小麥阿拉伯木聚糖水凝膠結(jié)構(gòu)及流變特性

王立博，陳復(fù)生*，殷麗君*，張麗芬，劉成龍（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

小麥阿拉伯木聚糖水凝膠結(jié)構(gòu)及流變特性

王立博，陳復(fù)生*，殷麗君*，張麗芬，劉成龍
（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001）

討論3 種小麥（鄭麥9023、矮抗58、周麥27）阿拉伯木聚糖（W9023、W58、W27）水凝膠特性的差異。通過流變學(xué)實驗、掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜分析、稱質(zhì)量法對3 種水凝膠（Q9023、Q58、Q27）的成膠性及凝膠穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)、溶脹性及色澤進行研究。3 g/100 mL的W9023和W58在漆酶作用下可形成凝膠。Q9023凝膠點為9 min，Q58為19 min。傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果為典型的AX圖譜。掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)Q9023凝膠孔壁光滑，Q58呈脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，不同來源的小麥阿拉伯木聚糖成膠性能有差異。Q9023結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，控釋能力較強，色澤較淺，更利于后續(xù)改善凝膠特性的研究。

小麥阿拉伯木聚糖；水凝膠；流變特性；微觀結(jié)構(gòu)

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏植甲顬閺V泛的糧食作物之一，被廣泛應(yīng)用于糧食加工及飼料工業(yè)。我國每年因小麥制粉工業(yè)所產(chǎn)的小麥麩皮約為2 000萬 t[1-2]，但基本用做飼料。小麥麩皮作為一種廉價的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，含有豐富的膳食纖維、甾醇、維生素、礦物質(zhì)等[3-4]。阿拉伯木聚糖（arabinoxylans，AX）作為膳食纖維的主要組成成分之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，具有抗氧化、降血糖以及調(diào)節(jié)腸道等生理功能[5]。小麥麩皮中AX含量較為豐富，約為12.7%～22.1%，但不同品種的小麥麩皮AX含量不同[6-7]。

AX主要由阿拉伯糖和木糖2 種五碳糖組成，所以又被稱為戊聚糖[8]。其廣泛存在于小麥、大麥、黑麥、燕麥、玉米、稻米、高粱等谷物組織中[9-10]。由于AX來源廣泛且具有良好的生物活性，使得AX及其凝膠制品在食品化工及生物工程等領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)，少量的單體或二聚體阿魏酸可通過酯鍵與阿拉伯糖殘基C5位相連，并且對AX功能特性等有重要影響[13-14]。生物酶（如漆酶、過氧化物酶/H2O2體系等）以及一些化學(xué)試劑（過硫酸銨等）可通過自由基氧化，使得AX中的阿魏酸基團共價交聯(lián)形成凝膠[15]。以小麥麩皮AX為原料制備薄膜，發(fā)現(xiàn)AX薄膜結(jié)晶形態(tài)、β轉(zhuǎn)變以及吸水性與阿拉伯糖取代程度相關(guān)[16]。分別以過氧化物酶/H2O2體系和漆酶/O2體系為催化劑制備玉米AX凝膠，結(jié)果表明，過氧化物酶/H2O2體系所制備的凝膠相比于漆酶/O2體系具有更短的凝膠化時間，漆酶/O2體系凝膠具有更密集、規(guī)律的微觀結(jié)構(gòu)[17]。但由于AX凝膠存在的機械性能差、質(zhì)構(gòu)單一等問題，目前還處于研究階段。因此本實驗以3 種不同品種（鄭麥9023、矮抗58、周麥27）的小麥麩皮為原料制備AX，并在漆酶作用下制備水凝膠。通過對所制備的水凝膠流變學(xué)特性及結(jié)構(gòu)特性進行比較，選取凝膠特性較好的品種，為后期AX水凝膠性能的改善提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

鄭麥9023、矮抗58、周麥27由河南農(nóng)業(yè)科學(xué)院種植所得。

漆酶38429 Sigma-Aldrich（上海）貿(mào)易公司；高峰α-淀粉酶A8750 北京索萊寶科技有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、無水乙醇 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

HAAKE RheoStress 6000型流變儀、WQF-510A型傅里葉變換紅外光譜分析儀 美國Thermo Scientific公司；Quanta FEG 250型掃描電子顯微鏡 美國FEI公司；CR-410型色彩色差計 日本Minolta公司；LGJ-25C型冷凍干燥機 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 小麥阿拉伯木聚糖的制備

