不同小麦品种中麦谷蛋白大分子凝胶的物理化学性质及多尺度结构

《Food Hydrocolloids》：Physicochemical properties and multi-scale structures of glutenin macropolymer gel across wheat cultivars

小麦不同品种GMP凝胶的物理化学性质及多尺度结构分析表明，强面筋品种富含y型HMW-GS亚基，通过增强硫键交联和β-折叠结构形成致密网络，赋予最佳弹性和持水性；弱面筋品种依赖非硫键交联及高Mw聚合蛋白实现性能等效；中等面筋品种因y-HMW-GS不足导致凝胶结构松散。研究结果为优化GMP凝胶功能及小麦加工品质提供了理论依据。

　　

作者：姜志哲、张婷婷、关二奇、权传、张莉莉、张英权、周海军、于俊波

河南工业大学食品科学与工程学院，中国郑州450001

摘要

麦谷蛋白大分子（GMP）是一种天然存在的植物基蛋白质凝胶，具有最大的分子量（Mw），在调控小麦面团的流变性能和加工特性方面起着重要作用。本研究旨在系统比较和分析来自九种不同小麦品种的GMP凝胶的物理化学性质和多尺度结构，这些品种分别属于强筋、中筋和弱筋类型。结果表明，优质的麦谷蛋白亚基（GSs），尤其是含有奇数个半胱氨酸的y-型高分子量GSs（y-HMW-GSs），主要富集在强筋品种的GMP凝胶中。这些优质的GSs增强了巯基团和氨基酸残基（如半胱氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、脯氨酸和赖氨酸）的暴露程度，从而促进了有利二级结构（β-折叠片和β-转角）的形成，以及分子量大于80 kDa的二硫键交联蛋白质的形成，并形成了致密且连续的蛋白质基质。因此，强筋品种的GMP凝胶具有最大的颗粒尺寸、最佳的粘弹性以及优异的弹性和胶凝性。由于y-和x-HMW-GSs的平衡分布，弱筋品种的GMP凝胶主要以非二硫键交联的方式稳定，同时含有大量分子量大于130 kDa的二硫键交联蛋白质，其二级结构、粘弹性行为和网络稳定性与强筋品种的GMP凝胶相当。令人惊讶的是，由于y-HMW-GSs的缺乏、更多的醇溶蛋白参与以及较小的聚合物蛋白质，中筋品种的GMP凝胶未能达到强筋和弱筋品种的致密性和功能完整性。总体而言，本研究为通过品种选择来定制GMP凝胶的结构和功能提供了宝贵的见解，使其有潜力作为基于麦谷蛋白的亲水胶体得到应用。

引言

作为全球农业生产中的主要谷物作物之一，小麦（Triticum aestivum L）作为能量来源尤为重要，其提供的热量占总热量的20%（例如在英国）到超过50%（在中亚），同时还含有大量的蛋白质、膳食纤维、维生素和矿物质微量营养素（Hazard等人，2020年）。每年有超过65%的小麦颗粒被磨成面粉，面粉具有形成三维粘弹性面团基质的能力，为面包、面条、饼干和蛋糕等各种食品提供了结构基础（Ma等人，2021年；World Markets and Trade，2025年）。这种独特的功能主要归功于麦谷蛋白和醇溶蛋白这两种特征性蛋白质成分，它们共同赋予面团弹性和粘性。在麦谷蛋白组分中，麦谷蛋白大分子（GMP）是一个关键的结构成分，已被广泛认为是决定小麦面粉质量、面团流变性能和面包烘焙质量的主要因素（Zhang等人，2016年；Roy等人，2021年；Zhang等人，2024年；Barros等人，2025年）。

从理论上讲，GMP仅指在1.5–2.0%十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中不溶解的麦谷蛋白聚集体。实际上，GMP在胚乳蛋白中具有最大的分子量（Zhang等人，2016年；Zhang等人，2025年），它是在小麦面团形成过程中通过HMW-GSs与LMW-GSs以及特定的醇溶蛋白之间的复杂共价和非共价相互作用形成的（Zhang等人，2024年；Zhang等人，2022年）。由于其强大的聚集能力，GMP通常被分离为一个独立的蛋白质凝胶层（Barros等人，2025年；Yang等人，2025年），显示出高度交联的GMP具有凝胶性质，可以作为蛋白质凝胶发挥作用，有助于提高面团的弹性、延展性和强度，并决定基于小麦产品的硬度、凝聚性和胶凝性。事实上，GMP凝胶的结构稳定性为麦谷蛋白网络提供了支撑，使其具有高度的抗破裂性，因此对于理想的加工性能和最终产品质量至关重要（Gao等人，2023年；Han等人，2020年；Li等人，2025年）。这种高度聚集的蛋白质凝胶及其组成在评估小麦质量和预测面团性质方面的重要性表明，具有良好的面包制作性能的小麦品种具有更高水平的HMW-GS和最佳的HMW-GS/LMW-GS比例（Wan等人，2024年；Niu等人，2025年；Chen等人，2021年；Guo等人，2021年；Li等人，2024年）。随着互联网餐饮经济的发展，提高外卖面条感官品质的研究目前已成为面条加工企业和研究人员的热点问题。这些研究的结果表明，适当比例的麦谷蛋白/醇溶蛋白组成的GMP凝胶有助于提高煮熟面条的耐浸性，因为可以减少水分吸收和迁移率（Wan等人，2024年；Cao等人，2021年；Xie等人，2025年）。此外，将GMP凝胶加入面粉中可以增加麦谷蛋白的含量，从而形成更强且更致密的麦谷蛋白网络，使其在冷冻储存条件下更耐降解（Yang等人，2025年；Zhang等人，2024年；Zhu，2021年）。这些功能已知受到亚基组成及其等位基因变异的影响，特别是具有最佳半胱氨酸分布的x-和y-型HMW-GSs，它们对分子间二硫键的形成和较大的GMP颗粒组装起着关键作用（Li等人，2023年；Roy等人，2021年；Zhou等人，2025年）。这些遗传效应又受到生长条件和加工因素的影响，共同调节蛋白质组分的聚集和降解行为，进而影响GMP的形成和凝胶稳定性。Zhang等人（2025年）报告称，适度的灌溉（6.10–7.55 kg ha^-1 mm^-1）通过促进可溶性麦谷蛋白聚合为HMW-GSs和GMPs，优化了面团的稳定时间和抗拉强度。收获后的延长成熟可以增强SDS可提取蛋白质的聚合，增加GMP的积累，并提高面团的稳定性和气体保持能力（Niu等人，2025年）。冷冻储存会导致部分降解和β-折叠片有序性的降低，从而降低GMP和二硫键的水平（Yang等人，2025年；Zhang等人，2024年；Zhu，2021年）。

