提取方法對亞麻籽膠提取率及理化性質(zhì)的影響

張志穎，張琳璐，白英*，王麗芳

1(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010018)2(內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010031)

亞麻籽，又稱胡麻籽，是一年生或多年生草本植物，屬亞麻科、亞麻屬[1]，在我國甘肅、內(nèi)蒙、山西和寧夏的種植面積較大。目前，亞麻籽多被用來榨取油脂，榨油后的殘?jiān)鼇喡樽扬炂筛缓瑏喡樽涯z(flaxseed gum，F(xiàn)SG)、亞麻籽蛋白、木酚素等多種功能性物質(zhì)[2]，但一般用作動物飼料或作為廢物處理，F(xiàn)SG等物質(zhì)未得到充分利用，造成很大資源浪費(fèi)的同時也給環(huán)境增加了一定的負(fù)擔(dān)[3]，因此對亞麻籽餅粕中的有效物質(zhì)進(jìn)行提取是很有必要的。

FSG是一種陰離子雜多糖，主要由中性多糖(75%)和酸性多糖(25%)構(gòu)成，中性多糖主要由木糖、L-阿拉伯糖和半乳糖(6.2∶3.5∶1，摩爾比)組成，分子質(zhì)量為1 200 kDa；而酸性多糖主要由650 kDa(3.8%)和17 kDa(21.3%)2個亞組分構(gòu)成，單糖單元主要為L-鼠李糖、D-半乳糖醛酸、L-半乳糖、L-巖藻糖(2.6∶1.7∶1.4∶1，摩爾比)[1]。FSG具有良好的乳化性、凝膠性和抗氧化性等功能特性，還具有降血糖、降膽固醇和調(diào)節(jié)腸道菌群等生理功能，常作為食品配料添加到乳制品、肉制品和果凍制品等食品中，來改善食品品質(zhì)[4-5]。亞麻全籽、亞麻籽餅粕及亞麻籽殼[6-8]等均可作為提取FSG的原料，但不同的原料因傳質(zhì)阻力不同，其FSG的提取率也會有所不同。目前FSG的提取方法可分為干法和濕法，干法是指通過打磨制得FSG的技術(shù)，其制備工藝簡單，但生產(chǎn)的FSG產(chǎn)品黏度低、質(zhì)量較差；濕法是指以水為主要浸提溶劑提取FSG的方法，其得到的FSG質(zhì)量好，黏度也較高[6]。超聲提取法提取FSG屬于濕法，其具有提取時間短、有效成分利于分離等優(yōu)點(diǎn)[9]。不同提取方法也可能會得到產(chǎn)率、性質(zhì)、功能不同的FSG樣品。

本研究分別采用傳統(tǒng)熱水浸提法與超聲提取法從亞麻籽餅粕中提取FSG，優(yōu)化2種方法的工藝并對所得FSG的理化特性、結(jié)構(gòu)及抗氧化活性進(jìn)行比較研究，為進(jìn)一步開發(fā)和利用FSG提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

亞麻籽餅粕(冷榨)，內(nèi)蒙古益善園生物科技有限責(zé)任公司。

抗壞血酸，深圳樂芙生物科技有限公司；DPPH，上海源葉生物科技有限公司；ABTS，上海翌圣生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)、溴化鉀(光譜純)等其他所用試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Scientz-IID觸摸式超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、XHF-DY均質(zhì)機(jī)，寧波新芝生物科技股份有限公司；T6-新悅可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；K9860全自動凱氏定氮儀，海能未來技術(shù)集團(tuán)股份有限公司；TM4000掃描電鏡，日本株式會社日立高新技術(shù)那珂事業(yè)所；IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；Haake RS6000流變儀，美國Thermo Fisher公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 FSG提取工藝

