堿提條件對麩皮阿拉伯木聚糖組成、理化性質、流變學特性的影響

魯振杰，李 娟，陳正行*，李 誠，王 莉，李亞男

（江南大學食品學院，江南大學糧食發(fā)酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122）

小麥麩皮是我國小麥制粉工業(yè)的主要副產(chǎn)品，年產(chǎn)量可達3 000萬 t以上[1-2]。近年來，關于小麥麩皮高附加值利用一直是谷物精深加工領域的研究熱點。小麥麩皮含有豐富的碳水化合物、蛋白質、礦物質和維生素等營養(yǎng)素，具有重要的利用價值。

阿拉伯木聚糖（arabinoxylan，AX）是小麥細胞壁多糖的主要成分，主要集中在小麥麩皮中，占麩皮干基質量的20%以上[3-4]。AX是谷物中重要的非淀粉多糖，是小麥膳食纖維的主要組成成分。Izydorczyk等[5]于1992年提出了AX的結構，它是由阿拉伯糖（arabinose，Ara）和木糖（xylose，Xyl）2 種單糖組成的，以(1,4)-β-D-吡喃木糖殘基單元聚合為線型主鏈，通過C(O)-2、C(O)-3或C(O)-2,3-糖苷鍵連接α-L-阿拉伯呋喃糖基取代物，AX中Xyl主鏈上的Ara殘基通常是單取代和雙取代并存，且Ara殘基以單體的形式取代，Ara/Xyl值表示AX的支鏈化程度，比值越大表明支鏈化程度越高。根據(jù)AX的溶解性，一般將其分為兩大類：水溶性阿拉伯木聚糖（waterextractable arabinoxylan，WEAX）和水不溶性阿拉伯木聚糖（water-unextractable arabinoxylan，WUAX），兩類AX的組成、結構基本相似，其結構的差異主要表現(xiàn)為聚合度、取代程度、取代方式以及阿魏酸含量[6-7]。小麥麩皮中WEAX約占總AX的25%～30%，而WUAX約占總AX的70%～75%，造成這一現(xiàn)象的主要原因是，麩皮中90%的AX與細胞壁中的木質素、纖維素、蛋白質等組分存在著較多的以阿魏酸連接的共價酯鍵，使其難以溶解[8]。在堿性條件下（NaOH溶液、飽和Ba(OH)2溶液、Ca(OH)2溶液等），這種共價酯鍵被打斷，有利于AX的分離提取，WUAX變?yōu)閃EAX，因此堿液通常被用作小麥麩皮、米糠等AX的提取劑[9]?；贏X的結構特性，其應用前景非常廣泛，現(xiàn)有研究表明，AX不僅具有良好的生理功能特性，如抗氧化、降血糖、調節(jié)腸道功能等；還具有凝膠特性，被用于制備面團改良劑、水凝膠、膜材料等[10-11]。

目前，關于AX提取研究的報道較多，主要有水熱提取法、酶解提取法和堿提取法。Aguedo等[12]采用堿提取法、酶處理法和水熱法提取麥麩AX。結果表明，堿法和水熱法能高效提取AX，而酶法提取得率和純度均較低；張曉娜等[13]采用酸水洗結合堿法工藝提取麥麩AX，最高得率可達到20.89%；Ayalasoto等[14]研究提取時間、溫度和NaOH濃度對玉米纖維AX得率的影響。結果表明，較長的提取時間和較高的溫度下，AX得率較高，最高可達到36.6%。在已有AX的提取研究報道中，主要是圍繞優(yōu)化提取工藝以獲得較高的提取得率，而很少關注提取過程中不同提取條件所得AX的單糖組成、純度及理化性質的差異。楊莎等[15]采用不同堿溶液提取麥麩AX發(fā)現(xiàn)，采用NaOH（含0.88% H2O2）溶液所得AX純度較高，側鏈取代度較低；而采用飽和Ba(OH)2溶液所得AX純度最高，側鏈取代度和分子質量也較大。袁建等[16]通過分析不同提取時間、pH值和溫度對AX分子質量分布的影響，發(fā)現(xiàn)提高pH值和溫度可以獲得富含多種高分子質量的AX。因此，對不同堿提取條件所得AX的性質進行分析有助于指導AX在實際生產(chǎn)中的開發(fā)和應用。本實驗以小麥麩皮為原料，探討不同堿提取條件對AX的組成成分、純度、分子質量和溶液黏度的影響，以期為小麥麩皮AX的開發(fā)和應用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩皮 中糧集團有限公司；液體高溫淀粉酶（≥250 U/g）、液體堿性蛋白酶（≥2.4 U/g） 美國Sigma公司；葡萄糖（Glu）、Xyl、Ara、葡聚糖標準品中國藥品生物制品檢定所；無水乙醇、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、碳酸鈣、硫酸銅、硫酸鉀、硝酸鈉（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

