小麥麩皮戊聚糖提取、功效及應(yīng)用研究進(jìn)展

李昕彤，王 碩，劉 峰，唐曉珍*

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 271018；2.山東百瑞佳食品股份有限公司，山東萊州 261400）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的農(nóng)作物之一，隨著小麥應(yīng)用的不斷拓展和小麥加工技術(shù)的持續(xù)完善，小麥產(chǎn)品的深加工是小麥加工產(chǎn)業(yè)的必然趨勢(shì)。小麥麩皮富含戊聚糖、纖維素等多種功能性多糖，是小麥加工的副產(chǎn)物，目前主要用作飼料，附加值較低。隨著多糖研究成為熱點(diǎn)，作為小麥麩皮中主要活性物質(zhì)的戊聚糖受到廣泛關(guān)注。

戊聚糖（又稱阿拉伯木聚糖）是細(xì)胞壁多糖的重要組成成分，是一種重要的谷物非淀粉多糖，主要由阿拉伯糖（Ara）和木糖（Xyl）組成，兩種單糖含量占到60%以上[1]。戊聚糖具有多種生理活性，包括調(diào)節(jié)胃腸道菌群、促進(jìn)腸道內(nèi)雙歧桿菌及乳桿菌的繁殖[2-4]，可降血糖[5-7]，還有提高免疫及抗腫瘤等[8-10]。小麥麩皮是目前戊聚糖的主要來(lái)源之一，彩粒小麥?zhǔn)欠N皮或糊粉層含豐富天然花色苷類化合物的優(yōu)質(zhì)小麥品種，與普通小麥相比，其膳食纖維、礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)和維生素含量更豐富，氨基酸組成更合理[11]，且彩麥麩皮[12]中戊聚糖比普通小麥麩皮和大麥麩皮含量高，具備深入開發(fā)的價(jià)值，但彩麥麩皮戊聚糖研究很少，可借鑒普通小麥麩皮戊聚糖研究進(jìn)展。

目前，常用的戊聚糖提取方法有水提法[13-15]、酶提法[16-22]、堿提法[14,16,23]、超聲提取法[24-27]，高溫酸水解法、蒸汽爆破法和超高壓提取等新興方法[28-32]也逐漸應(yīng)用于戊聚糖提取。研究發(fā)現(xiàn)，從小麥加工副產(chǎn)物中提取出來(lái)的戊聚糖在面包面團(tuán)、曲奇餅干等面制品[33-38]及根據(jù)戊聚糖的溶液性質(zhì)在飲品如啤酒[39-43]中有了新進(jìn)展，同時(shí)張久亞[44]、侯慧麗[45]、ALI[46]等人拓展了戊聚糖在奶片、肉食雞飼料及果蔬保鮮中的應(yīng)用范圍。

1 彩麥麩皮中戊聚糖的提取方法

1.1 水提法

根據(jù)水溶性不同，戊聚糖可分為水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖[13]。秦鵬飛[14]利用水熱法從小麥麩皮中提取戊聚糖，最佳提取工藝參數(shù)為：水熱溫度150oC，水熱時(shí)間15 h，固液比1∶10，此時(shí)戊聚糖的提取率27.5%。徐晶晶等[15]以提取天然色素后的黑粒小麥麩皮殘?jiān)鼮樵?，提取其中水溶性戊聚糖，并?duì)提取條件進(jìn)行了優(yōu)化，料液比1∶25（g/mL）、提取溫度80 ℃、提取時(shí)間75 min，提取率為1.4%。該工藝操作簡(jiǎn)單，收率高，不使用有害試劑和原料，過(guò)程清潔無(wú)污染。

