硬质小麦（Triticum durum）面粉与粗粒粉中淀粉和蛋白质组分的分子及理化特性评价

《Current Research in Food Science》：Molecular and physicochemical evaluation of starch and protein components in flour and semolina fractions from durum wheat ( Triticum durum)

　　

硬质小麦籽粒经碾磨制备硬质小麦粗粒粉（durum wheat semolina，DWS）的过程中，会产生一种粒径小于180 μm的细粉副产物，即硬质小麦面粉（durum wheat flour，DWF），其组成和功能性均表现出显著差异。然而，这些差异究竟是由粒径减小效应还是碾磨过程中的胚乳来源差异所驱动，目前尚不清楚。为阐明这一问题，研究人员对DWF中淀粉和蛋白质的组成、结构及功能性进行了评价，并与基于粗粒粉经再碾磨（SRM200、SRM80）和筛分（F180）制备的面粉进行了比较，同时以普通小麦面粉（common wheat flour，CWF）作为参照。结果表明，DWF表现出更高的蛋白质含量（17.49 g/100 g，干基）和灰分含量（2.23 g/100 g，干基），更高的清蛋白和球蛋白比例（35.1 g/100 g蛋白质），更高的支链淀粉分子量（约6.8×108 g/mol，对比约4.7×108 g/mol），以及更低的老化焓值。相反，DWS的粒径减小（SRM80 > SRM200）增加了淀粉损伤程度，促进了淀粉解聚，增强了冷水吸收能力、溶解度和溶胀性，同时降低了淀粉糊化和老化焓值。重要的是，DWF和F180具有相当的粒径分布，但二者在水溶性指数（9.44 vs 6.38 g/100 g）和峰值黏度（1429 vs 1908 mPa·s）上存在差异，表明DWF的功能性不能仅归因于粒径效应，还与碾磨来源导致的组成差异有关。本研究为粒径和碾磨来源对淀粉-蛋白质功能性的影响提供了深入认识，支持了细粒硬质小麦碾磨组分的增值利用。

论文解读

一、研究背景与研究目的

硬质小麦（Triticum durum）是一种四倍体小麦品种，与普通小麦（Triticum aestivum）相比，其胚乳硬度极高，蛋白质和类胡萝卜素含量也更高。这些固有特性使硬质小麦特别适合生产粗粒粉，而粗粒粉主要用于意大利面等面食制品的加工。与以生产细粉为目标的普通小麦碾磨不同，硬质小麦碾磨工艺旨在回收粗粒的粗粒粉颗粒，以保持胚乳结构的完整性和大分子组分的功能性，同时尽量减少细粉颗粒的产生。粗粒粉颗粒大小均匀且较粗，对于面食品质至关重要，可确保加工过程中适当的水合作用、面筋塑化和网络形成。相反，细小的胚乳颗粒会导致水合动力学加快、淀粉与蛋白质之间的水分竞争加剧以及结构发育受损，最终影响加工性能和面食品质。因此，工业粗粒粉生产中通常包含一个筛分步骤，以去除碾磨过程中产生的粒径通常低于180 μm的细小胚乳颗粒。这一筛分过程导致约10%–15%的碾磨物料以细粉副产物的形式被分离出来，目前这些副产物主要用于动物饲料或生物乙醇转化等低价值应用。

尽管这一细粉组分与粗粒粉来自相同的碾磨过程，但该细粉组分可能不仅仅是粗粒粉的粒径缩小等价物。事实上，这些细小的胚乳颗粒可能未经过进一步纯化，可能残留有麸皮组分，其组成与粗粒粉存在差异，表现为更高的灰分和损伤淀粉含量。此外，被废弃的细粉与主要粗粒粉组分在小麦胚乳中的来源可能是异质性的，因为碾磨过程倾向于从较软的胚乳组织中优先产生更细的颗粒。鉴于小麦胚乳细胞在淀粉组织结构、蛋白质组成和面筋功能性方面存在已充分记录的梯度差异，这些硬质胚乳组分在其主要功能生物聚合物的分子结构上也可能存在显著差异。特别是，胚乳外部区域通常富含非面筋蛋白，而胚乳内部区域含有更高比例的淀粉和面筋形成蛋白，这可能导致了不同碾磨来源组分之间的组成差异。与此同时，碾磨过程中的粒径减小还会引入额外的物理变化，这些变化也可能导致硬质小麦碾磨组分之间在结构和功能上的差异。硬质小麦胚乳的高硬度需要更大的机械能以实现粒径减小，与普通小麦相比会导致更多的淀粉损伤。这种机械破坏可能影响淀粉颗粒的完整性和分子组织，包括结晶度的部分丧失和淀粉解聚，从而改变淀粉在储存过程中的吸水、溶胀、糊化和重结晶行为。此外，这些剪切诱导的修饰还可能通过影响水分分布和淀粉-蛋白质相互作用来削弱面筋功能性。