SYF系列多功能干濕法粉碎機 瑞安善源機械有限公司；MPG-100H超級恒溫循環(huán)酶解罐 上海一恒科學儀器有限公司；C-MAG HS 7磁力攪拌器 德國IKA儀器有限公司；Beta2-8 LD plus冷凍干燥機 德國Marin Christ公司；Avanti J26XP高速冷凍離心機 美國Beckman Coulter公司；1200高效液相色譜儀 安捷倫科技（中國）有限公司；1525高效液相色譜儀（配2410示差折光檢測器和Empower工作站）、DHR-3流變儀 美國沃特世公司。

1.3 方法

1.3.1 麥麩預處理

將麥麩粉碎并過80 目篩，按料液比1∶10（g/mL）加入去離子水，于酶解罐中升溫至93 ℃，每100 g麥麩加入0.6 mL高溫淀粉酶原液，攪拌酶解3 h，降溫至堿性蛋白酶最適溫度63 ℃，每100 g麥麩加入0.8 mL堿性蛋白酶原液，攪拌酶解3 h，酶解過程結束后升溫至100 ℃，保溫10 min滅酶，酶解液以4 000 r/min離心10 min，將所得沉淀用去離子水洗滌3 次，凍干制得去淀粉、脫蛋白的麥麩[17]。

1.3.2 AX的提取

取1.3.1節(jié)處理麥麩，以料液比1∶20（g/mL）與一定濃度NaOH溶液混合，在酶解罐中維持恒定溫度，在攪拌條件下反應一定時間。反應結束后，冷卻至室溫后以4 000 r/min離心10 min，沉淀物用去離子水洗滌3 次，收集所有上清液，用6 mol/L鹽酸溶液將上清液調至pH 4.3，以13 000 r/min離心15 min，取上清液加入3 倍體積無水乙醇以沉淀多糖，使乙醇溶液終體積分數(shù)為75%，4 ℃靜置過夜。醇沉后倒去上清液，用75%乙醇溶液洗滌3 次，所得沉淀揮發(fā)除去過量乙醇，冷凍干燥制得AX樣品[18]。

1.3.3 不同提取條件AX的制備

分別以NaOH濃度、提取溫度和提取時間為單因素自變量，在一定的變量范圍內(nèi)考察不同提取條件對AX性質的影響。

分別在NaOH濃度0.1、0.25、0.5、0.75、1、1.25 mol/L條件下，固定提取溫度85 ℃、提取時間120 min、料液比1∶20（g/mL）等條件提取AX。

分別在提取溫度45、55、65、75、85、95 ℃條件下，固定NaOH濃度0.5 mol/L、提取時間120 min、料液比1∶20（g/mL）等條件提取AX。

分別在提取時間60、90、120、150、180、210 min條件下，固定NaOH濃度0.5 mol/L、提取溫度85 ℃、料液比1∶20（g/mL）等條件提取AX。

1.3.4 AX單糖組成測定

采用高效液相色譜法測定不同提取條件下AX的單糖組成。

樣品制備：稱取10 mg樣品于15 mL樣品瓶中，加入0.3 mL 72% H2SO4，于30 ℃水浴鍋中水解1 h，期間攪拌數(shù)次。加入8.4 mL去離子水，于121 ℃高溫水解1 h，冷卻至室溫。取3 mL于離心管中，稱取130 mg碳酸鈣分數(shù)次加入中和，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后進行分析。標準曲線：配制Glu、Xyl、Ara質量濃度分別為1.5、1、0.5 mg/mL的標準溶液，以0.5、5、10、15、20 μL的梯度進樣，作3 種單糖的標準曲線。