1.2 酶提法

利用生物酶制劑提取彩麥麩皮中的戊聚糖也是一種常用的方式。何歡等[16]的研究中小麥麩皮水溶性戊聚糖的最佳提取工藝為反應(yīng)溫度62 ℃、反應(yīng)時(shí)間1.5 h、酶濃度0.55%、pH為4.2，提取率為15.3%。陳鳳蓮[17]將小麥麩皮中的淀粉和蛋白質(zhì)分別用α-淀粉酶和堿性蛋白酶降解，通過(guò)水洗過(guò)濾分離得到小麥麩皮戊聚糖，含量達(dá)到34.51%。付元芳等[18]研究發(fā)現(xiàn)，木聚糖酶提取黑小麥中戊聚糖比纖維素酶提取得率高，分別為4.83%、2.33%，可能是由于木聚糖酶能夠滲透至細(xì)胞壁的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，水解木糖主鏈間β-1,4糖苷鍵，將水不溶性戊聚糖降解為水溶性戊聚糖，從而提高了出產(chǎn)率[19]。孫元琳等[20]以黑小麥麥麩為原料，優(yōu)化了戊聚糖酶提取水不溶性戊聚糖的工藝條件為加酶量12 mg/10 g（m∶m=酶∶原料）、提取溫度60 ℃、提取時(shí)間90 min、溶液pH為6.0及料液比1∶10（g/mL），提取率為4.17%。在此研究中，作為一種細(xì)胞壁物質(zhì)分解酶，戊聚糖酶可使黑小麥麩皮細(xì)胞壁發(fā)生降解而變得松散，有利于戊聚糖溶出，并使麩皮中的水不溶性戊聚糖發(fā)生降解，從而使水溶性戊聚糖提取率增加[21]。

酶提法條件溫和、安全無(wú)毒，利用該法提取的戊聚糖其纖維天然結(jié)構(gòu)破壞性低，口感好，功能特性得到了較好保留。但是酶法利用和推廣還存在一定的缺陷，如缺乏高效穩(wěn)定類酶制劑以及酶制劑的成本較高等[22]。

1.3 堿提法

堿提法是使用較為廣泛的提取麥麩戊聚糖方法，其原理為通過(guò)將麥麩在NaOH、Ba(OH)2等堿性介質(zhì)中浸泡，破壞細(xì)胞壁聚合物間的次級(jí)鍵使其溶解，分離后得到水不溶性戊聚糖。何歡等[16]利用NaOH溶液從小麥麩皮中提取堿溶性戊聚糖，在料液比1∶20、溫度55 ℃、作用時(shí)間1.5 h、堿濃度20%條件下達(dá)到最佳提取條件，提取率17.4%。徐晶晶[15]以黑粒小麥麩皮中提取的粗膳食纖維為原料，用堿液浸提法提取水不溶性戊聚糖，得到最佳堿液浸提條件為堿濃度1.4%、提取溫度100 ℃、堿提時(shí)間70 min，此時(shí)水不溶性戊聚糖得率為7.3%，顯著高于水提法的1.4%提取率，同時(shí)能將蛋白質(zhì)提取出來(lái)，提取率為6.2%。楊莎等[23]分別使用NaOH和Ba(OH)2提取阿拉伯木聚糖，發(fā)現(xiàn)經(jīng)Ba(OH)2提取獲得的阿拉伯木聚糖純度更高，可達(dá)87.38%，可能是由于Ba2+的存在使堿提法的特異選擇性變高。但是堿提法也有一定缺陷，如提取時(shí)間較長(zhǎng)、堿液耗量大、堿性廢水處理困難且易污染環(huán)境，需要進(jìn)一步研究解決。

1.4 超聲提取法

超聲提取的原理為提取過(guò)程中因超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化，加速擴(kuò)散溶解速度，從而達(dá)到快速高效提取的目的。目前研究較多的是將超聲波與單一提取方法結(jié)合，提高提取效率。HOLLMANN等[24]利用超聲波輔助堿法麥麩中提取木聚糖，在60 ℃條件下僅需10 min即能分離出木聚糖，相比單一的減法處理，減少了提取時(shí)間，但提取率并無(wú)明顯提升。WANG等[25]利用超聲波輔助酶法從麥麩中提取戊聚糖，在原料濃度50 g/L，酶用量4.5 g/L，提取溫度50 ℃，提取時(shí)間70 min，超聲功率180 W的最佳提取條件下，戊聚糖產(chǎn)量為（14.26±0.17）%，麥麩中戊聚糖提取率顯著提高。范玲等[26]將超聲波與堿法提取相結(jié)合，以NaOH溶液作浸提液，在超聲功率300 W，超聲時(shí)間30 min，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，堿提時(shí)間2 h，堿提溫度55 ℃的最佳提取條件下，麥麩酚基木聚糖得率最高為38.73%，其中水溶性酚基木聚糖得率為29.05%。超聲波提取可以顯著提高戊聚糖提取率，但是由于超聲波具有較強(qiáng)的剪切作用，長(zhǎng)時(shí)間的超聲作用會(huì)使大分子的多糖斷裂，提取率反而下降[27]。此外，超聲波產(chǎn)生的環(huán)境噪聲，可能使其無(wú)法應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.5 其他方法

