超聲輔助凍融法提取燕麥麩β-葡聚糖

黃玉炎，柴小巖，何桀，張冰琳，項雷文

（福建師范大學(xué)福清分校，福建 福清 350300）

燕麥β-葡聚糖是水溶性膳食纖維，具有降血糖、降血脂、降膽固醇、增強免疫力和預(yù)防心腦血管疾病等功效[1-4]，且其抑菌性能良好[5]，還能夠有效調(diào)節(jié)血脂及改善腸道菌群[6]。當(dāng)前，燕麥β-葡聚糖已作為天然多糖加入到食品中，在一定程度上可改善食品的風(fēng)味[7-9]。與其他來源的β-葡聚糖相比，燕麥β-葡聚糖具有更好的水溶性、皮膚滲透性以及較強的吸附小分子的能力[10]。

目前關(guān)于燕麥β-葡聚糖的提取方法主要有水提法[11]、發(fā)酵法[12]、酶解法[13]、凍融法[14]、雙向發(fā)酵法[15]等，但是水提法提取率比較低；堿提法雖然提取率大大提高，但產(chǎn)品純度較低；酶解法因醇沉?xí)拇罅康囊掖级杀靖?；凍融法所得產(chǎn)品純度高，但得率低。鑒于燕麥β-葡聚糖在食品中的廣泛應(yīng)用，急需一種高得率、高純度的燕麥麩提取方法。

本文將超聲輔助提取技術(shù)應(yīng)用于燕麥麩β-葡聚糖提取過程，有望提高燕麥麩β-葡聚糖的得率和純度，并在一定程度上改善燕麥麩β-葡聚糖的持水性和黏度。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥麩：廈門格林貝爾生物科技有限公司；燕麥β-葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品、剛果紅：Aladdin公司；海藻酸鈉、阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠、瓜爾膠（食品級）：山東省滕州市香凝生物工程有限公司。

KQ500DB型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；PHS-3E數(shù)字酸度計：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；L-550低速大容量離心機：山東濟南來寶醫(yī)療器械有限公司；RE-100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：WIGGENS labortechnik GmbH；TFDXO.25真空冷凍干燥機：山東煙臺中孚冷鏈設(shè)備有限公司；UV754紫外分光光度計：上海佑科儀器儀表有限公司；NDJ-8S黏度計：福建化?？平虄x器有限公司；Nicolet 380傅里葉變換紅外光譜儀：Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 超聲輔助凍融法提取燕麥麩中的β-葡聚糖

取一定量的105℃烘干至恒重的燕麥麩粉，將燕麥麩粉與水分別按 1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30（g/mL）的比例混合，將混合溶液分別在超聲功率為500 W，溫度 45、50、55、60、65 ℃下超聲輔助提取 30、40、50、60、70 min（為避免溫度波動，超聲5 min后需暫停5 min再繼續(xù)超聲，超聲輔助提取30 min的超聲總時間為15 min，依次類推），提取兩次合并上清液，靜置12 h后，經(jīng)3 500 r/min離心20 min后取上清液，將上清液在100 r/min、45℃蒸發(fā)濃縮至體積的4%，先將濃縮液在-18℃冷凍24 h，而后將濃縮液置于4℃解凍12 h，再將解凍液通過G2砂芯漏斗過濾，收集絮狀凝膠加水復(fù)溶，重復(fù)凍融操作，最后將絮狀凝膠冷凍干燥，得到燕麥麩β-葡聚糖。

參照文獻采用苯酚-硫酸法[16]測定多糖含量，繪制燕麥麩β-葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.011 0x+0.006 4，相關(guān)系數(shù) R2=0.996 2，線性范圍在 0～25 μg/mL，并計算燕麥麩β-葡聚糖的得率和純度。

1.2.2 燕麥麩β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)表征

紫外光譜分析：稱取0.1 g的燕麥麩β-葡聚糖樣品，加入20 mL蒸餾水使其徹底溶解后，用紫外分光光度計在190 nm～400 nm范圍內(nèi)進行掃描。

紅外光譜分析：將燕麥麩β-葡聚糖于105℃烘5 h。冷卻至25℃后與研細的KBr混合均勻，壓片，并于紅外光譜儀上采集紅外光譜，波數(shù)范圍為4 000 cm-1～400 cm-1。

1.2.3 燕麥麩β-葡聚糖持水性的測定

參考段中華等[17]的方法。稱取0.1 g燕麥麩β-葡聚糖樣品，轉(zhuǎn)移至離心管中，加入10 mL蒸餾水，振蕩10 min，25℃下靜置24 h后，在3000r/min離心30min，分離得到沉淀，在25℃下靜置1 h后稱重（W1），再將沉淀凍干稱重（W2），按下述公式計算持水率。

