燕麥β-葡聚糖特性、功效及不同因素對其提取效果影響研究進展

樊琳娜，何聰芬

（北京工商大學理學院，北京100048）

燕麥β-葡聚糖特性、功效及不同因素對其提取效果影響研究進展

樊琳娜，何聰芬*

（北京工商大學理學院，北京100048）

對國內外對于燕麥β-葡聚糖物化特性分析現狀進行了總結，發現與其他來源的β-葡聚糖相比，燕麥β-葡聚糖具有更好的水溶性和皮膚滲透性以及較強的吸附小分子的能力，應用前景廣闊。此外我們討論了品種、生長環境、加工處理、提取工藝4方面因素對其提取效果的影響，旨在為燕麥β-葡聚糖的提取與進一步研究提供建議。

燕麥；β-葡聚糖；特性；處理；提取

葡聚糖（glucan）為右旋吡喃葡萄糖聚合體，分子式為（C6H10O5）n，其相鄰葡萄糖殘基的碳1、2、3、4、6的半縮醛氧之間以葡糖苷鍵連接構成骨架，有α和β位兩種結構形式［1］。β-葡聚糖（β-Glucan）作為葡萄糖的高聚物，因其葡萄糖苷鍵為β-1，3鍵而得名［2］。β-葡聚糖除具有主鏈與分支的基本結構特征以外，還具有螺旋特性的高級結構，高分子量的β-1，3-葡聚糖主要以1重和3重螺旋2種高級結構的形式存在，同時也存在由低分子或者帶電荷的分子構成的隨機鏈圈狀態［3］。

β-葡聚糖在植物和微生物中廣泛存在，是細胞壁的重要成分，因分子量、分支度等不同而以多種形式存在［4］，見表1。

分布于表皮棘層的和基底層細胞間朗格漢斯細胞能捕獲和處理侵入皮膚的抗原，并傳遞給T細胞，可使特異性T細胞增殖和激活。β-1，3-D-葡聚糖能與朗格漢斯細胞特異性結合，引起一系列免疫應答，從而產生如粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（Colonystimulating factor，GM-CSF）、表皮生長因子（Epidermal growth factor，EGF）、成纖維細胞生長因子（Fibroblast growth factor，FGF）和血管內皮細胞生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）等細胞因子［9］。GM-CSF能刺激細胞分化，同時增強成熟細胞功能；EGF的增加不僅可以啟動細胞內一些重要功能基因活化和表達，提高膠原蛋白和彈性蛋白的生成，進而改善皮膚老化生成皺紋的問題，還可以刺激各種細胞的增殖遷移，加快表皮的新舊更替；FGF能夠促進平滑肌細胞的增殖和新血管形成，修復受損皮膚；VEGF參與正常血管結構的維持，并調節生理和病理性血管新生［10］。

表1　不同來源β-葡聚糖結構特點、分子量及功能Table 1Structure，molecular weight and functions of β-glucan of different sources

此外，顆粒葡聚糖給藥能增強血細胞的生成活性，包括粒細胞、單核白細胞和紅細胞的生成，從而導致從接近致命劑量的輻射中得到恢復［11］，這不失為其一個應用前景廣闊而值得關注的功能。β-葡聚糖不足之處在于，可能引起呼吸道炎癥，引發變態反應并與花粉敏感征候群有關［4］。

1燕麥β-葡聚糖物化特性概況

燕麥β-葡聚糖通過β-（1，3）和β-（1，4）糖苷鍵把β-D吡喃葡萄糖單位連接起來而形成的一種高分子無分支線性黏多糖，其中約含有70%的β-（1，4）鍵和30%的β-（1，3）鍵［12］。

盡管目前對β-葡聚糖的作用機理尚未完全研究清楚，但一致認為黏度和溶解性會對其皮膚吸收效果有決定性作用，進而影響多種生理功能的發揮。而燕麥β-葡聚糖的黏度除了與分子結構和濃度有關外，很大程度上取決于分子量的大小和分子形狀［13］。燕麥β-葡聚糖溶液黏度隨剪切速率的增高而逐漸降低；與其分子量成正比，與溶液溫度成反比；與中性溶液相比，弱酸性或弱堿性環境均可導致β-葡聚糖溶液黏度的下降；隨著其濃度的增加和分子量的增大，其流體的黏性行為特征減少而彈性行為特征增強；隨著流體溫度升高，燕麥β-葡聚糖流體的黏性和彈性行為均逐漸減弱［14］。