高溫酸水解法、蒸汽爆破法和超高壓提取等也逐漸應(yīng)用于戊聚糖提取中。丁長(zhǎng)河等[28]采用高溫酸水解法提取麩皮中戊聚糖，在高溫條件下以少量酸作為催化劑對(duì)半纖維素進(jìn)行水解，促進(jìn)了戊聚糖的溶出。賀永惠等[29]證實(shí)蒸汽爆破技術(shù)有助于提高小麥麩皮水溶性戊聚糖的含量，與未處理麩皮相比，小麥麩皮中水溶性戊聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了10.8倍。王曉華等[30]以超高壓結(jié)合酶法提取小麥麩皮低聚木糖，彌補(bǔ)了單純利用酶法耗時(shí)長(zhǎng)、提取率較低的缺點(diǎn)，在液料比值30 mL/g，酶質(zhì)量濃度3.5 g/L，壓力大小200 MPa，保壓溫度35 ℃，保壓時(shí)間25 min的最優(yōu)工藝條件下，測(cè)得小麥麩皮低聚木糖提取率為86.10%。該方法具有能耗低、對(duì)提取成分破壞小、提取純度好、效率高等特點(diǎn)。

雖然上述方法可以有效提高戊聚糖得率，但均存在一定缺陷。例如酸法提取時(shí)，強(qiáng)酸會(huì)對(duì)戊聚糖結(jié)構(gòu)造成破壞，一小部分戊聚糖可能會(huì)降解為低分子量化合物，反而降低提取率[31]，此外該方法副反應(yīng)多，且強(qiáng)酸的腐蝕性易對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。蒸汽爆破法無(wú)污染，但能耗大，成本較高，條件要求苛刻。若蒸汽爆破時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，物料中的大分子碳水化合物會(huì)降解生成酸類、芳香類和呋喃類等物質(zhì)[32]，導(dǎo)致小麥麩皮總戊聚糖含量迅速減少。

2 戊聚糖的功能活性研究

戊聚糖具有與膳食纖維和活性多糖相似的功能特性，了解戊聚糖的功能活性是將其應(yīng)用在不同領(lǐng)域的前提。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已發(fā)現(xiàn)戊聚糖具有改善胃腸道菌群、降血糖、免疫與抗癌等益生活特性。

2.1 腸道益生活性

戊聚糖屬于膳食纖維，因此具有一定的腸道益生活性。研究表明，木聚糖骨架中的阿拉伯糖基取代位置可以改變腸道中的微生物種群[2]。PAESANI等[3]在體外和體內(nèi)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，水溶性戊聚糖的提取物顯示出能夠增加乳桿菌和雙歧桿菌等腸道微生物中有益細(xì)菌的數(shù)量并能減少梭菌等病原體的數(shù)量。但是，如果在飲食過(guò)程中攝入大量戊聚糖，則會(huì)產(chǎn)生腸胃氣脹等輕微不良反應(yīng)[4]。

