轉谷氨酰胺酶改良青稞粉品質和青稞餅干口感研究

趙 芬，賈丁瑋，周 燕，張 雷，李卓然，馬 娜，劉新旗

(北京工商大學 北京食品營養與人類健康高精尖創新中心/北京市食品添加劑工程技術研究中心/食品與健康學院，北京 100048)

青稞(Hordeumvulgarevar.coelesteL.)是一種重要的高原谷類作物，具有很強的耐寒性，較短的生長期，產量高，適應性強。青稞營養價值高，具有高蛋白質、高支鏈淀粉含量、高纖維素含量、高維生素、低脂肪等特點，是谷類作物中的佳品。

近年來，全谷物的健康價值被重新認知[1]，研究表明，增加全谷物食品的攝入可以降低心血管疾病、糖尿病及癌癥等慢性疾病的發生風險[2]。全谷物食品在發達國家已經非常普及，挖掘具有中國特色的全谷物資源具有非常重要的意義。隨著人們對健康營養食品的追求，以青稞為主原料制作而成的青稞產品受到越來越多的關注，具有廣闊的市場開發及應用前景。

由于青稞自身的理化特點，青稞粉很難加工成面團，且食用口感粗糙，嚴重制約了青稞類食品的發展。研究表明，發酵過程中發生的多種生物化學變化會改變粗糧中糖分、淀粉、蛋白質等物質的結構，從而改善粗糧的營養成分及加工性能[3]。劉曉峰等[4]研究發現發酵可以使谷物的保水力和凝膠體積膨脹率均有所提高，改善其加工性能。且發酵后青稞中的纖維素和植酸含量降低，可以降解為易消化的小分子物質，從而改善青稞產品的口感[5]。轉谷氨酰胺酶(transglutaminase，TG酶)是一種可催化?；D移反應的酶，能促使蛋白質分子內交聯、間交聯及促使蛋白質與氨基酸間交聯。TG酶能催化蛋白質中谷氨酰胺殘基γ-酰胺基和賴氨酸ε-氨基間發生酰胺基轉移反應，能改變蛋白質溶解性、乳化性、起泡性等功能性質。研究表明，添加TG酶面團在發酵初期膨脹較大，面團硬度較低；面團更富有彈性，面包比容增大，品質更優。同時，TG酶還可代替氧化劑和乳化劑，用以改善面團穩定性，提高產品質量，使面包色澤更白，內部結構更均一[6]。TG酶還可以改良蛋白品質，Renzetti等[7]發現經TG 酶處理，某些谷物如蕎麥、花生的蛋白平均分子質量會增加，且會形成高分子質量蛋白質聚合物，通過凝膠色譜電泳發現該酶并未對蛋白質組分呈現特異性。

青稞口感較差較為粗糙的主要原因與其主要化學成分有很大關系。首先，青稞特殊的蛋白結構使其難以形成面筋蛋白從而影響食用口感。研究發現青稞蛋白質中游離巰基、二硫鍵的含量低，分別為10.12、19.15 μmol/g，從而導致青稞蛋白面筋蛋白含量低，不易形成面筋，影響其加工口感；其次，青稞中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例關系限制了青稞的口感[8-9]。青稞中淀粉的平均質量分數為59.25%，其中支鏈淀粉含量高，一般為74%～78%[10]，直鏈淀粉含量低。三是青稞中高濃度的β-葡聚糖會延緩青稞淀粉消化[11]。高質量濃度、高分子質量的青稞β-葡聚糖溶液易形成凝膠覆蓋在淀粉顆粒表面，阻礙淀粉酶與淀粉顆粒接觸，從而抑制淀粉的消化[12]。

