燕麥β-葡聚糖含量及其檢測方法研究進(jìn)展

張美俊 ，楊武德 ，王 超 ，路 花 ，楊 富 ，嚴(yán)威凱

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所，山西大同037008；3.加拿大農(nóng)業(yè)部渥太華研發(fā)中心，安大略渥太華K1A0C6）

燕麥（Avena）是禾本科（Gramineae）燕麥屬（Avena L.）一年生草本植物。栽培燕麥主要是皮燕麥（Avena sativa L.）和裸燕麥（Avena nuda L.）。皮燕麥籽粒帶稃，裸燕麥籽粒不帶稃。皮燕麥和裸燕麥在我國均有種植，主要是裸燕麥，占燕麥總產(chǎn)量的90%以上[1]，內(nèi)蒙古陰山地區(qū)是裸燕麥的發(fā)源地。世界其他國家種植的燕麥主要是皮燕麥[2]。燕麥喜冷涼溫潤氣候，北半球溫帶地區(qū)是燕麥集中產(chǎn)區(qū)。我國燕麥主要集中在華北、西北、西南高海拔、冷涼和干旱地帶，每年種植面積約100萬hm2，其中，燕麥在華北（內(nèi)蒙古、河北省、山西省）種植面積占全國總面積的70%左右。

燕麥含有豐富的營養(yǎng)成分，蛋白質(zhì)含量11.16%～22.10%，其中，賴氨酸含量0.47%～0.96%，是小麥粉的2倍以上，被認(rèn)為是更為優(yōu)質(zhì)的谷物蛋白；脂肪酸含量4.00%～11.00%，約80%為不飽和脂肪酸，亞油酸占脂肪酸含量的32.99%～48.69%[3-5]。目前燕麥備受關(guān)注，是由于燕麥富含多種功能成分，其中，β-葡聚糖被認(rèn)為是燕麥最具開發(fā)潛力的功能成分之一。有研究表明，β-葡聚糖能降低人體血清膽固醇，預(yù)防心血管疾病[6-7]；調(diào)節(jié)血糖水平，可預(yù)防糖尿病[8-10]；調(diào)節(jié)機(jī)體免疫[11-12]等功能。燕麥已經(jīng)被美國食品藥品管理局（The Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）以及歐洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）認(rèn)證為保健食品，建議每日至少攝取0.75 gβ-葡聚糖，而攝入3 g β-葡聚糖可達(dá)到保健功能[13-16]。

由于燕麥β-葡聚糖具有獨(dú)特的生理功效，圍繞它開展研究能促進(jìn)燕麥資源的開發(fā)。國家燕麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系首席專家任長忠就指出，把燕麥功能成分提取出來，加工成特殊功能食品，突出燕麥高附加值，從而逆向推動(dòng)燕麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展和升級(jí)。筆者主要對(duì)國內(nèi)外燕麥資源β-葡聚糖含量及檢測方法進(jìn)行了綜述，以期為燕麥β-葡聚糖的開發(fā)研究及加快選育優(yōu)質(zhì)品種提供借鑒。

1 燕麥β-葡聚糖結(jié)構(gòu)

1942年，學(xué)者從燕麥籽粒中分離到一種黏膠狀非淀粉多糖，采用酶水解法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，認(rèn)為是一種聚葡萄糖[17]。此后試驗(yàn)證實(shí)了這一推斷，將其命名為β-葡聚糖（β-glucan），是由D-葡萄糖以連續(xù)的 β-（1→4）糖苷鍵和單個(gè)的 β-（1→3）糖苷鍵連接而成的線性、黏性多糖[18-21]。β-葡聚糖被發(fā)現(xiàn)分布于禾谷類作物籽粒糊粉層、亞糊粉層以及胚乳細(xì)胞壁中[20，22-23]。禾谷類作物中，β-葡聚糖含量較高的是燕麥和大麥[17-18，23]。不同禾谷類作物籽粒β-葡聚糖化學(xué)結(jié)構(gòu)類似，僅是分子中β-（1→4）糖苷鍵與β-（1→3）糖苷鍵所占比例存在區(qū)別。β-葡聚糖有可溶性和不溶性2種，不溶性β-葡聚糖中（1→4）糖苷鍵與（1→3）糖苷鍵含量比較高，可達(dá)4.2∶1，而燕麥中這一比值為（2.1～2.8）∶1[24]，大麥達(dá)（2.8～3.3）∶1，小麥達(dá)（3.0～3.8）∶1。研究也表明，燕麥中可溶性β-葡聚糖占總β-葡聚糖的50.7%～90.0%[20，25]，燕麥具有降血脂、降膽固醇等生理功效的主要功能成分是可溶性β-葡聚糖[20，26-28]。