研究表明，β-葡聚糖的水溶性（占大多數）和非水溶性主要是受其結構中β-（1，3）糖苷鍵的含量和聚合度的影響。水溶性β-葡聚糖中β-（1，3）糖苷鍵與β-（1，4）糖苷鍵含量之比為1∶2.5～1∶2.6，而非水溶性β-葡聚糖中相應糖苷鍵含量之比為1∶4.2［15］。

如圖1所示，燕麥葡聚糖和酵母葡聚糖都是β-1，3-葡糖苷鍵為主鏈的葡萄糖多糖，但是燕麥葡聚糖側鏈是β-1，4-葡糖苷鍵，酵母葡聚糖側鏈則是β-1，6-葡糖苷鍵。而Peterson等檢測得出，燕麥β-葡聚糖中β-（1，3）糖苷鍵與β-（1，4）糖苷鍵含量之比為：（1∶2.1～1∶2.4）、大麥、黑麥、小麥分別為：1∶2.8～1∶3.3、1∶3.0～1∶3.2、小麥：1∶3.0～1∶3.8［16］。所以很明顯，燕麥β－葡聚β－葡聚糖糖比市場占有量最大的酵母β－葡聚糖以及其他谷物的水溶性更強。

圖1　燕麥葡聚糖和醇母葡聚糖Fig.1Oat glucan and yeast glucan

目前，應用于化妝品中的β－葡聚糖多是不溶于水的酵母β-葡聚糖固體顆粒（D=0.2 μm），通常以山梨醇作為有效懸浮劑，一般在傷口愈合時使用。對酵母β-葡聚糖進行羧甲基化改性處理可以改進產品水溶性，使酵母β-葡聚糖可以應用于現代功效性化妝品配方中，但同時也影響了分子的3-D-結構和生物功能：羧甲基化取代度超過75%時，生物學功能開始喪失；β-葡聚糖分子完全被取代則會導致其生物功效的完全喪失［9］。由此來看，燕麥β-葡聚糖的開發對化妝品中β-葡聚糖的應用意義重大。

燕麥β-葡聚糖的溶液在低于1%的濃度范圍內，顯示出較好的均質特性和黏性流體特性，是理想的牛頓流體；當濃度達到2%時候，β-葡聚糖就會顯示出一些異質和黏彈性［17］；當濃度達到2 g/L以上時，具有假塑性流體的特性，即表觀黏度值隨剪切速率的增大而減小，為其在作為增稠劑和穩定劑奠定了基礎［12］。其次，燕麥β-葡聚糖對熱、酸、堿等都比較穩定，已經作為良好的乳化劑、增稠劑和穩定劑應用于食品工業，甚至還憑借較好的持水性和持油性添加在肉制品中改善其口感［18］。再者，燕麥β-葡聚糖具有較強的吸附小分子的能力，能與蛋白質競爭，和多酚通過氫鍵、疏水相互作用等結合，形成的多糖多酚復合物能為機體提供更持久的抗氧化能力［19］。MarkRedmond和RaviPillai、Joachim Roding等應用人體皮膚模型染料熒光追蹤試驗，發現燕麥β-葡聚糖分子能通過細胞間隙，對表皮層有明顯的滲透現象。這些特點也表明燕麥β-葡聚糖的應用具有廣闊的前景。

