2 谷蛋白-脂质相互作用
2.1 相互作用机制模型
多个模型被提出来解释小麦面粉面团中蛋白质-脂质相互作用的本质。Olcott和Mecham（1947）发现脂质与谷蛋白强烈结合形成“脂谷蛋白”复合物。Hess和Mahl（1954）提出了一个模型，其中粘附蛋白通过卵磷脂层与淀粉结合，形成面粉面团中的蛋白质-脂质-淀粉复合物。Grosskreutz（1961）利用X射线光谱和电子显微镜在分子水平上研究小麦面筋结构，结果揭示了面筋蛋白以厚度为70 Å的片层结构存在，并提供了在发达面筋中存在磷脂层结构的证据，类似于在髓磷脂中发现的良好取向的双分子叶片。因此，Grosskreutz提出了脂蛋白模型，其中脂蛋白约占面筋结构的2%–5%。在该模型中，蛋白质链通过磷脂的酸性基团与碱性蛋白质基团之间的盐样连接与磷脂双分子叶片阵列的外边缘结合。蛋白质的疏水侧链穿透脂质双分子叶片，而亲水蛋白质侧链面向外以与其他蛋白质相互作用或吸收水分。Hoseney等人（1970）将这些结果更进一步，提出了另一个模型，表明游离极性脂质，主要是糖脂，通过亲水键与醇溶蛋白结合，并通过疏水键与谷蛋白结合。极性脂质与谷蛋白的同时结合被认为有助于面筋网络的气体保留能力。
Wehrli和Pomeranz（1970a, 1970b）使用红外光谱和核磁共振（NMR）研究了糖脂与小麦面粉大分子之间的相互作用。红外光谱检测到糖脂、糊化淀粉和面筋蛋白之间的氢键，以及糖脂和面筋蛋白之间的范德华力。另一方面，NMR谱图表明糖脂和谷蛋白之间存在疏水相互作用。Wehrli和Pomeranz（1970b）还使用放射自显影技术监测氚标记的糖脂在面团和面包中的分布。结果显示，糖脂主要与面筋蛋白结合，在较小程度上与面团中淀粉颗粒的表面结合。另一方面，糖脂和淀粉之间形成了复合物，表明在糊化过程中糖脂和淀粉之间发生了相当大的相互作用。这些研究结果（Wehrli和Pomeranz，1970a, 1970b）导致了一个新模型，描述了糖脂对面包体积贡献背后的机制。根据该模型，糖脂在烘烤过程中同时与糊化淀粉和变性面筋蛋白相互作用，从而通过将气体密封在蛋白质-脂质-淀粉复合物细胞中来改善气体保留。
其他使用物理技术，特别是NMR光谱和冷冻断裂电子显微镜的研究表明，脂质以相对非特异性的方式保留在面筋中，并且面筋中蛋白质和脂质的相互作用可能涉及脂质的物理截留以及极性或离子键合。
除了使用显微镜和光谱学技术外，还使用流变学方法或烘焙试验来评估内源性脂质与其他小麦成分的相互作用以及脂质在面团加工中的作用，这些试验是在通过去除脂质和/或用特定脂质组分重构脱脂面粉制备的面团样品上进行的。
2.2 面团加工过程中谷蛋白-脂质相互作用的功能性
小麦脂质传统上分为内部淀粉脂质和非淀粉脂质，其中非淀粉脂质根据溶剂可萃取性进一步细分为游离脂质和结合脂质。除了基于溶剂可萃取性的分类外，小麦脂质还分为极性脂质和非极性脂质。
内部淀粉脂质的功能性在达到淀粉糊化温度后的烘烤过程中变得明显。内部淀粉脂质不太可能与其他小麦成分相互作用，因为它们位于淀粉基质内部。因此，淀粉脂质不会显著影响面包体积或面包屑结构，但它们可能通过影响淀粉的技术特性来影响面包屑质地。另一方面，内源性非淀粉脂质的功能性在面包制作过程的第一阶段，即混合阶段，开始变得显著，并持续到烘烤的早期阶段。图2显示了内源性小麦脂质对谷蛋白网络发展和气泡稳定性的贡献。在面团发育过程中，观察到结合脂质水平增加，而游离脂质水平据报道会降低。涉及内源性小麦非淀粉脂质重新分布的现象是脂质结合的结果。此外，据报道，在面团发育过程中，脂质从淀粉颗粒表面被摩擦掉，它们被截留在面筋中或与面筋相互作用。
