亞麻餅粕中亞麻膠的提取及其理化性質(zhì)研究

郭項雨， 孫 偉， 任 清

(北京工商大學(xué) 植物資源研究開發(fā)北京市重點實驗室/食品添加劑與配料北京高校工程研究中心, 北京 100048)

亞麻膠，又名富蘭克膠、胡麻膠，是亞麻籽油生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，亞麻籽中亞麻膠含量大約在2%～10%[1-2]. 亞麻籽膠是以多糖為主，并含有少量蛋白質(zhì)的天然高分子復(fù)合膠，多糖主要由L-阿拉伯糖、D-木糖、L-鼠李糖、D-半乳糖醛酸、L-半乳糖 、L-巖藻糖6種單糖組成，而蛋白主要是以結(jié)合蛋白的形式存在[3]，具有與阿拉伯膠一樣的功能性質(zhì)[4].

目前，亞麻膠主要用于功能性食品添加劑，起到增稠、增塑、乳化、發(fā)泡等功能；亞麻膠又屬功能性食品，因為含有大量膳食纖維，可作為脂肪的替代品，無毒，且對某些重金屬中毒有解毒效果，與其他膠種具有協(xié)同效應(yīng)[5]. 添加此膠制得的冰激凌質(zhì)地松軟，口感清爽[6]. 作為膳食纖維，亞麻膠在降低糖尿病和冠狀動脈病的發(fā)病率，防止結(jié)腸癌和直腸癌，減少肥胖病的發(fā)生等方面也有一定輔助作用[7]；同時，亞麻膠作為純天然植物膠，符合“回歸自然”的理念，在化妝品領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景[8]. 因此，亞麻膠的研究和開發(fā)具有重要的實用價值，并可能會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益.

亞麻餅粕是亞麻籽榨油后的殘渣，富含亞麻膠、蛋白質(zhì)、木酚素等物質(zhì)，一般用作動物飼料，經(jīng)濟效益較低. 因此，以脫脂亞麻餅粕為原料提取亞麻膠，不僅可以降低亞麻膠的生產(chǎn)成本，提高亞麻餅粕的附加值，而且亞麻餅粕中的蛋白質(zhì)含量高，可以提高亞麻膠的質(zhì)量. 本研究優(yōu)化了水浸提法提取亞麻膠的工藝，并對亞麻膠的理化性狀進行測定，為亞麻膠的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗材料

亞麻餅粕，河北省康保縣翔龍糧油貿(mào)易公司；活性炭，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；其他試劑均為分析純.

1.2 實驗儀器

HH·S1-M型電熱恒溫水浴鍋，北京長安科學(xué)儀器廠；80-2型離心沉淀器，江蘇大中儀器廠；JJ-3型精密增力電動攪拌器，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；SHB-B95型循環(huán)水式多用真空泵；RE52-98型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海榮生生化儀器廠；Beckman coulter高速冷凍離心機，Beckman 公司；TJ02型臺式均質(zhì)器，北京第一輕工業(yè)研究所；NDJ-8S型數(shù)字顯示粘度計，上海精密科學(xué)儀器有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程

亞麻餅粕→粉碎→浸提→離心→濃縮→冷凍干燥→成品。

1.3.2 提取亞麻膠的單因素實驗

1) 料液比對亞麻膠提取率的影響實驗

分別稱取亞麻餅粕2 g于5個燒杯，分別按1∶25，1∶50，1∶75，1∶100，1∶125料液比加入去離子水，置于60 ℃恒溫水浴搖床(100 r·min-1)中浸提120 min，洗膠次數(shù)為1次，離心(10 000 r·min-1，15 min)，將上清液蒸發(fā)濃縮后，冷凍干燥，即為亞麻膠并計算亞麻膠提取率.

2) 溫度對亞麻膠提取率的影響實驗

分別稱取亞麻餅粕2 g于5個燒杯，按1∶100料液比加200 mL去離子水，分別于20，40，60，70，80 ℃恒溫水浴搖床(100 r·min-1)中浸提120 min，洗膠次數(shù)為1次，離心(10 000 r·min-1，15 min)，將上清液蒸發(fā)濃縮后，冷凍干燥，即為亞麻膠并計算亞麻膠提取率.

3) 時間對亞麻膠提取率的影響實驗

分別稱取亞麻餅粕2 g于5個燒杯，按1∶100料液比加200 mL去離子水，置于60 ℃恒溫水浴搖床(100 r·min-1)中，分別浸提60，90，120，150，180 min，洗膠次數(shù)為1次，離心(10 000 r·min-1，15 min)，將上清液蒸發(fā)濃縮后，冷凍干燥，即為亞麻膠并計算亞麻膠提取率.

