優(yōu)良乳化特性麥麩阿拉伯木聚糖 制備工藝優(yōu)化

劉成龍,殷麗君,陳復(fù)生,王立博,張鵬龍

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450001)

小麥?zhǔn)侨蚍N植最廣泛的農(nóng)作物,世界上約1/2人口以其為主食。2016年我國(guó)小麥產(chǎn)量達(dá)到1.28億噸,由制粉工業(yè)產(chǎn)生的麩皮就有2000多萬(wàn)噸,而目前小麥麩皮主要用于飼料加工,附加值較低。麩皮中含有豐富的阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX),約占其干基含量的20%[1]。

AX具有良好的乳化特性和高持水性,并且在氧化酶的作用下能夠氧化交聯(lián)形成凝膠。同時(shí),作為一種膳食纖維,AX還具有一定的生理活性,如抗氧化、降低膽固醇、增強(qiáng)免疫力等。AX很難被代謝吸收,會(huì)影響動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此,從小麥麩皮中提取AX能夠提高經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)小麥的精深加工具有重要意義。Yadav等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)從玉米中提取的AX的乳化性質(zhì)強(qiáng)于阿拉伯膠[2]。有研究推斷多糖乳化特性主要是具有親水性的糖鏈與連接其上的蛋白質(zhì)共同作用形成的,因此,目前對(duì)阿拉伯木聚糖乳化特性研究多集中在與蛋白質(zhì)結(jié)合得到改性產(chǎn)物從而提高乳化特性方面[3]。而小麥自身就具有高蛋白質(zhì)含量,通過(guò)提取方法優(yōu)化直接提取具有優(yōu)良乳化特性麥麩阿拉伯木聚糖可以極大的簡(jiǎn)化后續(xù)改性操作過(guò)程,從而減少能耗,節(jié)省生產(chǎn)成本。

本實(shí)驗(yàn)采用粒徑分析的方法對(duì)麥麩阿拉伯木聚糖(wheat bran arabinoxylan,WBAX)提取工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,以期獲得具有優(yōu)良乳化特性的麥麩阿拉伯木聚糖的提取方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

小麥 矮抗58,硬質(zhì)小麥,干基蛋白質(zhì)含量14.48%,河南省農(nóng)科院;無(wú)水乙醇 天津天力化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉 洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠;濃鹽酸、30%雙氧水 洛陽(yáng)昊華化學(xué)試劑有限公司;阿拉伯膠 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

MLU-202實(shí)驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī) 無(wú)錫布勒機(jī)械制造有限公司;高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;40目分樣篩 浙江上虞市五四儀器篩具廠;L550型離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開(kāi)發(fā)有限公司;雷磁PHS-3C pH計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;FLUKO高速剪切均質(zhì)機(jī) 上海弗魯克流體機(jī)械制造有限公司;APV-2000高壓均質(zhì)機(jī) 斯必克流體技術(shù)有限公司;Zetasizer Nano-ZS90激光粒度儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;722s可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.2 堿提工藝 取100 g去淀粉小麥麩皮,加入1.5 L一定濃度的NaOH溶液。然后,加入30% H2O2溶液,并調(diào)節(jié)H2O2濃度為0.5%。在設(shè)定堿提溫度與堿提時(shí)間下,水浴加熱反應(yīng),反應(yīng)后料液在4000 r/min離心20 min,取上清液用4 mol/L HCl溶液調(diào)pH至一定值,在4000 r/min離心20 min,取上清液,加入無(wú)水乙醇沉淀(V乙醇∶V料液=13∶7),在4000 r/min離心20 min,所得沉淀復(fù)溶于水,在4000 r/min再離心20 min,上清液冷凍干燥,得到麥麩阿拉伯木聚糖[4],4 ℃條件下保存。