2 燕麥資源β-葡聚糖含量差異

為利用和挖掘高β-葡聚糖含量的燕麥基因和種質(zhì)資源，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)燕麥資源β-葡聚糖含量進(jìn)行了相關(guān)研究。

國外學(xué)者AJITHKUNAR等[29]調(diào)查了來自瑞典和美國的134個(gè)燕麥資源β-葡聚糖，含量在0.76%～3.68%，研究發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖含量主要與燕麥基因型有關(guān)，其中，美國燕麥資源β-葡聚糖含量較高（平均2.24%）。GAJDOSOVA等[30]研究了33個(gè)燕麥資源（4個(gè)裸燕麥和29個(gè)皮燕麥）的β-葡聚糖含量，裸燕麥β-葡聚糖含量在3.91%～7.47%，皮燕麥β-葡聚糖含量在1.97%～4.09%。REDAELLI等[20]調(diào)查了658個(gè)歐洲燕麥資源，發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖含量介于2.05%～5.29%，表明基因型和環(huán)境均會(huì)顯著影響β-葡聚糖含量。SIKORA等[31]對(duì)1 700個(gè)燕麥資源進(jìn)行分析，結(jié)果表明，β-葡聚糖含量在6.7%以上的有10個(gè)，3.6%以下有10個(gè)，最低值和最高值分別是1.8%和7.5%。

國內(nèi)學(xué)者鄧萬和等[32]檢測了211個(gè)燕麥資源的β-葡聚糖含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同資源、地區(qū)、不同年份均會(huì)影響燕麥β-葡聚糖含量，其中資源間差異最顯著。資源間β-葡聚糖含量變幅在3.14%～7.43%，最大差異達(dá)4.29百分點(diǎn)；相同資源種植于不同生態(tài)區(qū)域最大差異達(dá)2.46百分點(diǎn)，不同年份間差異最大達(dá)0.84百分點(diǎn)。鄭殿升等[33]研究了我國13個(gè)?。▍^(qū)）1 010份及國外引進(jìn)的4份裸燕麥品種（系）β-葡聚糖含量，結(jié)果顯示，我國裸燕麥資源間β-葡聚糖含量差異較大，變幅在2.00%～7.50%，其中，3.00%～4.99%的占86.4%，5.00%～5.99%的占5.72%，＜3.00%的占6.61%，≥6.00%的占1.18%，含量較高的來自山西、河北、內(nèi)蒙古，含量較低的則來自云南、貴州、四川等地。張海芳等[34]對(duì)內(nèi)蒙古武川和卓資山種植的16個(gè)燕麥品種籽粒進(jìn)行了β-葡聚糖含量的檢測，結(jié)果表明，品種對(duì)燕麥β-葡聚糖含量有顯著影響，變幅在4.75%～7.12%。2013年，13個(gè)燕麥區(qū)292份燕麥資源β-葡聚糖平均含量為3.62%，不同種植生態(tài)區(qū)燕麥β-葡聚糖含量差異顯著，β-葡聚糖平均含量最高的是種植于華北區(qū)的燕麥，最低的是種植于西南區(qū)的燕麥[35]。周凡等[36]對(duì)來自意大利的31份和陜西的25份野生及栽培燕麥進(jìn)行測定，結(jié)果表明，不同群體、基因型燕麥β-葡聚糖含量介于1.76%～8.72%，存在顯著差異。

3 燕麥β-葡聚糖的檢測方法

β-葡聚糖含量的準(zhǔn)確測定是開發(fā)燕麥β-葡聚糖的主要難點(diǎn)之一，目前國內(nèi)外檢測β-葡聚糖含量較為準(zhǔn)確的方法主要有以下幾種。

3.1 剛果紅法

β-葡聚糖能與染料剛果紅特異性結(jié)合，產(chǎn)生的有色物質(zhì)有顯著吸收特點(diǎn)，根據(jù)這一特性，通過分光光度計(jì)測定待測燕麥樣吸光值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出β-葡聚糖含量。該法簡便、快速、成本低，是檢測燕麥β-葡聚糖含量常用的方法。但該法檢測的只是可溶性β-葡聚糖，可用酸水解的方法估算不溶性β- 葡聚糖。張海芳等[34]、齊冰潔等[37]、林偉靜等[38]、張如等[39]采用此方法檢測了燕麥β-葡聚糖含量。