4) 洗膠次數(shù)對亞麻膠提取率的影響實驗

分別稱取亞麻餅粕2 g于5個燒杯，按1∶100料液比加200 mL去離子水，置于60 ℃恒溫水浴搖床(100 r·min-1)浸提120 min，洗膠次數(shù)分別為1，2，3，4，5次，離心(10 000 r·min-1，15 min)，將上清液蒸發(fā)濃縮后，冷凍干燥，即為亞麻膠并計算亞麻膠提取率.

1.3.3 正交試驗

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，影響亞麻膠提取率的因素有料液比、溫度、時間三因素，因此，采用L9(34)進行正交試驗，確定亞麻膠的最佳提取工藝(見表1).

1.3.4 亞麻膠理化性質(zhì)的測定

1) 濃度對亞麻膠溶液粘度的影響實驗

常溫下，配制質(zhì)量濃度分別為1，2，3，4，5 g/L

表1 正交設(shè)計因素水平表

的亞麻膠溶液，加熱至60 ℃恒溫攪拌,待其充分溶解，冷卻靜置，于25 ℃下測定粘度，重復(fù)3次取平均值.

2) pH值對亞麻膠溶液粘度的影響實驗

常溫下，配制質(zhì)量分數(shù)為0.5%的亞麻膠溶液，加熱至60 ℃恒溫攪拌,待其充分溶解，冷卻靜置，調(diào)pH值為3，4，5，6，7，8，9，于25 ℃下測定粘度，重復(fù)3次取平均值.

3) 溫度對亞麻膠溶液粘度的影響實驗

常溫下，配制濃度分別為1，2，3，4，5 g/L的亞麻膠溶液，待其充分溶解，將溶液從10 ℃上升至90 ℃，溫度上升過程中分別測定10，20，30，40，50，60，70，80，90 ℃下亞麻膠溶液的粘度，重復(fù)3次取平均值.

4) 濃度對亞麻膠乳化性的影響實驗

常溫下，配制質(zhì)量濃度分別為1，2，3，4，5 g/L的亞麻膠溶液，加熱至60 ℃恒溫攪拌,待其充分溶解，冷卻靜置，加入同體積的大豆色拉油，于均質(zhì)機(轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1)中乳化2 min，離心(2 000 r·min-1，15 min),計算亞麻膠的乳化率.

2 結(jié)果與分析

2.1 料液比對亞麻膠提取率的影響

以提取率為指標(biāo)，考察料液比(m(g)∶V(mL))對亞麻膠提取率的影響，實驗結(jié)果如圖1，由圖1可以看出，隨著液料比的增加，亞麻膠提取率也隨之升高；當(dāng)料液比為1∶100時，提取率達到最大值，之后繼續(xù)增加料液比，蛋白質(zhì)的提取率趨于平穩(wěn)，甚至有下降的趨勢. 可能是因為液料比小，溶液的粘度大，影響傳質(zhì)過程的進行；隨著液料比的增加，體系的粘度降低，加快傳質(zhì)過程，但液料比的增加降低了亞麻膠的濃度，不利于亞麻膠的回收. 因此本實驗選取料液比為1∶100為宜.

圖1 料液比對亞麻膠提取率的影響Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on extraction rate of flaxseed gum

2.2 溫度對亞麻膠提取率的影響

以提取率為指標(biāo)，研究溫度對亞麻膠提取效果的影響，實驗結(jié)果如圖2，從圖2可以看出,亞麻膠提取率先隨著溫度的升高而顯著增加，在達到60 ℃時，提取率達到最大值，之后反而隨著溫度的升高而急劇下降. 因此亞麻膠的提取溫度為60 ℃為宜.

圖2 溫度對亞麻膠提取率的影響Fig.2 Effects of temperature on extraction rate of flaxseed gum

2.3 時間對亞麻膠提取率的影響

以提取率為指標(biāo)，研究浸提時間對亞麻膠提取效果的影響，實驗結(jié)果如圖3，從圖3可以看出，提取開始后亞麻膠的提取率隨著時間的延長而增加，其原因為此時未溶出的亞麻膠多，有利于亞麻膠的傳質(zhì)過程，但隨著時間的進一步延長，120 min后亞麻膠的提取率反而下降. 因此，提取時間應(yīng)控制為120 min為宜.

圖3 時間對亞麻膠提取率的影響Fig.3 Effects of extraction time on extraction rate of flaxseed gum

2.4 洗膠次數(shù)對亞麻膠提取率的影響

以提取率為指標(biāo)，研究洗膠次數(shù)對亞麻膠提取效果的影響，實驗結(jié)果如圖4.

圖4 洗膠次數(shù)對亞麻膠提取率的影響Fig.4 Effects of washing times on extraction rate of flaxseed gum

從圖4可以看出，亞麻膠的提取率隨著洗膠次數(shù)的增加而增加，但是增加幅度并不大，提取率僅由23.5%增加到26.1%. 同時，由于洗膠次數(shù)的增加，不僅會增加資源的投入，而且會增加工作量. 因此，在亞麻膠的提取過程中，洗膠次數(shù)為1次較宜.