分別以鄭麥9023、矮抗58、周麥27的小麥麩皮原料，經(jīng)粉碎研磨成粉，過30 目篩。4 倍質(zhì)量的蒸餾水浸泡麥麩并置于100 ℃水浴加熱30 min，待溫度降至85 ℃時，加入α-淀粉酶85 ℃水浴酶解除淀粉（碘液檢測酶解程度）。待淀粉分解完全，過濾并富集沉淀，沸騰蒸餾水沖洗沉淀4～5 次，75 ℃烘箱干燥4 h[2]。后將除淀粉的小麥麩皮與0.25 mol/L NaOH溶液1∶5（m/V）混合，25 ℃條件下，置于恒溫振蕩器100 r/min避光振蕩堿提4 h，經(jīng)4 000 r/min離心20 min，收集上清液，用4 mol/L的HCl溶液調(diào)pH值至4。4 000 r/min離心20 min，收集上清液，邊攪拌邊緩慢加入3 倍體積的無水乙醇，獲得白色絮狀沉淀，后以無水乙醇沖洗2 次，過濾富集。冷凍干燥后，得到3 種小麥阿拉伯木聚糖（wheat bran arabinoxylans，WBAXs）[18]W9023、W58、W27。

1.3.2 WBAXs中阿魏酸含量的測定

取5 mg阿魏酸標(biāo)品，溶于0.05 mol/L、pH 7的磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS），定容至50 mL。得100 μg/mL阿魏酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，后用PBS稀釋成2、4、6、8、10、12 μg/mL的梯度標(biāo)準(zhǔn)溶液，以PBS為空白，在290 nm波長處測吸光度，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，將3 種WBAXs用PBS配制成一定質(zhì)量濃度的溶解液，測阿魏酸含量，每個樣品測量3 次取平均值[19]。

1.3.3 WBAXs水凝膠的制備

以3 種小麥麩皮制備的WBAXs（W9023、W58、W27）為原料配制成5 g/100 mL的溶液，加入漆酶（0.1 U/mg WBAXs），25 ℃靜置2 h，形成水凝膠（Q9023、Q58、Q27），4 ℃冰箱過夜備用。

1.3.4 WBAXs水凝膠流變學(xué)特性的測定

采用HAAKE RheoStress 6000型流變儀進行時間掃描，平板夾具直徑為50 mm，間隙為1 mm，固定頻率為1 Hz，應(yīng)變范圍為10%。將制備的WBAXs配制成3 g/100 mL的溶液，保持在4 ℃，加入漆酶（0.1 U/mg WBAXs）后迅速攪拌均勻，并快速上樣，夾具邊緣加一層硅油，防止在測試中樣品水分蒸發(fā)。25 ℃保持2 h，測定樣品儲能模量（G’）和損耗模量（G”）。之后繼續(xù)進行頻率掃描，頻率變化范圍0.01～10.00 Hz[20]。

1.3.5 WBAXs掃描電子顯微鏡觀察

將冷凍干燥的WBAXs粉末及凝膠樣品置于放有導(dǎo)電硅膠的樣品臺上，噴金后進行掃描，觀察樣品表面形態(tài)，加速電壓為15 kV[21]。

1.3.6 WBAXs傅里葉變換紅外光譜分析

將經(jīng)過冷凍干燥的WBAXs及WBAXs凝膠粉末在70 ℃箱烘干燥12 h，將樣品與KBr在研缽中研細(xì)（2 mg樣品/200 mg KBr），取適量混合樣品壓片后，置于傅里葉變換紅外光譜儀中測量，KBr壓片作為空白，測定400～4 000 cm－1的光譜[22-23]。

1.3.7 WBAXs水凝膠溶脹性的測定

將冷藏過夜的5 g/100 mL的WBAXs水凝膠室溫條件下放置1 h，轉(zhuǎn)移到燒杯中稱質(zhì)量。后浸入到去離子水中，每隔20 min取出凝膠，擦去表面水分，稱質(zhì)量記作m1，樣品干質(zhì)量以m0表示。共測試6 h，每個樣品平行測定3次，取平均值[20,24]。凝膠溶脹比（swelling ratio，Q）。按下式計算：

1.3.8 WBAXs水凝膠色差測定

采用CR-410色彩色差計對1.3.3節(jié)制備的WBAXs凝膠樣品的明亮指數(shù)（L*）、紅綠值（a*）和黃藍值（b*）進行測定，每個樣品平行測定3 次，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 WBAXs制備及阿魏酸含量分析

