亞麻籽膠超聲輔助提取條件優(yōu)化及其熱穩(wěn)定性研究

任雪嬌

1.錦州醫(yī)科大學(xué)食品與健康學(xué)院（錦州 121000）；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院（沈陽 110866）

近年來，食物中的水溶性膠體尤其是植物中的多糖受到食品和藥物科學(xué)家的關(guān)注[1]。亞麻籽膠作為亞麻籽油生產(chǎn)的副產(chǎn)品，主要存在于亞麻籽的最外層，浸泡在水中很容易被溶解[2]，占種子干重的2%～10%[3]，是從完全干燥的亞麻籽種子中提取的多糖黏液。亞麻籽膠是一種異質(zhì)多糖，由75%的中性阿拉伯木聚糖和25%的鼠李糖半乳糖醛酸組成。亞麻籽膠水溶液因其功能性質(zhì)而倍受關(guān)注[4]，在食品工業(yè)中可作為增稠劑、穩(wěn)定劑和乳化劑，同時(shí)亞麻籽膠還具備良好的保水保油、流變特性和凝膠性。

目前，主要的多糖提取工藝有熱水浸提、微波輔助提取[5]、超聲輔助提取[6]以及酶輔助提取[7]。除此之外，人們又開發(fā)了多種新工藝，包括超臨界提取[8]、離子液體提取[9]、超高壓提取[10]、快速溶劑萃取和亞臨界水提取[8]等。不同的提取方法會影響多糖的提取率，甚至?xí)绊懚嗵堑慕Y(jié)構(gòu)以及功能性質(zhì)。其中，熱水浸提是多糖提取中的一種傳統(tǒng)提取方法，具有設(shè)備簡單、操作容易、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有諸多弊端，如提取時(shí)間長、溫度高、效率低等。超聲輔助提取主要是利用超聲波的空化作用，由于機(jī)械和熱效應(yīng)進(jìn)而破壞植物細(xì)胞壁，從而促進(jìn)多糖的溶出和擴(kuò)散，提高多糖提取率，也是目前在多糖提取中應(yīng)用較為廣泛的一種工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

亞麻籽膠（內(nèi)蒙古烏蘭察布興和縣）；95%乙醇（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；1, 1-二苯基-2-苦基肼（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；2, 2’-連氮基-雙-（3-乙基苯并二氫噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；過硫酸鉀（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；6-羥基-2, 5, 7, 8-四甲基色烷-2-羧酸（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

KQ-300GDV超聲波清洗器（昆山市超聲波儀器廠）；MCR92流變儀（奧地利安東帕有限公司）；BRT-11J烘烤箱（廣州展桌商用設(shè)備制造有限公司）；101-E型電熱鼓風(fēng)干燥箱（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）；TA-XT Plus型物性測試儀（英國Stable Micro System公司）；DH3600Ⅱ型電熱恒溫培養(yǎng)箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；N-1001型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海愛朗儀器有限公司）；Zeiss Sigma 500場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國蔡司公司）；Nicolet iS5 FT-IR傅里葉紅外光譜儀（賽默飛世爾科技公司）；D8Advance XRD衍射儀（德國布魯克光譜儀器公司）；STA409PC熱分析儀、DSC404F3差示熱量掃描儀（德國耐馳儀器制造有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 熱水浸提亞麻籽膠的提取

稱取100 g完整的亞麻籽于燒杯中，按料液比1∶15（g/mL）加入蒸餾水，在80 ℃的水浴中連續(xù)攪拌2 h，溶液以5 000 r/min離心15 min，在上清液中加入3倍體積95%的乙醇，浸泡過夜，離心（5 000 r/min，15 min）所得沉淀在50 ℃烘干，記為HWE[11]。

1.3.2 超聲波輔助提取亞麻籽膠條件優(yōu)化

1.3.2.1 單因素試驗(yàn)