1.2.3 乳狀液制備 將大豆油與1%(w/w)麥麩阿拉伯木聚糖樣品溶液,按質(zhì)量比1∶9混合?；旌弦合扔酶咚倬|(zhì)機(jī)在20000 r/min的轉(zhuǎn)速下均質(zhì)3 min獲得初乳液,再將獲得的初乳液在50 MPa壓力下進(jìn)行高壓均質(zhì),獲得O/W乳狀液。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn) 分別對(duì)NaOH濃度、堿提時(shí)間、堿提溫度、pH四因素做單因素實(shí)驗(yàn)。

1.2.4.1 考量NaOH濃度的影響 固定條件堿提溫度80 ℃、堿提時(shí)間120 min、pH4.3,考察NaOH濃度0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mol/L對(duì)WBAX乳狀液平均粒徑及分布影響。

1.2.4.2 考量堿提時(shí)間的影響 固定堿提溫度80 ℃、NaOH濃度為0.15 mol/L、pH4.3,考察堿提時(shí)間30、60、90、120、150、180 min對(duì)WBAX乳狀液平均粒徑及分布影響。

1.2.4.3 考量堿提溫度的影響 固定堿提時(shí)間120 min、NaOH濃度為0.15 mol/L、pH4.3,考察堿提溫度50、60、70、80、90、100 ℃對(duì)WBAX乳狀液平均粒徑及分布影響。

1.2.4.4 考量pH的影響 固定堿提時(shí)間120 min、反應(yīng)溫度80 ℃、NaOH濃度0.15 mol/L,考察pH3.5、3.8、4.0、4.3、4.5、4.8、5.0對(duì)WBAX乳狀液平均粒徑及分布影響。

1.2.5 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定因素水平范圍,在H2O2濃度0.5%,乙醇∶料液=13∶7條件下,采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)NaOH濃度、堿提時(shí)間、堿提溫度、pH進(jìn)行優(yōu)化,采用4因素3水平正交設(shè)計(jì)表,共進(jìn)行9次實(shí)驗(yàn)。

如果相機(jī)支持機(jī)內(nèi)多重曝光功能，可以嘗試將不同的主體混合于同一畫(huà)面?；蛘咭部梢試L試用Photoshop對(duì)多個(gè)圖層進(jìn)行混合。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal regression tests

1.2.6 乳狀液粒徑測(cè)定 選用蒸餾水作為測(cè)量背景,對(duì)激光粒度儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,并清除背景值。將樣品稀釋,達(dá)到合適濃度后,測(cè)定粒徑分布和平均粒徑,平均粒徑用d4,3表示,其計(jì)算公式如下:

式中:ni表示顆粒數(shù)量,di表示顆粒直徑,μm。

1.2.7 乳化穩(wěn)定性研究 乳狀液制備完成,在底部取20 μL乳狀液加入5 mL 0.1%的十二烷基硫酸鈉溶液中,在650 nm下用分光光度計(jì)測(cè)其吸光值,30 min后重復(fù)上述操作。后測(cè)定吸光度值與制備完成0 min時(shí)的新鮮乳狀液吸光度比值即為乳化性。連續(xù)7 d重復(fù)測(cè)定乳狀液吸光度,以時(shí)間為橫坐標(biāo),后測(cè)定吸光度值與新鮮乳狀液吸光度值比值為縱坐標(biāo)作圖。分布指數(shù)(polymer dispersity index,PDI)表示粒徑分布范圍的集中程度，PDA越小，表明粒徑分布越集中，計(jì)算公式如下：