内源性脂质与面筋的相互作用被发现控制着面筋蛋白对水的亲和力，从而在混合过程中稳定面筋网络的一致性。如图2所示，极性脂质在与水接触时形成高度有序的液晶相（即层状液晶相）或中间相（即脂质体和胶束）。层状相由被水隔开的脂质双层片组成，自发形成称为脂质体的小双层聚集体。
在混合开始时，当面粉颗粒遇到水时，极性脂质的带负电荷的亲水头基可能朝向水排列，形成层状相。此外，游离水可以被脂质体包裹。这两种现象解释了脂质在面团混合过程中如何控制面筋蛋白的水合动力学。
面团中的谷蛋白-脂质相互作用也被报道有助于面筋网络的强度。面筋网络决定了面团中掺入了多少空气。与面筋相互作用的脂质间接稳定气泡并有助于面包体积。
除了对气泡稳定的间接影响外，内源性极性脂质据报道在面团发酵过程中发挥直接作用。Sroan和MacRitchie（2009）提出了一种由面筋网络和围绕气泡的液体薄层协同效应驱动的双重机制。在醒发和炉内膨胀期间，由膨胀气泡引起的面筋-淀粉基质的双轴延伸导致围绕气泡的面团薄膜变薄。围绕气泡的延伸的面筋-淀粉基质通过面筋网络的应变硬化或应变强化响应来防止破裂。随着气泡持续膨胀，面筋的应变强化行为减弱，面筋网络开始恶化。围绕气泡的液体薄层，由吸附的表面活性成分（如蛋白质、极性脂质和阿拉伯木聚糖）稳定，在醒发和炉内膨胀期间提供进一步的气泡稳定。层状相中的脂质双层通过范德华力在位于脂质双层两侧的烃链上连接。这些连接很容易断裂，导致双层分离，从而暴露内部疏水表面以与空气相互作用。这就是极性脂质被认为在膨胀面团中在气-液界面排列自己的方式。
内源性脂质和面筋蛋白之间的这些相互作用机制在不同加工变形下影响面筋网络的粘弹性特性。以下各节讨论内源性小麦脂质对谷蛋白的混合、线性粘弹性和非线性粘弹性特性的影响。
3 内源性脂质对谷蛋白水合和机械网络发展的影响
3.1 水合和机械网络发展
粉质仪混合是研究面筋混合特性的有用工具。面筋-水混合物的粉质仪混合显示出一个峰值稠度，随后随着持续混合，扭矩逐渐减小。Doguchi和Hlynka（1967）研究了从硬质红色春小麦面粉中提取的面筋的混合行为。他们获得了与小麦面粉观察到的类似的粉质图。然而，他们在湿面筋块的均匀混合开始时遇到了困难。为了消除粉质仪混合开始时面筋均匀混合的困难，在进行完整的粉质仪测试之前，使用了一系列的停止-运行混合过程。类似地，Yazar等人（2022）报道了在粉质仪混合过程中，面筋的稠度初始下降，这是由于水合困难，这归因于内源性脂质的存在。内源性脂质通过屏蔽面筋蛋白或通过形成面筋-脂质相互作用降低了面筋蛋白对水的亲和力，导致面筋蛋白的水塑化作用降低。带负电荷的脂质与面筋蛋白中的正电荷发生离子键合而发生屏蔽。当混合开始时，面筋粉末在引入水后变成面团状的大块，内源性脂质在粉质仪混合的早期阶段产生了水合阻断效应，最终导致稠度下降。层状结构中脂质双层两侧之间的烃链仅通过弱范德华力连接，在变形下容易断裂，以提供具有润滑特性的滑移面。最终，Yazar等人（2022）在面筋混合早期观察到的面团状块是由于层状内源性脂质结构在混合力下的部分恶化。