1.3.1.1 原料預(yù)處理

原料預(yù)處理工藝：

將亞麻籽餅粕粉碎后過20目篩→于少量水中浸潤5 min→加入2倍體積的無水乙醇，用玻璃棒攪拌混勻→超聲200 W處理30 min→4 ℃下4 000 r/min離心10 min后棄去上清液→加入80%乙醇沖洗2次→置于4 ℃冰箱保存待用。

1.3.1.2 FSG熱水浸提法提取工藝

單因素試驗(yàn)：向預(yù)處理好的原料中以料液比分別為1∶100、1∶125、1∶175、1∶225、1∶275、1∶300(g∶mL)加入蒸餾水，在提取溫度分別為40、50、60、70、80 ℃和提取時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3 h的條件下進(jìn)行提取。

正交試驗(yàn)：在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取率為指標(biāo)，料液比、提取溫度和提取時間為3個因素進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)。

浸提液過300目濾布取上清液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)進(jìn)行濃縮→加入4倍體積乙醇醇沉12 h→6 000 r/min離心10 min取沉淀→沉淀復(fù)溶于5倍體積蒸餾水中→透析12 h→旋蒸除有機(jī)溶劑→冷凍干燥

1.3.1.3 FSG超聲法提取工藝

單因素試驗(yàn)：向預(yù)處理好的原料中以料液比分別為1∶100、1∶125、1∶175、1∶225、1∶275、1∶300(g∶mL)加入蒸餾水，在超聲功率分別為100、150、200、250、300、350、400 W和提取時間分別為10、20、30、40、50、60 min的條件下進(jìn)行超聲提取。

正交試驗(yàn)：在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以提取率為指標(biāo)，料液比、超聲功率和超聲時間為3個因素進(jìn)行L9(33)正交試驗(yàn)。

提取液過300目濾布取上清液→旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)進(jìn)行濃縮→加入4倍體積乙醇醇沉12 h→6 000 r/min離心10 min取沉淀→沉淀復(fù)溶于5倍體積蒸餾水中→透析12 h→旋蒸除有機(jī)溶劑→冷凍干燥

1.3.1.4 FSG提取率計(jì)算

以FSG多糖的質(zhì)量為基礎(chǔ)，F(xiàn)SG提取率計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

式中：Y，F(xiàn)SG提取率，%；x，從標(biāo)準(zhǔn)曲線中計(jì)算出提取液中多糖的量，μg/mL；m，亞麻籽餅粕粉取樣量，g；V1，F(xiàn)SG提取液總體積，mL；V2，F(xiàn)SG提取液測定用體積，mL；V3，F(xiàn)SG提取液測定液稀釋總體積，mL。

1.3.2 理化指標(biāo)的測定

水分含量測定參考GB 5009.3—2016，灰分含量測定參考GB 5009.4—2016，蛋白質(zhì)含量測定參考GB 5009.5—2016，多糖含量測定參考SN/T 4260—2015，脂肪含量測定參考GB 5009.6—2016。

1.3.3 FSG的結(jié)構(gòu)測定

1.3.3.1 微觀結(jié)構(gòu)測定

樣品用導(dǎo)電雙面膠帶固定在樣品臺上，吹掉多余的粉末，掃描電鏡觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)，掃描功率為10 kV。

1.3.3.2 紅外光譜測定

參照DONG等[10]的方法并略有修改。稱取1 mg樣品與100 mg溴化鉀混合，研磨使其充分混合呈均勻的粉末并進(jìn)行壓片，于4 000～400 cm-1下掃描，掃描64次，分辨率為4 cm-1。

1.3.4 FSG理化性質(zhì)測定

1.3.4.1 pH值測定

參照HU等[11]的方法，分別對貯存第0、1、2、4、8天時FSG溶液的pH值進(jìn)行測定。

1.3.4.2 初始黏度測定

使用流變儀測定2種提取方法得到的FSG的初始黏度。

1.3.4.3 起泡性測定

準(zhǔn)確量取5 mg/mL的FSG溶液20 mL于具塞量筒中，記錄初始體積為V1，手動鼓泡1 min后立即記錄泡沫體積為V2，靜置30 min后再次記錄泡沫體積為V3，起泡性計(jì)算如公式(2)和公式(3)所示：