Γ：光散射強(qiáng)度衰減率；k：玻爾茲曼常數(shù)；T：絕對(duì)溫度(單位為K)；n：分散相折射率；η：分散介質(zhì)黏度；λ0：光的波長(zhǎng)；θ：散射角；x：分散相顆粒直徑。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用分析統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0和Origin 8.6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及繪圖,顯著性分析過(guò)程中p<0.05為視為顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 AX提取單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 堿濃度對(duì)WBAX乳化特性的影響 由圖1(a)可知,隨著提取液中NaOH濃度的增加,提取產(chǎn)物乳狀液的粒徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)NaOH濃度在0.15 mol/L時(shí),乳狀液平均粒徑最小(0.7170±0.009) μm,顯著小于0.25 mol/L時(shí)的平均粒徑(0.9530±0.126) μm。NaOH濃度在0.05～0.25 mol/L時(shí)，PDI分別為0.46±0.093、0.483±0.132、0.183±0.023、0.326±0.015、0.552±0.028，當(dāng)NaOH濃度為0.15 mol/L時(shí)，其PDI最小，為0.183±0.023，即圖1(b)中峰的寬度較窄，粒徑大小分布最為集中、均勻，說(shuō)明此濃度附近提取的WBAX具有較好的乳化特性,NaOH含量過(guò)大過(guò)小都會(huì)降低WBAX的乳化特性。這可能是因?yàn)楫?dāng)NaOH濃度較小時(shí),提取產(chǎn)物更接近于水提產(chǎn)物,其所包含的阿拉伯木聚糖分子的鏈長(zhǎng)較短,空間位阻效應(yīng)較弱,不能有效阻礙分散液滴的聚集,而堿濃度過(guò)大又會(huì)破壞酯鍵等一些疏水基團(tuán),影響疏水結(jié)構(gòu)的形成,進(jìn)而減弱其親水親油性,降低WBAX的乳化特性[5]。另外,有研究表明乳狀液中Na+會(huì)破壞乳液界面的雙電子層,分散相液滴間靜電斥力下降,易于聚集,進(jìn)而減弱了乳化特性[6-7]。

圖1 堿濃度對(duì)WBAX乳狀液平均 粒徑(a)和粒徑分布(b)的影響Fig.1 Effects of the concentration of alkali on the mean particle size(a)and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.1.2 堿提溫度對(duì)WBAX乳化特性的影響 如圖2所示,隨著堿提溫度的提高,粒徑先減小后又有升高趨勢(shì),在80、90 ℃處存在較小粒徑(0.6731±0.033、0.6799±0.007) μm。當(dāng)溫度在50～100 ℃時(shí)，PDI分別為：0.641±0.116、0.402±0.006、0.326±0.015、0.102±0.042、0.272±0.026、0.459±0.111，在80 ℃與90 ℃處分別為0.102±0.042、0.272±0.026，均處于較低水平,具有較優(yōu)的乳化特性。根據(jù)Aguedo的研究結(jié)果可知水提AX的阿拉伯糖(Ara)/木糖(Xyl)小于堿提產(chǎn)物,提取條件較為溫和時(shí),Ara/Xyl的比值較小,即此時(shí)AX的分支度較低,產(chǎn)生的空間位阻較小,阻礙乳狀液液滴聚集能力較弱,從而降低WBAX乳化能力。另外,小麥蛋白對(duì)熱不敏感,在80 ℃左右才會(huì)凝膠化,而當(dāng)溫度再繼續(xù)升高時(shí),蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)遭到破壞,減弱了其乳化能力[8-9]。

圖2 堿提溫度對(duì)WBAX乳狀液平均 粒徑(a)和粒徑分布(b)的影響Fig.2 Effects of the action temperature on the mean particle size (a)and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.1.3 堿提時(shí)間對(duì)WBAX乳化特性的影響 由圖3可知,隨著堿提時(shí)間的增加,平均粒徑逐漸減小,當(dāng)堿提時(shí)間達(dá)到150 min時(shí)達(dá)到最小(0.5876±0.010) μm,繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間,平均粒徑又會(huì)增加。當(dāng)提取時(shí)間在30～180 min時(shí)，PDI分別為：0.377±0.215、0.613±0.145、0.325±0.04、0.300±0.017、0.126±0.072、0.366±0.006，同樣具有此規(guī)律。呈現(xiàn)此趨勢(shì)的原因可能是,游離的AX多為短鏈,分子量較低的,易于提取,在較短時(shí)間內(nèi)就能溶出,而內(nèi)部分子量大,分支度較高的AX溶出時(shí)間較長(zhǎng),隨著提取時(shí)間的增加,高分子量、高分支度的的AX在產(chǎn)品中含量更高,提升了提取產(chǎn)物乳狀液乳化性質(zhì)[3,10]。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí),多糖的結(jié)構(gòu)又會(huì)遭到破壞,降低WBAX的乳化特性[11-12]。