持续混合使得脂质分布更好，并克服了它们对面筋蛋白水合的阻断作用。并且随着持续混合导致的面筋蛋白逐渐水合导致稠度增加，直到达到500 BU。一旦达到500 BU的稠度，面筋的稠度在混合结束前保持恒定。
另一方面，当脂质被提取和去除后，面筋蛋白的水合逐渐且更迅速地进行。在相同的加水量下，含有内源性脂质的面筋蛋白在混合12分钟后达到500 BU的稠度，而在没有脂质的情况下，在更短的8分钟混合后达到相同的稠度。在没有内源性脂质的情况下，面筋蛋白更快速的水合是由于缺乏脂质与面筋蛋白亲水侧链的相互作用。面筋蛋白以不受控制的方式接触水，因为面筋蛋白没有受到水的保护。在粉质仪混合结束时，活性小麦面筋的平均稠度约为500 BU，而当内源性脂质被去除时，它变得更高，约为600 BU。在存在内源性脂质的情况下，观察到面筋的网络弹性较低但更稳定。在混合过程中蛋白质和脂质之间的相互作用减少了蛋白质基质的发育，导致形成更柔软的网络。
Yazar, Kokini等人（2024）对醇溶蛋白和谷蛋白在存在和不存在内源性脂质的情况下进行了粉质仪混合测试，以探索内源性脂质如何影响形成面筋网络的两个主要面筋蛋白组分的混合行为。含有内源性脂质的醇溶蛋白在粉质仪混合约3分钟后显示出典型的发展峰值。醇溶蛋白的稠度在峰值后开始下降，然后在剩余的混合过程中显示出几乎稳定的混合曲线。当脂质被去除并给予相同的水量时，醇溶蛋白的稠度急剧下降，没有显示峰值形成。与醇溶蛋白观察到的最大稠度500 BU相比，去除脂质的醇溶蛋白获得的最高稠度约为270 BU，表明在没有内源性脂质的情况下，醇溶蛋白的吸水能力降低。
与醇溶蛋白相比，谷蛋白需要更多的时间来发育（34分钟），并且在整个混合过程中持续显示发育，没有显示峰值。无论是否存在内源性脂质，谷蛋白的稠度都随着混合的进行而逐渐增加。当脂质被去除时，500 BU的稠度更快达到（混合23分钟）。这表明在没有内源性脂质的情况下，谷蛋白的吸水能力增加，水合更快。表1显示了当内源性脂质存在和不存在时，面筋、醇溶蛋白和谷蛋白的粉质仪混合参数如何变化。
3.2 与混合特性相关的分子相互作用机制
非极性脂质被认为存在于包裹在面筋网络内的脂质口袋中，而极性脂质被认为直接与面筋蛋白相互作用。醇溶蛋白组分中的结合脂质已知都是极性的，而谷蛋白与极性和非极性脂质都结合。醇溶蛋白和谷蛋白的等电点分别为7.8和5.8。在新鲜混合的面团中，其pH值为5.8，醇溶蛋白带正电荷，而谷蛋白呈中性。因此，醇溶蛋白优选与两性离子（PC [磷脂酰胆碱], LPC [溶血磷脂酰胆碱], PS [磷脂酰丝氨酸], 和LPS [溶血磷脂酰丝氨酸]）或带负电荷的磷脂（NAPE [N-酰基-磷脂酰乙醇胺], NALPE [N-醛改性-磷脂酰乙醇胺], PI [磷脂酰肌醇], LPI [溶血磷脂酰肌醇], PE [磷脂酰乙醇胺], 和LPE [溶血磷脂酰乙醇胺]）相互作用。另一方面，谷蛋白与中性糖脂（MGDG [单半乳糖甘油二酯] 和 DGDG [二半乳糖甘油二酯]）和非极性脂质（FFA, TAG, DAG [甘油二酯], 和MAG [甘油单酯]）相互作用。醇溶蛋白和磷脂通过离子键相互作用。谷蛋白通过疏水相互作用和氢键与半乳糖脂相互作用，而其与非极性内源性脂质的相互作用通过疏水相互作用发生。
