超聲波法對燕麥β-葡聚糖提取及性質(zhì)的影響

董興葉，孫 楚，劉 瑤，吳 非，*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

β-葡聚糖主要存在于谷物及酵母菌細(xì)胞壁中，大麥和燕麥含量最高。脫殼燕麥中（1-3）（1-4）-β-D-葡聚糖含量為3%～7%，因品種及生長環(huán)境不同而不同。β-葡聚糖具有降血脂、降血糖、抗氧化、抑菌、清腸道及增強(qiáng)免疫力等功能[1-2]，而且在食品體系中可以起到增稠乳化等作用，廣泛應(yīng)用于色拉醬、冰激凌及無脂肪酸奶中[3]。

基于β-葡聚糖具有良好的生理功能及在食品體系中重要作用，提出一種提取β-葡聚糖省時節(jié)能的方法至關(guān)重要。國內(nèi)外有運用微波法、超聲波法、凍融法等方法提取燕麥麩皮中β葡聚糖的報道[4-5]，但均未對新的提取方法對其性質(zhì)是否有不利影響進(jìn)行研究，且提取原料均集中在燕麥麩皮上。β-葡聚糖的持水性與乳化性、起泡性、黏度、生理功能性等都有必然關(guān)系，持油性作為衡量食品添加劑性能重要指標(biāo)之一，因此檢驗持水性、持油性非常必要。

本論文對超聲波法提取燕麥全粉中β-葡聚糖工藝進(jìn)行初探，并對提取的產(chǎn)品與水提法得到的產(chǎn)品進(jìn)行持水性與持油性的對比，旨在為超聲波法提取β-葡聚糖的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)[6]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥 市售；大麥β-葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品 Sigma公司；無水乙醇、鹽酸、碳酸鈉等 均為分析純。

R-1005型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 北京瑞成偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司；722S型分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司；SC-3614型低速離心機(jī) 安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司；KQ-800GKDV型超聲恒溫數(shù)控超聲波清洗器（40kHz） 昆山市超聲儀器有限公司；PHS-25C型酸度計 上海大普儀器有限公司

1.2 實驗方法

1.2.1 指標(biāo)測定

1.2.1.1 燕麥β-葡聚糖得率的測定 采用剛果紅標(biāo)準(zhǔn)曲線法[7]對β-葡聚糖濃度進(jìn)行測定，燕麥β-葡聚糖得率的計算公式如下：

式中：m為粉末狀成品中燕麥β-葡聚糖質(zhì)量，g；M為提取質(zhì)量為m的β葡聚糖所需的燕麥粉質(zhì)量（干重），g。

1.2.1.2 燕麥β葡聚糖持水性及持油性的測定 燕麥β-葡聚糖持水性以吸水率為指標(biāo)，測定按文獻(xiàn)[8]中的方法，持油性以吸油率為指標(biāo)，測定按文獻(xiàn)[9]中的方法。

1.2.2 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的單因素實驗 影響超聲波提取效果的因素很多，如超聲的功率、時間、液料比、頻率、溫度、作用方式等都會產(chǎn)生一定的影響[10]。此外，提取效果還與提取對象密切相關(guān)[11]。根據(jù)預(yù)實驗結(jié)果及前人相關(guān)實驗結(jié)果（β-葡聚糖和多糖的提取影響因素）[12-14]，選擇液料比、超聲波功率、超聲波時間、提取溫度和提取液pH為影響因素，研究不同水平下對燕麥β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.1 超聲功率對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，提取時間30m in，液料比20∶1，pH 9.0，研究超聲功率480、560、640、720、800W時對β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.2 pH對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，提取時間30m in，液料比20∶1，超聲功率為上述優(yōu)化出的結(jié)果，研究pH7、8、9、10、11、12時對β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.3 超聲時間對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，液料比20∶1，超聲功率及pH為上述優(yōu)化出的結(jié)果，研究超聲時間15、25、35、45、55m in時β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.4 液料比對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，超聲功率、超聲時間及pH為上述優(yōu)化出的結(jié)果，研究不同液料比12∶1、16∶1、20∶1、24∶1、28∶1對燕麥β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.5 提取溫度對燕麥β-葡聚糖得率影響 超聲功率、液料比、超聲時間及pH為上述優(yōu)化出的結(jié)果，研究不同溫度30、40、50、60、70℃對燕麥β-葡聚糖得率的影響。

1.2.3 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的正交實驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選擇三個影響較大的因素并各取3個水平，以β-葡聚糖得率為實驗指標(biāo)，進(jìn)行L9（34）正交實驗，實驗因素與水平編碼見表1。

