減壓內(nèi)部沸騰法提取青稞非淀粉多糖工藝優(yōu)化

杜亞飛，劉緒，李秋穎，曹紅梅，趙波

（1.成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川成都 611130；2.特色園藝生物資源開發(fā)與利用四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 611130；3.甘孜州貢嘎雪域生物科技有限公司，四川瀘定 626100）

青稞(Hordeumvulgare.L.var.nudumHook.f.)，又稱裸大麥，是一種極具特色的高原糧食作物，主要分布在西藏、青海和四川等高原地區(qū)，具有高蛋白、高維生素、高纖維和低糖、低脂的營養(yǎng)特點(diǎn)，還含有非淀粉多糖、多酚、黃酮及活性多肽等多種功能性成分[1-4]。大量研究表明，青稞中非淀粉多糖以β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖為主，具有調(diào)節(jié)血糖、抗腫瘤、降膽固醇、提升免疫力等作用[5-8]，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

目前，對(duì)于青稞多糖提取主要采用的方法有熱水浸提法[9]、微波輔助提取法[10]、超聲波輔助提取法[11]等，而這些方法往往存在著提取時(shí)間較長(zhǎng)、所需溫度較高、儀器能耗較大以及對(duì)提取物存在干擾等問題。減壓內(nèi)部沸騰法作為一種能在短時(shí)間內(nèi)高效地實(shí)現(xiàn)活性成分提取的方法，其原理是先利用低沸點(diǎn)的解析劑潤(rùn)濕物料，再加入一定溫度的提取液后，置于一定真空度下，使解析劑的沸點(diǎn)低于常壓沸點(diǎn)，通過沸騰破壞物料細(xì)胞結(jié)構(gòu)而讓有效成分在提取劑和解析劑之間進(jìn)行充分?jǐn)U散，進(jìn)而縮短提取時(shí)間[12-16]，該方法可避免青稞多糖類物質(zhì)發(fā)生高溫分解以及其他不利變化，具有效率高、耗時(shí)短、能耗低和安全環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)[17-19]。

本研究以青稞為原料，采用減壓內(nèi)部沸騰法對(duì)青稞非淀粉多糖進(jìn)行提取，研究最佳因素水平，優(yōu)化青稞非淀粉多糖的提取工藝條件，為青稞中β-葡聚糖等非淀粉多糖的提取研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

青稞，產(chǎn)自四川省甘孜州；苯酚、濃硫酸、無水乙醇、無水葡萄糖，均為分析純，成都市科龍化工試劑廠；α-淀粉酶、糖化酶，無錫酶制劑廠。

1.2 主要儀器設(shè)備

UV-754型紫外分光光度計(jì)，濟(jì)南飛賽電子科技有限公司；A550型粉碎機(jī)，九陽股份有限公司；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，西安禾普生物科技有限公司；SHB-III型循環(huán)水式真空泵，陜西西安儀創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司；DZF-6050型減壓真空干燥箱，上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司；FA-2204B型電子分析天平，上海向帆儀器有限公司；HH-S1型恒溫水浴鍋，江蘇正基儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

取10mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液1.0mL，定容至100mL，配置成0.1mg/mL的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液，從上述標(biāo)準(zhǔn)溶液中取0.0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2mL，分別置于比色管中，添加蒸餾水至2.0mL，迅速搖勻，分別加入1.0mL5%苯酚溶液，混勻后快速加入5.0 mL濃硫酸，輕輕搖勻后于室溫下靜置10min，再置于80℃水浴加熱15min后取出，待試管中溶液恢復(fù)至室溫，以空白為對(duì)照，測(cè)定490nm處吸光值，平行試驗(yàn)3次，根據(jù)吸光值與濃度的關(guān)系，繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，得回歸方程：