然而，目前尚不清楚硬质小麦细粉的功能性差异究竟主要源于粒径效应，还是源于胚乳组织中碾磨来源导致的组成和结构特征差异，这需要使用粒径相似的粗粒粉来源组分进行直接评价。基于此框架，研究人员假设碾磨来源差异是决定硬质小麦碾磨组分固有组成和功能性状的关键因素，而粒径减小则通过结构和物理效应进一步微调这些性质。本研究的目的是厘清碾磨来源和粒径减小对硬质小麦碾磨组分组成和功能性的贡献，特别关注蛋白质组成和面筋形成能力、淀粉分子结构和热转变、以及水合和糊化行为。

二、主要技术方法

研究人员采用了多项关键技术手段开展研究。实验材料由西班牙巴塞罗那的Productos Alimenticios Gallo S.L.公司提供，所有硬质小麦材料均来自同一大规模工业碾磨批次，并采集了碾磨过程中不同时间点的三个等分试样。研究人员使用Retsch ZM 200离心磨对粗粒粉进行再碾磨，制备了SRM200和SRM80两种不同粒径的粗粒粉来源面粉，并通过180 μm筛网筛分获得F180组分。采用激光衍射粒度分析仪（Mastersizer 3000）测定粒径分布；按照AOAC标准方法测定水分、灰分、脂肪和蛋白质含量；使用Megazyme试剂盒测定总淀粉和损伤淀粉含量；利用扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进行微观结构观察；采用Osborne顺序提取法结合BCA蛋白定量分析蛋白质组分；使用SDS-PAGE进行蛋白质分子谱分析；通过Glutomatic自动面筋洗涤仪测定湿面筋、干面筋和面筋指数；使用高效体积排阻色谱（HPSEC）联用多角度光散射（MALS）和示差折光（RI）检测器分析淀粉分子量和链长分布；采用差示扫描量热仪（DSC）评价淀粉糊化和老化热转变；按照AACC方法测定水结合能力（WBC）和水溶性指数（WSI）；使用快速黏度分析仪（RVA）测定黏度特性；使用粉质仪（Farinograph）评价面团混合特性。

三、研究结果

3.1 粒径分布与微观结构

粒径分布结果证实了工业碾磨过程中粗粒粉（DWS，D[4,3]=349 μm）与细粉副产物（DWF，D[4,3]=111 μm）之间的明显分离。DWS呈现以约350 μm为中心的窄粒径分布，而DWF的粒径分布与普通小麦面粉（CWF）相似。再碾磨产生了粒径可控的粗粒粉来源面粉：SRM200（208 μm）和SRM80（76 μm）。进一步筛分SRM200获得F180（D[4,3]=144 μm），其粒径分布与DWF相当。扫描电镜显示，DWS由大型致密的胚乳颗粒组成，淀粉颗粒密集包裹在蛋白质基质中；DWF和F180比CWF表现出更致密的颗粒和更光滑的表面，与硬质小麦胚乳组织更高的硬度和细胞凝聚力相关。DWF是唯一呈现细长纤维状颗粒的面粉，表明可能存在残留麸皮层。

3.2 基本组成

CWF的水分（10.57 g/100 g）和淀粉（87.40 g/100 g）含量显著高于硬质小麦组分，而蛋白质（11.86 g/100 g）和灰分（0.64 g/100 g）含量较低。在硬质小麦碾磨组分中，DWF表现出显著更高的蛋白质（17.49 vs 14.69 g/100 g）、脂质（2.68 vs 1.28 g/100 g）和灰分含量（2.23 vs 0.91 g/100 g），导致较低的碳水化合物和淀粉含量。DWF中K、Mg和P浓度较高，进一步支持了外周或糊粉层相关组织贡献更大的观点。粒径减小并未改变粗粒粉来源面粉的基本组成，表明DWS与DWF之间的组成差异反映了碾磨来源差异。

3.3 蛋白质组成

Osborne分级结果表明，DWF的清蛋白和球蛋白比例（35.1 g/100 g蛋白质）显著高于F180、CWF及其他粗粒粉来源样品（24.6–28.0 g/100 g蛋白质），相应地面筋形成蛋白比例较低（64.9 vs 72.0–75.4 g/100 g蛋白质），但麦醇溶蛋白与麦谷蛋白的比例无差异。粒径减小并未显著影响蛋白质组分的相对分布。SDS-PAGE分析显示所有样品具有相似的条带模式，但DWF在还原和非还原条件下均表现出更强的低分子量条带（<25 kDa），与其较高的清蛋白和球蛋白含量一致。