磷脂由一个磷酸盐极性头基团和一个疏水脂肪酸尾部组成，形成一个两亲分子。醇溶蛋白分子主要与磷脂相互作用，同时贡献了重要的外部疏水特性。当内源性脂质被去除后，没有磷脂的两亲特性，醇溶蛋白与水相互作用的能力大大降低，这从没有脂质时醇溶蛋白稠度的急剧下降可以证明。与磷脂类似，半乳糖脂也已知表现出两亲性质。然而，与脂质相互作用对谷蛋白水合特性的影响与观察到的醇溶蛋白的影响相反。这种差异是由醇溶蛋白和谷蛋白在水合时的二级结构引起的。
当水在混合的早期阶段遇到面筋蛋白时，面筋蛋白干燥状态下谷氨酰胺侧链和主链肽基团之间的分子间和分子内氢键被水破坏。水与面筋蛋白的结合通过氢键优先发生在极性肽基团上，破坏了内部的蛋白质-蛋白质氢键。
在水合阶段，与磷脂的相互作用为醇溶蛋白提供了与水相互作用的极性位点。因此，磷脂在醇溶蛋白和水之间充当桥梁，有助于水合。逐渐的水合增加了蛋白质的流动性，导致其结构重排，例如β-折叠的形成。直到面筋蛋白完全水合，α-醇溶蛋白和ω-醇溶蛋白通过疏水相互作用聚集，直到达到峰值点，然后随着持续混合而解体。在混合早期阶段在ω-醇溶蛋白中形成的β-折叠结构随着水合的继续被β-转角取代，并形成延伸结构，表明蛋白质-蛋白质相互作用减少。这些结果与醇溶蛋白在混合早期阶段稠度增加，随后随着混合继续稠度下降一致。在没有内源性脂质的情况下，由于缺乏磷脂，醇溶蛋白基质中的极性位点数量减少，因此基质中有更多的游离水。随着混合的继续，蛋白质分子在施加的机械能引起的剪切和单轴拉伸变形下被拉伸和排列，导致醇溶蛋白解离和稠度进一步下降。除了发生在α-醇溶蛋白和ω-醇溶蛋白之间的疏水相互作用外，α/β-和γ-醇溶蛋白通过其α-螺旋和β-折叠中的共价二硫键和氢键连接。虽然氢键比二硫键弱，但它们通过促进面筋蛋白在应力下的重新定向，在面筋网络的流变行为中起着重要作用。在持续粉质仪混合力下观察到的醇溶蛋白稠度的稳定，无论是在存在还是不存在内源性脂质的情况下，主要归因于氢键的存在。最终，醇溶蛋白-磷脂相互作用最显著的效果是增加醇溶蛋白的水合。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，与醇溶蛋白不同，水合的谷蛋白亚基主要通过堆叠的β-折叠相互作用。随着水合面筋中谷蛋白与醇溶蛋白比例的增加，观察到分子间β-折叠结构相对于α-螺旋的显著增加。水合后小麦谷蛋白中β-折叠结构的增加是HMW谷蛋白亚基之间相互作用的结果。随着HMW谷蛋白的持续水合，发现β-折叠结构和延伸结构增加。这与谷蛋白在粉质仪混合中逐渐发育至34分钟一致。Belton（1999）提出了列车-环模型来解释高分子量蛋白质介导的面筋网络弹性特性。根据该模型，HMW-谷蛋白干燥状态下存在的链间氢键（列车）被HMW-谷蛋白水合时形成的蛋白质-水氢键（环）所取代，导致列车和环区域之间的平衡。内源性脂质的去除破坏了谷蛋白混合过程中β-折叠形成和现有链间氢键之间的平衡，这从没有内源性脂质的情况下谷蛋白稠度的逐步增加可以证明。在没有脂质与面筋蛋白侧链相互作用的情况下，面筋蛋白以丰富的方式接触水。粉质仪显示，在混合过程中，由于缺乏与半乳糖脂和非极性脂质的相互作用，谷蛋白没有受到水的保护。随着混合的进行和谷蛋白越来越水合，由于谷蛋白对水亲和力的增加，在没有内源性脂质的情况下，谷蛋白网络显示出密集堆积的结构。