3.2 酶法以及酶試劑盒法

MCCLEARY 等[40]提出 AOAC995.16 法[41]，原理是利用特異性β-葡聚糖內(nèi)切酶對(duì)β-葡聚糖進(jìn)行水解，生成聚合度低的寡糖，再將寡糖用β-葡聚糖苷酶水解為葡萄糖，用葡萄糖氧化酶-過氧化物酶方法在分光光度計(jì)上測定生成的葡萄糖[40-41]。對(duì)照葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，求得燕麥樣中β-葡聚糖含量。此方法反應(yīng)專一，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，但對(duì)β-葡聚糖內(nèi)切酶純度要求高，純度低且有其他酶干擾，則測定結(jié)果不準(zhǔn)確[42]，該方法是目前國內(nèi)外定量分析燕麥β-葡聚糖廣泛采用的方法。鄭殿生等[33]、歐陽韶暉等[35]、KUREK等[43]采用此方法檢測了燕麥β-葡聚糖含量。

此酶法目前被美國谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)（American Association of Cereal Chemists，AACC）認(rèn)可，作為標(biāo)準(zhǔn)方法推薦。愛爾蘭Mgeazmye公司將該方法的主要試劑配制成試劑盒（即酶試劑盒）進(jìn)行商品化生產(chǎn)與銷售，但其價(jià)格昂貴。REDAELLI等[20]、GAJDOSOVA等[30]、張江寧等[44]采用此酶試劑盒法檢測了燕麥β-葡聚糖含量。

3.3 熒光法

β-葡聚糖能與熒光物質(zhì)特異性結(jié)合，與纖維素、戊聚糖等其他多糖親和力較弱，結(jié)合之后，增強(qiáng)熒光物質(zhì)自身熒光強(qiáng)度[45]，其熒光強(qiáng)度增量在一定范圍內(nèi)與β-葡聚糖含量存在線性關(guān)系，因此，可以借助熒光光度計(jì)制作熒光強(qiáng)度與β-葡聚糖標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)曲線。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線，求得燕麥樣中β-葡聚糖含量。該法操作簡單、高效、準(zhǔn)確，但儀器投入比較高，且熒光劑calcofluor與β-葡聚糖的結(jié)合能力受calcofluor發(fā)光的影響，因此，該法難以在較廣范圍內(nèi)使用。林偉靜等[38]，WOOD等[46]采用此方法檢測了燕麥β-葡聚糖含量。

3.4 高效液相色譜法

此方法的原理是用（1→3）（1→4）-β-D- 葡萄糖水解酶對(duì)葡聚糖進(jìn)行專一性水解，生成寡糖，寡糖再在C18柱中分離，用反向高效液相層析定量檢測[42]。利用高效液相色譜法測定β-葡聚糖含量的結(jié)果準(zhǔn)確，但該法所用設(shè)備較為昂貴。游景水[47]采用高效液相色譜法測定了燕麥保健食品中β-葡聚糖的含量。

3.5 近紅外光譜法

以上傳統(tǒng)檢測β-葡聚糖含量的方法測量精度高，但檢測速度慢、成本高，需要對(duì)樣品進(jìn)行物理和化學(xué)過程預(yù)處理，無法做到對(duì)大批量燕麥樣品β-葡聚糖含量的快速檢測和評(píng)價(jià)[48]。

近紅外光譜（Near infrared spectroscopy，NIRS）技術(shù)以其快速、避免化學(xué)過程對(duì)樣品造成的損害、多組分同時(shí)測量，甚至可對(duì)樣品進(jìn)行無損檢測的優(yōu)勢[49]，在農(nóng)作物品質(zhì)檢測方面得到應(yīng)用[50-52]。近紅外光譜測定原理是基于含有C-H，N-H，O-H，S-H化學(xué)鍵的化合物樣品，對(duì)近紅外光（光譜波長780～2 526 nm）的選擇性振動(dòng)吸收，其中，透射譜區(qū)近紅外光在樣品中穿透能力可達(dá)30 mm，適合樣品整粒或原狀分析。近紅外光譜分析將光譜測量技術(shù)、化學(xué)計(jì)量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)與基礎(chǔ)測試技術(shù)相結(jié)合，通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)未知樣品進(jìn)行定性或定量分析的一種間接分析法。近紅外光譜分析中最為關(guān)鍵的步驟是首先用化學(xué)測試方法對(duì)大量有代表性樣品測得標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)采集光譜數(shù)據(jù)，把光譜數(shù)據(jù)與化學(xué)測試數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)模型并進(jìn)行校正、驗(yàn)證。