2.5 正交試驗結(jié)果

通過正交試驗優(yōu)化了亞麻膠的提取工藝參數(shù)，評價指標(biāo)為亞麻膠提取率，正交試驗結(jié)果見表2.

表2 提取亞麻膠的正交試驗結(jié)果

以亞麻膠提取率為考察指標(biāo)，由表2極差R的大小可知，各因素對亞麻膠提取率的影響主次順序為料液比>溫度>時間，即料液比影響最大. 綜合考慮，從亞麻餅粕中提取亞麻膠的最優(yōu)條件為：料液比為1∶125，溫度為70 ℃，提取時間為90 min，洗膠次數(shù)為1次. 經(jīng)過驗證，在此條件下亞麻膠的提取率可達32.0%.

2.6 亞麻膠的理化性質(zhì)

濃度、pH值、溫度對亞麻膠溶液粘度影響的實驗結(jié)果，如圖5至圖7；濃度對亞麻膠乳化率影響的實驗結(jié)果，如圖8.

從圖5可以看出，亞麻籽膠溶液表現(xiàn)為非牛頓流體的特性，其表觀粘度與濃度成指數(shù)規(guī)律增加，說明亞麻籽膠是線形荷電高分子[9]. 亞麻膠溶液的粘度隨著濃度的增加而升高，質(zhì)量濃度在3 g/L以下亞麻膠溶液的粘度增加程度較小,3 g/L以上的粘度增加幅度較大. 這可能是由于隨著溶液濃度的增加,多糖分子數(shù)增多,促使分子間的交聯(lián)增強,造成亞麻膠溶液粘度的上升.

圖5 濃度對亞麻膠溶液粘度的影響Fig.5 Effects of consistency on viscosity of flaxseed gum

圖6 pH值對亞麻膠溶液粘度的影響Fig.6 Effects of pH on viscosity of flaxseed gum

圖7 溫度對亞麻膠溶液粘度的影響Fig.7 Effects of temperature on viscosity of flaxseed gum

圖8 亞麻膠濃度對亞麻膠溶液乳化率的影響Fig.8 Effects of flaxseed gum consistency on rate of emulsion.

從圖6可以看出，亞麻膠溶液的粘度受酸、堿的影響，偏酸、偏堿均使粘度下降，但酸對粘度的影響更大一些，故亞麻膠的最適pH值為7. 這可能是由于酸使亞麻膠中大分子物質(zhì)降解,破壞多糖的糖苷鍵而形成較多的單糖[10]，分子質(zhì)量降低,導(dǎo)致溶液粘度大幅度下降，而堿液中的OH-會與帶負電荷多糖分子之間相互排斥，減弱了分子之間的交聯(lián)強度,造成粘度降低.

從圖7可以看出，隨著溫度的升高，不同濃度的亞麻膠溶液的粘度均呈下降趨勢，但濃度大的粘度下降速度更快. 當(dāng)溫度升到70 ℃后，亞麻膠溶液的粘度下降幅度變小，甚至不再變化. 這可能是由于溫度的升高，分子運動變得劇烈，使分子之間的交聯(lián)程度降低，造成亞麻膠溶液粘度的下降；當(dāng)溫度升高到一定程度后，分子之間的交聯(lián)處于一種動態(tài)平衡的過程中，使亞麻膠溶液的粘度保持相對不變的狀態(tài).

從圖8可以看出,當(dāng)亞麻膠的濃度逐漸升高時，其乳化率也隨著逐漸變大，在質(zhì)量濃度為10 g/L時便達到最大，可見亞麻膠的乳化穩(wěn)定性非常高，是良好的功能性食品添加劑.

3 結(jié) 論

1) 影響從亞麻餅粕中提取亞麻膠因素的主次順序為料液比>溫度>時間. 綜合考慮，從亞麻餅粕中提取亞麻膠的最優(yōu)條件為：料液比為1∶125，溫度為70 ℃，提取時間為90 min，洗膠次數(shù)為1次. 經(jīng)過驗證，在此條件下亞麻膠的提取率可達32.0%.

2) 亞麻膠溶液的粘度隨著濃度的增加而增加，濃度越高，增加幅度越大；亞麻膠溶液具有最適pH值，溶液為中性時，粘度最大，但粘度受酸的影響更大；亞麻膠溶液隨著溫度的升高降低，當(dāng)溫度升高到一定程度，粘度則不再下降.

亞麻籽膠作為大分子質(zhì)量的膠體,在很低的濃度就具有很高的粘度,所以作為增稠劑,亞麻籽膠在食品中的用量很少,一般是1～5 g/L. 目前對亞麻膠的研究還處于起步階段，隨著對其研究的深入，在食品、日用化工、制藥等領(lǐng)域?qū)懈蟮膽?yīng)用.