基于原位结构表征的超声波速冻对面筋蛋白流变学特性的影响机制研究

In the quick-freezing process, the decline of rheological properties of wheat gluten is a key factor of quality damaged of flour products. Ultrasonic-assisted quick-freezing can effectively improve the quality of frozen products by changing the structure of wheat gluten (WG). Most studies on ultrasound-assisted quick freezing technology adopt single mode ultrasound-assisted freezer only, and the characterization of protein structure is usually analyzed by off-line method. Our previous research found that, the in-situ and real-time spectroscopy could obtain the molecule structural information during the ultrasonic pretreatment process, effectively. This project intends to improve the rheological properties of WG by multimode ultrasonic-assisted freezing. Investigate the influence law of different working mode and power of ultrasound on the rheological properties of WG during the quick-frozen process ; Pearson correlation analysis and principal component analysis (PCA) were try to study the relationship between the rheological properties and molecular structure, stepwise multiple regression analysis and artificial neural network were used to establish the mathematical equations between the rheological properties and molecular structure of WG; In order to accurately reveal the molecular mechanism of improving rheological properties of WG, which occurs in the original situ of the chemical reaction during the process of ultrasonic-assisted quick frozen, the in-situ spectra was used to characterize the molecular structure of WG, innovatively. This is provides a theoretical support for the development of high quality frozen products though this study.

速冻过程中，面筋蛋白流变学特性的下降是损伤面制品品质的关键因素。超声波可在面制品速冻过程中通过改变面筋蛋白的结构而影响其功能特性。目前对超声波速冻技术的研究大部分采用单一模式，而对蛋白结构的表征一般都采用离位的方法进行分析。申请人前期研究发现，原位光谱可在超声波预处理过程中有效地提取到面筋蛋白的分子结构变化信息。本项目拟通过多模式超声波速冻提高面筋蛋白的流变学特性，研究超声波工作模式和功率对速冻面筋蛋白流变学特性和分子结构的影响规律；采用逐步多元回归分析和人工神经网络模型建立受不同超声波工作模式和功率影响的面筋蛋白流变学特性与结构之间的数学方程。在超声波速冻过程中，创新性的采用原位实时光谱技术对面筋蛋白的分子结构进行表征和实时监测。拟在反应发生的原始部位，准确揭示超声波速冻提高面筋蛋白流变学特性的分子机制，为开发高品质速冻主食产品提供技术理论支持。

超声波可在速冻过程中细化冰晶，维持产品的微观形貌，并在一定程度上改变样品的分子结构，从而有效的提高速冻产品的品质。本项目研究了超声辅助冷冻对面团冻结速率、流变特性、水分分布、分子结构的影响规律；建立了受超声波速冻影响的面筋蛋白流变学特性和结构的数学关系；对超声辅助冷冻过程中水分分布变化和蛋白结构变化进行了原位监测，准确揭示了基于原位结构表征的超声波速冻对面筋蛋白流变学特性影响机制。研究结果表明：（1）与传统浸渍冷冻（IF）相比，超声波辅助冷冻使得冷冻时间缩短9.6min，面团中可冻结水下降5.86%，同时水的流动性也明显减小，使其更接近新鲜样品的状态，改善了面团的持水性；面团的弹性模量和黏性模量显著提高，硬度显著降低，改善了面团的可塑性。（2）与IF处理相比，超声波辅助速冻对面筋蛋白的巯基（SH）和表面疏水性（H0）含量有显著影响，使紫外光谱和荧光光谱的强度增强，改变了蛋白的三级结构；同使面筋蛋白的二级结构趋向有序化。（3）Pearson分析表明SH和α-螺旋含量与面团的弹性显著正相关，β-转角与G’和G’’呈极显著性正相关，β-转角与面团的硬度呈显著性负相关；PCA分析得出UAF处理后冷冻面团中面筋蛋白SH的含量、二级结构与面团的弹性模量、黏性模量、硬度、弹性显著性相关。（4）通过原位监测面团冷冻过程中的水分迁移变化发现，在冷冻时间25-30 min之间面团的水分状态和水分分布发生突变，说明在此时间段面团中绝大部分水有液态转化为固态，经超声辅助冷冻的面团的横向弛豫时间减小，减小了面团中水分流动性。（5）通过原位监测面团冷冻过程中的分子结构变化发现，冷冻的过程中面团内水分子氢键的作用力减小，a-螺旋的相对百分含量降低使蛋白二级结构趋向无序化。色氨酸残基和酪氨酸残基的暴露程度增大，SS的构型由g-g-g转化为g-g-t，蛋白分子的三级结构改变。超声波的作用减缓上述变化程度，减小了冷冻对面团品质的破坏。本项目的研究对控制冷冻面团的加工性能，提高其面制品品质有重要意义。