(2)

(3)

1.3.4.4 乳化性測定

參考PEARCE等[12]的方法并略有改動。將FSG溶液與大豆油以體積比3∶1混合，使用高速均質(zhì)機(jī)在10 000 r/min下乳化1 min后置于50 ℃水浴30 min。吸取下層液體100 μL，用1 g/L 的SDS溶液稀釋150倍，于500 nm處測定吸光值。乳化活性與乳化穩(wěn)定性計(jì)算如公式(4)和公式(5)所示：

(4)

(5)

式中：N為稀釋倍數(shù)；c為樣品質(zhì)量濃度，g/m3；Ф為乳液中油相體積分?jǐn)?shù)；L為光程；A0為在0 min時的吸光度；At為30 min時的吸光值；t為水浴時間，30 min。

1.3.5 FSG抗氧化特性測定

1.3.5.1 清除羥自由基(·OH)能力的測定

參照王德才等[13]的測定方法進(jìn)行FSG樣品清除·OH能力的測定。

1.3.5.2 清除DPPH自由基能力的測定

參照VON等[14]的測定方法進(jìn)行FSG樣品DPPH自由基清除能力的測定。

1.3.5.3 總還原力的測定

參照HAFSA等[15]的方法進(jìn)行FSG樣品總還原力的測定。

1.3.5.4 清除ABTS陽離子自由基能力的測定

參照THAIPONG等[16]的方法進(jìn)行FSG樣品清除ABTS陽離子自由基能力的測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

用Excel 2010、Origin 2019b和SPSS 26進(jìn)行作圖與數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用單因素方差分析法進(jìn)行顯著性差異分析，當(dāng)P<0.05時，表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 亞麻籽餅粕的基本成分

通過測定得到原料亞麻籽餅粕的基本成分含量。水分含量為(0.93±0.01)%、灰分含量為(5.14±0.15)%、蛋白質(zhì)含量為(33.96±0.48)%、脂肪含量為(0.63±0.04)%、膳食纖維含量為(59.15±0.68)%。

2.2 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制結(jié)果如圖1所示，得到線性方程為y=10.271x+0.005 6，R2=0.998 6。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.3 熱水浸提法工藝的優(yōu)化結(jié)果

2.3.1 單因素試驗(yàn)

由圖2可知，料液比、提取時間、提取溫度3個因素對FSG的提取率均有顯著影響(P<0.05)。

a-料液比；b-提取時間；c-提取溫度

在料液比為1∶100～1∶300時，隨著料液比的增加，整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(P<0.05)，在料液比為1∶125時提取率達(dá)到最大值，因此選取料液比為1∶125為宜。

在提取時間為0.5～3 h下，F(xiàn)SG提取率隨時間延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在2 h時達(dá)到最高值。其可能原因是FSG溶出需要一定的時間，時間過短，F(xiàn)SG溶出不完全，在2 h時大部分FSG已溶出。提取時間為1.5與2 h無顯著差異(P>0.05)，考慮到浸提效率及過長的提取時間會滋生微生物以致對FSG質(zhì)量造成影響，選擇提取時間為1.5 h為宜。

在提取溫度為40～80 ℃，F(xiàn)SG提取率隨溫度的升高而升高(P<0.05)，在80 ℃時達(dá)到最大值。可能原因是低提取溫度下傳質(zhì)阻力較大，導(dǎo)致FSG溶出速率較低，而溫度升高致使分子間熱運(yùn)動加快，傳質(zhì)阻力降低，故提取率升高?？紤]到浸提溫度高于80 ℃后會對FSG結(jié)構(gòu)破壞較大，故選擇提取溫度為80 ℃為宜。