考察超聲溫度（40，50，60，70和80 ℃）、超聲時(shí)間（20，30，40，50和60 min）和超聲功率（180，210，240，270和300 W）對亞麻籽膠提取率的影響。單因素試驗(yàn)時(shí)，其他因素水平選擇：超聲溫度60 ℃、超聲時(shí)間20 min、超聲功率240 W。稱取100 g完整的亞麻籽于燒杯中，按料液比1∶15（g/mL）加入蒸餾水，在60 ℃的超聲波清洗器中，以240 W連續(xù)處理30 min，溶液以5 000 r/min離心15 min，在上清液中加入3倍體積95%的乙醇，浸泡過夜，離心（5 000 r/min，15 min）所得沉淀在50 ℃烘干，記為UAE。

1.3.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)結(jié)果，對超聲溫度、超聲時(shí)間和超聲功率各選取三個(gè)水平，應(yīng)用Design Expert軟件，以UAE提取率為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面分析法，得到UAE提取的最佳工藝參數(shù)。其水平因素表如表1所示。試驗(yàn)共17組，中心點(diǎn)有5次重復(fù)試驗(yàn)。

表1 超聲波提取法Box-Behnken試驗(yàn)因素水平表

1.3.3 UAE提取率計(jì)算

UAE的提取率按照式（1）計(jì)算[12]。

式中：Wg為提取獲得UAE的質(zhì)量，g；Ws為用于提取的亞麻籽的質(zhì)量，g。

1.3.4 熱力學(xué)特性分析

取5.0 mg亞麻籽膠樣品，使用熱重分析儀在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行TG測量，其中加熱速率為10 ℃/min，溫度范圍為30～800 ℃。在鋁樣品盤中稱取5.0 mg亞麻籽膠，使用差示掃描熱量儀進(jìn)行DSC測量，用空鋁盤作參考。所有DSC測量均以10 ℃/min的加熱速率，使用以流速50 mL/min的氮?dú)庾鳛榇等霘怏w進(jìn)行，在30～400 ℃的范圍內(nèi)分析不同樣品的熱流變化[13]。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 23.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行變化顯著性分析，使用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪制圖表，使用Design Expert 8.0.6進(jìn)行響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 超聲溫度對UAE提取率的影響

超聲溫度對UAE提取率的影響如圖1所示。從40℃升溫到60 ℃的過程中，隨著溫度的增加，UAE的提取率顯著增加（P＜0.05），并在60 ℃達(dá)到最大值。分析其原因，主要是隨著溫度的升高，細(xì)胞破壞程度加大，亞麻籽中組織結(jié)構(gòu)變疏松，有利于親水性UAE的溶解和釋放。但當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，UAE的提取率隨溫度升高反而出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，其原因主要是在溫度較高的條件下多糖會發(fā)生降解，影響了UAE的提取率。

圖1 超聲溫度對UAE提取率的影響

2.1.2 超聲時(shí)間對UAE提取率的影響

超聲時(shí)間對UAE提取率的影響如圖2所示。隨著超聲時(shí)間從10 min增加到30 min，UAE提取率從6.74%顯著上升到9.12%（P＜0.05），并且在超聲時(shí)間30 min時(shí)，達(dá)到最大值，之后隨著時(shí)間的延長，提取率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。分析其原因，可能是時(shí)間短，超聲波對細(xì)胞壁的破壞較小，亞麻籽膠釋放得少，隨著時(shí)間的延長，超聲波產(chǎn)生的空化作用增強(qiáng)，促進(jìn)了物質(zhì)的釋放。然而過長時(shí)間的提取，反而造成提取率下降，一方面是由于隨著時(shí)間的增長，遭到破壞的細(xì)胞壁等不溶性物質(zhì)懸浮在水中，使溶劑的滲透性下降，另一方面是由于超聲波的機(jī)械作用使UAE中的多糖部分降解。

圖2 提取時(shí)間對亞麻籽膠提取率的影響

2.1.3 超聲功率對UAE提取率的影響

超聲功率對UAE提取率的影響如圖3所示。超聲功率從180 W到240 W的過程中，提取率從6.24%增加到9.18%（P＜0.05），在240 W時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)超聲功率超過240 W時(shí)，提取率反而呈下降趨勢。分析其原因，可能是超聲波功率過高，會產(chǎn)生較大的空化作用，對UAE的結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致大部分多糖降解，提取率下降。