1.3.2 青稞非淀粉多糖的提取

將青稞樣品粉碎過40目篩，置于85℃下干燥滅酶，備用。稱取5.00g滅酶青稞粉置圓底燒瓶中，加入25mL一定體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液，室溫下解吸30min，再加入一定料液比、一定溫度的蒸餾水，迅速置于同溫真空干燥箱中，一定時(shí)間后取出，進(jìn)行減壓抽濾，濾渣按相同方法再次提取，合并濾液后加入α-淀粉酶和糖化酶處理，并利用碘試劑檢驗(yàn)淀粉是否完全除去，離心后的上清液置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中濃縮，再加入4倍體積的95%乙醇后于4℃下放置沉淀12h，過濾，沉淀洗滌后用蒸餾水溶解，定容至250 mL，取樣分析[20,21]，并按照公式（1）計(jì)算青稞非淀粉多糖得率：

其中：

B——根據(jù)回歸方程計(jì)算得到的非淀粉多糖質(zhì)量濃度（mg/mL）；

D——稀釋倍數(shù)；

V——青稞非淀粉多糖提取液體積(mL)；

M——青稞粉質(zhì)量(g)。

1.3.3 單因素實(shí)驗(yàn)

（1）乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)多糖提取率的影響

準(zhǔn)確稱取青稞粉5.00g，分別加入25mL30%、40%、50%、60%、70%的乙醇解吸30min后，在提取溫度80℃下按料液比1:20(g/mL)加入同溫蒸餾水，置于真空度為0.03MPa的條件下進(jìn)行減壓提取6min，按1.3.2操作并取樣分析。

（2）料液比對(duì)多糖提取率的影響

準(zhǔn)確稱取青稞粉5.00g，加入25mL50%的乙醇解吸30min后，將料液比分別設(shè)置為1:10、1:15、1:20、1:25、1:30(g/mL)，在提取溫度80℃，真空度為0.03MPa的條件下減壓提取6min，按1.3.2操作并取樣分析。

（3）真空度對(duì)多糖提取率的影響

準(zhǔn)確稱取青稞粉5.00g，加入25mL50%的乙醇解吸30min后，在料液比1:20 g/mL，提取溫度80℃的條件下，將真空度分別設(shè)置為0.01MPa、0.03MPa、0.05MPa、0.07MPa和0.09MPa，提 取6min，按1.3.2操作并取樣分析。

（4）提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

準(zhǔn)確稱取青稞粉5.00g，加入25mL50%的乙醇解吸30min后，在料液比1:20 g/mL，提取溫度80℃，真空度0.03MPa的條件下，分別提取2 min、4 min、6 min、8 min、10min，按1.3.2操作并取樣分析。

（5）提取溫度對(duì)多糖提取率的影響

準(zhǔn)確稱取青稞粉5.00g，加入25mL50%的乙醇解吸30min后，設(shè)置料液比為1:20 g/mL，提取溫度分別設(shè)置為50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，在真空度0.03MPa的條件下減壓提取6min，按1.3.2操作并取樣分析。

1.3.4 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，選取料液比（g/mL）、真空度（MPa）、提取時(shí)間（min）以及提取溫度（℃）設(shè)計(jì)四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，以多糖提取率（%）為指標(biāo)，確定減壓內(nèi)部沸騰法提取青稞非淀粉多糖的最佳工藝。正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)多糖提取率的影響（見圖1）

圖1 乙醇體積分?jǐn)?shù)對(duì)多糖提取率的影響

由圖1可知，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，多糖提取率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)多糖得率達(dá)到峰值，繼續(xù)提高乙醇體積分?jǐn)?shù)，多糖提取率下降。這可能是由于當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)低，在相同條件下物料解吸程度和反應(yīng)體系的減壓沸騰強(qiáng)度較低，導(dǎo)致多糖提取率較低；當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)過高，多糖的溶解度逐漸降低，使多糖提取率降低，因此解析劑乙醇的最佳體積分?jǐn)?shù)為50%左右。

2.1.2 料液比對(duì)多糖提取率的影響（見圖2）

由圖2可知，隨著料液比加大，多糖提取率上升，在料液比為1:25時(shí)，多糖提取率達(dá)到最高值，當(dāng)料液比繼續(xù)增加時(shí)，多糖提取率趨于平穩(wěn)。這可能是由于在較低料液比的條件下，多糖溶出量較小，因而提取率也較低；當(dāng)多糖提取率達(dá)到最高值后繼續(xù)增加料液比，多糖提取率變化小，說明物料的多糖提取已基本完全，同時(shí)繼續(xù)增加料液比會(huì)使多糖過度稀釋，對(duì)后續(xù)分離濃縮不利，因此最佳料液比為1:25左右。

