亞麻籽膠微波輔助提取與熱水浸提方法比較研究

李小鳳 趙倩竹 滕英來 廖文鎮 李愛軍汪 勇 Martin J.T.Reaney

亞麻籽膠微波輔助提取與熱水浸提方法比較研究

李小鳳1，2趙倩竹1，2滕英來1，2廖文鎮1，2李愛軍1，2汪 勇1，2Martin J.T.Reaney1，3

（暨南大學食品科學與工程系暨南大學－薩斯喀切溫大學“油料生物煉制與營養”聯合實驗室1，廣州 510632）
（廣東省油脂生物煉制工程技術研究中心2，廣州 510632）
（薩斯喀切溫大學植物科學系3，加拿大薩斯卡通 S7N 5A8）

本研究通過單因素和正交優化試驗分別確定了熱水浸提與微波輔助提取兩種方法提取亞麻籽膠的最佳工藝條件。結果表明，熱水浸提法提取亞麻籽膠的最佳工藝為：溫度80℃、時間6 h、料液比1∶10、提取次數1次；該條件下亞麻籽膠得率為7.28%，所得的亞麻籽膠中，多糖質量分數為68.13%，蛋白質質量分數為10.21%。微波輔助提取的最佳工藝為：溫度80℃、時間1 h、料液比1∶10、輸出功率600 W、攪拌速度900 r／min、提取次數1次；該條件下亞麻籽膠得率為6.46%，其中多糖質量分數為63.13%，蛋白質質量分數為13.75%。通過掃描電鏡對提膠前后亞麻籽表面微觀形態分析表明，膠液的溶出會破壞亞麻籽表面，微波處理對亞麻籽表層結構破壞大于熱水浸提。紅外吸收光譜分析表明，所得提取物在1 410 cm－1的C－H變角振動和2 930 cm－1的C－H伸縮振動以及1 039 cm－1的O－H變角振動，構成了糖環的特征吸收峰，證明獲得的亞麻籽提取物為亞麻籽膠。

全亞麻籽 亞麻籽膠 熱水浸提 微波輔助提取 掃描電鏡 紅外光譜

亞麻（Linum ustitatissimum L.）是世界五大油料作物之一，主要產于加拿大、中國、美國、印度、烏克蘭、英國和俄羅斯等國家［1］。亞麻籽是亞麻的種子，呈平橢圓狀，種皮顏色分為黃色和棕色，主要由膠質薄膜、種皮、胚乳和子葉組成（圖1）［2］。亞麻籽營養成分豐富，其胚乳和子葉富含不飽和脂肪酸和必需氨基酸，具有較高營養價值［3］。此外，亞麻籽還含有豐富的糖類，按其溶解性分為水溶性多糖與水不溶性多糖，水不溶性多糖主要包括纖維素和木酚素，水溶性多糖中主要成分是亞麻籽膠，主要存在于亞麻籽最外層的膠質薄膜層，其質量分數約為6.5%～10.2%，隨品種來源不同而有所差異［4］。亞麻籽膠主要成分為多糖，由木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、鼠李糖和巖藻糖組成。研究表明，亞麻籽膠作為一種可溶性的膳食纖維，具有降低血膽固醇水平、減少冠狀動脈硬化、降低糖尿病、預防結腸癌等作用，具有廣闊的發展前景［5］。

圖1 亞麻籽的正面圖和剖面圖［2］

目前，亞麻籽膠主要從脫脂餅粕、亞麻籽殼、全亞麻籽或亞麻籽粉中提取，提取方法根據是否用水做溶劑分為干法和濕法［6］。Kitahara Koji等［7］提出干法脫除亞麻籽膠的概念，干法是指用打磨的方法實現亞麻籽膠的分離。楊金娥等［8］采用高速旋轉砂輥對亞麻籽表面進行打磨提取亞麻籽膠粉的技術。干法制備工藝簡單、產率高，不影響壓榨亞麻籽油品質，但生產的亞麻籽膠產品含量不高、黏度低、質量較差，使用范圍受限。濕法是指以水作為主要浸提劑，Ziolkovska等［9］以全亞麻籽為原料，水為浸提劑，采取三級逆流法提取亞麻籽膠。濕法生產的亞麻籽膠具有產品質量高、黏度高的優點，但提膠后亞麻籽需要長時間烘干，能量消耗大。