圖3 超聲功率對亞麻籽膠提取率的影響

2.2 超聲波輔助提取法響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 回歸模型的建立

利用Design Expert軟件對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到UAE提取率和提取時(shí)間（A）、超聲功率（B）和提取溫度（C）的二次多項(xiàng)回歸方程：Y=9.15+0.14A+0.28B+0.16C+0.082AB-0.085AC-0.18BC-0.26A2-0.77B2-0.32C2。

2.2.2 模型擬合和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析不同參數(shù)下UAE的提取率見表2。UAE的提取率在7.42%～9.23%范圍內(nèi)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合基于方差分析的二元模型，響應(yīng)面的方差分析見表3。模型F值為111.99，P值＜0.000 1，表明該模型具有顯著性差異。失擬項(xiàng)F值為0.27，P值為0.843 4＞0.05，表現(xiàn)為不顯著，說明該模型合適。模型的相關(guān)系數(shù)R2為0.993 1，修正系數(shù)Radj2為0.984 2，表明該試驗(yàn)過程中僅有不到1.58%的變化不能用該擬合模型來解釋。兩個(gè)值均接近1，說明試驗(yàn)值與預(yù)測值有高度相關(guān)性。P值可以檢測每個(gè)因素對響應(yīng)值影響的顯著性。試驗(yàn)中，A（P=0.000 7）、B（P＜0.000 1）、C（P=0.000 3）、BC（P=0.001 2）、A2（P＜0.000 1）、B2（P＜0.000 1）、C2（P＜0.000 1）對UAE提取率額影響均為極顯著（P＜0.01），AB（P=0.044 8）、AC（P=0.040 2）對UAE提取率的影響為顯著（P＜0.05）。在3個(gè)因素對UAE提取率的影響中，超聲功率的影響是最大的，其次是超聲溫度，超聲時(shí)間的影響最小。由此可見，該模型能較好地描述各因素之間的關(guān)系，也能優(yōu)化UAE的提取工藝。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3 方差分析和參數(shù)顯著性檢驗(yàn)

2.2.3 響應(yīng)曲線和等高線分析

超聲時(shí)間、超聲溫度和超聲功率對亞麻籽膠提取率的二維等高線（圖4 a，c和e）以及三維響應(yīng)面圖形（圖4 b，d和f）表明3個(gè)因素對亞麻籽膠的提取率的影響存在交互作用，且影響均顯著（P＜0.05）。隨著超聲時(shí)間的延長、超聲功率的增大和超聲溫度的升高，亞麻籽膠的提取率會逐漸增加，達(dá)到最高值后緩慢下降，可能是由于較長的時(shí)間以及較高的溫度會引起多糖的降解，另外較高的超聲功率會引起空化效應(yīng)，破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，加速多糖的降解。

2.2.4 提取參數(shù)優(yōu)化及模型驗(yàn)證

通過模型預(yù)測的最佳提取條件為超聲時(shí)間32.68 min、超聲功率245.29 W、超聲溫度61.59 ℃，在此條件下，預(yù)測的亞麻籽膠最大提取率為9.21%。實(shí)際提取條件為超聲時(shí)間32 min、超聲功率245 W、超聲溫度62 ℃。經(jīng)過3次平行試驗(yàn)，亞麻籽膠的平均提取率為9.18%±0.12，達(dá)到預(yù)測值的99.57%，表明利用該模型來優(yōu)化亞麻籽膠的提取率是可行的。這一提取率要高于預(yù)試驗(yàn)利用熱水浸提方式制備的亞麻籽膠（7.30%±0.18）。Safdar等[12]在功率500 W、頻率22 kHz、振幅50%的條件下，使用直徑為13 mm的探針在不同時(shí)間間隔（10，15，10，25，20和30 min）進(jìn)行超聲處理，得到結(jié)論：隨著超聲時(shí)間的增加，提取率從5.41%增加到7.84%，且在30 min達(dá)到最大值，與此次試驗(yàn)的結(jié)論相一致，但此次試驗(yàn)對于亞麻籽膠的提取率要高于Safdar等[12]，說明在前人試驗(yàn)基礎(chǔ)上，該方法可以有效提高亞麻籽膠的提取率，是一種高效的提取方法。