式中：X為燕麥麩β-葡聚糖持水的持水率，%；W1為吸水后質(zhì)量，g；W2為凍干后質(zhì)量，g。

1.2.4 燕麥麩中β-葡聚糖和幾種常見食品膠體復(fù)配后表觀黏度的變化

參考董興葉[18]的方法。分別配制0.1%燕麥麩β-葡聚糖樣品、海藻酸鈉、阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠及瓜爾膠，采用NDJ-8S黏度計先測定這些溶液的表觀黏度，再測定燕麥麩β-葡聚糖樣品與這幾種常見食品膠體以不同比例復(fù)配后的表觀黏度，并進行對比分析。測定過程選用1號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為60 r/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用excel和Design Expert 8.05處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥麩中β-葡聚糖提取純度及得率

2.1.1 料液比對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響

料液比對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響如圖1所示。

從圖 1 可以看出，在料液比 1∶10（g/mL）～1∶20（g/mL）時，燕麥麩中β-葡聚糖提取得率隨著料液比的減少而增加；在料液比 1∶20（g/mL）～1∶30（g/mL）時，燕麥麩中β-葡聚糖提取得率變化不大。這可能是因為提取液較少時，燕麥麩中β-葡聚糖未能充分溶解；當(dāng)提取液達到一定比例時，燕麥麩中β-葡聚糖會充分溶出；考慮到后續(xù)提取液的濃縮操作，料液比范圍確定在1∶15（g/mL）～1∶25（g/mL）之間。

圖1 料液比對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on extraction yield of β-glucan from oat bran

2.1.2 超聲提取溫度對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響

超聲提取溫度對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響如圖2所示。

圖2 提取溫度對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響Fig.2 Effect of extract temperature on extraction yield of βglucan from oat bran

從圖2可以看出，超聲提取溫度在45℃～65℃時，燕麥麩中β-葡聚糖提取得率隨著超聲提取溫度升高而增加。但隨著超聲提取溫度的升高，提取液的顏色也隨之加深，這可能是因為溫度越高，提取液中的物質(zhì)會發(fā)生反應(yīng)，尤其是美拉德反應(yīng)，這會給后續(xù)分離操作帶來困難。因此考慮到后續(xù)操作，超聲提取溫度范圍確定在45℃～55℃之間。

2.1.3 超聲時間對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響

超聲提取時間對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，超聲提取時間在30 min～70 min時，燕麥麩中β-葡聚糖提取得率隨著超聲提取時間延長而增加。但隨著超聲提取時間的延長，長時間的超聲會使提取溫度上升，提取液的顏色也會加深。因此考慮到后續(xù)操作，超聲提取時間范圍確定在50 min～70 min之間。

圖3 提取時間對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響Fig.3 Effect of extract time on extraction yield of β-glucan from oat bran

2.1.4 正交試驗優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗結(jié)果可得各因素的最佳水平，然后按L9（34）正交試驗因素水平表，進行正交試驗，通過對正交試驗結(jié)果分析可以得到提取工藝的最優(yōu)組合。因素水平表見表1，正交試驗結(jié)果見表2。

表1 正交試驗因素和水平Table 1The factors and levels of L9（34）orthogonal experimental

表2 L9（34）正交試驗結(jié)果Table 2The results of L9（34）orthogonal experimental

從表2可以看出，因素影響主次順序為A＞B＞C，即料液比對β-葡聚糖提取得率影響最大，提取時間幾乎沒有影響；正交試驗優(yōu)化后最佳組合為A2B3C1或A2B3C3，且A2B3C1正好在表2中出現(xiàn)，提取時間較短，因此，最優(yōu)組合取 A2B3C1，即料液比為 1 ∶20（g/mL）、提取溫度為55℃、提取時間為50 min，在最優(yōu)條件下，得率為6.0%。

對提取的β-葡聚糖樣品進行純度分析，采用超聲輔助凍融法提取燕麥麩中β-葡聚糖，其提取純度為82.3%，得率為6.0%；吳佳等[14]從燕麥粉中提取β-葡聚糖的純度為92.0%，但得率僅為1.5%?？梢钥闯?，凍融法提取所得的β-葡聚糖樣品純度均較高，但得率較低，而采用超聲輔助提取β-葡聚糖樣品時，得率可增加3倍。因此，超聲輔助提取結(jié)合凍融法精制，燕麥中β-葡聚糖提取樣品純度較高，得率也高。

2.2 β-葡聚糖樣品紫外光譜分析

一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和燕麥麩提取的β-葡聚糖樣品溶液在190 nm～400 nm范圍掃描的紫外光譜如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和燕麥麩β-葡聚糖紫外光譜圖Fig.4 Ultraviolet spectrum of standard oat β-glucan and oat bran β-glucan

由圖4可知，β-葡聚糖提取樣品和標(biāo)準(zhǔn)品紫外光譜基本一致。該β-葡聚糖組分的最大吸收峰出現(xiàn)在200 nm，該波長處的吸收峰為糖類物質(zhì)的特征吸收峰。紫外掃描圖譜可知，280 nm和260 nm均沒有出現(xiàn)吸收峰，這說明從燕麥麩中提取的β-葡聚糖樣品中不含蛋白質(zhì)和核酸。