圖2 料液比對(duì)多糖提取率的影響

2.1.3 真空度對(duì)多糖提取率的影響（見圖3）

圖3 真空度對(duì)多糖提取率的影響

由圖3可知，隨真空箱內(nèi)壓力的降低，多糖得率在0.05MPa時(shí)達(dá)最大值，此后繼續(xù)提高真空度，多糖提取得率反而降低。這可能是由于在溫度一定的條件下，提高真空度使得溶液開始沸騰，破壞了顆粒間的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，有利于多糖的釋出溶解；隨著真空度的繼續(xù)升高，提取液劇烈翻滾，溶出較多雜質(zhì)，導(dǎo)致多糖提取率下降。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步確定最佳真空度為0.05MPa左右。

2.1.4 提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響（見圖4）

圖4 提取時(shí)間對(duì)多糖提取率的影響

由圖4可知，青稞多糖提取率隨提取時(shí)間的增加有明顯升高趨勢(shì)，尤其是在2～4min之間增加迅速，并在6min時(shí)達(dá)到峰值，之后趨于平穩(wěn)，說明青稞多糖提取6min時(shí)已經(jīng)溶出比較完全。這可能是由于短時(shí)間的減壓沸騰無法實(shí)現(xiàn)多糖的有效溶出，而提取時(shí)間太長(zhǎng)，不僅會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的溶出，也會(huì)加大儀器能耗，因而最佳提取時(shí)間為6 min左右。

2.1.5 提取溫度對(duì)多糖提取率的影響（見圖5）

圖5 提取溫度對(duì)多糖提取率的影響

由圖5可知，多糖提取率隨著提取溫度的升高先增加后降低，當(dāng)提取溫度為80℃時(shí)，多糖提取率達(dá)到峰值。這可能是由于真空度固定，提取溫度較低時(shí)無法實(shí)現(xiàn)物料內(nèi)部的沸騰，隨著溫度升高，體系內(nèi)部的溶劑充分沸騰，有利于多糖充分溶出，使提取率升高；若繼續(xù)升高溫度，不僅會(huì)導(dǎo)致多糖結(jié)構(gòu)改變，還會(huì)因劇烈沸騰而溶解較多雜質(zhì)，不利于后期洗滌過濾。因此，最佳提取溫度為80℃左右。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，四個(gè)因素對(duì)青稞非淀粉多糖提取率的影響大小依次為：料液比A＞提取溫度D＞提取時(shí)間C＞真空度B。減壓內(nèi)部沸騰法提取青稞非淀粉多糖的最優(yōu)工藝方案為：A2B2C3D2，即料液比為1：25，真空度為0.05MPa，提取時(shí)間為8min，提取溫度為80℃。根據(jù)正交試驗(yàn)中最優(yōu)提取工藝條件進(jìn)行試驗(yàn)，平行操作3次，結(jié)果分別為6.38%、6.51%、6.47%，平均值為6.45%，優(yōu)于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)組合，且重現(xiàn)性好，說明正交優(yōu)化結(jié)果是合理的。

3 結(jié)論

本研究以四川甘孜州青稞籽粒為原料，用50%的乙醇對(duì)其解吸處理，采用減壓內(nèi)部沸騰法對(duì)青稞非淀粉多糖成分進(jìn)行提取，利用單因素實(shí)驗(yàn)以及正交優(yōu)化，確定減壓內(nèi)部沸騰法提取青稞非淀粉多糖的最優(yōu)工藝參數(shù)為：料液比1:25，真空度0.05MPa，提取時(shí)間8min，提取溫度80℃。在此條件下青稞非淀粉多糖的提取率可達(dá)6.45%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用減壓內(nèi)部沸騰提取青稞非淀粉多糖是可行的，并且減壓內(nèi)部沸騰法具有環(huán)保節(jié)能、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，該方法也可推廣用于提取其他谷物類有效成分。