圖1 WBAXs粉末掃描電子顯微鏡圖（×10 000）Fig. 1 SEM photomicrographs of WBAXs powder (×10 000)

冷凍干燥后得到的白色絮狀WBAXs粗產(chǎn)物經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察。如圖1所示，WBAXs粉末形狀不規(guī)則，均由小于10 μm微小顆粒聚合而成，W9023和W27粉末結(jié)構(gòu)較為松散，W58粉末聚合更為緊密?？赡苁窃诶鋬龈稍镞^程中，促進粒子間親水交聯(lián)，導(dǎo)致聚合。

以吸光度為縱坐標(biāo)（Y），阿魏酸質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（X），得線性回歸方程Y=0.070 82X－0.004 64（R2=0.999 7），測得W9023、W58、W27阿魏酸含量分別為（2.63±0.03）、（5.67±0.07） 、（4.75±0.05） μg/mg。阿魏酸含量的多少影響凝膠的形成，其作為WBAXs凝膠的連接位點，可在生物酶或一些化學(xué)試劑作用下氧化交聯(lián)形成二聚阿魏酸、三聚阿魏酸或多聚阿魏酸結(jié)構(gòu)，從而形成凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，堿法制備AX過程中伴隨有脫酯化作用，使得單體阿魏酸含量下降，酶促交聯(lián)程度降低，進而影響凝膠形成，即堿作用條件對形成凝膠的能力有顯著差異[18]。

2.2 WBAXs水凝膠流變學(xué)特性及成膠規(guī)律

儲能模量G’（樣品彈性形變）與損耗模量G”（樣品黏性形變）的大小可反映樣品的穩(wěn)定性。當(dāng)儲能模量G’大于損耗模量G”時即彈性形變大于黏性形變，樣品表現(xiàn)出一定的剛性，反之，則呈現(xiàn)流體特性，當(dāng)兩者相等時，為凝膠轉(zhuǎn)化點（即凝膠點）。

圖2 水凝膠儲能模量（G’）和損耗模量（G”）隨時間及頻率變化曲線圖Fig. 2 Storage (G’) and loss (G”) modulus of hydrogels as a function of gelation time and frequency

如圖2A1～A3所示，當(dāng)樣品未加入漆酶時，所有樣品的損耗模量G”均大于儲能模量G’，且數(shù)值大小基本保持不變，樣品呈現(xiàn)流體特性，即未發(fā)生聚合形成凝膠。當(dāng)加入漆酶后，分子間氧化交聯(lián)，樣品黏度增加，儲能模量G’與損耗模量G”均隨時間變化上升。當(dāng)時間為9 min時，Q9023的儲能模量G’與損耗模量G”大小相等，即為Q9023凝膠點。隨時間延長，儲能模量G’逐漸高于損耗模量G”，最終儲能模量G’為21 Pa左右，損耗模量G”為16 Pa左右，即凝膠趨于穩(wěn)定，但儲能模量G’的數(shù)值較低，表明凝膠的強度很弱。Q58凝膠點為19 min，最終儲能模量G’與損耗模量G”趨于穩(wěn)定，分別為21 Pa和19 Pa左右。而Q27在加入漆酶后，儲能模量G’與損耗模量G”隨時間延長有所增加，但二者無交點且始終為儲能模量G’小于損耗模量G”，最終分別穩(wěn)定于8 Pa和14 Pa左右，即3 g/100 mL的Q27表現(xiàn)為流體特性，未形成凝膠，這可能與周麥27的WBAXs純度有關(guān)。Martinez-Lopez等[25]研究發(fā)現(xiàn)凝膠的強度還與AX純度及分支度相關(guān)，AX純度較高時凝膠強度較強，當(dāng)分支度較小時，可促進多糖主鏈上未被取代的木糖之間發(fā)生物理相互作用，從而形成更強的凝膠。所以相比之下，鄭麥9023 WBAXs中阿魏酸含量雖然最少，但可能由于其純度較高、分支度小等，因而可快速形成凝膠。