2.3.2 正交試驗(yàn)

由表1和表2可知，3個因素對FSG提取率的影響主次排序?yàn)镃(提取溫度)>B(提取時間)>A(料液比)，從9組處理中可以直觀找出最優(yōu)水平組合為第5組，即A2B2C3，此時提取率達(dá)到18.96%，正交優(yōu)化結(jié)果同樣為A2B2C3，故可得到熱水浸提法提取FSG的最佳工藝條件為：料液比1∶125、提取時間120 min、提取溫度80 ℃。SAFDAR等[17]采用熱水浸提法從亞麻籽中提取FSG，在提取溫度為100 ℃時達(dá)到最大提取率為8.92%，李小鳳等[18]同樣采用熱水浸提法從亞麻籽中提取FSG，得到的提取率為7.28%，這可能是由于提取所用原料來源、原料產(chǎn)地、提取工藝等的不同導(dǎo)致的。

表1 L9(33)正交設(shè)計(jì)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.4 超聲提取法工藝的優(yōu)化結(jié)果

2.4.1 單因素試驗(yàn)

由圖3可以看到，料液比、超聲時間和超聲功率3個因素均對FSG的提取效果影響顯著(P<0.05)。

a-料液比；b-超聲時間；c-超聲功率

當(dāng)料液比為1∶100～1∶300時，隨著料液比的增加，F(xiàn)SG提取率先升高后降低，當(dāng)料液比為1∶175時提取率達(dá)到最大，故選擇料液比1∶175為宜。

在超聲處理時間為10～60 min時，F(xiàn)SG提取率隨時間的延長而不斷升高，在超聲處理60 min時提取率達(dá)到最大，其中超聲時間50與60 min下的差異不顯著(P>0.05)，考慮到提取時間過長，生產(chǎn)周期增長的同時導(dǎo)致生產(chǎn)成本增大，故最佳提取時間為50 min。

在100～400 W的超聲功率下，F(xiàn)SG提取率隨著功率的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)超聲功率為200 W時提取率達(dá)到最大值，故選取超聲功率200 W為宜。

2.4.2 正交試驗(yàn)

由表3和表4可知，3個因素的主次關(guān)系為A(料液比)>B(超聲時間)>C(超聲功率)。從9個處理組中可以直觀找出最優(yōu)組合為第3組，即A1B3C3，提取率為23.82%，而正交優(yōu)化最佳水平組合為A2B3C3，此時提取率達(dá)到23.83%。經(jīng)過驗(yàn)證，正交優(yōu)化水平組合的FSG提取率優(yōu)于第3組處理，故得到超聲法提取FSG的最佳工藝條件為料液比1∶175、超聲時間50 min、超聲功率250 W。

表3 L9(33)正交設(shè)計(jì)因素水平表

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.5 掃描電鏡圖

由圖4可以看到，2種方法提取的FSG均呈立體且規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)均較疏松，不同之處是熱水提FSG的結(jié)構(gòu)更加厚實(shí)致密，片狀結(jié)構(gòu)較完整，超聲法提FSG的表面存在較多孔洞，其片狀結(jié)構(gòu)單薄且呈碎片化。2種方法提取的FSG表面結(jié)構(gòu)的差異可能與提取方法的作用強(qiáng)度有關(guān)，熱水浸提法作用條件較溫和，對所提FSG結(jié)構(gòu)破壞相對較小，而超聲法提取強(qiáng)度較大，可能是由于超聲產(chǎn)生的空化氣泡爆開時形成了小的高壓集中區(qū)域，導(dǎo)致其形成多孔洞的結(jié)構(gòu)。

