超聲波法對燕麥β-葡聚糖提取及性質(zhì)的影響

董興葉，孫 楚，劉 瑤，吳 非，*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學食品學院，黑龍江哈爾濱150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學經(jīng)濟管理學院，黑龍江哈爾濱150030）

β-葡聚糖主要存在于谷物及酵母菌細胞壁中，大麥和燕麥含量最高。脫殼燕麥中（1-3）（1-4）-β-D-葡聚糖含量為3%～7%，因品種及生長環(huán)境不同而不同。β-葡聚糖具有降血脂、降血糖、抗氧化、抑菌、清腸道及增強免疫力等功能[1-2]，而且在食品體系中可以起到增稠乳化等作用，廣泛應用于色拉醬、冰激凌及無脂肪酸奶中[3]。

基于β-葡聚糖具有良好的生理功能及在食品體系中重要作用，提出一種提取β-葡聚糖省時節(jié)能的方法至關重要。國內(nèi)外有運用微波法、超聲波法、凍融法等方法提取燕麥麩皮中β葡聚糖的報道[4-5]，但均未對新的提取方法對其性質(zhì)是否有不利影響進行研究，且提取原料均集中在燕麥麩皮上。β-葡聚糖的持水性與乳化性、起泡性、黏度、生理功能性等都有必然關系，持油性作為衡量食品添加劑性能重要指標之一，因此檢驗持水性、持油性非常必要。

本論文對超聲波法提取燕麥全粉中β-葡聚糖工藝進行初探，并對提取的產(chǎn)品與水提法得到的產(chǎn)品進行持水性與持油性的對比，旨在為超聲波法提取β-葡聚糖的應用奠定理論基礎[6]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥 市售；大麥β-葡聚糖標準品 Sigma公司；無水乙醇、鹽酸、碳酸鈉等 均為分析純。

R-1005型旋轉蒸發(fā)器 北京瑞成偉業(yè)儀器設備有限公司；722S型分光光度計 上海菁華科技儀器有限公司；SC-3614型低速離心機 安徽中科中佳科學儀器有限公司；KQ-800GKDV型超聲恒溫數(shù)控超聲波清洗器（40kHz） 昆山市超聲儀器有限公司；PHS-25C型酸度計 上海大普儀器有限公司

1.2 實驗方法

1.2.1 指標測定

1.2.1.1 燕麥β-葡聚糖得率的測定 采用剛果紅標準曲線法[7]對β-葡聚糖濃度進行測定，燕麥β-葡聚糖得率的計算公式如下：

式中：m為粉末狀成品中燕麥β-葡聚糖質(zhì)量，g；M為提取質(zhì)量為m的β葡聚糖所需的燕麥粉質(zhì)量（干重），g。

1.2.1.2 燕麥β葡聚糖持水性及持油性的測定 燕麥β-葡聚糖持水性以吸水率為指標，測定按文獻[8]中的方法，持油性以吸油率為指標，測定按文獻[9]中的方法。

1.2.2 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的單因素實驗 影響超聲波提取效果的因素很多，如超聲的功率、時間、液料比、頻率、溫度、作用方式等都會產(chǎn)生一定的影響[10]。此外，提取效果還與提取對象密切相關[11]。根據(jù)預實驗結果及前人相關實驗結果（β-葡聚糖和多糖的提取影響因素）[12-14]，選擇液料比、超聲波功率、超聲波時間、提取溫度和提取液pH為影響因素，研究不同水平下對燕麥β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.1 超聲功率對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，提取時間30m in，液料比20∶1，pH 9.0，研究超聲功率480、560、640、720、800W時對β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.2 pH對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，提取時間30m in，液料比20∶1，超聲功率為上述優(yōu)化出的結果，研究pH7、8、9、10、11、12時對β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.3 超聲時間對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，液料比20∶1，超聲功率及pH為上述優(yōu)化出的結果，研究超聲時間15、25、35、45、55m in時β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.4 液料比對燕麥β-葡聚糖得率影響 提取溫度50℃，超聲功率、超聲時間及pH為上述優(yōu)化出的結果，研究不同液料比12∶1、16∶1、20∶1、24∶1、28∶1對燕麥β-葡聚糖得率的影響。

1.2.2.5 提取溫度對燕麥β-葡聚糖得率影響 超聲功率、液料比、超聲時間及pH為上述優(yōu)化出的結果，研究不同溫度30、40、50、60、70℃對燕麥β-葡聚糖得率的影響。

