堿提方法對小麥麩皮阿拉伯木聚糖結構及面團特性的影響

楊 莎 郭曉娜 朱科學 周惠明

(江南大學食品學院；江蘇省食品安全與質量控制協同創新中心，無錫 214122)

堿提方法對小麥麩皮阿拉伯木聚糖結構及面團特性的影響

楊 莎 郭曉娜 朱科學 周惠明

(江南大學食品學院；江蘇省食品安全與質量控制協同創新中心，無錫 214122)

通過采用氫氧化鈉和飽和氫氧化鋇溶液提取小麥麩皮中的阿拉伯木聚糖，比較所得堿提阿拉伯木聚糖(Alkline extracted arabinoxylans, AEAXs)的得率、純度、側鏈取代度和單糖組成以及相對分子質量之間的差異，探討不同提取方法對AEAXs結構的影響及不同結構和添加量AEAXs對面團熱機械學特性和流變學特性的作用。結果發現，采用氫氧化鈉(含0.88%過氧化氫)所制備AEAXs純度較高，側鏈阿拉伯糖基取代度較低，而飽和氫氧化鋇所得AEAXs純度最高，側鏈阿拉伯糖基取代度和相對分子質量也較大。面團熱機械學特性測定結果表明，所有AEAXs的添加均會顯著提高面團吸水率、降低面團回生值，且降低面團形成時間和穩定時間，而采用氫氧化鈉(含0.88%過氧化氫)所制備AEAXs其添加對面團穩定時間負面影響最小。當添加量從2%升高至3%時，效果更明顯。流變學試驗結果發現，3%氫氧化鈉(含過氧化氫)所得AEAXs的加入可以增加面團黏性模量G”，而其他提取劑所得AEAXs則會降低小麥面團的G’和G”。

阿拉伯木聚糖 熱機械學特性 流變學特性 面團 堿提

阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan，AX)是小麥麩皮中一種重要的非淀粉多糖，因其具有增強人體免疫功能、降低膽固醇及調節血糖水平等重要生理功能而受到廣泛關注，其主要結構是由以β-D-吡喃木糖殘基經β-1,4-糖苷鍵連接而成的木聚糖為主鏈，α-L-呋喃阿拉伯糖為側鏈連接而成。根據其在水中的溶解性AX可分為水提阿拉伯木聚糖(water extracted arabinoxylan, WEAX)和堿提阿拉伯木聚糖(alkaline extracted arabinoxylans, AEAXs)， 二者的差異主要存在于側鏈取代程度和相對分子質量的不同，后者的相對分子質量和側鏈取代度(A/X, 阿拉伯糖基與木糖基的比值)均高于前者。麩皮中WEAX的質量分數約在2%～3%，而AEAXs的質量分數約占18%～25%[1-2]。AX由于自身的結構特性，易與其他細胞壁物質(如木質素、纖維素分子)之間存在著物理纏繞或化學結合。在堿性條件下，這種纏繞和結合可以被氫氧根打破，促使多糖游離出來，因此對AEAXs的提取常采用堿提法[3]。

阿拉伯木聚糖對面團的形成過程和最終小麥產品的比容及質構特性具有重要的影響，但這些影響卻存在著分歧。Costas等[4]所制備阿拉伯木聚糖側鏈取代度為0.67，相對分子質量約為134 600～201 600，將其加入至小麥面團可以增加面團吸水率，增大面包比容。鄭學玲等[5]采用氫氧化鈉提取AEAXs，測得其側鏈取代度為0.57，且相對分子質量較小，將其添加至小麥粉發現其對小麥粉的品質起著改善作用。而李雪等[3]采用氫氧化鋇提取AEAXs并測得其相對分子質量為644 022～2 766 532，將其添加至饅頭中發現饅頭品質產生劣化。由于所用AEAXs的提取方法不同，從而使其結構存在差異，進而可能導致其添加至小麥面團中對面團機械學和流變學等特性產生不同的作用。

因此，本研究通過采用不同的堿提方法對小麥麩皮中的阿拉伯木聚糖進行提取，分析其結構特性，并通過將之添加至面團以研究所提AEAXs對面團熱機械學和流變學特性的影響，從而進一步探討不同提取方法對AEAXs結構影響的差異，以及其添加至小麥面團對面團特性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器設備