蛋白質含量是衡量谷物蛋白質品質的基本指標，它與品種的蛋白質產量、營養品質和加工品質密切相關。谷蛋白溶脹指數(glutenin swelling index，SIG)反映了谷物的蛋白與面筋特性，與面團的形成時間，穩定時間，弱化度等均具有顯著的相關性[13]。保水力反映了谷物的存水能力以及直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例關系[14]。支鏈淀粉相較直鏈淀粉抗拉伸力較弱、成形性較差，故而支鏈淀粉含量過高會使得面粉吸水性差、保水力低、難以形成面團，而發酵對大分子的支鏈淀粉有一定的降解作用，從而降低支鏈淀粉的含量，改善直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例[15]，因此可以通過測定保水力的值來反映發酵對兩種淀粉比例的改善。β-葡聚糖是青稞中最重要的一類還原糖[16]，可以通過苯酚硫酸法測定總糖的含量來間接反映青稞中β-葡聚糖的含量[17]。因此選取SIG值、保水力、總糖含量作為TG酶發酵青稞前后的測定指標。

本研究利用TG酶對青稞粉進行半固態發酵，通過單因素實驗和正交試驗優化發酵工藝，并比較發酵前后青稞餅干的感官改良情況。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞為青海海東市互助縣市場采購；乳酸，分析純，天津福晨化學試劑廠；轉谷氨酰胺酶，105U/g，東圣生物科技有限公司；濃硫酸，分析純，北京化工廠；苯酚，分析純，西隴科學股份有限公司。

1.2 儀器與設備

EX623型電子天平，奧豪斯儀器有限公司；HH系列數顯恒溫水浴鍋，金壇市科析儀器有限公司；Carry60 UV- Vis型紫外分光光度計，美國Agilent Technologies公司；WG9200A型恒溫干燥風箱，天津市通利信達儀器廠；Allegra X- 15R型離心機，美國Beckman Coulter公司；DFY- 600型高速萬能粉碎機，溫嶺市林大機械有限公司；EOFO945616型漩渦振蕩器，美國Talboys公司；T1- L101B型烤箱，美的集團有限公司；CTV1.8 Build31型質構儀，美國Brookfield Engineering公司。

1.3 實驗方法

1.3.1青稞半固態發酵的處理

將青稞用粉碎機磨成粉，電子天平分別稱取5.00 g青稞粉于250 mL三角瓶中，加入7 mL蒸餾水后121 ℃高壓滅菌，冷卻至室溫加入TG酶后進行半固態發酵。另稱取5.00 g青稞粉于250 mL三角瓶中，加入7 mL蒸餾水作為未發酵對照組。半固態發酵后的青稞粉以及未發酵青稞粉分別放在55 ℃的恒溫鼓風干燥箱中烘干后粉碎待測。

1.3.2谷蛋白溶脹指數的測定

谷蛋白溶脹指數的測定參考文獻[13]，并略做修改。準確稱取青稞粉0.20 g，分別放入50 mL已稱重的離心管中，加3.5 mL蒸餾水，再加入 0.6 mL體積分數為12%的乳酸水溶液，置于旋渦混合器上震蕩混勻5 min，3 000 r/min 離心25 min，棄上清液后稱重。離心管中殘余物的質量與原樣品質量(0.2 g)的比值即為 SIG。每個樣品做3次平行實驗取平均值。

1.3.3保水力的測定

保水力的測定方法參考文獻[18]，并略做修改。準確稱取青稞粉0.20 g，分別置于10.0 mL已稱重的離心管中，加入5.0 mL蒸餾水，置于旋渦混合器上震蕩水化20 min，再于2 500 r/min離心20 min，將上清液倒掉后稱重，保水力即為單位質量樣品所能吸附的水量。每個樣品做3次平行實驗取平均值。