色譜條件：Hi-Plex H色譜柱（300 mm×7.7 mm）；柱溫55 ℃；示差折光檢測器；檢測溫度30 ℃；流動相為超純水，流速0.6 mL/min；分析時間20 min[19-20]。

AX樣品的純度表示為Xyl和Ara的含量之和，即AX含量；AX樣品提取得率按下式計算：

蛋白質含量測定采用GB 5009.5—2016《食品中蛋白質的測定》中的凱氏定氮法。

1.3.5 AX分子質量分布測定

采用高效凝膠過濾色譜法[21]，從不同NaOH濃度、提取溫度和提取時間3 個因素中分別選擇具有代表性的3 個水平進行測定。樣品制備：用流動相溶解不同提取條件的AX樣品，配制成質量濃度為10 mg/mL溶液，離心后過0.22 μm濾膜，進行分析。標準曲線：取已知分子質量的葡聚糖標準品（Glu 180 g/mol，mw2 700、9 750、135 030、300 600、2 000 000 g/mol），經(jīng)與上述相同處理后，繪制標準曲線。

色譜條件：1525高效液相色譜儀（配2410示差折光檢測器和Empower工作站）；Ultrahydrogel? Linear色譜柱（300 mm×7.8 mm）；柱溫、檢測器溫度35 ℃；流動相為0.10 mol/L硝酸鈉溶液，流速0.8 mL/min。

1.3.6 流變分析

取不同提取條件的AX配成質量濃度0.02 g/mL溶液，在25 ℃條件下測定樣品的剪切黏度，流變儀模具為40 mm平板，測定間隙為800 μm，在剪切速率1～1 000 s-1范圍內(nèi)進行剪切黏度的測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin軟件進行數(shù)據(jù)作圖處理，采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行ANOVA方差分析、Duncan多重比較，P＜0.05，差異顯著。每組實驗重復3 次，結果以 ±s表示。

2 結果與分析

2.1 堿提取條件對AX單糖組成的影響

本實驗所提取AX樣品中阿拉伯半乳糖、鼠李糖等單糖含量較少[23]，因此主要對樣品中Glu、Xyl、Ara 3 種主要單糖進行考察，分析不同堿提取條件對其含量變化的影響規(guī)律。麥麩經(jīng)預處理后，淀粉基本被除去，而麥麩中的蛋白質部分是結合蛋白[18]，因此蛋白酶前處理只能除去部分蛋白質，其蛋白質質量分數(shù)由（15.78±0.02）%下降至（10.33±0.14）%，所得處理后麥麩原料的得率為53.65%。

2.1.1 NaOH濃度對AX單糖組成的影響

表1 不同NaOH濃度下AX單糖組成及得率Table 1 Monosaccharide composition and yield of arabinoxylan obtained at different alkali concentrations

由表1可知，隨NaOH濃度的增加，樣品中Glu相對含量顯著增加，表明隨麥麩結構破壞程度的增加，AX分子結合的纖維素等物質被溶解出來，在測定單糖組成的強酸環(huán)境中被分解為Glu而檢測出[24]。Xyl相對含量隨NaOH濃度的增加而減少，而Ara卻有所增加，Ara/Xyl值也隨之增大，說明高NaOH濃度下能溶解出支鏈度高的AX分子，表明所提取的AX分子的支鏈化程度與其在麥麩中的結合程度呈正相關。此外，部分支鏈度低的AX分子在高NaOH濃度下易被分解。

AX純度隨NaOH濃度的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在較低NaOH濃度時AX樣品的純度較高，但其得率較低，表明較低NaOH濃度的處理作用較弱，只能溶解出與木質素、纖維素等其他麥麩成分結合程度較低的部分，而不足以完全破壞麥麩的結構，以溶解出較多的AX[25]。當NaOH濃度達到0.5 mol/L時，能獲得較高的提取得率，說明此NaOH濃度條件下，麥麩中的AX組分已能被完全溶解出，但其純度降低，表明所得樣品中部分AX分子是以與其他物質相結合的形式存在。當NaOH濃度高于0.75 mol/L時，其純度增大，說明高NaOH濃度能將上述以結合形式存在的AX分子溶解出，從而提高其純度，同時也有少量AX分子在高NaOH濃度下被分解，導致提取得率降低。因此，在提取溫度85 ℃和提取時間120 min條件下，當NaOH濃度達到0.5 mol/L時，可獲得較高提取得率的AX，其得率和純度分別為32.8%和88.72%。