圖3 堿提作用時(shí)間對(duì)WBAX乳狀液平均 粒徑(a)和粒徑分布(b)的影響Fig.3 Effects of the action time on the mean particle size(a) and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.1.4 pH對(duì)WBAX乳化特性的影響 由圖4可知,提取產(chǎn)物AX的乳狀液粒徑隨著pH的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì),并且在pH4.3處具有最小粒徑(0.5070±0.012) μm,當(dāng)pH在3.5～5.0時(shí)， PDI分別為0.58±0.205、0.489±0.235、0.300±0.021、0.260±0.034、0.398±0.048、0.330±0.093、0.353±0.006，當(dāng)pH4.3時(shí)，PDI最小為0.260±0.034，乳狀液粒徑分布均勻,具有較好的乳化性質(zhì)。這可能是因?yàn)閴A液所提取的多糖包括半纖維素A 和半纖維素B,而半纖維素A的乳化特性小于半纖維素B,且在pH4.3附近可以沉淀析出。在本提取過(guò)程中,調(diào)節(jié)pH半纖維素A沉淀分離,半纖維素B得到純化,乳化特性提升[13]。另外,pH4.3在蛋白質(zhì)等電點(diǎn)附近,降低蛋白質(zhì)的溶解性,也會(huì)對(duì)WBAX的乳化特性產(chǎn)生影響[14]。

圖4 pH對(duì)WBAX乳狀液平均 粒徑(a)和粒徑分布(b)的影響Fig.4 Effects of the pH value on the mean particle size(a) and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在以上單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以WBAX乳狀液平均粒徑為指標(biāo),設(shè)計(jì)四因素三水平正交實(shí)驗(yàn),以確定WBAX乳狀液平均粒徑最小的提取工藝,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

由表2正交實(shí)驗(yàn)表觀分析R值可知,各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序?yàn)閴A提溫度>pH>堿提時(shí)間>NaOH濃度。選定阿拉伯木聚糖提取工藝的優(yōu)化方案為A3B2C2D2。即適宜的具有良好乳化性質(zhì)的AX提取條件是堿提時(shí)間180 min、堿提溫度85 ℃、堿濃度0.15 mol/L、pH4.3。

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析Table 2 The orthogonal regression tests design and experimentation results

選取表觀分析中影響最小的因素NaOH濃度作為誤差列,進(jìn)行方差分析。由方差分析結(jié)果可知,A(堿提時(shí)間)、B(堿提溫度)與D(pH)的顯著性p值分別為(0.020、0.026、0.040)均小于0.05,故此三因素均對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著,該因素條件發(fā)生變化會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成顯著性變化,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。

表3 方差分析Table 3 The variance analysis of experimentation results

2.3 WBAX制備乳狀液乳化性質(zhì)分析

阿拉伯膠廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中,目前被認(rèn)為是在稀油包水乳化體系具有最優(yōu)乳化性質(zhì)的食用膠[2,15]。同樣采用高速剪切均質(zhì)與高壓均質(zhì)兩步法,制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的阿拉伯膠乳狀液,測(cè)定粒徑。如圖5所示,最優(yōu)提取條件下制備WBAX的乳狀液與阿拉伯膠乳狀液平均粒徑分別為(0.4859±0.009、0.5494±0.013) μm。但從分布指數(shù)可知WBAX的為(0.147±0.015)較阿拉伯膠的(0.113±0.016)小,差異并不顯著(p=0.208>0.05)。即阿拉伯膠乳狀液分散液滴大小更均勻,由圖b可知,與阿拉伯膠相比,WBAX具有類似的乳化穩(wěn)定性。綜上所述,最佳條件下提取WBAX具有優(yōu)于阿拉伯膠的乳化性質(zhì)。

圖5 阿拉伯膠與WBAX的粒徑分布(a)與乳化穩(wěn)定性(b)Fig.5 Particle size distribution(a)and emulsifying stability(b)of Arabia gum and WBAX