1.3.4青稞粉中總糖含量的測定

1.3.4.1 標準曲線的繪制

標準曲線的繪制方法參考文獻[19]。準確稱取標準葡萄糖10 mg于100 mL容量瓶中，加水至刻度，充分溶解后即為葡萄糖標準液。分別吸取葡萄糖標準液0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mL，各以蒸餾水補至2.0 mL，然后加入 質量分數為6%的苯酚水溶液1.0 mL及濃硫酸5.0 mL，搖勻冷卻，室溫放置20 min后于490 nm測定吸光度，以標準液濃度為橫坐標，為吸光度為縱坐標繪制葡萄糖標準曲線并得到回歸方程y=11.167x+0.173 6，相關系數R2=0.998。

1.3.4.2 總糖的測定

青稞粉中總糖含量的測定采用苯酚硫酸法[19]，準確稱量0.5 g青稞粉，加入濃度為1 mol/L的稀硫酸50 mL于試管中，在水浴鍋中沸水浴加熱水解20 min，取青稞粉水解液1 mL稀釋100倍，取2 mL于試管中，然后加入 質量分數為6%的苯酚水溶液0.5 mL及濃硫酸2.5 mL，搖勻冷卻，室溫放置20 min后于490 nm測定吸光度，分別以發酵時間，發酵溫度以及酶處理濃度為橫坐標，以每毫升水解液中總糖含量為縱坐標，每組設3次平行實驗。

1.3.5青稞粉發酵條件的選取

1.3.5.1 TG酶添加量的單因素實驗

按照酶處理時間5 h、酶處理溫度25 ℃進行半固態發酵，考察TG酶的質量分數為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%時分別對SIG值、保水力和總糖含量的影響，每組設3次重復實驗，綜合單因素結果選出較佳TG酶添加量。

1.3.5.2 酶處理時間的單因素實驗

按照TG酶的質量分數為0.4%、酶處理溫度為25 ℃，考察酶處理時間為1、3、5、7、9 h時分別對SIG值、保水力和總糖含量的影響。每組設3次重復實驗，綜合單因素結果選出較佳酶處理時間。

1.3.5.3 酶處理溫度的單因素實驗

TG酶的反應溫度范圍為5～65 ℃。按照TG酶的質量分數0.4%、酶處理時間為5 h，考察酶處理溫度為25、35、45、55、65 ℃時分別對SIG值、保水力和總糖含量的影響。每組設3次重復實驗，綜合單因素結果選出較佳酶處理溫度。

1.3.5.4 影響因素的正交試驗

根據單因素實驗的結果，以半固態發酵過程中的TG酶添加量、酶處理溫度和酶處理時間為關鍵工藝參數設計3因素3水平正交實驗，以SIG值、保水力及總糖含量為綜合指標共設計27組實驗優化半固態發酵工藝，每組實驗重復3次。

1.3.6青稞餅干的制作方法

青稞餅干的制作方法參考文獻方法[20]，并做適當修改。具體工藝為按照青稞粉與小麥粉質量比為5∶1稱取80 g青稞粉和16 g小麥粉[21]，另稱取28 g水、25 g起酥油、23 g綿白糖、1 g泡打粉、1.6 g小蘇打、10 g雞蛋進行面團調制、擠壓，冷凍15 min后手工壓模成形，餅干長寬高為50 mm×35 mm×5 mm，隨后擺盤，200 ℃焙烤10 min，冷卻后即可食用。

1.3.7青稞餅干的質構測定

采用質構儀對餅干的硬度[22]，咀嚼性進行分析。選取TA3/100探頭，負載值5.0 g，測試目標距離2.0 mm，測試速度為1.00 m/s，每份材料測試10塊餅干并取平均值。

1.3.8青稞餅干的感官評價

由經過專門培訓的20名專業人員對餅干成品進行感官評價，按比例計算各項分值，取總分的平均值為餅干感官得分。

2 結果與分析

2.1 發酵條件對青稞粉SIG值、保水力及總糖含量的影響

對TG 酶添加量、酶處理時間和酶處理溫度進行研究，綜合考察青稞粉SIG、保水力及總糖含量。

2.1.1TG酶添加量的影響

TG酶添加量對青稞粉品質的影響見圖1。

圖1 TG酶添加量對青稞粉品質的影響Fig.1 Influence of TG enzyme addition on quality of highland barley flour