微波輔助提取主要是利用微波熱效應使萃取體系中的極性溶劑產生大量熱量，溶劑分子迅速汽化導致細胞內壓力上升，從而使細胞壁和細胞膜形成微小的孔洞，有利于胞外溶劑進入胞內溶解并釋放出胞內產物［10］。近年來，微波輔助提取法受到廣泛關注，如Ganzler等［11］用微波輔助提取從羽扇豆中提取生物堿；有研究采用微波輔助提取桑葉多糖，與其他提取方法相比，大大縮短了提取時間，且提取率高達9.41%［12］；但微波法提取亞麻籽膠的研究鮮有報道。本研究以亞麻籽為原料，通過優化傳統熱水浸提和微波輔助提取亞麻籽膠的工藝條件，對比了2種方法在亞麻籽膠得率、多糖提取率、亞麻籽提取前后表面微觀形貌變化及其紅外譜圖方面的差異性，為深入研究亞麻籽膠提取技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑

亞麻籽購自中國內蒙古烏蘭察布市；D－木糖標準品：成都西亞化工股份有限公司；考馬斯亮藍G250、牛血清蛋白：北京夢怡美生物科技有限公司；硫酸、苯酚、無水乙醇、硼酸等均購自天津市富宇精細化工有限公司。

1.1.2 儀器

DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責任公司；KDC－1044型低速離心機：科大創新股份有限公司中佳分公司；RE－52AAA型旋轉蒸發器：上海嘉鵬科技有限公司；SHZ－D（Ш）型循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限責任公司；Scientz－10N型冷凍干燥機：寧波新芝生物科技有限公司；722s可見分光光度計：上海菁華科技儀器股份有限公司；EQUINOX－55型紅外光譜儀：德國Bruker公司；JSM－6490掃描電鏡：日本電子株式會社（JEOL）公司；MAS－II型常壓微波合成／萃取反應工作站：上海新儀微波化學科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 亞麻籽膠提取工藝

工藝流程：亞麻籽→浸提→過篩→膠液蒸發濃縮→醇沉→離心→沉淀溶于水→旋蒸除乙醇→冷凍干燥→粗亞麻籽膠。

稱取除雜后的亞麻籽25.00 g，裝入1 000 mL的圓底燒瓶中，加入100～475 mL的去離子水，然后置于磁力攪拌器或者微波輔助萃取裝置加熱到指定溫度（50～90℃）進行浸提，浸提一段時間（2～8 h）后過20目篩，將浸提液減壓濃縮至50 mL冷卻后加入4倍體積無水乙醇，攪拌混勻，4℃下冷藏過夜，離心（3 500 r／min，15 min）棄上清，收集沉淀，再將沉淀復溶于5倍體積的去離子水，再次減壓蒸發除去乙醇，后經真空冷凍干燥得粗亞麻籽膠，測定其中的多糖與蛋白質含量。

1.2.2 木糖標準曲線的繪制

采用硫酸－苯酚法繪制標準曲線［13］，將木糖標準品置于105℃下干燥至恒重后準確稱取20.00 mg，加蒸餾水溶解，并定容至500 mL，得到0.04 mg／mL的木糖標準液。用移液器分別移取0.40、0.60、0.80、1.00、1.20、1.40、1.60、1.80 mL 的木糖標準液于15 mL試管中，用蒸餾水補至2.00 mL。向試管中加入1.00 mL的6%苯酚溶液及5.00 mL的濃硫酸，漩渦混勻，在室溫下放置30 min冷卻后于490 nm測吸光值。以木糖含量（μg／mL）作為橫坐標，吸光值（A）作為縱坐標，繪制標準曲線。

1.2.3 牛血清蛋白標準曲線的繪制

稱取10.00 mg牛血清蛋白，用生理鹽水定容至100 mL，得到0.10 mg／mL的牛血清蛋白標準溶液；分別移取0、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mL 的標準液，用蒸餾水補至1.00 mL；分別向試管中加入5.00 mL的考馬斯亮藍試劑搖勻，放置5 min后于595 nm測吸光值。以牛血清蛋白含量（μg／mL）作為橫坐標，吸光值（A）作為縱坐標，繪制標準曲線。

1.2.4 亞麻籽膠的提取

1.2.4.1 熱水浸提

單因素試驗：以亞麻籽膠得率為指標，采用熱水浸提法提取亞麻籽膠，考察料液比、溫度、浸提時間、提取次數對亞麻籽膠得率的影響。

正交試驗設計：在單因素試驗的基礎上，確定提取次數為1次的條件下，對料液比、溫度、浸提時間進行三因素三水平的正交試驗，具體的因素水平見表1。

表1 熱水浸提亞麻籽膠的正交試驗因素水平表

1.2.4.2 微波輔助提取

單因素試驗：以亞麻籽膠得率為指標，在熱水浸提研究的基礎上，采用微波輔助法提取亞麻籽膠，固定提取溫度80℃，料液比1∶10，提取1次，考察浸提時間、輸出功率、攪拌速度對亞麻籽膠提取率的影響。