2.3 熱力學(xué)特性分析

熱重分析法（TG）和差示掃描量熱法（DSC）是對不同生物聚合物，尤其是多糖的熱穩(wěn)定性進(jìn)行的兩種常見分析方法[14-15]。亞麻籽膠的TG分析如圖5所示。在低于100 ℃的溫度下，亞麻膠中約有10%的質(zhì)量損失，這可能是由于亞麻籽膠是親水性膠體，而膠體中游離水在此溫度蒸發(fā)，Alpizar-Reyes等[16]在羅望子膠種子粉末的研究中已得到相似的結(jié)論。可以看出，UAE的水分含量略低于HWE。在200 ℃的溫度范圍內(nèi)，觀察到亞麻籽膠質(zhì)量緩慢而穩(wěn)定地下降，超過此溫度，亞麻籽膠的質(zhì)量急劇下降至400 ℃，由于亞麻籽膠受熱分解導(dǎo)致質(zhì)量的快速損失，熱降解首先發(fā)生在半乳糖醛酸鏈，糖苷鍵斷裂，隨后羧酸基團(tuán)在環(huán)上發(fā)生脫羧反應(yīng)，同時(shí)生物聚合物大分子序列分解也會導(dǎo)致亞麻籽膠的分解。當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí)，質(zhì)量損失緩慢，可能是隨著溫度的升高，含脂肪基和酮基的固體炭接枝多環(huán)芳香烴的結(jié)構(gòu)會被破壞并緊密堆積[17]。

差示掃描量熱法（DSC）用于測量亞麻籽膠隨溫度升高發(fā)生的吸熱或放熱轉(zhuǎn)變，結(jié)果如圖5所示。不同提取方式HWE和UAE所得的亞麻籽膠均既有吸熱的轉(zhuǎn)變，也有放熱的轉(zhuǎn)變?？梢杂^察到HWE和UAE各有一個(gè)吸熱峰值出現(xiàn)在119.96 ℃和109.14 ℃，這一峰值的出現(xiàn)主要與亞麻籽膠中存在的自由水蒸發(fā)有關(guān)。HWE和UAE的放熱峰值分別出現(xiàn)在279.52 ℃和284.36℃，這一溫度對應(yīng)亞麻籽膠的分解。觀察到的結(jié)果與Rashid等[18]在64.7 ℃和279 ℃觀察到亞麻籽膠有兩個(gè)峰值的結(jié)果略有差異，可能與亞麻籽膠的來源不同有關(guān)。兩種樣品的放熱溫度UAE略高于HWE，說明UAE要比HWE更穩(wěn)定。Ezzati等[19]報(bào)道過，超聲波輔助提取可以提高向日葵果膠的穩(wěn)定性。亞麻膠的熱性能表明，生物高聚物具有很高的熱穩(wěn)定性，在微膠囊、乳液、懸浮液、面包制作等涉及高溫的工業(yè)應(yīng)用中是一個(gè)很好的選擇。在此研究中，通過熱力學(xué)分析可知，UAE比HWE具有更高的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了亞麻籽膠的超聲輔助提取工藝，并對其熱穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。在單因素條件的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對超聲溫度、超聲時(shí)間、超聲功率三因素進(jìn)行優(yōu)化，得到亞麻籽膠的最佳提取參數(shù)：超聲時(shí)間32 min、超聲功率245 W、超聲溫度62 ℃，在此條件下亞麻籽膠的提取率能夠達(dá)到9.18%。超聲輔助提取的亞麻籽膠比熱水浸提的亞麻籽膠具有更好的熱穩(wěn)定性，為其在食品中的應(yīng)用提供良好的理論基礎(chǔ)。