圖2B1～B3分別為Q9023、Q58、Q27頻率變化曲線。Q9023與Q58在整個頻率掃描范圍內(nèi)儲能模量G’均大于損耗模量G”，呈高彈性，表明二者形成穩(wěn)定的凝膠。Q27在整個頻率掃描范圍內(nèi)損耗模量G”大于儲能模量G’，表明凝膠呈現(xiàn)流體特性。這與各自時間掃描結(jié)果一致。3 種水凝膠的儲能模量G’與損耗模量G”均隨頻率增加而增加，均表現(xiàn)出對頻率的依賴性，表明凝膠結(jié)構(gòu)松弛；儲能模量G’與損耗模量G”差值逐漸縮小，表明可恢復(fù)的儲能模量較低，即凝膠結(jié)構(gòu)弱易斷裂，是一種“弱凝膠”[26]。相比之下，Q9023形成凝膠時間更為短暫，且儲能模量G’與損耗模量G”趨于穩(wěn)定后差值大于Q58，為5 Pa，說明其凝膠結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。

2.3 WBAXs水凝膠結(jié)構(gòu)

圖3 WBAXs水凝膠掃描電子顯微鏡圖（×400）Fig. 3 SEM photomicrographs of WBAX hydrogels (× 400)

從圖3可以看出，Q9023凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對均勻，呈不規(guī)則的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，孔徑大小約為200 μm左右，孔壁相對平整光滑；Q58凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不規(guī)則且分布不均勻，孔徑大小不均一，分布松散，分子間相互交聯(lián)聚合，呈脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，孔壁較厚且不光滑；Q27無孔狀結(jié)構(gòu)，分子間聚合呈片層狀結(jié)構(gòu)，片層相對較薄，表面不平整呈褶狀，有凸起結(jié)構(gòu)連接于片層之間。相比之下，Q9023與Q58雖然均含有孔狀結(jié)構(gòu)，但Q9023凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加完整，網(wǎng)孔相對均勻，為凝膠提供良好的剛性，因而在作為載體時，更有利于活性物質(zhì)的運載與釋放。

2.4 WBAXs及其水凝膠傅里葉變換紅外光譜圖分析

圖4 WBAXs及WBAXs水凝膠紅外光譜圖Fig. 4 FI-TR spectra of WBAXs powder and hydrogel

在1 200～800 cm－1范圍內(nèi)為一條寬的多糖吸收峰，1 047 cm－1處的強吸收峰為C—OH彎曲振動峰，1 079 cm－1處為C—O—C伸縮振動峰，855 cm－1處吸收峰為β-糖苷鍵的伸縮振動峰，表明木糖是通過β-糖苷鍵相互連接，這與AX主鏈結(jié)構(gòu)一致[27]。1 651 cm－1及1 531 cm－1處分別為酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ基團吸收峰，表明有蛋白質(zhì)存在[28]。2 925 cm－1為—CH伸縮振動峰，3 375 cm－1處寬吸收峰為—OH伸縮振動峰。由圖4可知，WBAXs水凝膠的—OH伸縮振動峰吸收強度小于WBAXs，說明漆酶作用下，—OH參與氧化反應(yīng)，使得WBAXs中的阿魏酸基團共價交聯(lián)形成凝膠[15]。WBAXs水凝膠樣品在855 cm－1的吸收峰強度降低，即β-糖苷鍵的伸縮振動峰吸收強度降低，說明漆酶作用下，WBAXs分子發(fā)生聚合，多糖鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。Q9023和Q58在1 079 cm－1的吸收峰發(fā)生偏移，C—O—C伸縮振動峰強度降低，C—O彎曲振動峰強度增大，說明WBAXs分子間（內(nèi)）的阿魏酸基團通過酯鍵形成二聚體或三聚體阿魏酸，進而形成凝膠[29]。

2.5 WBAXs水凝膠溶脹性比較

由圖5可知，當(dāng)質(zhì)量濃度為5 g/100 mL時，3 種凝膠均表現(xiàn)出成膠特性。在實驗6 h后，凝膠溶脹比基本保持穩(wěn)定，Q58溶脹比最高，為15.67±0.83，Q9023為14.74±0.43，Q27溶脹比最低，為13.98±0.90。電子顯微鏡觀察Q27為片層結(jié)構(gòu)，對水分運載及控釋能力較低，因而溶脹比低。Q9023與Q58均有孔狀結(jié)構(gòu)，所以具有較高的溶脹比，但Q58溶脹比要高于Q9023，這可能是由于Q58中有未交聯(lián)AX長鏈存在，而未發(fā)生交聯(lián)的多糖聚合鏈更易伸展，從而導(dǎo)致較高的溶脹比[30]。