2.1.2 提取溫度對AX單糖組成的影響

表2 不同提取溫度下AX單糖組成及得率Table 2 Monosaccharide composition and yield of arabinoxylan obtained at different extraction temperatures

由表2可知，隨提取溫度的升高，AX樣品中Glu相對含量顯著減少[26]，當提取溫度達到85 ℃時不再減少，表明較高的溫度能將部分結合的纖維素等降解為Glu，在醇沉時隨上清液被除去。Xyl和Ara相對含量均隨溫度的升高而增加，但Ara的增加速率高于Xyl，從而Ara/Xyl值隨溫度的升高而增加，支鏈化程度增大，表明在高溫條件下結合程度高的AX也易被溶解出，也說明高支鏈度AX分子的結合結構在高溫下易被破壞[24]，與上述高NaOH濃度所得AX的支鏈度高的結論相似。

隨提取溫度的升高，AX純度及提取得率均顯著增加，當溫度達到75 ℃時，其提取得率基本不再增加，但其含量仍在增加，在85 ℃時其提取得率和含量均隨溫度的升高而變化較小，表明在NaOH濃度0.5 mol/L和提取時間120 min條件下，提取溫度為85 ℃時能提供足夠的反應溫度以獲得較高提取得率和純度的AX樣品。

2.1.3 提取時間對AX單糖組成的影響

表3 不同提取時間下AX單糖組成及得率Table 3 Monosaccharide composition and yield of arabinoxylan obtained at different extraction times

由表3可知，AX樣品中Glu相對含量隨提取時間的延長而減小，是由于提取時間的延長，樣品中結合的纖維素等被逐漸分解為Glu而在醇沉時被除去。Xyl和Ara相對含量均隨提取時間的延長而增加，Ara/Xyl值也有所增加，表明提取時間的延長有利于溶解出高支鏈度的AX分子，可通過控制提取時間制備高支鏈度的AX樣品。

隨提取時間的延長，AX相對含量及提取得率均增加，當提取時間達到120 min時，其含量基本穩(wěn)定，而提取得率在提取時間由120 min延長到180 min時仍有增加，說明少部分結合程度高的AX分子需較長的提取時間才能被溶解出來，但時間的延長也會造成AX分子的降解[14]。因此，在NaOH濃度0.5 mol/L和提取溫度85 ℃條件下，提取時間120 min可認為足夠。

2.2 堿提取條件對AX分子質量分布的影響

表4 不同提取條件下AX分子質量分布Table 4 Relative molecular mass distribution of arabinoxylan obtained at different extraction conditions

mw/mn表示高聚物混合物分子質量的分布寬度，其比值越大，說明分子質量分布越寬，分子鏈長短不均勻程度越高[16]。如表4所示，本實驗所提取AX的分子質量分布均有2 個峰，峰1為較大的分子質量分布峰，峰2為較小的分子質量分布峰，其中峰1的面積所占比例均在80%以上，表明所提取AX的分子質量分布具有較好的均一性。

當NaOH濃度由0.25 mol/L增加到1 mol/L時，所得樣品峰1的mw有所減小，而峰2的mw有所增加，表明高堿濃度條件下，部分高分子質量的AX分子被分解，導致峰1的mw/mn值減小，而峰2的mw/mn值增加。當NaOH濃度由0.25 mol/L增加到0.5 mol/L時，峰1的面積增加，而峰2的面積減小，表明在此變化區(qū)間內(nèi)，低分子質量分子的分解程度大于高分子質量分子[27]；而NaOH濃度由0.5 mol/L增加到1 mol/L時，峰1的面積減小，而峰2的面積增加，說明此條件對高分子質量分子的分解程度較大[15]。