2.2 降血糖

可溶性戊聚糖可使胃排空時(shí)間延長(zhǎng)，小腸運(yùn)輸速度減慢，葡萄糖擴(kuò)散速率降低，有助于降低葡萄糖的吸收和餐后的血糖反應(yīng)[5]。沈麗娟等[6]發(fā)現(xiàn)2型糖尿病小鼠腸道菌群紊亂可被小麥戊聚糖制劑有效調(diào)節(jié)，小麥戊聚糖能降低血糖水平，可以作為糖尿病患者碳水化合物的主要來(lái)源。此外，戊聚糖還可以作為載體靶向輸送胰島素以達(dá)到降血糖的作用，MORALES-BURGOS等[7]發(fā)現(xiàn)載有胰島素的戊聚糖微球（50 UI/kg）可使患糖尿病大鼠的血糖水平降低39%，并且在口服后18 h效果最大，此時(shí)胰島素仍有生物活性。

2.3 免疫與抗癌

戊聚糖可以改善特異及非特異性的免疫反應(yīng)，其抗腫瘤活性可以通過(guò)免疫應(yīng)答的改善來(lái)介導(dǎo)，因此被認(rèn)為是一種具有免疫調(diào)節(jié)活性的抗腫瘤物質(zhì)[8]。ZHOU等[9]研究發(fā)現(xiàn)，堿法和酶法提取小麥麩皮中的戊聚糖都可以作為天然免疫調(diào)節(jié)劑的良好來(lái)源，堿提法比酶提法的戊聚糖具有更高的巨噬細(xì)胞吞噬功能和遲發(fā)型超敏反應(yīng)。LI等[10]研究發(fā)現(xiàn)戊聚糖的免疫活性與它的低分子量（＜25 kDa）和高分支取代度（0.81±0.01）有關(guān)，并推測(cè)戊聚糖發(fā)出各種免疫細(xì)胞激活信號(hào)可能和脂多糖刺激細(xì)胞方式相似。

3 戊聚糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用

目前，對(duì)利用戊聚糖深加工成食品的研究較少，當(dāng)前市場(chǎng)上僅有戊聚糖飲料、戊聚糖營(yíng)養(yǎng)粉等相關(guān)產(chǎn)品，形式較為單一，產(chǎn)品的風(fēng)味和口感不能被消費(fèi)者普遍接受。因此利用小麥麩皮資源中的戊聚糖加工成高附加值的新產(chǎn)品是小麥麩皮深加工及綜合利用的重要途徑，對(duì)小麥資源深加工應(yīng)用具有重要意義。

3.1 戊聚糖在面制品中的應(yīng)用

戊聚糖在面制品中的應(yīng)用研究較多。將戊聚糖添加到面包、餅干等面制品的面團(tuán)中，可在一定程度上改善面制品的質(zhì)構(gòu)和感官特性，同時(shí)能夠賦予面制品降血壓、降血糖及改善腸道菌群等功能。

鄭學(xué)玲[33]發(fā)現(xiàn)面團(tuán)的流變學(xué)特性和面包烘焙品質(zhì)與小麥麩皮戊聚糖的持水性、高黏度、氧化交聯(lián)形成凝膠及乳化穩(wěn)定等性質(zhì)存在密切關(guān)系。水溶性戊聚糖可以提高面團(tuán)的粉質(zhì)吸水量，增大面包體積并改善面包的內(nèi)部質(zhì)構(gòu)。夏潔等[34]利用木聚糖酶處理小麥麩皮，使其中不溶性戊聚糖降解為可溶性戊聚糖，并且麩皮水解產(chǎn)物可以改善面團(tuán)和面包品質(zhì)，提高麩皮戊聚糖的利用率。ARIF等[35]研究表明，膳食纖維中的水溶性戊聚糖能提高面包品質(zhì)，在硬質(zhì)小麥粉中添加水溶性戊聚糖，得到的面包體積和比原面包體積增加了1%～5%，面包屑硬度降低了5%～20%。GIULILA等[36]研究發(fā)現(xiàn)，含戊聚糖的面包組（107±4.6）mg/dL與精制小麥面包組（121±5.2）mg /dL相比，測(cè)試者食用前后的血糖水平有顯著性差異，表明戊聚糖能夠改善餐后血糖水平，有一定的抑制肥胖的功效，由于戊聚糖或阿拉伯木聚糖凝膠具有一定的黏度特性，可以延緩胃排空速度，緩慢消化淀粉以增加飽腹感，降低碳水化合物攝入量[37]。張強(qiáng)等[38]將戊聚糖應(yīng)用于餅干制作中，在戊聚糖粉添加量10.85%，綿白糖添加量27.58%，烘焙時(shí)間18.93 min的條件下，制作的戊聚糖曲奇餅干不僅能保證傳統(tǒng)曲奇餅干的口感和風(fēng)味，還能為人體補(bǔ)充戊聚糖膳食纖維。