当水被加入到干燥的面筋中时，脂质在非常早期的阶段屏蔽蛋白质，表现为稠度的突然下降。在存在脂质的情况下，水合发生得更慢，表明在混合开始时，面筋网络的水合动力学主要受内源性脂质和谷蛋白之间相互作用的控制。然而，某些醇溶蛋白亚基（α-醇溶蛋白和ω-醇溶蛋白）的聚集以及醇溶蛋白与磷脂的相互作用使面筋比谷蛋白更早达到发育点。随着混合的进行，面筋网络中谷蛋白的存在增加了稠度，而醇溶蛋白的解离降低了稠度，内源性脂质的存在为蛋白质基质的稠度提供了平衡。稳定α/β-和γ-醇溶蛋白的氢键以及内源性脂质（主要是半乳糖脂和非极性脂质）带来的疏水力共同控制谷蛋白的水亲和力，共同有助于面筋的稳定性。因此，当存在内源性脂质时，观察到面筋网络的稠度更稳定。另一方面，当缺乏内源性脂质时，稠度持续增加，导致更僵硬网络。
4 内源性小麦面粉脂质对谷蛋白线性粘弹性特性的影响
Hargreaves等人（1995）在频率范围ω: 0.001–36 Hz, γ: 3%, T: 20°C下对从用氯仿处理以去除内源性脂质的小麦面粉样品中提取的面筋样品进行了SAOS测量。另一批用lubrol处理以去除非面筋蛋白，以揭示这些次要小麦面粉组分对面筋SAOS行为的贡献。面筋蛋白约占小麦蛋白质的80%，它们负责小麦面粉面团的粘弹性特性。小麦蛋白质的剩余部分由可溶性蛋白质（如白蛋白和球蛋白）和不溶性蛋白质（如膜蛋白、核蛋白和细胞壁蛋白质）组成。可溶性和不溶性非面筋蛋白组分都含有对脂质具有高亲和力的蛋白质，这些蛋白质被称为脂质转移蛋白、嘌呤吲哚啉、ligoline、硫素等。Hargreaves等人（1995）进行的频率扫描显示，从天然、氯仿处理和lubrol处理的小麦面粉中提取的面筋样品的G′和G″值没有显著差异，表明内源性脂质和非面筋蛋白对面筋的线性粘弹性特性没有贡献。
Papantoniou等人（2004）也研究了面筋和脱脂面筋的线性粘弹性特性。脱脂面筋在频率扫描中显示出比含有内源性脂质的面筋更低的G′和G″。另一方面，Georgopoulos等人（2006）报道，当内源性脂质被去除时，G′随频率增加。不同的面筋提取方法也可能导致线性粘弹性特性的差异，导致天然和去除脂质的面筋样品的水分含量不同。在Papantoniou等人（2004）和Georgopoulos等人（2006）的实验设置中，提取的湿面筋样品直接测量而不干燥。Papantoniou等人（2004）研究的脱脂面筋和天然面筋的水分含量分别为68.8%和65%。脱脂面筋较高的吸水水平归因于在没有内源性脂质的情况下，面筋对水的亲和力更高，这导致去除脂质的面筋的G′(ω)较低。相反，Georgopoulos等人（2006）报道天然面筋的水分含量为55.4%，脱脂面筋为53.8%，导致与天然面筋相比，脱脂面筋的G′(ω)更高。这些结果揭示了选择适当流变学测试方案的重要性，以及在流变学测试之前将天然和去除脂质的面筋的水分含量调整到相同水平的必要性，以准确确定内源性脂质对粘弹性特性的影响。
为了消除由于面筋和脱脂面筋不同水分含量在捕捉内源性脂质对面筋网络粘弹性性质实际影响时产生的问题，Yazar等人（2022）研究了具有相同加水量的活性小麦面筋和去除脂质的活性小麦面筋的流变特性。Yazar等人（2022）直接从面筋中去除内源性脂质，而不是从小麦面粉中去除。这允许在没有其他小麦面粉组分干扰的情况下捕捉内源性脂质对面筋网络强度的贡献。将干燥状态的活性面筋和去除脂质的面筋在粉质仪混合器中用相同量的水混合。研究了它们的SAOS特性。在线性 粘 弹 性 区 域
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