揭示转谷氨酰胺酶诱导黑全麦面团交联的机制：结构、拉伸流变学及分子层面的解析

《Food Research International》：Unveiling the cross-linking mechanism of black whole wheat dough induced by transglutaminase: structural, extensional rheological, and molecular insights

　　

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  TG通过增强蛋白网络结构提高了黑全麦面团的面筋稳定性。
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  TG在长时间过度搅拌条件下诱导形成致密且连续的蛋白网络。
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  TG促进有序蛋白结构和水解硫键的形成。
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  与清蛋白相比，谷蛋白表现出更强的TG诱导交联作用，具有更多的氢键和范德华力。
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  TG：转谷氨酰胺酶；Glu：谷蛋白；Gli：清蛋白。

引言

黑小麦是重要的天然有色谷物来源，富含植物化学物质，如花青素、类胡萝卜素、黄酮类和酚酸，这些成分主要集中在麸皮和糊粉层中（Li等，2026）。这些成分赋予其强效的抗氧化和抗炎活性，与降低糖尿病、肥胖、癌症和心血管疾病等慢性疾病的风险相关，使其成为功能性食品开发的高端原料（Prajapati等，2026）。然而，全粒黑小麦粉在食品加工中的应用仍面临挑战。黑全麦粉中形成连贯的面筋网络的能力有限，主要归因于其相对较低的面筋强度、麸皮颗粒对面筋网络的物理破坏，以及膳食纤维对水分分布和蛋白水合的干扰（Sun, Wu, Koksel, Xie, & Fang, 2023; Zhou等, 2021）。因此，黑全麦面团（BWWD）往往表现出较差的粘弹性、持气能力和加工适应性，最终导致发酵产品的体积较小、内部组织质地粗糙（Barak, Mudgil, & Khatkar, 2013; Li等, 2025）。面筋网络的形成是面团加工性能的主要决定因素，其中面筋蛋白作为结构基础发挥作用。面筋主要由谷蛋白（Glu）和清蛋白（Gli）组成，二者协同赋予面团独特的粘弹性和延展性。谷蛋白是一种复杂的宏分子聚合物，通过分子间和分子内的二硫键及氢键形成面筋网络的核心骨架结构（Wang, Hu, Pei, Zhang, & Li, 2026）。谷蛋白包括高分子量（HMW-GS，77–160 kDa）和低分子量（LMW-GS，23–68 kDa）亚基（Tao等, 2025）：HMW-GS决定面团的弹性和抗拉伸性，而LMW-GS增强抗变形能力（Zhang等, 2026）。相比之下，清蛋白是单体贮藏蛋白，包括α-、β-、γ-和ω-型，主要通过非共价相互作用与谷蛋白聚合物结合，对面筋网络有贡献（Wieser, 2007）。

物理改性、化学改性和酶促改性被用于改善全麦面团的加工特性，其中酶法处理因其环境相容性、高安全性和在谷物面团系统中的广泛应用而尤为引人注目（Ikram等, 2023; Onacik-Gür, Szafranska, Roszko, & Stepniewska, 2022; Weng, Yang, Jin, Yu, & Jiao, 2024）。转谷氨酰胺酶（TG，EC 2.3.2.13）是一种高效的生物交联酶，催化谷氨酰胺残基的γ-羧酰胺基与赖氨酸残基的ε-氨基基之间的酰基转移反应。它有助于形成分子内或分子间的ε-(γ-谷氨酰)赖氨酸等肽键，从而促进蛋白质的共价交联。Beck, Jekle, Selmair, Koehler和Becker（2011）发现，在黑麦面团中添加300 U/kg的TG可促进蛋白颗粒间的明显连接，将弱连接的蛋白斑点转化为延长的蛋白丝，从而增加黑麦面包的体积和内部弹性。此外，小麦蛋白研究证实，TG诱导交联并促进二级结构向有序状态转变，形成致密网络（Chen等, 2025）。然而，TG催化的黑全麦面团网络形成过程中的动态演变，以及黑小麦贮藏蛋白组分对TG诱导交联的差异贡献尚未得到系统研究。以往的研究主要关注TG对面包宏观流变特性和整体蛋白网络特性的影响，而对底层的分子机制关注不足。特别是，TG催化交联过程中蛋白质的动态分子变化以及谷蛋白和清蛋白的差异响应仍了解甚少。

本研究旨在系统揭示两种主要蛋白组分（Glu和Gli）对TG诱导交联的差异响应及其网络形成机制。综合表征了微观结构、分子交联、二级结构、表面疏水性和可冻结水的变化。此外，采用分子动力学（MD）模拟对TG与Glu和Gli的动态结合过程进行建模。阐明这些微观机制不仅有助于解释TG诱导的宏观流变和网络结构变化，还能明确不同蛋白组分在TG介导网络构建中的作用。这为基于蛋白质组成合理调控TG的交联效果、减少对经验性添加的依赖以及实现黑全麦面团的精准品质改良提供了理论依据。

各节摘要

材料

黑全麦粉（BWWD）购自中谷通合（秦皇岛）丰泰有限公司。转谷氨酰胺酶（TG，100 U/g）购自泰兴东升生物科技有限公司。透析管（MWCO 8–14 kDa）购自源叶生物科技有限公司。所有其他化学试剂均为分析纯，购自国药化学试剂有限公司。

粉质仪特性

根据AACC方法54-21，将300 g黑全麦粉放入Brabender粉质仪的搅拌碗中

粉质仪和延伸仪分析

补充了转谷氨酰胺酶（TG）的黑全麦面团（BWWD）的粉质仪和延伸仪曲线如图1所示，其相应参数见表1。TG显著增强了面团结构稳定性，且随TG浓度增加而进一步提高。尤其是TG-BWWD-1%处理组，吸水率降至78.66%，可能是因为更致密的蛋白-淀粉网络包裹了淀粉颗粒，减少了可用于水合的水分

结论

总之，本研究结合流变学测量、微观结构和分子表征，系统研究了转谷氨酰胺酶（TG）处理下黑全麦面团的变化。TG延长了面团的稳定性时间和最大抗拉伸阻力，支持在长时间搅拌过程中形成更连续的蛋白网络。在分离的蛋白组分中，谷蛋白表现出比清蛋白更为明显的游离氨基含量降低

CRediT作者贡献声明

Sha Yan（闫沙）： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论。Fan Sun（孙帆）： 可视化，调查研究。MengMeng Wu（吴萌萌）： 验证，数据整理。Qi-Yan Zhao（赵启燕）： 监督，形式分析。Tian Xu（许田）： 撰写——审阅与编辑，验证，监督。Han Tao（陶涵）： 项目管理，获取资金，概念构思。Wan-Hao Cai（蔡万豪）： 监督，软件。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（32272356 & 22403025）、中央高校基本科研业务费（JZ2025HGTG0264）、国家重点研发计划（2021YFD2101005 & 2021YFD2101002）、河南省博士后科研启动基金（HN2025025）和山东省高校青年创新团队计划（2025KJH113）的资助。本文的部分分析工作由以下机构完成

Sha Yan（闫沙）|Fan Sun（孙帆）|MengMeng Wu（吴萌萌）|Qi-Yan Zhao（赵启燕）|Tian Xu（许田）|Han Tao（陶涵）|Wan-Hao Cai（蔡万豪）