a-熱水浸提FSG；b-超聲法提FSG

2.6 傅里葉紅外光譜圖

紅外光譜是根據(jù)分子內(nèi)部不同的官能團(tuán)、化學(xué)鍵振動或轉(zhuǎn)動等信息，以此來衡量物質(zhì)分子中官能團(tuán)或化學(xué)鍵的存在或變化的分析方法。由圖5可以看出，提取方法對FSG的結(jié)構(gòu)有一定影響。2 981～2 850 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動[19](熱水提FSG：2 945.24 cm-1)；1 291～1 460 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：1 483.07 cm-1，超聲提FSG：1 284.11、1 482.34 cm-1)為C—H的變角振動吸收峰[20]；1 426～1 409 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：1 426.01 cm-1)為C—H彎曲弱振動[21]；1 060～985 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：1 060.81 cm-1，超聲提FSG：1 063.54 cm-1)代表C—O鍵的伸縮振動；917 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：914.73 cm-1，超聲提FSG：909.61 cm-1)代表β-糖苷鍵的存在[19]；875～560 cm-1處的吸收峰(熱水提FSG：871.57 cm-1，超聲提FSG：864.99 cm-1)表明有糖結(jié)構(gòu)的存在[22]。2種提取方法得到FSG的二級結(jié)構(gòu)差異可能是超聲處理后由于機(jī)械作用的剪切力，破壞了多糖分子之間的相互作用，從而對其分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響[23]。

a-熱水浸提FSG；b-超聲法提FSG

2.7 理化性質(zhì)分析

2.7.1 pH穩(wěn)定性

FSG溶液的pH值對其流動行為和黏度等理化性質(zhì)有很大的影響，故分析貯存期間FSG的pH值變化是很有必要的。FSG溶液的最佳pH值為6.0～8.0。如圖6所示，在貯存過程中，熱水提FSG的pH值在6.38～6.61，超聲FSG在6.27～6.46時，熱水提FSG的pH值略高于超聲提FSG，這可能是由于高溫提取致使蛋白質(zhì)和多糖的變性導(dǎo)致的[11]。2種FSG溶液的pH值總體變化不大，可以看出2種方法提取的FSG均具有良好的pH穩(wěn)定性，這與HU等[11]的研究結(jié)果是相似的。

圖6 提取方法對FSG的pH穩(wěn)定性的影響

2.7.2 黏度測定結(jié)果

由圖7可知，在相同的質(zhì)量濃度下，熱水提FSG的表觀黏度顯著高于超聲提FSG(P<0.05)。這可能是因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)對黏度有一定的影響，超聲提取作用強(qiáng)度較大，相比于熱水提FSG，其片狀結(jié)構(gòu)單薄且呈碎片化，且超聲處理可能會破壞糖苷鍵，從而破壞大分子的聚集，此外，減少的分子間相互作用可能導(dǎo)致FSG溶液的表觀黏度顯著降低。

圖7 提取方法對FSG黏度的影響

2.7.3 起泡性測定結(jié)果

起泡性是一種衡量聚合物穩(wěn)定泡沫、限制漏氣及防止泡沫坍塌能力的指標(biāo)[11]。通過觀察泡沫體積及其隨時間的變化來確定FSG的起泡性和穩(wěn)定性。如圖8所示，可以看到超聲提FSG的起泡性和泡沫穩(wěn)定性顯著高于熱水提FSG(P<0.05)，可能的原因一方面是熱水提FSG具有較高的初始黏度，使其穩(wěn)定泡沫界面和抗坍塌的能力較低[11]；另一方面可能是由于超聲處理降低了FSG顆粒的粒度，同時降低了水的界面張力，有利于分子的快速擴(kuò)散[24]。

圖8 提取方法對FSG起泡性和泡沫穩(wěn)定性的影響

2.7.4 乳化性測定結(jié)果

乳化性是食品應(yīng)用中重要的功能性質(zhì)之一，乳化能力取決于親水膠體或乳化劑降低油水界面張力的能力。由圖9可以看出，超聲提FSG較熱水提FSG相比具有更好的乳化性和乳化穩(wěn)定性(P<0.05)，可能原因是高強(qiáng)度的超聲處理抑制了顆粒聚集，提高乳液界面吸附分子的能力。