3.2 戊聚糖在飲品中的應(yīng)用

戊聚糖的溶液性質(zhì)決定了其在飲品中具有良好的應(yīng)用前景。戊聚糖主要是通過(guò)分子間的氫鍵作用在溶液中聚集，并且隨著濃度增加，其分子聚集傾向增大[39]。在存在某些化學(xué)或酶促自由基生成劑的情況下，戊聚糖還可以通過(guò)阿魏酸氧化交聯(lián)反應(yīng)形成高粘度溶液[40]。

水溶性戊聚糖具有良好的保水能力、起泡性能和溶脹能力，可用作黏度增強(qiáng)劑，穩(wěn)定劑和質(zhì)地增強(qiáng)劑[41]。DERVILLY等[42]研究發(fā)現(xiàn)適量的阿拉伯木聚糖能夠增加啤酒的醇厚性，提高啤酒的泡持性，但高濃度戊聚糖對(duì)啤酒的非生物穩(wěn)定性有影響。李杰[43]探究了戊聚糖在渾濁小麥啤酒及除沫啤酒中的分布情況及分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)啤酒釀造原料大、小麥中戊聚糖有改善渾濁小麥啤酒的釀造工藝及品質(zhì)的作用。目前，戊聚糖飲品在啤酒方面研究應(yīng)用較多，其溶液性質(zhì)使其未來(lái)在果汁、酸奶等其他風(fēng)味營(yíng)養(yǎng)性飲品中存在廣闊前景。

3.3 戊聚糖在其他方面中的應(yīng)用

張久亞[44]將戊聚糖和奶粉作為原料，研制了一種具有戊聚糖和奶粉營(yíng)養(yǎng)價(jià)值且口感易被人們接受的新型奶片，包括咀嚼奶片和泡騰奶片兩類。在飼料方面，侯慧麗等人[45]研究得出，在玉米-豆粕型日糧中添加40 mg/kg水溶性戊聚糖可以促進(jìn)肉雞器官發(fā)育，改善肉雞體重。在保鮮方面，ALI等[46]發(fā)現(xiàn)在蘋果表面涂有含小麥麩皮戊聚糖的復(fù)合涂層材料，能使其采后貯藏壽命延長(zhǎng)并防止香氣損失，有效保持其感官特性。

戊聚糖具有降脂降糖和改善腸道菌群的作用，將其添加到食品中，能夠在保證口感和風(fēng)味的基礎(chǔ)上，滿足消費(fèi)者市場(chǎng)對(duì)益生活性產(chǎn)品的需求，具有良好的發(fā)展?jié)摿?。小麥麩皮戊聚糖已開始應(yīng)用于面制品及飲品行業(yè)中，在肉制品及糖果制品中尚處于研究開發(fā)階段，在動(dòng)物飼料及果蔬保鮮方面也發(fā)揮了一定的作用。但戊聚糖開發(fā)利用的產(chǎn)品形式仍然不夠廣泛，需要進(jìn)一步研究開發(fā)。

4 展望

小麥作為我國(guó)重要的谷物資源，其優(yōu)質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)使其具有巨大的發(fā)展前景。戊聚糖作為小麥麩皮中的高益生活性成分也備受關(guān)注，但對(duì)戊聚糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究較少，仍需要深入研究。隨著科學(xué)技術(shù)的的發(fā)展及人們對(duì)戊聚糖認(rèn)識(shí)的加深，未來(lái)戊聚糖將會(huì)更廣泛地應(yīng)用在食品的各個(gè)領(lǐng)域，在保證口感和風(fēng)味的基礎(chǔ)上，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。