1.2.3 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的正交實驗

在單因素實驗的基礎上，選擇三個影響較大的因素并各取3個水平，以β-葡聚糖得率為實驗指標，進行L9（34）正交實驗，實驗因素與水平編碼見表1。

1.2.4 燕麥β-葡聚糖的制備 燕麥的預處理：燕麥粉經(jīng)80%乙醇回流3h后，干燥備用。

1.2.4.1 超聲波法 按照優(yōu)化出的實驗條件，在超聲波清洗器中提取燕麥粉中的β-葡聚糖。提取液按如下方法處理得到β-葡聚糖產(chǎn)品：提取液離心（3500r/min， 20min）分離得到上清液1和殘渣，殘渣二次提取，得到提取液2，合并提取液1和2，上清液經(jīng)去淀粉、去蛋白質(zhì)，活性炭脫色后，醇沉得到沉淀。沉淀加水復溶，離心去除不溶物后，上清液中加入硫酸銨，并使其最終濃度達到20%，沉淀出的燕麥β-葡聚糖再次溶解于蒸餾水中，透析袋透析，截留液真空濃縮后冷凍干燥得到粉末狀成品。

表1 超聲波提取的實驗因素與水平編碼表Table1 Factors and levels of orthogonal experimenton ultrasonic extraction

1.2.4.2 水提法 按照本實驗室前期實驗確定的水提法提取β-葡聚糖的最優(yōu)工藝條件（提取溫度80℃，時間3h，pH 11，提取次數(shù)2次，液料比25∶1），在水浴鍋中提取燕麥粉中的β-葡聚糖，提取液按超聲波方法處理得到粉末狀成品。

1.3 統(tǒng)計分析

所有實驗均平行3次，采用Excel 2003對單因素條件進行分析，采用SPSS 18.0進行正交分析。

2 結果與分析

2.1 剛果紅法測定β-葡聚糖含量的標準曲線

以β-葡聚糖質(zhì)量濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標，繪制標準曲線，結果見圖1。

圖1 剛果紅法測定β-葡聚糖含量的標準曲線Fig.1 The standard curve of determination of the β-glucan contentby congo red method

2.2 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的單因素實驗

2.2.1 超聲功率對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖2可知，隨著超聲功率的增大，β-葡聚糖的得率也隨之增大。這是由于功率增大時提取液循環(huán)加速，β-葡聚糖溶解與擴散速度增加，提取液與物料的接觸機會也會增多，同時超聲功率增大時空化作用能有效地破壞物料的細胞壁，使β-葡聚糖得率增加[11，15]。但超聲功率超過720W時，得率有所下降。這是由于功率過大時空化氣泡沒有足夠的時間爆破，超聲空化作用減弱[11]，也有可能是大功率時物理剪切作用大致使糖苷鍵被打斷[12]，β-葡聚糖結構被破壞使得率下降。因此，超聲波法提取時功率選取720W為宜。

圖2 超聲功率對β-葡聚糖得率的影響Fig.2 Effectof the ultrasonic power on oatβ-glucan yield

2.2.2 提取液的pH對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖3可知，隨著提取液pH升高，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于β-葡聚糖本身具有堿溶性，堿性較強時有利于其從細胞中溶出，使得提取率增加，可見弱堿性的條件有利于β-葡聚糖的提取。但當提取液的pH超過10時，得率反而下降，這是由于β-葡聚糖在強堿性條件下發(fā)生糖苷鍵的斷裂，其他的雜質(zhì)也被提取出來使得溶液變成糊狀，游離水數(shù)量變少，從而使β-葡聚糖溶出受阻[13]。另外，pH升高時提取液顏色逐漸加深，可能是體系中發(fā)生了美拉德反應。因此，本實驗選擇提取的pH為10。

圖3 提取液pH對β-葡聚糖得率的影響Fig.3 Effect of the pH on oatβ-glucan yield

圖4 超聲時間對β-葡聚糖得率的影響Fig.4 Effect of the ultrasonic time on oatβ-glucan yield

2.2.3 超聲時間對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖4可知，隨著超聲時間的增加，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于破壞所有原料的細胞壁及β-葡聚糖與提取液達到擴散平衡需要一定的時間，在一定限度內(nèi)，隨時間的增加得率會增加。但當超聲時間超過35m in時，得率反而下降。這可能是由于超聲作用時間過長時，局部溫度積累過高使β-葡聚糖發(fā)生降解[11]，雜質(zhì)相應的也被提取出來導致β-葡聚糖的溶出受到一定程度的影響[14]，還有可能是超聲作用過程中，β-葡聚糖先析出后被重新吸附導致β-葡聚糖得率下降[11]。因此，本實驗超聲時間選取35min。