圖9 提取方法對FSG乳化性和乳化穩(wěn)定性的影響

2.8 抗氧化性測定結(jié)果

由圖10可知，不同提取方法對得到的FSG的抗氧化能力均有影響，且熱水提FSG與超聲提FSG的4種抗氧化能力均隨FSG質(zhì)量濃度的增加而增加。

在FSG質(zhì)量濃度為2～10 mg/mL時，超聲提FSG的·OH清除能力高于熱水提FSG，但均低于抗壞血酸。FSG多糖中的羧基能夠絡(luò)合金屬離子如Fe2+等，抑制其與H2O2進(jìn)行反應(yīng)生成·OH，另一方面多糖中的羥基和羧基可作為氫供體，提供氫原子與·OH反應(yīng)從而清除·OH，因此，多糖含量較高的超聲提FSG的·OH清除效果更好。

超聲提FSG的清除DPPH自由基能力高于熱水提FSG，但均低于抗壞血酸。這可能是因?yàn)槎嗵堑那宄杂苫芰εc其供氫能力呈正相關(guān)[25]，多糖的羥基和羧基均可作為氫的供體，其中羧基更容易解離氫原子，使DPPH還原成DPPH-H，因此多糖含量相對高的超聲提FSG清除DPPH自由基能力更高。

總還原力是評價樣品抗氧化活性的重要指標(biāo)，還原能力測定通過鐵氰化鉀還原方法測量抗氧化劑的給電子能力，樣品的還原能力可以作為評估其潛在抗氧化性能的指標(biāo)[26]。如圖10-c所示，在質(zhì)量濃度為2～10 mg/mL時，超聲提FSG的總還原力高于熱水提FSG，均低于抗壞血酸的總還原力。

a-·OH清除活性；b-DPPH自由基清除活性；c-總還原力；d-ABTS陽離子自由基清除活性

ABTS陽離子自由基是帶正電荷的自由基，其清除過程的主要原理是電子的轉(zhuǎn)移[27]。如圖10-d所示，當(dāng)FSG的質(zhì)量濃度為0.4～2.0 mg/mL時，熱水提FSG的ABTS陽離子自由基清除率高于超聲提FSG，均低于抗壞血酸。

ABTS陽離子自由基是帶正電荷的自由基，其清除過程的主要原理是電子的轉(zhuǎn)移[27]。如圖10-d所示，當(dāng)FSG的質(zhì)量濃度為0.4～2.0 mg/mL時，熱水提FSG的ABTS陽離子自由基清除率高于超聲提FSG，均低于抗壞血酸。

3 結(jié)論

本研究對比了熱水浸提法和超聲法所得到的FSG在結(jié)構(gòu)、理化特性及抗氧化活性上的差異。在FSG的結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)方面，兩者有著密切的關(guān)聯(lián)性，熱水提FSG表面結(jié)構(gòu)相對完整致密，致使其相對于超聲提FSG而言具有較高的初始黏度，可用作食品增稠劑等，但同時其較高的初始黏度也是導(dǎo)致其起泡性及起泡穩(wěn)定性低于超聲提FSG的原因之一；超聲提FSG表面結(jié)構(gòu)疏松多孔，這是相對高強(qiáng)度的超聲處理引起的，這種處理也是其乳化性及乳化穩(wěn)定性高于熱水提FSG的一個原因，相比較下可見超聲提FSG較為適用于烘焙食品以及蛋黃醬和沙拉醬等?？寡趸苑矫妫?種方法提取的FSG均具有良好的抗氧化活性。本研究考察了提取方法對FSG的影響，為提高亞麻籽餅粕的利用率、擴(kuò)大FSG在食品中的應(yīng)用及功能性產(chǎn)品的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)及參考。