正交試驗設計：在單因素試驗的基礎上，對浸提時間、輸出功率、攪拌速度進行三因素三水平的正交試驗，具體的因素水平見表2。

表2 微波輔助提取亞麻籽膠的正交試驗因素水平表

1.2.5 亞麻籽膠得率、多糖提取率以及亞麻籽膠中蛋白、多糖含量相關計算

亞麻籽膠得率Y1＝冷凍干燥后粗亞麻籽膠質量／本組亞麻籽質量×100%

亞麻籽膠中多糖含量M1＝吸光值對應的亞麻籽膠多糖濃度×稀釋倍數／干燥樣品亞麻籽膠濃度×100%

亞麻籽膠中蛋白含量M2＝吸光值對應的亞麻籽膠蛋白濃度×稀釋倍數／干燥樣品亞麻籽膠濃度×100%

亞麻籽膠多糖提取率Y2＝冷凍干燥后粗亞麻籽膠質量×M1／本組亞麻籽質量×100%

1.2.6 兩種方法亞麻籽膠得率、多糖提取率等的比較

采用熱水浸提法和微波輔助提取法（分別在優化提取條件下）提取亞麻籽膠，通過相關計算比較亞麻籽膠得率、亞麻籽膠多糖提取率、亞麻籽膠中蛋白及多糖含量。

1.2.7 掃描電鏡（SEM）

隨機選取幾顆提取前后的亞麻籽，置于銅臺上，經噴金處理后，置于掃描電鏡下觀察亞麻籽表面形態。

1.2.8 紅外分析（IR）

取3 mg冷凍干燥后亞麻籽膠樣品與溴化鉀混合研磨壓片，室溫條件下在4 000～400 cm－1范圍內進行紅外光譜掃描，分辨率為1 cm－1，掃描頻率32／cm－1，記錄掃描圖譜。

2 結果與討論

2.1 標準曲線的繪制

木糖標準曲線的回歸方程為y＝0．020x－0．022，R2＝0．995；蛋白標準曲線的回歸方程為y ＝0．005x＋0．088，相關系數R2＝0.999。

2.2 熱水浸提法條件優化

本研究中，熱水浸提法的優化實驗結果表明：①亞麻籽膠得率隨著浸提溫度的增加而逐步增加（圖2a），到了80℃得率增加比較緩慢，溫度過高會使亞麻籽中其它成分溶出［14］，從而影響亞麻籽膠的純度，同時也會給后續亞麻籽膠的分離過程帶來困難。因此，試驗選擇80℃作為后續浸提溫度。②亞麻籽膠得率隨著浸提時間的增加而逐步增加，最后趨于平穩狀態（圖2b）。在5～6 h的時候增加幅度最大，考慮提取效率，試驗選擇浸提時間為6 h。③隨著料液比的增加，亞麻籽膠得率逐漸提高，當料液比大于1∶10時，亞麻籽膠的增長不顯著（圖2c），卻會增加后續濃縮干燥的耗能，耗時，因此試驗選擇料液比為1∶10。④亞麻籽膠得率隨著提取次數的增加而提高，提取1次時，亞麻籽膠得率為7.19%，達到了提取4次時得率的80.71%（圖2d），可認為提取1次已將大部分亞麻籽膠浸提出來，再增加提取次數對亞麻籽膠的得率影響不大，但會加大后續濃縮，離心，干燥的工作量，增加能耗，所以試驗選擇提取次數為1次。

通過表3極差分析可知，各因素對亞麻籽膠得率影響的順序為A＞B＞C，即：浸提溫度＞浸提時間＞料液比。根據方差分析，亞麻籽膠的最佳浸提條件是A3B2C2，但考慮到溫度過高會影響亞麻籽膠的性質及純度，因此本試驗選取最優工藝為A2B2C2，即在浸提溫度80℃、反應時間6 h、料液比為1∶10。經試驗驗證，本工藝條件下，亞麻籽膠得率最高為7.28%。

表3 熱水浸提亞麻籽膠的正交試驗結果

圖2 熱水浸提不同因素對亞麻籽膠得率的影響

2.3 微波輔助提取法條件優化

本研究中，微波輔助提取優化試驗結果表明：①亞麻籽膠得率隨著微波輔助浸提時間的增加而逐步增加（圖3a），在60 min以后增長幅度不大，考慮提取效率，試驗選擇60 min作為后續浸提時間。②亞麻籽膠得率隨著提取功率的增加先增加后減少（圖3b）在600 W的時候達到最大值，試驗選擇輸出功率為600 W。③隨著攪拌速度的增加，亞麻籽膠得率逐漸提高，最后趨于平穩（圖3c），試驗選擇攪拌速度為750 r／min。