2燕麥β-葡聚糖提取效果及特性的影響因素

不同燕麥品質、燕麥的生長環境、加工過程以及提取工藝4種因素對燕麥β-葡聚糖含量及物化特性有不同影響。

2.1燕麥品種間差異

研究表明，不同種間燕麥β-葡聚糖含量變化較大，裸燕麥（A.nuda，大粒裸燕麥，又稱莜麥）含量高于皮燕麥（Sativa，普通栽培燕麥，習慣稱燕麥）。可溶性β-葡聚糖與總含量的比值也表現出明顯的品種差異，皮燕麥品種在各個時期該指標均高于裸燕麥品種［20］。不同燕麥品種β-葡聚糖含量變化范圍為3.14%～7.43%，最大差異為4.29%［21］。張海芳等采用剛果紅分光光度法測定了16種在內蒙古武川和卓資山種植的不同品種的燕麥籽粒β-葡聚糖含量，其中，β-葡聚糖含量在6.0%以上的品種有7個：燕科1號（裸）＞武川小莜麥（裸）＞保羅（裸）＞大燕麥（皮）＞白燕7號（皮）＞卓資山大莜麥（裸）＞莜麥4 400（裸），這些品種可作為燕麥高β-葡聚糖育種的基礎材料［22］。此外，不同品種燕麥β-葡聚糖的分布位置也不同：含量低的品種中主要分布于糊粉層與亞糊粉層，而含量高的品種胚乳內也有較高濃度的分布［23］。燕麥麩皮是燕麥粉加工過程中的副產品，主要由去殼燕麥的最外層和部分胚乳組成。研究表明，經加工后燕麥麩皮中β-葡聚糖含量為6.6%～11.3%，在去皮的燕麥粉中為3.0%～5.4%［24］，因此常從燕麥麩皮中提取。

2.2燕麥的生長環境

不同年度、不同地區種植的同種燕麥中β-葡聚糖含量差異較大，說明降雨、溫度、土質等環境因素對燕麥β-葡聚糖的形成和積累有重要影響。籽粒成熟期溫度相對較高，則籽粒β-葡聚糖含量也較高。雨水少、干旱或水分脅迫同樣會導致籽粒β-葡聚糖積累量的提高，相反在氣候溫和、降水量高的地區β-葡聚糖含量往往較低［25］。衣瑩等研究了壩莜1號、壩莜2號、壩莜3號、壩莜10號4個基因型燕麥在沈陽、彰武、臺安和引種地壩上地區4個試驗點的β-葡聚糖含量及其與氣象因子的關系，結果卻表明生長發育過程中較高溫度不利于β-葡聚糖含量的積累，而較長的日照時數有利于β-葡聚糖含量的提高，說明產自低溫強日照地區的燕麥中β-葡聚糖含量較高［26］。

2.3加工過程的影響

研究發現，不同加工工藝會引起燕麥β-葡聚糖含量及多種物化特性改變，包括黏度、流體性質、分子量、化學結構等。劉文勝等［27］的研究表明，燕麥籽粒經紅外烘烤后，燕麥粉中β-葡聚糖含量變化不大；而經炒制和蒸制處理后，比對照組平均高出了0.76%。炒制、蒸制和紅外烘烤處理燕麥籽粒均使燕麥粉糊化溫度下降，峰值黏度、最終黏度和低谷黏度提高。

燕麥粉經過制作面包的烘焙過程后，β-葡聚糖的提取率增加，且提取的β-葡聚糖中三聚體和四聚體的比例增加［28］，同時高分子量（MW＞1×106）β-葡聚糖的比例降低，低分子量的比例增加，而分子量在1×106和2×106之間的β-葡聚糖減少了近50%［29］。

擠壓過程中的高溫、高壓、高剪切力作用可能會促使分子間價鍵斷裂，分子裂解及分子極性變化，從而導致產品中β-葡聚糖更容易聚集，凝膠化溫度、溶解度、膨脹度、表觀黏度和稠度系數等都有所增加，流動行為指數降低［30］，同時含量增加，可溶性與不溶性纖維的比例增加［31］。

均質處理，尤其是高壓均質處理后，β-葡聚糖的機械裂解使其結構儲藏穩定性增加，又導致其溶解度的增加。經過均質處理后，溶液的黏度明顯降低，流體的性質從剪切稀釋變成了牛頓流體［32］。

氧化過程中，β-葡聚糖發生降解而黏度降低，且氧化后的β-葡聚糖羰基和羧基增加，分子的膨脹能力改變，與膽汁酸的結合能力也增強［33］。發芽過程中，燕麥β-葡聚糖含量總體降低趨勢很大。磨粉對β-葡聚糖的結構沒有影響，但會影響燕麥中β-葡聚糖的分子量，進而導致黏度的差異［34］。靈芝菌、真姬菇菌等食用真菌則對燕麥β-葡聚糖具有較強的降解作用［35］。