香滿園小麥粉：益海嘉里(昆山)食品工業有限公司；小麥麩皮：泰興南新面粉廠；化學試劑：國藥集團化學試劑有限公司；Protamax復合蛋白酶：諾維信酶制劑公司；標準品右旋糖酐Dextran：中國食品藥品檢定研究院。

Free Zone 2.5型真空冷凍干燥機：澳大利亞波通公司；Mixolab混合實驗儀：法國肖邦公司；DHR-3型旋轉流變儀：美國TA公司；Waters 1525高效液相系統(柱子Styragel HMw 300 mm×7.8 mmid×2)：美國沃特斯公司。

1.2 方法

1.2.1 麩皮預處理[6]

將小麥麩皮磨碎過篩置于70%的乙醇中攪拌30 min洗去乙醇，用10倍水洗麩皮，洗至上清液澄清為止。將水洗后的麩皮在60 ℃下用protamax復合蛋白酶水解30 min，于沸水浴中滅酶10 min，8 000r/min離心水洗至上清液澄清。將離心后的麩皮于60 ℃下烘干。

1.2.2 堿提阿拉伯木聚糖的制備[7-8]

0.67 mol/L氫氧化鈉：料液比為1：50，提取溫度60 ℃，提取時間為3 h。將溶液于8 000 r/min離心20 min后取上清液，加水洗滌并再次離心，合并上清液。用冰醋酸調pH至中性(如有沉淀應再次離心)，加入乙醇使體系于65%乙醇濃度沉淀樣品，攪拌30 min后于4 ℃過夜。將上清液倒去，于8 000 r/min離心20 min后收集沉淀。將所得樣品冷凍干燥，即得AEAXN。

0.67 mol/L氫氧化鈉(含0.88% H2O2)：與氫氧化鈉作提取劑時提取條件和步驟相同，冷凍干燥后所得樣品為AEAXN+H。

飽和氫氧化鋇溶液：稱取一定量的麩皮于飽和氫氧化鋇溶液中，料液比為1：50，提取溫度60 ℃，提取時間為3 h。將溶液于8 000 r/min離心20 min后取上清液，加水洗滌并再次離心，合并上清液。用冰醋酸調pH至中性，將溶液于去離子水中透析。收集透析液，將所得樣品冷凍干燥，即得AEAXB。

飽和氫氧化鋇溶液(含0.26 mol/L NaBH4)：與飽和氫氧化鋇溶液提取條件和步驟相同，冷凍干燥后所得樣品為AEAXB+N。

得率的計算：得率g/100 g=所得多糖的質量×純度/麩皮的質量

1.2.3 阿拉伯木聚糖純度測定

采用Douglas[9]的方法測定樣品中阿拉伯木聚糖的純度，分別在波長552、510 nm處測定吸光度。

1.2.4 單糖組成分析

將所得多糖樣品進行水解、中和、柱前衍生化，然后參考Englyst 等[10]的氣相法測定品中的多糖組成。

1.2.5 阿拉伯木聚糖相對分子質量的測定

采用高效液相色譜法，流動相和溶劑均為含有0.5% 質量分數溴化鋰的二甲亞砜[11]。流速為0.5 mL/min，柱溫40 ℃，以右旋糖酐Dextran作為標準品。

1.2.6 面團熱機械學特性的測定[12]

利用Mixolab混合試驗儀進行測定，采用ICCNo.173,2008標準試驗方法。將凍干后的4種樣品分別以2%和3%的質量分數添加至小麥粉中，混合均勻，未添加任何樣品的小麥面團為對照組。試驗過程中面團的質量為75 g，其中加水的量應使目標扭矩C1的值穩定在(1.10±0.05) N·m，其攪拌速度始終維持在80 r/min。運行過程中溫度的設置為30 ℃恒溫8 min，而后以4 ℃/min升溫至90 ℃維持7 min，而后以4 ℃/min降溫至50 ℃并維持5 min。對2個“s”形攪拌刀間對面團產生的力矩(以N·m為單位)進行實時測定和記錄，由此繪制出時間以及溫度對力矩變化的混合曲線，分析面團的流變學特性(如面團的吸水率、穩定時間和加熱過程中蛋白質的弱化度)、酶活性以及淀粉糊化的參數。

1.2.7 面團流變學特性的測定[13]