尽管GMP在提高小麦面团中麦谷蛋白网络的致密性和连续性方面起着决定性作用，但目前还缺乏对来自不同小麦品种的GMP凝胶的系统性比较。作为一种特定的蛋白质凝胶，不同品种之间的麦谷蛋白亚基组成差异如何转化为颗粒尺寸、粘弹性、质地、功能基团暴露程度、氨基酸组成、二级结构、共价键合模式、分子量分布和GMP微观结构形态的差异，尚未完全阐明。此外，分子构象与介观凝胶组装以及最终宏观凝胶性质之间的联系仍不甚清楚。为了填补这些知识空白，本研究系统地研究了来自九种不同小麦品种的GMP凝胶的物理化学性质和多尺度结构特征，这些品种分别属于强筋、中筋和弱筋类型。通过涵盖化学组成、颗粒尺寸、粘弹性、质地属性、表面功能基团、氨基酸谱型、二级结构、共价键合模式、分子量分布、麦谷蛋白亚基组成和微观结构形态的综合分析，我们旨在阐明不同小麦品种间GMP凝胶强度变化的内在结构-功能关系。研究结果提供了关于基因型依赖性GMP组装的机制性见解，并为设计高性能的基于麦谷蛋白的食品系统和新型基于麦谷蛋白的亲水胶体提供了科学依据。

材料

本研究使用了由中国科学院（北京）提供的九种小麦品种（XN979、XM26、XM45、CF2112、JM22、BN307、YM15、YM24和YM30），这些品种2025年在中国黄淮小麦种植区新收获。小麦颗粒在Buhler磨机（MLU-202，Buhler，Uzwil，瑞士）中研磨，得到纯度为73%的面粉。使用相应方法测定了面粉中的水分、粗蛋白、灰分和脂质含量以及面团稳定时间（DST）。

不同小麦品种中GMP凝胶的化学组成和颗粒尺寸

不同小麦品种的面粉样品中的水分、蛋白质、受损淀粉、脂质和灰分含量以及DST存在差异（表S1）。特别是蛋白质含量和DST，作为评估小麦面粉筋强度的主要指标（Zhang等人，2024年），显示出显著差异（表S1）。XN979、XM26和XM45的蛋白质含量超过13%，DST超过9.00分钟，因此被归类为强筋小麦品种。CF2112、JM22和BN307

结论

本研究系统比较了来自九种不同小麦品种的GMP凝胶的物理化学性质和多尺度结构，这些品种分别属于强筋、中筋和弱筋类型。研究发现，强筋品种的GMP凝胶富含y-HMW-GSs，表现出反应性氨基酸残基（Cys、Met、Tyr和Pro）的增强暴露，以及以β-折叠片和β-转角为主的良好发展的二级结构。

作者贡献声明

关二奇：项目监督、项目管理、资金获取。张婷婷：写作——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、数据管理、概念构思。姜志哲：写作——初稿撰写、调查、数据分析。张英权：方法学、概念构思。张莉莉：监督。权传：调查。于俊波：资源协调、概念构思。周海军：资源协调、概念构思

未引用的参考文献

Pourmohammadi和Abedi，2021年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2022年。

利益声明

我们希望提交修订后的手稿（FOODHYD-D-25-06145），题为“不同小麦品种中麦谷蛋白大分子凝胶的物理化学性质和多尺度结构”，希望其在《Food Hydrocolloids》期刊上发表。提交该手稿不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我声明所描述的工作是原创研究，此前未发表过。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了国家关键研发计划（第14个五年计划期间（2023YFF1104600）、河南省科技研究计划（242103810083）、河南省小麦产业技术体系建设项目（HARS-22-01-G7）以及国家自然科学基金（32302122）的支持。