2.4提取工藝條件的影響

潘妍等［36］進行了水提法提取燕麥β-葡聚糖的優化，得出水提法提取燕麥β-葡聚糖的最佳條件為：pH12，液料比為25 mL/g，溫度為40℃，操作時間4 h。喬有明［13］等采用凝膠色譜法對不同提取因子對水提法提取得到的燕麥β-葡聚糖的分子量進行了分析，發現燕麥β-葡聚糖產品相對分子質量分布范圍為3.64× 104～1.67×106。在滅內源酶溫度為140℃，脫脂時間為10 min，浸提溫度為80℃，浸提時間為1 h，pH為11，液料比為12 mL/g條件下，所得到的燕麥β-葡聚糖的相對分子質量較大；反之，在滅內源酶溫度為60℃，脫脂時間為50 min，浸提溫度為40℃，浸提時間為2 h，pH為1或7，液料比為20 mL/g條件下，燕麥β-葡聚糖的相對分子質量達到最小。李小鵬等［37］對水提、酶提，發酵提取的燕麥β-葡聚糖的分子量和透皮吸收率做了測定比較和初步研究。結果表明，β-葡聚糖分子量大小為：水提法＞酶提法＞發酵法；皮膚透過率大小為：發酵法＞酶提法＞水提法。此結論對工業化生產燕麥β-葡聚糖中提取工藝的選取具有一定的指導意義。

3總結與討論

通過對現已發表的資料進行研究總結，我們發現目前國內外對β-葡聚糖的結構、性質、制備方法的研究已較為深入，但對其生理功能的作用機制方面的探討還存在著不足。

燕麥β-葡聚糖的含量、分布位置和分子量：裸燕麥含量高于皮燕麥，可溶性β-葡聚糖的比例也較大，就化妝品中的應用而言更有利；燕麥基因型對β-葡聚糖含量與分布的影響也較大，含量低的品種中主要分布于糊粉層與亞糊粉層，從燕麥麩皮中提取率較高；而含量高的品種胚乳細胞內也分布著較高濃度的β-葡聚糖。

對于不同前處理工藝，炒制、蒸制、烘焙、擠壓有利于提高燕麥β-葡聚糖的提取率，烘培后燕麥β-葡聚糖分子量會相對變小，更有利于被吸收利用，炒制、蒸制、紅外烘烤、擠壓、均質處理均會導致燕麥β-葡聚糖黏度的增大；均質還有利于溶解度的增大；氧化處理會導致燕麥β-葡聚糖的化學結構發生改變；部分真菌也會使燕麥β-葡聚糖發生降解。燕麥β-葡聚糖的提取工藝中水提法使用較多，提取條件的研究也已較為完善，而發酵法得到的分子量較小皮膚透過率也較高，使用效果更好，值得進行工藝方面進一步地優化與完善研究。

此外，對于不同前處理與制備工藝下得到的燕麥β-葡聚糖的分子量、分支度、空間幾何構象之間的區別的研究，結論比較零散，較為系統的分析目前未見報道。特定分子量、分支度、空間幾何構象的β-葡聚糖具的黏度、流體性質和生物活性有什么特別之處，我們又該進行怎樣的處理以更加適應于人類吸收系統的吸收，發揮其最大功效，同樣有待進一步地研究。

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Progress of Research on Oat β-glucan and the Factors Affecting its Extraction

FAN Lin-na，HE Cong-fen*
（School of Science，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

By summarizing the progress of research on properties of oat β-glucan so far at home and abroad，we discovered that comparing with other sources，oat β-glucan has advantages such as good solubility，skinpermeability and high absorption of small molecules，so it has a good prospect in cosmetics.We also discussed four factors affecting its properties including variety，environment，processing and extraction：different varieties of oat have distinctions in the content and position of β-glucan；processing and extraction have an obvious influence on the extraction rate，even molecular structure and weight.All properties are important in the application of oat β-glucan，so we could provide suggestions for the extraction and further research of oat βglucan through this article.

oat；β-glucan；features；properties；processing；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.15.040

2014-03-21

樊琳娜（1991—），女（漢），在讀碩士，研究方向：化妝品科學與技術。

何聰芬，副院長，主任。