由圖1(a)可知，隨著酶添加量的增加，半固態發酵青稞粉的SIG呈先平緩上升后下降的趨勢，并且在酶添加量為0.3%處出現最大值；未發酵青稞粉的SIG指數保持不變。由圖1(b)可知，半固態發酵青稞粉的保水力呈先上升后下降的趨勢，并且在酶添加量為0.3%處出現最大值；未發酵青稞粉的SIG保持不變。由圖1(c)可知，半固態發酵青稞粉的總糖含量一開始隨著酶添加量的增加呈現升高的趨勢，在酶添加量為0.3%時有所下降。研究表明，TG酶的催化作用可以改變蛋白質的構象，從而改變蛋白質的功能性質，引起了更多糖類向非糖物質的轉化，隨后總糖含量繼續升高[15]。當酶添加量超過0.4%時，總糖含量開始緩慢降低，可能是因為酶濃度過高而產生了競爭抑制效應；未發酵青稞粉的總糖含量保持不變。綜合SIG、保水力及總糖含量，最終確定較佳酶添加量為0.3%。

2.1.2TG酶處理時間的影響

TG酶處理時間對青稞粉品質的影響見圖2。由圖2(a)可知，隨著酶處理時間的延長，半固態發酵青稞粉的SIG指數呈先上升后下降的趨勢，并且在5 h處出現最大值；未發酵青稞粉的SIG保持不變。由圖2(b)可知，半固態發酵青稞粉的保水力呈先上升后下降的趨勢，上升和下降的趨勢都較為平緩，并且在5 h處出現最大值；未發酵青稞粉的保水力保持不變。由圖2(c)可知，半固態發酵青稞粉的總糖含量先降低，這是因為部分糖類會被酶初步分解為其他中間物質；隨后總糖含量升高，是因為酶處理時間的增加使得分解產生的還原性糖類的含量增加[16]；時間超過7 h后，青稞粉的總糖含量降低，相關糖類繼續分解可能產生其他物質；未發酵青稞粉的總糖含量保持不變。綜合SIG、保水力及總糖含量，最終確定較佳酶處理時間為5 h。

圖2 TG酶處理時間對青稞粉品質的影響Fig.2 Influence of TG enzyme treatment time on quality of highland barley flour

2.1.3TG酶處理溫度的影響

TG酶處理溫度對青稞粉品質的影響見圖3。

由圖3(a)可知，隨著TG酶處理溫度的增加，

圖3 TG酶處理溫度對青稞粉品質的影響Fig.3 Influence of TG enzyme treatment temperature on quality of highland barley flour

半固態發酵青稞粉的SIG呈先上升后下降的趨勢，并且在35 ℃處出現最大值；未發酵青稞粉的SIG保持不變。由圖3(b)可知，半固態發酵青稞粉的保水力呈先上升后下降的趨勢，并且在35 ℃處出現最大值；未發酵青稞粉的保水力保持不變。由圖3(c)可知，半固態發酵青稞粉的總糖含量先降低，這是因為部分糖類會被TG酶初步分解為其他中間物質，且越接近最適溫度，酶的分解效率越高；隨后總糖含量升高，是因為溫度過高使得分解效率降低；溫度超過55 ℃后，半固態發酵青稞粉的總糖含量急劇降低，溫度達到65 ℃時，酶已基本失活，此時半固態發酵青稞粉的總糖含量接近對照組，由此可以確定出酶的有效作用范圍；未發酵青稞粉的總糖含量保持不變。綜合SIG、保水力以及總糖含量，酶的較佳作用溫度在35 ℃附近。

綜合單因素實驗的分析，TG酶發酵對青稞粉的SIG、保水力以及總糖含量均有一定改善作用，受酶添加量，酶處理時間，溫度影響顯著，反映了TG酶對蛋白質的交聯改性作用的影響。