將凍干后的4種樣品分別以2%和3%的質量分數添加至小麥粉中，混合均勻，未添加任何樣品的小麥面團為對照組。利用Mixolab混合試驗儀所得吸水率加入相應的水分并揉成面團，靜置5 min。取3 g左右的面團，在DHR-3型旋轉流變儀上用20 mm平板夾具2 mm的間隙進行振蕩流變測定。在進行頻率掃描試驗之前應對所有樣品進行應力掃描，以確保所有樣品的測試均在線性黏彈性范圍內。頻率掃描的條件為：溫度25 ℃，應力值為0.65%，掃描頻率為0.1～40 Hz。

1.3 數據統計與分析

所得數據均為試驗重復3次所測定的平均值，采用SPSS 16.0 軟件，選擇Duncan測試，在P<0.05檢驗水平下進行顯著性分析。

2 結果與討論

2.1 4種堿提方法對阿拉伯木聚糖的理化性質影響

2.1.1 單糖組成分析

從表1可以看出，NaOH作為提取劑時所得AEAXN和AEAXN+H得率(分別為13.50%和20.52%)均高于Ba(OH)2為提取劑時所得AEAXB和AEAXB+N的得率，但后者提取劑所得樣品純度均高于前者，此結論與Gruppen等[14]一致。堿提原理是在提取過程中，氫氧根可以破壞阿拉伯木聚糖與細胞壁物質連接的共價酯鍵，從而釋放部分與阿拉伯木聚糖，使其產生溶脹從而溶解于堿液中[15]。從該試驗結果可推測出，單一的NaOH作為提取劑時，只能無選擇性地對多糖和細胞壁物質進行粗略水解，而無法高選擇性專一水解阿拉伯木聚糖，因此得率雖高但純度較低。過氧化氫的加入會加劇多糖的釋放，提高多糖的溶出程度，因此所得樣品的提取率和得率都最高，純度也略高于單一NaOH作為提取劑時所提的樣品[16]。而Ba2+的存在使得堿提的特異選擇性變高，因此純度均高于NaOH所得阿拉伯木聚糖AEAXN。

表1 不同提取方法對堿提阿拉伯木聚糖得率、純度和單糖組成的影響

注：數據均為試驗重復3次所測定的平均值±標準差，不同小寫字母代表差異顯著(P<0.05)，余同。

通過單糖分析的結果發現，AEAXN和AEAXN+H中葡萄糖的質量分數分別為15.65%和7.93%，而AEAXB和AEAXB+N中葡萄糖的含量明顯降低，這表明Ba2+的存在可以降低堿液對葡聚糖的提取率。當溶液中存在硼氫化鈉時，AEAXB+N中葡萄糖的質量分數降低至2.57%，這說明硼氫化鈉也對提高阿拉伯木聚糖的純度存在積極的影響。當對不同提取方法所得阿拉伯木聚糖樣品進行側鏈取代度A/X分析時發現，不同提取劑對于A/X值也有一定的影響。AEAXN的A/X為0.701但純度僅有66.04%，可能是由于所提樣品中其他物質(如纖維素、葡聚糖等，還有含有較多阿拉伯糖基的多糖)含量較高，因此在單糖組成的測定中呈現A/X比例偏高的趨勢。AE-

AXN+H的A/X值最低，僅為0.603。有文獻指出，細胞壁中的阿拉伯木聚糖主鏈是木聚糖，阿拉伯糖基側鏈和其上的阿魏酸酯均可與其他物質如纖維素、木質素等以氫鍵或共價鍵的形式連接，因此堿液對其進行提取時可能同時分別切斷阿拉伯糖基和阿魏酸酯所連物質[3]。所以當加入H2O2時，其還原性加劇了多糖糖苷鍵的斷裂，側鏈連接的阿拉伯糖基被破壞。AEAXB和AEAXB+N的A/X值相似，分別為0.753和0.755。這表明，Ba2+不僅對與細胞壁相連的阿拉伯木聚糖具有高度選擇性，而且能較少地破壞側鏈阿拉伯糖基與木糖的連接，由此較為完整地保持了阿拉伯木聚糖在細胞壁中的狀態。

2.1.2 阿拉伯木聚糖相對分子質量分布的測定

由于阿拉伯木聚糖的結構是以吡喃木糖殘基經β-1,4-糖苷鍵連接而成的木聚糖為主鏈，α-L-呋喃阿拉伯糖為側鏈連接而成。因此，提取方法和提取方式對提取出的阿拉伯木聚糖鏈長和相對分子質量具有較大的影響，且所得阿拉伯木聚糖的相對分子質量約在103～106[17]。由于多糖聚合物結構的多分支化，Dervilly等[17-18]曾指出，多糖的分子質量分布不能僅僅通過單一的分子量數值來表示。因此，本研究從3個不同的相對分子質量段對多糖的分子量分布進行討論和比較。