1.2.4 燕麥β-葡聚糖的制備 燕麥的預(yù)處理：燕麥粉經(jīng)80%乙醇回流3h后，干燥備用。

1.2.4.1 超聲波法 按照優(yōu)化出的實驗條件，在超聲波清洗器中提取燕麥粉中的β-葡聚糖。提取液按如下方法處理得到β-葡聚糖產(chǎn)品：提取液離心（3500r/min， 20min）分離得到上清液1和殘渣，殘渣二次提取，得到提取液2，合并提取液1和2，上清液經(jīng)去淀粉、去蛋白質(zhì)，活性炭脫色后，醇沉得到沉淀。沉淀加水復(fù)溶，離心去除不溶物后，上清液中加入硫酸銨，并使其最終濃度達(dá)到20%，沉淀出的燕麥β-葡聚糖再次溶解于蒸餾水中，透析袋透析，截留液真空濃縮后冷凍干燥得到粉末狀成品。

表1 超聲波提取的實驗因素與水平編碼表Table1 Factors and levels of orthogonal experimenton ultrasonic extraction

1.2.4.2 水提法 按照本實驗室前期實驗確定的水提法提取β-葡聚糖的最優(yōu)工藝條件（提取溫度80℃，時間3h，pH 11，提取次數(shù)2次，液料比25∶1），在水浴鍋中提取燕麥粉中的β-葡聚糖，提取液按超聲波方法處理得到粉末狀成品。

1.3 統(tǒng)計分析

所有實驗均平行3次，采用Excel 2003對單因素條件進(jìn)行分析，采用SPSS 18.0進(jìn)行正交分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 剛果紅法測定β-葡聚糖含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

以β-葡聚糖質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果見圖1。

圖1 剛果紅法測定β-葡聚糖含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of determination of the β-glucan contentby congo red method

2.2 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的單因素實驗

2.2.1 超聲功率對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖2可知，隨著超聲功率的增大，β-葡聚糖的得率也隨之增大。這是由于功率增大時提取液循環(huán)加速，β-葡聚糖溶解與擴(kuò)散速度增加，提取液與物料的接觸機(jī)會也會增多，同時超聲功率增大時空化作用能有效地破壞物料的細(xì)胞壁，使β-葡聚糖得率增加[11，15]。但超聲功率超過720W時，得率有所下降。這是由于功率過大時空化氣泡沒有足夠的時間爆破，超聲空化作用減弱[11]，也有可能是大功率時物理剪切作用大致使糖苷鍵被打斷[12]，β-葡聚糖結(jié)構(gòu)被破壞使得率下降。因此，超聲波法提取時功率選取720W為宜。

圖2 超聲功率對β-葡聚糖得率的影響Fig.2 Effectof the ultrasonic power on oatβ-glucan yield

2.2.2 提取液的pH對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖3可知，隨著提取液pH升高，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于β-葡聚糖本身具有堿溶性，堿性較強(qiáng)時有利于其從細(xì)胞中溶出，使得提取率增加，可見弱堿性的條件有利于β-葡聚糖的提取。但當(dāng)提取液的pH超過10時，得率反而下降，這是由于β-葡聚糖在強(qiáng)堿性條件下發(fā)生糖苷鍵的斷裂，其他的雜質(zhì)也被提取出來使得溶液變成糊狀，游離水?dāng)?shù)量變少，從而使β-葡聚糖溶出受阻[13]。另外，pH升高時提取液顏色逐漸加深，可能是體系中發(fā)生了美拉德反應(yīng)。因此，本實驗選擇提取的pH為10。

圖3 提取液pH對β-葡聚糖得率的影響Fig.3 Effect of the pH on oatβ-glucan yield

圖4 超聲時間對β-葡聚糖得率的影響Fig.4 Effect of the ultrasonic time on oatβ-glucan yield

2.2.3 超聲時間對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖4可知，隨著超聲時間的增加，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于破壞所有原料的細(xì)胞壁及β-葡聚糖與提取液達(dá)到擴(kuò)散平衡需要一定的時間，在一定限度內(nèi)，隨時間的增加得率會增加。但當(dāng)超聲時間超過35m in時，得率反而下降。這可能是由于超聲作用時間過長時，局部溫度積累過高使β-葡聚糖發(fā)生降解[11]，雜質(zhì)相應(yīng)的也被提取出來導(dǎo)致β-葡聚糖的溶出受到一定程度的影響[14]，還有可能是超聲作用過程中，β-葡聚糖先析出后被重新吸附導(dǎo)致β-葡聚糖得率下降[11]。因此，本實驗超聲時間選取35min。