2.1.4影響因素的正交試驗結果分析

根據單因素實驗結果，選取酶添加量，酶處理時間，酶處理溫度為考察因素，進行正交試驗，并以SIG、保水力、總糖含量為評價指標，優選轉谷氨酰胺酶發酵青稞粉的較佳條件。轉谷氨酰胺酶主要改良蛋白品質面筋特性以及直鏈淀粉與支鏈淀粉比例的關系，故正交實驗更加側重SIG與保水力的考察指標。通過正交實驗可知，以SIG為考察指標，影響力由大到小依次為：酶處理時間、溫度、酶添加量，較佳條件為25 ℃，5 h，0.3%；以保水力為考察指標，影響力由大到小依次為：酶處理時間、酶添加量、溫度，較佳條件為 25 ℃，5 h，0.3%；以總糖為考察指標，影響力由大到小依次為：酶處理時間、溫度、酶添加量，較佳條件為 25 ℃，7 h，0.4%。

最終確定，正交試驗的較佳工藝條件為25 ℃，5 h，0.3%。

2.2 青稞餅干質構特性分析

對未發酵與在25 ℃，5 h，0.3%加酶量的條件下發酵后青稞粉制成的餅干進行質構測定，見圖4。

圖4 發酵對青稞餅干質構的影響Fig.4 Influence of fermentation on texture of highland barley biscuit

由圖4可知，發酵后的青稞餅干硬度為4.87 N，未發酵的青稞餅干硬度為1.16 N，具有顯著性差異(P<0.01)；發酵后的青稞餅干咀嚼性為4.448×10-3J，未發酵的青稞餅干咀嚼性為6.86×10-4J ，具有顯著性差異(P<0.01)。在一定范圍內，硬度越大，餅干酥脆性越好。咀嚼性越大，餅干總體口感越好。因此，發酵后的青稞餅干各項指標均優于未發酵的青稞餅干。

2.3 感官評價結果分析

對未發酵與在25 ℃，5 h，0.3%加酶量的條件下發酵后青稞粉制成的餅干進行感官評價，感官評價記分表與評價結果分別見表1和表2。

表1 青稞餅干感官評價標準Tab.1 Sensory evaluation standard of highland barley biscuit 分

表2 青稞餅干感官評價得分Tab.2 Sensory evaluation score for highland barley biscuit 分

經過感官評價后，采用最優工藝進行半固態發酵后的青稞粉制作的餅干各項得分均高于未發酵組；未發酵過的餅干疏松多孔，粗糙，發酵之后的餅干更加致密，口感更好，香氣更濃郁宜人。在“甜度”“氣味”“組織”“酥脆度”“外觀”等方面的得分均高于未發酵組，說明TG酶發酵有助于青稞粉形成面筋，且可以改善青稞餅干粗糙的口感。

3 結 論

通過單因素試驗與正交試驗，發現TG酶發酵可以提高青稞粉的SIG、保水力、總糖含量，綜合這3

個考察指標確定較優半固態發酵青稞粉工藝為酶發酵溫度25 ℃，酶發酵時間5 h，酶質量分數0.4%。與文獻報道對其他麥類品質改良的最適溫度范圍吻合[15,18]。在此最優工藝下發酵出的青稞粉制成的餅干明顯優于未發酵青稞粉，餅干更加致密，甜度更加均勻，其感官評價得分為90.37分，較未發酵的青稞粉有大幅提高。實驗結果表明：TG酶半固態發酵有助于提高青稞形成面筋的能力，改善青稞粉中支鏈淀粉和直鏈淀粉的比例，且可以改良青稞餅干口感粗糙的問題。

研究為以青稞為主原料的青稞食品的開發提供了理論基礎，但還需對發酵的作用機理追蹤分析，對發酵后青稞粉的理化性質以及內部結構進行更深層次的觀察探究。