由表2可以看出，AEAXN峰1的平均重均分子質量最大，為118.19×105，且其占比15.71%也最高。結合單糖組成的結果分析，這可能是由于NaOH作為提取劑時所得AEAXN含有大量纖維素或其他葡聚糖，導致分子鏈長較長且側鏈取代基也比其他3種方法所得堿提阿拉伯木聚糖多，因此相對分子質量最高。AEAXN+H峰1的峰面積占比最小，且峰3的峰面積占比超過50%。結合AEAXN+H側鏈取代度A/X較小這一結論，可以推測AEAXN+H樣品中91.53%的多糖分子在提取時都被氫氧化鈉和過氧化氫降解為小于9×105的部分，使得其平均重均分子質量較小，側鏈上的阿拉伯糖基等也被部分降解。AEAXB與AEAXB+N在不同相對分子質量段的峰面積占比相似，但后者在高相對分子質量段的峰1和峰2

表2 不同提取方法所得堿提阿拉伯木聚糖的相對分子質量分布

注：峰1代表相對分子質量段大于9×105的部分，峰2代表相對分子質量段為1×105～9×105的部分，峰3代表相對分子質量段小于1×105的部分。

處所呈現的平均重均分子質量更高，這表明NaBH4的存在可以保護木糖主鏈或側鏈不被氫氧根過度降解，從而呈現更高的平均重均分子質量。有文獻指出，NaBH4能夠阻止由碳鏈末端羰基引起的降解反應，使得羰基降解為穩定的羥基[19]。根據AEAXB+N純度和單糖組成分析的結果，也可以判斷出AEAXB+N具有更長的木糖鏈和更多被取代的側鏈阿拉伯糖基，表明該提取方法對阿拉伯木聚糖的阿拉伯糖基側鏈有一定的保護作用。

2.2 面團的熱機械學特性

在面團進行混合的過程中，面團將經過不同的五個階段：面團形成階段、加熱過程中蛋白質弱化階段、淀粉糊化階段、酶活測定階段和淀粉凝膠階段。將參數C1的數值控制(1.10±0.05) N·m，通過吸水率可以比較加入AEAXs后對面團吸水率的影響。C2可反映出在機械力和溫度的共同作用下蛋白質的弱化度，C3可反映出淀粉糊化特性，C4代表淀粉糊化過程中的酶活，C5代表冷卻過程中淀粉糊化膠的回生性。

通過表3的結果發現，AEAXs的加入使得面團吸水率升高，且隨著AEAXs添加質量分數的增大，面團的吸水率也明顯增加。其中AEAXN的加入對面團吸水率影響最高，為63.8%，而另外3種堿提方法所得AEAXs加入面團后對面團吸水率的影響相當。吸水率的升高可能是由于AEAXs自身的凝膠特性所造成。

通過比較不同堿提方法和添加量的AEAXs加入面團后對面團形成時間和穩定時間的影響發現，4種方法所得AEAXs的加入均會降低面團形成時間和穩定時間，且隨著AEAXs添加質量分數的增大，面團形成時間和穩定時間均有一定程度的減小。其中AEAXB+N對面團形成和穩定時間降低的最多，分別為1.92、2.43 min，而添加AEAXN+H面團在面團穩定時間上所呈現的負面作用最小，基本與對照面團相當，為4.7 min。一方面可能是由于加入多糖后，在面團形成階段AEAXs與面筋蛋白競爭水分，且參與到面筋蛋白網絡結構的形成中，故其面團形成時間降低。另一方面也可能是因為側鏈取代多糖較多，且相對分子質量較大的多糖吸水后與面筋蛋白形成的網絡結構不夠牢固，較為嚴重阻隔面筋蛋白之間以及面筋蛋白與淀粉顆粒之間的交聯與結合，面團中的面筋網絡結構沒有充分形成，因此其穩定時間下降[20]。而AEAXN+H相對分子質量較小，側鏈取代度也偏小，側鏈多糖分子對于面筋蛋白和淀粉結合的阻礙作用較小，能夠較為均勻地分布在面筋體系中，從而使面筋弱化程度沒有AEAXB和AEAXB+N高。因此可以推斷，相對分子質量較高的AEAXs的加入對于面團有著明顯的弱化作用，而相對分子質量較低的AEAXs如AEAXN+H則對面團的弱化作用較弱。