隨提取溫度的升高，峰1的mw顯著減小，峰面積卻顯著增加，表明在較高提取溫度下，AX分子會發(fā)生嚴重的分解作用，將高分子質量的分子分解為中等分子質量和較小分子質量的分子，從而使峰1的mw/mn值顯著減小，分子鏈的長短均勻性更好。峰2的mw隨提取溫度的升高變化較小，而峰面積卻顯著減小，說明高溫對低分子質量分子的分解作用更強，使其分解為更小的分子或糖單元，在醇沉中由于分子質量過小，不產(chǎn)生沉淀而被除去[12]。

提取時間由60 min延長到120 min時，峰1和峰2的mw及mw/mn值均減小，而峰1的峰面積有所增加，表明提取時間的延長對低分子質量分子的分解程度大于高分子質量分子；而提取時間由120 min延長到180 min時，AX的分子質量變化較??；表明提取時間的延長可增加高分子質量分子的含量，但相比于NaOH濃度和提取溫度，提取時間對分子質量的影響較小，該結果和袁建等[16]對AX分子質量分布的研究結果相似。

2.3 提取條件對AX溶液黏度的影響

圖1 NaOH濃度（A）、提取溫度（B）和提取時間（C）對AX溶液剪切黏度的影響Fig. 1 Shear viscosities of arabinoxylan solutions obtained at different NaOH concentrations (A), extraction temperatures (B), and extraction times (C)

由圖1A可知，堿提取AX溶液具有剪切變稀的性質，為非牛頓流體。隨提取NaOH濃度的增加，在線性區(qū)域的溶液剪切黏度隨之增大。結合前面單糖組成及分子質量變化的分析，NaOH濃度由0.25 mol/L增加到0.5 mol/L時，溶液剪切黏度的增加是由于后者的高分子質量AX分子含量的增加，分子間相互纏繞增加，使分子間作用力增大，而具有較大的剪切黏度；當NaOH濃度為1 mol/L時，所得樣品具有較高的支鏈度和純度，高支鏈度有利于分子間的相互纏繞，使分子間的作用力較強，形成具有較大剪切黏度的溶液[28]。

由圖1B可知，隨提取溫度的升高，AX溶液在線性區(qū)域的剪切黏度隨之減小。提取溫度為45 ℃和65 ℃時，所得樣品溶液的剪切黏度隨剪切速率均勻減小，而85 ℃的樣品溶液在剪切速率為10 s-1時具有明顯的拐點，表明此時樣品溶液達到最大剪切應力[29]。提取溫度由45 ℃升高至65 ℃時，溶液剪切黏度明顯減小，由單糖組成及分子質量分布分析可知，65 ℃時高分子質量AX分子的含量及支鏈度增加，但其分子質量卻顯著減小，說明分子質量減小對溶液黏度的影響較大[28]。當提取溫度升高至85 ℃時，溶液剪切黏度也具有明顯的減小，主要是由于高溫作用對AX分子具有較強的分解作用，使其分子質量顯著減小，從而使溶液的剪切黏度較小。

由圖1C可知，AX溶液在線性區(qū)域的剪切黏度隨提取時間的延長而減小。由單糖組成及分子質量分布可知，提取時間由60 min延長至120 min時，由于分子質量的顯著減小，即使其高分子質量分子的含量及支鏈化程度有所增加，溶液的剪切黏度仍明顯減?。划斕崛r間延長至180 min時，溶液剪切黏度較120 min的樣品減小較少，主要是由于提取時間的延長使AX分子發(fā)生部分降解，導致剪切黏度的降低。

3 結 論

NaOH濃度、提取溫度和提取時間對AX的單糖組成、分子質量分布和溶液黏度均有顯著的影響。通過控制堿提取條件可獲得不同純度和支鏈度的AX樣品，在NaOH濃度、提取溫度和提取時間分別為0.5 mol/L、85 ℃和120 min時可獲得純度和提取得率分別為88.72%和32.8%的AX樣品。通過增強提取反應的條件可獲得低分子質量的AX，其中提高溫度對其分子質量分布具有較大的影響；AX溶液的黏度隨提取NaOH濃度的增加而增大，隨提取溫度和時間的增加而明顯減小。