玉米醇溶蛋白作为无麸质系统中结构蛋白的研究进展

Introduction

乳糜泻（CD）是一种免疫介导的系统性疾病，发生在遗传易感个体身上，由摄入麸质引发。由于没有成功的治疗报告，易感者需要终身完全避免麸质，因此禁止食用小麦、大麦和黑麦产品。不仅CD患者，患有非过敏性麸质 敏感的人或因生活方式而避免食用麸质的人也要遵循无麸质饮食。总的来说，由于人们对这种疾病的认识提高和饮食习惯的改变，全世界对无麸质产品的需求一直在稳步增长。然而，无麸质面包存在许多问题，包括质地易碎、色泽差、面团结构不完善以及其他质量缺陷，这些都是由于没有麸质造成的。麸质是小麦中的主要存储蛋白，对小麦粉的黏弹性面团制作能力发挥关键作用，这是因为麸质可以聚集形成蛋白网络。麸质蛋白网络独特的延伸流变学使小麦面团具有黏弹性，可以在醒发和烘烤过程中保留气体，从而形成了小麦面包的海绵状、泡沫状结构。因此，为了改善无麸质产品的质，找到合适的麸质替代品可以从根本上解决无麸质产品的内在质量较差的问题。

在以前的研究中， 玉米醇溶蛋白 已被证明能够形成类似小麦的面团，且没有结构缺陷，可用于生产无麸质面包。除了玉米醇溶蛋白—淀粉面团和小麦面团之间的物理相似性，最好的特征是黏性、延展性和黏弹性，结构和膜蛋白网络也显示出相似性。玉米醇溶蛋白基面团的黏弹性、黏着性和延展性是生产发酵产品的关键特征。这些特性使玉米醇溶蛋白基面团能够容纳面团发酵过程中产生的二氧化碳，以生产不同形状的面包。因此，就拥有无麸质面团形成和面包制作应用所需的正确功能属性而言，用于替代无麸质系统中麸质的玉米醇溶蛋白是非常可取的，尽管它有一定的局限性，如可操作性和室温下的老化。

对于玉米醇溶蛋白作为麸质的替代品对CD患者是否安全，研究人员有不同的意见。研究玉米醇溶蛋白的结构功能对提高无麸质食品的质量仍有重要意义。 西北农林科技大学的Xinrui Zhang、Guangzhong Luan等 在本综述重点介绍了目前基于玉米醇溶蛋白的无麸质体系的情况，对玉米醇溶蛋白的组成和结构化学进行了简要的研究，回顾了对玉米醇溶蛋白的结构功能和蛋白质网络的研究。主要部分回顾了对玉米醇溶蛋白网络形成特点的研究。考虑到缺乏明确的玉米醇溶蛋白网络形成机制，对其机制进行了讨论和推断，从四个方面介绍了玉米醇溶蛋白网络的优化措施，回顾了玉米醇溶蛋白作为结构蛋白在无麸质食品中的应用。最后，给出了未来对基于玉米醇溶蛋白的无麸质系统研究的潜在方向。

玉米醇溶蛋白的结构

玉米醇溶蛋白的结构与它的物理化学特性和在各种系统中的自组装机制密切相关。与麸质蛋白不同， α -玉米醇溶蛋白由高度同源的重复单元组成，并具有高含量的 α -螺旋结构。 β -玉米醇溶蛋白的 α -螺旋结构很少，大部分序列是 β -折叠和非周期性结构（ β -转角和无规则卷曲）。 γ -玉米醇溶蛋白在其生理状态下含有33%的 α -螺旋和31%的 β -折叠结构。 δ -玉米醇溶蛋白不包含任何重复序列，也没有明确的结构域。玉米醇溶蛋白的二级结构取决于溶剂。多年来，人们提出了几种玉米醇溶蛋白单体的结构模型，如圆柱形模型、带状模型、发夹模型和超螺旋结构模型等（图1）。前人研究预测的更详细的玉米醇溶蛋白结构模型如图2所示。然而，对玉米醇溶蛋白的结构并没有达成共识。尽管这些模型之间存在差异，但人们普遍认为玉米醇溶蛋白单体由棒状螺旋重复单元的线性堆积组成。