2.2.4 液料比對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖5可知，隨液料比的增加，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于液料比越大，燕麥細胞內(nèi)外溶質(zhì)的濃度差越大，這樣傳質(zhì)的推動力也相應的增大，有利于β-葡聚糖的浸出。但液料比超過20∶1時，得率不但沒有增加反而略微下降的趨勢。可能是傳質(zhì)推動力的加大，雜質(zhì)浸出量也相應增加，在醇沉過程中，雜質(zhì)包埋了一部分β-葡聚糖使得β-葡聚糖沒有被沉淀出來，致使得率下降。因此，本實驗液料比選取20∶1。

圖5 液料比對β-葡聚糖得率的影響Fig.5 Effectof the ratio ofwater tomaterial on oatβ-glucan yield

圖6 提取溫度對β-葡聚糖得率的影響Fig.6 Effect of the extraction temperature on oatβ-glucan yield

2.2.5 提取溫度對燕麥β-葡聚糖得率的影響 由圖6可知，隨提取溫度的增加，β-葡聚糖的得率隨之增加。這是由于溫度升高時溶質(zhì)分子與溶劑分子運動速率加大，同時也促進了溶質(zhì)的擴散作用，從而有利于提高β-葡聚糖得率。但提取溫度超過50℃時，得率反而下降。這是由于溫度過高時可能引起β-葡聚糖的降解[16-18]，進而活性會降低，更重要的會引起淀粉的糊化，體系黏度升高，不利于β-葡聚糖的浸出，糊化的淀粉還會包埋一些β葡聚糖[19]。因此，本實驗提取溫度選取50℃。

2.3 超聲波對燕麥β-葡聚糖得率影響的正交實驗

由單因素實驗結果可知，pH、提取溫度對燕麥β-葡聚糖的得率影響較小，因此選擇液料比、超聲功率和超聲時間三個對燕麥β-葡聚糖的得率影響較大的因素進行正交實驗，結果見表2。

表2 超聲波提取正交實驗結果Table2 Results of orthogonal experimenton ultrasonic extraction

由表2實驗結果得知，各提取因素對β-葡聚糖得率影響的順序為液料比＞超聲功率＞超聲時間。提取燕麥β-葡聚糖的最優(yōu)方案為A2B2C2，即超聲功率720W，超聲時間35m in，液料比20∶1，由于該組合不在實驗計劃內(nèi)，因此，在最優(yōu)條件下進行三次平行驗證性實驗，平均得率高達4.09%。而常規(guī)水提法得率僅為3.05%。

2.4 超聲波法與水提法得到的β-葡聚糖性質(zhì)比較

利用超聲波法及水提法提取燕麥β-葡聚糖，由于提取方法不同，提取出產(chǎn)品的性質(zhì)不盡相同，表3為產(chǎn)品性質(zhì)比較。

表3 超聲波法與水提法提取的β-葡聚糖性質(zhì)比較Table3 Comparison of the properties ofβ-glucan between by watermethod extraction and by ultrasonic treatmentextraction

由表3可知，超聲波法提取的β-葡聚糖吸水率及吸油率較水提法略高。推測是由于超聲處理影響了多糖的網(wǎng)狀結構，更容易吸附貯存水分子及油分子，這一結論需要進一步掃描電鏡圖實驗驗證。這種推測的依據(jù)是超聲法提取的玉竹多糖較水題法得到的持水力和持油力高，通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)超聲法得到的多糖形成空隙更大，這種結構更容易吸附貯存水分子及油分子[20]。物化結構及性質(zhì)影響多糖的持水力及持油力[21]，還有可能是超聲波法所需的時間短且提取液的pH較水提法低，降低了多糖分子在提取過程中的損傷[14，22]，分子量較大，較易與油水分子緊密結合[23]。超聲波法提取的β-葡聚糖的吸水率及吸油率較水提法略高的原因還需通過相應的實驗得以確證。

3 結論

超聲波提取燕麥β-葡聚糖的最優(yōu)工藝條件為：液料比20∶1，超聲功率720W，超聲時間35m in，溫度50℃，pH10，在最優(yōu)工藝條件下β-葡聚糖得率為4.09%。水提法的最優(yōu)工藝條件為：提取溫度80℃，時間3h，pH11，提取次數(shù)2次，液料比25∶1，在最優(yōu)工藝條件下β-葡聚糖得率為3.05%（本實驗室測得）。因此，超聲波法是一種提取率高、省時節(jié)能且對產(chǎn)品持水性和持油性不產(chǎn)生不利影響的提取方法。

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