《Food Hydrocolloids》：Effects of four modifiers on the protein network in gluten-free bread: Insights into disulfide bonds and non-covalent interactions
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摘要尽管米面团是有望替代小麦面团的无麸质选择，但它缺乏由氢键和分子间相互作用形成的强韧面筋蛋白网络，导致粘弹性性能较差。本研究选择了四种具有不同功能机制的改良剂：0.5%单硬脂酸甘油酯（GMS，一种结合淀粉和蛋白质的乳化剂）、1%羟丙基甲基纤维素（HPMC，一种模拟面筋粘弹性
摘要
尽管米面团是有望替代小麦面团的无麸质选择，但它缺乏由氢键和分子间相互作用形成的强韧面筋蛋白网络，导致粘弹性性能较差。本研究选择了四种具有不同功能机制的改良剂：0.5%单硬脂酸甘油酯（GMS，一种结合淀粉和蛋白质的乳化剂）、1%羟丙基甲基纤维素（HPMC，一种模拟面筋粘弹性的亲水胶体并改善持水性）、0.6%胰蛋白酶和9%乳清蛋白。采用圆二色谱（CD）、SDS-PAGE和扫描电子显微镜（SEM）表征蛋白质的构象变化、分子间力和面团微观结构完整性。乳清蛋白通过提供外源亚基来重建连续蛋白基质，从而最有效地改善网络完整性；而HPMC虽然改善了持水力，但未能构建稳定的连续蛋白质网络结构。胰蛋白酶导致内源性蛋白质过度水解和结构劣化，而GMS仅表现出适度的粘度改善，其调控效率不如乳清蛋白。综合来看，乳清蛋白和HPMC被确定为最优改良剂，胰蛋白酶需要精确的剂量控制以避免质量下降，GMS可作为辅助功能助剂。本工作为克服无麸质米面团的质地缺陷提供了针对性策略，有助于高质量无麸质谷物的工业化生产，并为无麸质基质中功能性改良剂与谷物蛋白网络之间的分子相互作用机制提供了基础性见解。
引言
全球收获的谷物面积中，超过20%由水稻占据，水稻是全球超过一半人口的主食。虽然其栽培已扩展至撒哈拉以南非洲、加勒比和拉丁美洲的部分地区，但水稻主要种植在亚洲，尤其在中国、印度和印度尼西亚。水稻及其副产品是潜在的经济、优质且可持续的蛋白质来源。由于具有低致敏性和均衡的氨基酸含量，大米蛋白已被用作商业食品原料。大米面包保留了大米天然的无麸质特性，直接满足了特殊饮食需求人群的需求（Yang等，2024b）。同时，其烘焙形式丰富了主食选择，在现代膳食模式中占据独特地位。然而，大米面包存在固有局限性，这源于其原料特性。大米蛋白缺乏小麦产品中存在的关键面筋网络，直接导致疏松气孔、持水性差和不良质地特性等结构缺陷。这些问题阻碍了品质提升和消费者接受度，形成了推广应用的瓶颈（Wang等，2025）。来自世界各地的研究人员使用工艺优化、外源改良剂整合和原料筛选等技术来改善大米面包的质量以克服这一限制（Culetu等，2021），同时研究其功能效应和潜在机制。
用于改善大米面包质量的改良剂通常分为胶体、酶和蛋白质三类。改良剂可以通过构建替代三维网络、调节组成相互作用或优化加工特性来改善大米面包的质量（Hong & Kweon，2020）。通过这些不同的机制，这些改良剂调节大米蛋白的网络结构，增加蛋白质颗粒尺寸，并促进α-螺旋和β-转角构象。同时，它们增强了分子间相互作用，包括氢键和离子键。这些发现为提高大米基烘焙食品（包括面包）的质量提供了可行的策略（Ren等，2024）。米面团因面筋蛋白不足而存在固有局限，功能改良剂在调节蛋白质功能方面显示出巨大潜力。然而，目前的知识仍然碎片化。系统比较不同改良剂——特别是它们对蛋白质构象转变、聚集行为及发酵过程中网络组装的调控机制——的研究仍然缺乏。