2.3 β-葡聚糖樣品紅外光譜分析

標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和從燕麥麩中提取的β-葡聚糖樣品的紅外光譜圖譜如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和燕麥麩β-葡聚糖紅外光譜圖Fig.5 The infrared spectrum of standard oat β-glucan and oat bran β-glucan

由圖5可知，燕麥麩提取的β-葡聚糖的紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖的紅外光譜圖沒有顯著差異。兩種β-葡聚糖均在3 400 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰，該峰是糖類分子或分子間的O-H鍵伸縮振動產(chǎn)生的，該峰表明在分子內(nèi)及分子間有氫鍵的存在，而1 050 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰則是由O-H鍵變角振動產(chǎn)生的；而在2 900 cm-1和1 380 cm-1附近出現(xiàn)的兩個吸收峰分別是次甲基中C-H鍵的伸縮振動和變角振動產(chǎn)生的；1 650 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰則可能是-CHO中的C=O鍵產(chǎn)生的；1 400 cm-1附近的吸收峰則C-H鍵變角振動產(chǎn)生的；1 070 cm-1和1 160 cm-1附近出現(xiàn)的兩個吸收峰則可能是由于β-葡聚糖中具有不同數(shù)目的1，3-糖苷鍵和1，4-糖苷鍵而形成不同的C-O-C鍵振動產(chǎn)生的；而900 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰則表明兩種β-葡聚糖是由β-D-吡喃型葡萄糖組成的，且該峰是由該糖中C-H鍵振動產(chǎn)生的。

2.4 燕麥麩中提取的β-葡聚糖的持水率

超聲輔助凍融法提取的燕麥麩β-葡聚糖的持水率307.6%，其持水率較高，這可能是由于超聲輔助提取過程能夠影響β-葡聚糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其形成較大的空隙，有利于其吸收水分子，從而增大持水率，關(guān)于其空間結(jié)構(gòu)，可以對其進行電鏡掃描以進一步鑒定。藍高爽[19]在對玉米多糖進行分析時，得到了類似的結(jié)論，其結(jié)果表明，超聲提取的玉米多糖形成了較大的空隙，這種結(jié)構(gòu)有利于吸收及貯存水分子。另外，涂宗財?shù)萚20]在超聲輔助提取荷葉多糖的研究中表明，超聲提取過程所需時間較短，且在中性條件下提取，這有利于在提取過程中保護多糖分子免受損傷，分子量較大，從而比較容易與水分子結(jié)合，增大持水率。

2.5 燕麥麩中β-葡聚糖提取樣品表觀黏度

燕麥麩中β-葡聚糖提取樣品與幾種常見食用膠體表觀黏度見表3。

由表3可知，0.1%濃度的β-葡聚糖的表觀黏度與瓜爾膠較相似，在較低的濃度下具有較高的表觀黏度。說明燕麥麩β-葡聚糖具有很好的增稠和穩(wěn)定效果。將0.1%β-葡聚糖與相同濃度的阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠、海藻酸鈉、瓜爾膠以不同的體積比混合均勻，在25℃的條件下測定表觀黏度，結(jié)果見表4。

表3 燕麥麩β-葡聚糖樣品與不同食品膠體的表觀黏度性質(zhì)比較Table 3 Comparative apparent viscosity property of different food gum and oat bran β-glucan

表4 β-葡聚糖樣品與不同食品膠體復(fù)配表觀黏度性質(zhì)比較Table 4 Comparative apparent viscosity property of different food gum mixed with oat bran β-glucan

復(fù)配膠體溶液黏度的測量可以反映出β-葡聚糖樣品與食品膠的協(xié)同增稠率，膠體與β-葡聚糖的比例影響著其增效作用。由表4可知，0.1%燕麥β-葡聚糖與阿拉伯膠復(fù)配后沒有增稠作用，與其他4種膠體復(fù)配后增稠作用也不明顯，但是互相也沒有拮抗影響。因此燕麥β-葡聚糖與其他食品膠有很好的兼容性，可應(yīng)用于食品和醫(yī)療方面作為增稠劑和穩(wěn)定劑。

3 結(jié)論

采用超聲輔助凍融法從燕麥麩中提取β-葡聚糖時，料液比為 1 ∶20（g/mL）、超聲功率為 450 W、提取溫度為55℃、提取時間為50 min，將提取液蒸發(fā)濃縮至體積的4%，反復(fù)凍融2次。在此條件下，燕麥麩β-葡聚糖純度為82.3%，得率為6.0%，其持水率為307.6%，0.1%濃度下其表觀黏度可達74.8 g/（cm·s），與同濃度的瓜爾膠相似。