图1 玉米醇溶蛋白的三维结构模型

图2 玉米醇溶蛋白的结构模型说明

总的来说，玉米醇溶蛋白和麸质在成分和结构上有很大的区别。这意味着玉米醇溶蛋白可以通过不同的方法形成黏弹性面团。

蛋白质网络和玉米醇溶蛋白的结构功能

大量的研究表明，蛋白质网络是形成黏弹性面团的一个重要因素，在麸质和无麸质体系中都是如此。 人们普遍认为，小麦面筋通过建立3D网络为面团提供内聚力、黏弹性和延展性。 小麦面团的这些独特的流变特性负责在发酵和烘烤过程中保留气体，导致小麦面包的均匀和泡沫状结构。 毋庸置疑，面筋网络在决定小麦面粉的面包制作特性方面非常重要。 同样，蛋白质网络对于无麸质系统也是至关重要的。 与其他无麸质蛋白相比，玉米蛋白具有结构功能的原因是，当它与水混合超过其玻璃化转变温度（ T g ）时，可以形成纤维状的蛋白网络。 存在于无麸质面团中的玉米醇溶蛋白网络可以向面团传递延展性和黏弹性，从而使面团具有制作面包的特性（图3）。 最重要的是，无麸质面团中玉米醇溶蛋白的结构作用的决定性前提是黏弹性蛋白网络的形成。

图3 玉米醇溶蛋白淀粉面团的宏观和微观结构

玉米醇溶蛋白在无麸质体系中的应用

玉米醇溶蛋白网络的黏弹性可以在与超过其Tg的水混合后获得。由于玉米醇溶蛋白的结构功能，无麸质面团的黏弹性和无麸质食品的质量可以得到明显改善。

有研究报道，玉米醇溶蛋白—淀粉面团适合生产炉灶型无麸质面包，因为它在制作和烘烤过程中能够保持形状。玉米醇溶蛋白的添加可以提高玉米醇溶蛋白—大米面团的混合稳定性，因为随着玉米醇溶蛋白在混合物中的比例增加，吸水率也明显增加。加入玉米醇溶蛋白后，高粱面团的流变性和高粱面包的体积得到了改善。加入玉米醇溶蛋白后，无麸质面团中的气泡结构变得更加稳定。在没有麸质的情况下，以大米为原料的面团可以被切成又长又细的面条。

这些研究表明，玉米醇溶蛋白在开发无麸质食品方面有很大潜力。因此，应该做更多的工作来扩大玉米醇溶蛋白在无麸质食品中的应用。

Zein as a structural protein in gluten-free systems: an overview

Xinrui Zhang, Chunxia Dong, Yayun Hu, Mengnan Gao, Guangzhong Luan*

College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China.

*Corresponding author.

E-mail address: qlgz@nwsuaf.edu.cn

Abstract

Excess Zein, a class of alcohol-soluble prolamines in maize endosperm, is mainly composed of α-zein, β-zein, and γ-zein. It has been recognized as a structural protein for various gluten-free systems since it can form gluten-like viscoelastic network. The formation of viscoelastic zein network can make up for the structural defect of gluten-free doughs caused by the lack of gluten. To make the most of structural functionality of zein in gluten-free foods, it is important to clearly elucidate the fundamental properties of zein network. In this article, these properties have been discussed, analyzed and summarized from the relationship between protein network and structural functionality of zein, the feature and formation mechanism of zein network, factors affecting zein network and the applications of zein network in improving the quality of gluten-free food. In addition, this article also looks forward to potential research areas on zein network.

Reference:

ZHANG X R, DONG C X, HU Y Y, et al. Zein as a structural protein in gluten-free systems: an overview[J]. Food Science and Human Wellness, 2021, 10(3): 270-277. DOI:10.1016/j.fshw.2021.02.018.

翻译/编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

图片来源：图虫创意