为填补这一知识空白，本研究选择了四种具有不同功能机制的代表性改良剂：0.5% GMS作为典型乳化剂、1% HPMC作为亲水胶体、0.6%胰蛋白酶作为蛋白水解酶和9%乳清蛋白作为外源蛋白质补充。作为谷物食品工业中常用的合成乳化剂，GMS通过疏水力与大米蛋白和淀粉相互作用，从而抑制大米蛋白的自发聚集（Wang等，2025）。HPMC是一种广泛使用的水溶性亲水胶体，具有优异的持水性能；它将自由水限制在面团基质中，进一步调节大米蛋白的水合状态（Zhao等，2022）。胰蛋白酶选择性水解内源性大米蛋白的特定肽键，改变多肽链长度并重塑其后续交联特性。乳清蛋白富含反应性巯基（Liu等，2025），当作为外源蛋白添加时，可与天然大米蛋白形成二硫键交联。综合来看，这些样品涵盖了四种主要的面团品质调节剂类型，有助于对其作用机制进行直接和系统的比较。相比之下，这四种改良剂通过完全不同的分子靶点调节大米蛋白网络。GMS主要依赖两亲性界面相互作用，仅对大米蛋白的共价键合产生微弱干扰（Zhang等，2025）。与GMS不同，HPMC在水-大分子界面发挥作用，通过调节面团水分分布来实现（Srikanlaya等，2018），它几乎不破坏或在大米蛋白之间产生新的共价键。与GMS和HPMC的物理调控模式不同，胰蛋白酶对内源性大米多肽链产生不可逆的化学切割，从根本上改变了一级结构。然而，在可控的温和水解条件下，这种切割可以暴露反应位点，进而促进重新组装。与上述三种添加剂不同，乳清蛋白与大米蛋白相互作用，并通过二硫键交联反应诱导分子结构重排（Liu等，2025）。这种对共价交联的积极参与显著增强了蛋白聚集体结构完整性和强度。乳清蛋白表现出最强的促进网络形成的能力，其次是适度水解的胰蛋白酶。相比之下，GMS和HPMC主要通过物理非共价相互作用调节聚集，而不改变共价骨架。我们进一步探讨了这些调节剂对米面团中二硫键形成、非共价相互作用、蛋白质二级结构和聚集行为的影响。本研究旨在阐明四种添加剂在蛋白质网络构建中不同的调控途径。研究结果将为通过调节蛋白质间分子相互作用来合理设计和针对性改善米面团品质提供理论基础。
章节摘要
材料
大米购自金禾米业有限公司；小麦面粉购自益海嘉里食品工业有限公司；酵母购自河北马利食品有限公司；乳清蛋白（蛋白质含量80%）购自恒天然贸易（上海）有限公司；HPMC购自上海新泰食品添加剂商城；胰蛋白酶（2500 BAEE U/mg）购自沧州厦圣酶生物技术有限公司；GMS购自嘉力士添加剂（海安）有限公司。
面团制备
四种改良剂（GMS、HPMC、胰蛋白酶和乳清蛋白）
米面团蛋白质二级结构分析
蛋白质二级结构的相对比例不仅反映蛋白质的展开程度、聚集程度和分子柔韧性，还直接决定面团的粘弹性、网络强度、气体保持能力和质地特性（Belton，1999）。
对照组小麦面团和大米面团均表现出特征性的双极小值光谱轮廓，代表典型的以α-螺旋为主导的蛋白质结构。值得注意的是，大米面团表现出略低的
结论
四种改良剂通过不同的共价和非共价相互作用调节大米蛋白网络，其中疏水相互作用通常作为主要的非共价力。在所有测试的添加剂中，9%乳清蛋白对蛋白基质产生了最显著的增强效果。它显著提高了二硫键、α-螺旋和分子内β-折叠的水平。添加1% HPMC改善了面团的持水性和延展性，同时
CRediT作者贡献声明
王冰：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初稿。杨阳：调查研究。刘思琪：方法论，数据整理。王家旺：写作 – 审稿与编辑。徐心宇：数据整理。张光：资源。李璐璐：资源。张娜：项目管理，资金获取。马春民：写作 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
黑龙江省优秀青年基金项目（JQ2024C003）；国家重点研发计划（2021YFD2100902-3）；国家自然科学基金委员会（32372387、32402015）；黑龙江省自然科学基金黑龙江省（PL2024C011）；黑龙江省青年科技人才支持项目（2025QNTJ026）；"双一流"学科协同创新成果项目（LJGXCG2025-P32）；黑龙江省重点
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