圖3 微波輔助浸提不同因素對亞麻籽膠得率的影響

表4 微波輔助浸提亞麻籽膠的正交試驗結果

通過表4極差分析可知，各因素對亞麻籽膠得率影響的順序為A＞B＞C，即：浸提時間＞輸出功率＞攪拌速度。根據方差分析，亞麻籽膠的最佳浸提條件是A2B2C3，即在浸提時間60 min、輸出功率600 W、攪拌速度900 r／min，經試驗驗證，本工藝條件下，亞麻籽膠的得率最高為6.46%。

2.4 兩種方法得率、提取率比較

由表5可知，熱水浸提亞麻籽膠得率較微波輔助提取高了11.26%，亞麻籽膠中多糖提取率提高了17.14%，但它使用的時間為微波輔助浸提的6倍，提膠效率低；微波輔助提取時間短，亞麻籽膠得率略低于熱水浸提。葉墾等［15］報道的濕法中試提取亞麻籽膠的得率為6.26%，略低于本研究熱水浸提的7.28%，原因可能是本研究中的提取溫度高于其提取溫度。Cui等［16］在優化條件下，亞麻籽膠得率為8.00%左右，與本研究熱水浸提結果接近。Qian

等［17］以亞麻籽殼為原料，室溫下浸泡整夜，最后粗亞麻籽膠產率為9.70%，與本研究中以亞麻籽為原料，80℃下浸泡6 h，粗亞麻籽膠得率為7.28%比較，前者較后者亞麻籽膠得率相差2.42%，但其使用的時間為后者的2倍，且亞麻籽膠主要存在于亞麻籽殼中。

表5 不同方法提取亞麻籽膠的測定結果

兩種方法提取出來的亞麻籽膠均為黃色，但微波輔助提取物顏色要深于熱水浸提，有微香，溶于水，不溶于乙醇、丙酮等有機溶劑。微波輔助提取法和熱水浸提法提取出來的總糖質量分數分別為68.13%與63.13%，蛋白質質量分數分別為10.21%與13.75%。熱水浸提亞麻籽膠中多糖的含量高于微波輔助浸提而蛋白含量低于微波輔助浸提，原因可能是微波熱效應造成多糖的分解以及更多的蛋白游離出來。另外，與傳統的水提法相比，微波輔助提取時間縮短，提取效率高，但微波輔助提取需要特定的設備，能耗較高，造成生產成本增加。綜合比較，本研究中的熱水浸提有一定優勢。

2.5 SEM分析結果

Gutterman 等［18］在研究奇亞籽（Chia seeds）時，發現膠液的溶出與細胞壁及次生細胞壁關系密切。亞麻籽膠主要存在于亞麻籽的黏膜表層，為了進一步確認兩種不同提取方法對亞麻籽表面微觀變化的影響，我們采用掃描電鏡對亞麻籽表面形態進行分析。圖4a、圖4b顯示了提取前亞麻籽的掃描電鏡圖，亞麻籽膠主要存在于亞麻籽表面，經浸提后表層往往會產生膠液。圖4中分別顯示了熱水浸提以及微波輔助提取后的亞麻籽，亞麻籽經浸提后，表面的細胞像間隔的網狀結構覆蓋了整個表層，同時膠液的溶出使得表面光滑的膠質薄膜明顯變得凸凹不平［19］。對比圖4c和圖4d，發現微波輔助提取較熱水浸提法對亞麻籽的表面破壞更大，熱水浸提的亞麻籽表面保存相對完整；而對比圖4e和圖4f可以發現微波輔助提取的細胞表面凹陷程度大于熱水浸提，這可能是由于微波穿透萃取介質到達物料內部的細胞組織和維管束層，細胞溫度快速上升，導致細胞內壓超過細胞壁所能承受的壓力，造成細胞破裂，使得內部活性成分游離出來［20］。綜合表明，膠液的溢出使亞麻籽表面由平滑變得粗糙，并且微波輻射較熱水浸提加快了細胞破碎，對亞麻籽表層結構起到更大的破壞作用。