BAGCHI等[53]采用近紅外光譜分析了173份未破壞的水稻籽粒蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量，建立了水稻蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量的檢測模型，具有較高的準(zhǔn)確性。HELL等[54]利用近紅外和中紅外光譜分析了小麥麩水分、蛋白質(zhì)、可溶性和不可溶性膳食纖維和脂肪等指標(biāo)，結(jié)果顯示，基于近紅外光譜技術(shù)建立的各指標(biāo)檢測模型對(duì)各指標(biāo)的預(yù)測精度要優(yōu)于中紅外光譜。GOODARZI等[55]將近紅外光譜技術(shù)與高效液相色譜法技術(shù)相結(jié)合，建立的大豆總異黃酮含量檢測模型精度較高?；诮t外光譜分析技術(shù)的研究，國內(nèi)外已研發(fā)出快速測定糧食作物籽粒蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等指標(biāo)的多功能谷物近紅外分析儀，成為農(nóng)作物品質(zhì)分析和育種的一種重要手段[56-58]。

國內(nèi)外關(guān)于利用近紅外光譜檢測禾谷類作物β-葡聚糖含量的研究較少，周青梅等[59]利用近紅外光譜檢測大麥中的β-葡聚糖含量，結(jié)果顯示，估測精度R2達(dá)0.827，表明建立的近紅外模型能檢測麥芽β-葡聚糖含量。REDAELLI等[20]用化學(xué)測試方法調(diào)查歐洲燕麥資源β-葡聚糖含量的同時(shí)，也采用近紅外光譜構(gòu)建了β-葡聚糖含量的預(yù)測模型。RINGSTED等[60]研究明確了光譜區(qū)域2 275～2 375 nm與大麥β-葡聚糖具有重要的關(guān)系，并采用偏最小二乘法構(gòu)建了大麥β-葡聚糖光譜檢測模型，驗(yàn)證精度可以達(dá)到0.90，表明結(jié)合近紅外光譜技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單粒大麥β-葡聚糖的準(zhǔn)確檢測。早期學(xué)者也探討了近紅外光譜分析大麥[61]、單粒大麥、麥芽[62]和裸燕麥[2]β-葡聚糖含量的可行性。

加拿大農(nóng)業(yè)部渥太華研發(fā)中心，在燕麥育種過程中，結(jié)合酶試劑盒法，采用近紅外光譜檢測燕麥β-葡聚糖含量，構(gòu)建了β-葡聚糖近紅外光譜分析檢測模型，在結(jié)合多年試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，不斷對(duì)光譜模型進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)β-葡聚糖含量的快速、準(zhǔn)確檢測[63-64]。

4 結(jié)語

燕麥種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性[37]，不同燕麥資源間β-葡聚糖含量差異顯著，且燕麥資源在不同生態(tài)區(qū)種植β-葡聚糖含量也存在差異。截至目前，有3 202份燕麥資源入中國國家種質(zhì)資源庫，還有1 100余份資源未進(jìn)行評(píng)價(jià)編入目錄。因此，從不同燕麥資源及地區(qū)間篩選可直接利用的高β-葡聚糖含量的燕麥資源或篩選可作為改良燕麥品種的重要親本材料，對(duì)開發(fā)燕麥資源功能活性物質(zhì)β-葡聚糖具有重要意義。

燕麥β-葡聚糖含量檢測方法中，近紅外光譜法具有分析速度快，操作簡單，對(duì)樣品僅進(jìn)行物理破損或不需破損的優(yōu)點(diǎn)。近紅外光譜法在使用前需創(chuàng)建所需的數(shù)學(xué)檢測模型，每一個(gè)數(shù)學(xué)模型的建立都是由大量化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)值做支撐，這將決定近紅外光譜測試的精度和使用效果。而模型的建立將極大地提高檢測效率，這對(duì)育種單位尤其重要，通過對(duì)低世代種子和有限種質(zhì)資源非破壞性測試，實(shí)現(xiàn)高β-葡聚糖含量的雜交早代材料快速選擇，將有力地推進(jìn)燕麥品質(zhì)育種進(jìn)度[2，53]。