3 結(jié)論

本研究通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn),采取堿提工藝從小麥麩皮中提取阿拉伯木聚糖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,影響堿提小麥麩皮阿拉伯木聚糖乳化特性的四個(gè)因素中堿提時(shí)間、堿提溫度和pH對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著,NaOH濃度影響不顯著,影響的主次順序?yàn)閴A提溫度>pH>堿提時(shí)間>NaOH濃度。最終確定了最佳堿提工藝參數(shù):堿提溫度85 ℃,堿提時(shí)間180 min,NaOH濃度0.15 mol/L,pH4.3。此時(shí)WBAX乳狀液平均粒徑達(dá)到(0.4859±0.009) μm。通過(guò)乳化穩(wěn)定性研究,結(jié)果表明,與阿拉伯膠相比,最佳條件下所提取WBAX具有更優(yōu)的乳化性質(zhì)。

[1]張曉娜,周素梅,王世平. 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)對(duì)麥麩中阿拉伯木聚糖酶解工藝的優(yōu)化[J]. 食品科學(xué),2008,29(1):141-145.

[2]Yadav M P,Johnston D B,Jr A T H,et al. Corn fiber gum:A

potential gum arabic replacer for beverage flavor emulsification[J]. Food Hydrocolloids,2007,21(7):1022-1030.

[3]Oliveira F C D,Coimbra J S D R,Oliveira E B D,et al. Foodprotein-polysaccharide conjugates obtained via the maillard reaction:A review[J]. Crit Rev Food Sci Nutr,2016,56(7):1108-1125.

[4]Zhou S M,Liu X,Guo Y,et al. Comparison of the immunological activities of arabinoxylans from wheat bran with alkali and xylanase-aided extraction[J]. Carbohydrate Polymers,2010,81(4):784-789.

[5]Schmidt U S,Pietsch V L,Rentschler C,et al. Influence of the degree of esterification on the emulsifying performance of conjugates formed between whey protein isolate and citrus pectin[J]. Food Hydrocolloids,2016,56:1-8.

[6]王玲玲. 酶解小麥面筋蛋白及其乳化性研究[D]. 鄭州:河南工業(yè)大學(xué),2006.

[7]Escarnot E,Aguedo M,Paquot M. Characterization of hemicellulosic fractions from spelt hull extracted by different methods[J]. Carbohydrate Polymers,2011,85(2):419-428.

[8]Aguedo M,Fougnies C,Dermience M,et al. Extraction by three processes of arabinoxylans from wheat bran and characterization of the fractions obtained[J]. Carbohydrate Polymers,2014,105(5):317-324.

[9]孫敬,董賽男. 食品中蛋白質(zhì)的功能(六)食品中蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)(三)——大豆蛋白和小麥蛋白[J]. 肉類研究,2009(9):94-104.

[10]Xiang Z,Anthony R,Tobimatsu Y,et al. Emulsifying properties of an arabinoxylan-protein gum from distillers’ grains and the co-production of animal feed[J]. Cellulose,2014,21(5):3623-3635.

[11]Jacquemin L,Zeitoun R,Sablayrolles C,et al. Evaluation of the technical and environmental performances of extraction and purification processes of arabinoxylans from wheat straw and bran[J]. Process Biochemistry,2012,47(3):373-380.

[12]Ruiz J,Mantecón A,Cádiz V. Extraction and characterization of water-extractable and water-unextractable arabinoxylans from spelt bran:Study of the hydrolysis conditions for monosaccharides analysis[J]. Journal of Cereal Science,2011,53(1):45-52.

[13]Yadav M P,Hicks K B. Isolation of barley hulls and straw constituents and study of emulsifying properties of their arabinoxylans[J]. Carbohydrate Polymers,2015,132:529-536.

[14]Chen H,Qiu S,Gan J,et al. New insights into the functionality of protein to the emulsifying properties of sugar beet pectin[J]. Food Hydrocolloids,2016,57:262-270.

[15]Roos A A,Persson T,Krawczyk H,et al. Extraction of water-soluble hemicelluloses from barley husks[J]. Bioresource Technology,2009,100(2):763-769.