3.4 面筋含量与面筋网络形成能力

尽管粒径相当，F180的湿面筋和干面筋含量高于CWF和DWF，并能形成黏聚的面筋网络，而DWF的面筋回收率较低，在盐洗后未能形成黏聚和聚集的面筋面团，与其较低的面筋形成蛋白比例和较高的清蛋白、球蛋白含量一致。粉质仪分析也支持DWF面筋网络发育不良。对于粗粒粉来源样品，湿面筋和干面筋含量总体上随粒径增大而增加，而面筋指数随粒径减小而增加，表明更细的胚乳颗粒促进了更黏聚的面筋网络形成。

3.5 损伤淀粉与淀粉精细分子结构

损伤淀粉含量在4.4至17.6 g/100 g之间变化。CWF的损伤淀粉最低（4.37 g/100 g），而DWF和F180的损伤淀粉含量是CWF的两倍以上。DWF的损伤淀粉低于F180，支持了DWF可能来源于较软胚乳区域的假设。DWS的粒径减小以碾磨强度依赖的方式增加了损伤淀粉含量，从4.4增至SRM200的10.1和SRM80的15.6 g/100 g。分子量分析显示，CWF的支链淀粉分子量（4.25×10⁸ g/mol）低于DWS（6.14×10⁸ g/mol）和DWF（6.79×10⁸ g/mol）。工业碾磨获得的DWS和DWF的支链淀粉分子量与未碾磨籽粒（约6.80×10⁸ g/mol）相似，表明工业碾磨造成的淀粉损伤主要在外围，未在分子水平上显著改变淀粉结构。相反，粗粒粉再碾磨在分子水平上产生了可测量的损伤：SRM80的支链淀粉分子量降至约2.71×10⁸ g/mol，SRM200为4.70×10⁸ g/mol。然而，支链淀粉和直链淀粉的链长分布（CLD）在所有样品间无显著差异，表明少量糖苷键的断裂即可显著降低分子量而不改变链长分布。

3.6 天然淀粉和老化淀粉的热特性

糊化起始温度（T_o）在53.1–57.3 °C之间，CWF、DWF和F180之间无显著差异，但SRM80的T_o显著降低，归因于机械损伤增加和支链淀粉分子量显著降低，部分破坏了半结晶淀粉结构。峰值温度（T_p）和结束温度（T_c）在各样品间无显著差异。DWF的糊化焓值（8.03 J/g淀粉）低于DWS（9.63 J/g淀粉），老化焓值（0.53 J/g淀粉）显著低于所有其他样品，表明其淀粉的重结晶能力较低。

3.7 水合性质和黏度特性

DWF的冷水WBC（1.85 g/g）高于DWS（1.73 g/g），但低于再碾磨面粉（SRM200为1.93，SRM80为2.17 g/g）。DWF的WSI（9.44 g/100 g）显著高于所有其他样品，包括粒径相当的F180（6.38 g/100 g）。粒径减小增加了冷水WBC和WSI。加热后，DWF的H-WBC（4.11 g/g）最低，而H-WSI（9.28 g/100 g）最高。DWF与F180在粒径相当的情况下，WSI（9.44 vs 6.38 g/100 g）和峰值黏度（1429 vs 1908 mPa·s）存在显著差异，表明DWF的功能性不能仅归因于粒径效应。

四、讨论与结论

本研究的核心发现是，硬质小麦碾磨组分的组成和功能性差异主要由碾磨来源决定，而粒径减小则通过结构和物理效应进一步调节这些性质。DWF的独特组成特征——更高的蛋白质、脂质、灰分和清蛋白/球蛋白比例，以及较低的淀粉含量——表明其富集了靠近糊粉层的外周胚乳区域，并可能残留有麸皮组分。这些组成差异直接导致了DWF面筋网络形成能力较差、水溶性较高、峰值黏度较低以及老化焓值较低。相比之下，粒径减小主要增加了淀粉损伤，促进了支链淀粉解聚，增强了冷水吸收和溶胀能力，同时降低了糊化和老化焓值，但并未改变基本组成和蛋白质组分分布。

研究结论指出，DWF与粒径相当的F180在功能特性上的显著差异证实，细粒硬质小麦面粉的功能性不能仅归因于粒径效应，还与碾磨来源导致的组成差异密切相关。这一认识为细粒硬质小麦碾磨组分的增值利用提供了理论基础，有助于开发这些目前被低估的副产物在谷物基食品中的应用潜力。