圖5 水凝膠溶脹性Fig. 5 Swelling capacity of hydrogels

2.6 WBAXs水凝膠色差比較

圖6 水凝膠色差比較Fig. 6 Chromatic aberration of hydrogels

水凝膠色差比較如圖6所示，3 種凝膠L*、a*、b *均大于零，即凝膠色澤偏向紅黃色，這可能是因為AX分子間交聯(lián)聚合，從而導(dǎo)致凝膠色澤偏向紅黃色。Q58的L*、a*、b*均為最大，凝膠接近乳白色且不透明。Q9023與Q27的L*、b*較小且相近，即二者凝膠色澤較淺，Q9023的a*大于Q27，說明Q9023偏紅色。

3 結(jié) 論

本實驗考察了不同來源的WBAXs水凝膠特性的差異，通過流變學(xué)時間掃描及頻率掃描實驗，掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜分析，稱質(zhì)量法對3 種水凝膠的成膠性，凝膠穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、溶脹性及色澤進行了研究。流變學(xué)實驗表明，WBAXs凝膠強度較弱。W9023及W58在質(zhì)量濃度為3 g/100 mL時均可形成凝膠，Q9023在9 min時開始成膠且凝膠結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。掃描電子顯微鏡圖顯示，Q9023呈不規(guī)則的蜂窩狀結(jié)構(gòu)且相對均勻，孔壁相對平整光滑，更有利于對活性物質(zhì)的運載和釋放。由紅外光譜可知，凝膠樣品在漆酶作用下，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。Q9023在1 079 cm－1的吸收峰發(fā)生偏移，說明一些基團發(fā)生聚合。質(zhì)量濃度為5 g/100 mL時，3 種凝膠均表現(xiàn)出成膠性，Q58與Q9023持水性均高于Q27，且Q58色澤接近白色，Q9023色澤與Q27接近，色澤較淺。綜上所述，不同來源的WBAXs成膠性有差異，Q9023凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，控釋能力較強，色澤較淺，更利于后續(xù)改善凝膠特性的研究。

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Structure and Rheological Properties of Wheat Bran Arabinoxylan Hydrogel

WANG Libo, CHEN Fusheng*, YIN Lijun*, ZHANG Lifen, LIU Chenglong
(Grain College, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

The gelation capacity, rheological properties, structural characteristics, swelling capacity and color of hydrogels obtained from three wheat bran arabinoxylans (WBAX, W9023, W58, W27s) from different wheat cultivars (Zhengmai 9023, Aizhang 58 and Zhoumai 27) were studied. W9023 and W58 gels (Q9023, Q58) were prepared by oxidative crosslinking with laccase at a substrate concentration of 3 g/100 mL. The gelation time of Q9023 and Q58 were 9 and 19 min, respectively. WBAXs presented typical Fourier transform infrared (FT-IR) spectra of arabinoxylans. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that Q9023 presented a smooth surface topography, while Q58 presented a ridge structure. According to these results, Q9023 showed the most stable structure and good controlled release capability as well as a light color. The study can provide a reference for the modification of arabinoxylan hydrogel in the future.

wheat bran arabinoxylans; hydrogel; rheological properties; microstructure

10.7506/spkx1002-6630-201713007

TS201.7

A

1002-6630（2017）13-0041-06

王立博, 陳復(fù)生, 殷麗君, 等. 小麥阿拉伯木聚糖水凝膠結(jié)構(gòu)及流變特性[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(13): 41-46.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201713007. http://www.spkx.net.cn

WANG Libo, CHEN Fusheng, YIN Lijun, et al. Structure and rheological properties of wheat bran arabinoxylan hydrogel[J]. Food Science, 2017, 38(13): 41-46. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201713007. http://www.spkx.net.cn

2016-05-31

國家自然科學(xué)基金面上項目（21576072；21376064）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2013AA102208）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2014BAD04B10）

王立博（1988—），男，碩士研究生，研究方向為蛋白質(zhì)資源開發(fā)與利用。E-mail：lbwang0728@163.com

*通信作者：陳復(fù)生（1963—），男，教授，博士，研究方向為食品資源開發(fā)與利用。E-mail：fushengc@haut.edu.cn殷麗君（1971—），女，教授，博士，研究方向為食品材料的微細(xì)化加工及相關(guān)評價技術(shù)。E-mail：ljyin@cau.edu.cn