-COO?）與小麥面筋表面的正電荷基團(tuán)之間的強(qiáng)靜電相互作用所致。
結(jié)論
本研究闡明了三種多糖（殼聚糖、海藻酸鈉和瓜爾膠）調(diào)節(jié)小麥面筋功能的獨(dú)特機(jī)制。每種多糖都增強(qiáng)了面筋的有序二級(jí)結(jié)構(gòu)并改善了面筋網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)。殼聚糖和海藻酸鈉主要通過(guò)氫鍵結(jié)合并輔以靜電相互作用，顯著促進(jìn)了二硫鍵的形成。相比之下，瓜爾膠形成了以氫鍵為主導(dǎo)的高度致密的結(jié)構(gòu)。
作者貢獻(xiàn)聲明
王子瑜：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，方法學(xué)，數(shù)據(jù)分析，概念化。
王欣：軟件，方法學(xué)，數(shù)據(jù)分析，概念化。
曾浩森：軟件，數(shù)據(jù)分析，概念化。
岳崇輝：撰寫 – 審稿與編輯，監(jiān)督，軟件，資源，概念化。
陳圓圓：軟件，方法學(xué)，概念化。
王麗波：軟件，方法學(xué)。
韓思海：資源，方法學(xué)。
李培彥：方法學(xué)。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的競(jìng)爭(zhēng)性財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣項(xiàng)目（242102110129、252102111065）、河南省自然科學(xué)基金（252300420661）和國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（32302075）的支持。