2.2.4 液料比對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖5可知，隨液料比的增加，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于液料比越大，燕麥細(xì)胞內(nèi)外溶質(zhì)的濃度差越大，這樣傳質(zhì)的推動力也相應(yīng)的增大，有利于β-葡聚糖的浸出。但液料比超過20∶1時，得率不但沒有增加反而略微下降的趨勢?？赡苁莻髻|(zhì)推動力的加大，雜質(zhì)浸出量也相應(yīng)增加，在醇沉過程中，雜質(zhì)包埋了一部分β-葡聚糖使得β-葡聚糖沒有被沉淀出來，致使得率下降。因此，本實驗液料比選取20∶1。

圖5 液料比對β-葡聚糖得率的影響Fig.5 Effectof the ratio ofwater tomaterial on oatβ-glucan yield

圖6 提取溫度對β-葡聚糖得率的影響Fig.6 Effect of the extraction temperature on oatβ-glucan yield

2.2.5 提取溫度對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖6可知，隨提取溫度的增加，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于溫度升高時溶質(zhì)分子與溶劑分子運動速率加大，同時也促進(jìn)了溶質(zhì)的擴(kuò)散作用，從而有利于提高β-葡聚糖得率。但提取溫度超過50℃時，得率反而下降。這是由于溫度過高時可能引起β-葡聚糖的降解[16-18]，進(jìn)而活性會降低，更重要的會引起淀粉的糊化，體系黏度升高，不利于β-葡聚糖的浸出，糊化的淀粉還會包埋一些β葡聚糖[19]。因此，本實驗提取溫度選取50℃。

2.3 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的正交實驗

由單因素實驗結(jié)果可知，pH、提取溫度對燕麥β-葡聚糖的得率影響較小，因此選擇液料比、超聲功率和超聲時間三個對燕麥β-葡聚糖的得率影響較大的因素進(jìn)行正交實驗，結(jié)果見表2。

表2 超聲波提取正交實驗結(jié)果Table2 Results of orthogonal experimenton ultrasonic extraction

由表2實驗結(jié)果得知，各提取因素對β-葡聚糖得率影響的順序為液料比＞超聲功率＞超聲時間。提取燕麥β-葡聚糖的最優(yōu)方案為A2B2C2，即超聲功率720W，超聲時間35m in，液料比20∶1，由于該組合不在實驗計劃內(nèi)，因此，在最優(yōu)條件下進(jìn)行三次平行驗證性實驗，平均得率高達(dá)4.09%。而常規(guī)水提法得率僅為3.05%。

2.4 超聲波法與水提法得到的β-葡聚糖性質(zhì)比較

利用超聲波法及水提法提取燕麥β-葡聚糖，由于提取方法不同，提取出產(chǎn)品的性質(zhì)不盡相同，表3為產(chǎn)品性質(zhì)比較。

表3 超聲波法與水提法提取的β-葡聚糖性質(zhì)比較Table3 Comparison of the properties ofβ-glucan between by watermethod extraction and by ultrasonic treatmentextraction

由表3可知，超聲波法提取的β-葡聚糖吸水率及吸油率較水提法略高。推測是由于超聲處理影響了多糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，更容易吸附貯存水分子及油分子，這一結(jié)論需要進(jìn)一步掃描電鏡圖實驗驗證。這種推測的依據(jù)是超聲法提取的玉竹多糖較水題法得到的持水力和持油力高，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)超聲法得到的多糖形成空隙更大，這種結(jié)構(gòu)更容易吸附貯存水分子及油分子[20]。物化結(jié)構(gòu)及性質(zhì)影響多糖的持水力及持油力[21]，還有可能是超聲波法所需的時間短且提取液的pH較水提法低，降低了多糖分子在提取過程中的損傷[14，22]，分子量較大，較易與油水分子緊密結(jié)合[23]。超聲波法提取的β-葡聚糖的吸水率及吸油率較水提法略高的原因還需通過相應(yīng)的實驗得以確證。

3 結(jié)論

超聲波提取燕麥β-葡聚糖的最優(yōu)工藝條件為：液料比20∶1，超聲功率720W，超聲時間35m in，溫度50℃，pH10，在最優(yōu)工藝條件下β-葡聚糖得率為4.09%。水提法的最優(yōu)工藝條件為：提取溫度80℃，時間3h，pH11，提取次數(shù)2次，液料比25∶1，在最優(yōu)工藝條件下β-葡聚糖得率為3.05%（本實驗室測得）。因此，超聲波法是一種提取率高、省時節(jié)能且對產(chǎn)品持水性和持油性不產(chǎn)生不利影響的提取方法。

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