2.6 紅外分析結果

為了進一步確定微波提取和水提的亞麻籽膠結構差異，本研究分別對2種亞麻籽膠進行紅外光譜的分析，結果如圖5所示。2種亞麻籽膠均在3 390～3 429 cm－1之間具有較寬的吸收峰，可能為O—H的伸縮振動或者N—H的伸縮振動；在2 930 cm－1附近具有弱吸收峰為烷基的C—H伸縮振動；在1 610 cm－1附近，具有強吸收峰，可能是羧基的伸縮振動，也有可能是結晶水特征峰；在1 410 cm－1附近為C—H變角振動特征峰，它和C—H的伸縮振動構成了糖環的特征吸收；而在1 039 cm－1處有強吸收峰為O—H的變角振動，也是糖環的特征吸收峰［21］。說明水提法與微波輔助浸提法所得的亞麻籽膠基團無顯著性差異，且所得的亞麻籽膠中都具有明顯糖環的特征吸收峰。

圖5 熱水浸提和微波輔助提取亞麻籽膠的紅外圖譜

3 結論

本研究以亞麻籽膠得率為指標，優化了熱水浸提和微波輔助提取亞麻籽膠的操作條件，結果表明熱水浸提最佳條件為：溫度80℃，時間6 h，料液比1∶10，提取次數為1次；在熱水浸提的基礎上對微波輔助提取進行優化的最佳條件為：溫度80℃，時間1 h，料液比1∶10，功率600 W，轉速900 r／min，提取1次。熱水浸提法較微波輔助浸提法，亞麻籽膠的得率較高約7.28%，其中多糖質量分數為68.13%。微波輔助提取亞麻籽膠，提取時間短，提取效率較高，具有潛在的應用價值。同時，SEM圖表明微波對亞麻籽的破壞能力大，造成更多的胞內物質游離出來，與吸光光度法測定其蛋白含量高于熱水浸提相吻合。另外熱水浸提和微波輔助提取的亞麻籽膠紅外分析的結果，間接證明提取物含有大量的多糖，結合吸光光度法測定的多糖和蛋白質量分數約為65%和10%，即可判定提取物即所要的亞麻籽膠。

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Comparison of Microwave Assisted Extraction Methods and Hot Water Extraction on Flaxseed Gum Extraction

Li Xiaofeng1，2Zhao Qianzhu1，2Teng Yinglai1，2Liao Wenzhen1，2Li Aijun1，2Wang Yong1，2Martin J.T.Reaney1，3
（Department of Food Science and Engineering，Jinan University “Oilseed Preparation and Nutrition”Joint Laboratory of Guangdong －Saskatchewan University1，Guangzhou 510632）
（Engineering Technology Research Center for Oils and Fats Biorefinery2，Guangzhou 510632）
（Department of Plant Sciences，University of Saskatchewan3，Canada Saskatoon SK S7N 5A8）

The optimum conditions of hot water extraction and microwave assisted extraction methods on flaxseed gum extraction were optimized by single factor and orthogonal experiments，respectively.Our results found that the optimum conditions of hot water extraction method were as follows：temperature 80 ℃ for 6 h，the ratio of solid to liquid at 1∶10，extraction frequency 1；The maximum yield of flaxseed gum was 7.28%with the content of polysaccharide and protein about 68.13%and 10.21%，respectively under the above conditions.The optimum conditions of microwave assisted extraction method were as follows：temperature 80 ℃ for 1 h，the ratio of solid to liquid at 1∶10，output power 600 W，mixing speed 900 r／min，extraction frequency 1.The maximum yield of flaxseed gum was 6.46%，the content of polysaccharide and protein was about 63.13%and 13.75%，respectively.The micromorphology changes of the flaxseeds were observed by scanning electron microscopy（SEM）which indicates that the surface of flaxseeds can be destroyed by gum dissolution.In addition，the influence of flaxseeds surface structure by microwave treatment was greater than the hot water extraction.Infrared spectroscopy（IR）indicates that the C －H variable angular vibrations at 1 410 cm－1，C －H stretching vibrations at 2 930 cm－1and O －H variable angular vibrations at 1039 cm－1were constituted of the characteristic absorption of saccharide ring，which indicates the extractions were the desired flaxseed gum.

whole flaxseed，flaxseed gum，hot water extraction，microwave assisted extraction，scanning electron microscopy（SEM），infrared absorption spectroscopy（IR）

TS222＋.1

A

1003－0174（2016）08－0055－07

教育部“新世紀優秀人才”支持計劃（NCET－12－0675），大學生創新訓練計劃（20140559042），廣州南沙區技術攻關項目（2014GG－05）

2014－12－08

李小鳳，女，1990年出生，碩士，油料生物煉制

汪勇，男，1977年出生，研究員，油料生物煉制