通過C5-C4的值可以看出，4種方法所得AEAXs對其回生值均有降低，AEAXs添加量為3%的面團比添加量為2%的面團具有更低的回生值，這表明其對面團的回生均有抑制作用，且3%AEAXs對淀粉回生的抑制作用更明顯。這可能是因為AEAXs可以在淀粉回生時影響直鏈淀粉分子的重新排列，阻礙其有序結晶區的再次形成，從而減緩其回生速度[21]。

2.3 面團動態流變學特性的測定

從圖1面團動態流變學特性可以看出，對照和樣品面團的彈性模量G’和黏性模量G”均隨頻率增大而增大，且G’均大于G”，表現為典型的弱凝膠動態流變學譜圖。

當AEAXN+H的添加量為2%時，在低剪切頻率下其G”大于對照G”，且當添加量提高至3%時，AEAXN+H面團的黏性模量G”大于對照的G”，這表明AEAXN+H的加入使得面團體系黏性更大。這可能是由于AEAXN+H相對分子質量較小，側鏈取代度較低，從而能夠更均勻地參與到面筋網絡形成過程中。而其他堿提阿拉伯木聚糖的加入會不同程度地影響小麥面團的黏彈性，降低小麥面團的G’和G”，這可能是因為堿提阿拉伯木聚糖存在與面筋蛋白競爭水的關系，導致對面筋網絡結構產生弱化作用。流變學結果與混合實驗儀結果基本一致，加入2%AEAXN+H后小麥面團G’大于其他3種樣品的G’且小于空白小麥面團，這可能是由于AEAXN+H相對分子質量較低且側鏈取代度較小，因此可以明顯減弱高聚物多糖對面筋蛋白的負面影響。

表3 AEAXs添加量為2%和3%時不同方法提取的AEAXs對面團熱機械學的影響

圖1 不同AEAXs的加入對小麥面團流變學特性的影響

3 結論

本試驗采用不同堿提劑提取小麥麩皮中的AEAX，比較其結構差異，并將其加入小麥面團中研究對面團熱機械學和流變學特性的影響。結果表明，以飽和氫氧化鋇溶液為提取劑所得AEAX的純度和側鏈取代度最高，且平均重均分子質量較大。將AEAX加入至小麥面團會顯著提高面團吸水率，降低面團回生值、形成時間和穩定時間。當添加量從2%升高至3%時，AEAX可以顯著提高面團吸水率并降低回生值。流變學結果表明3%氫氧化鈉(含過氧化氫)所得AEAX的加入可以增加面團黏性模量，而其他提取劑所得AEAX則會降低小麥面團的彈性模量和黏性模量。

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Effect of Arabinoxylan Extracted by Different Methods on the Dough Thermo-Mechanical and Rheological Properties

Yang Sha Guo Xiaona Zhu Kexue Zhou Huiming

(School of Food Science and Technology；Collaborative Innovation Center for Food Safety and Quality Control, Jiangnan University, Wuxi 214122)

This study was aimed to compare the yield rate, purity, substituted ratio of side chain, monosaccharide composition and difference of relative molecular mass of alkaline extracted arabinoxylans (AEAXs) extracted from wheat bran by different sodium hydroxide and barium hydroxide solutions, and explore the effect of these AEAXs on the thermo-mechanical and rheological properties of wheat dough.

The results showed that AEAXs prepared by sodium hydroxide (containing 0.88% hydrogen peroxide) had higher purity and low substituted ratio of side chain arabinoxylan, while AEAXs prepared by barium hydroxide had high purity and high substituted ratio of side chain arabinoxylan and relative molecular mass.

The thermal mechanical properties determination of wheat dough showed that the presence of AEAXs increased water absorption and decreased the dough setback value, which also decreased dough development and stability. And the addition of AEAX extracted by sodium hydroxide (0.88% hydrogen peroxide) produced the least negative effect on dough stability. When the addition was increased from 2% to 3%, a significant effect showed. The rheological results showed that with the addition of AEAXs prepared by 3% sodium hydroxide (0.88% hydrogen peroxide) increased the dough viscosity modulus, while other AEAXs would decrease G’ and G” of wheat dough.

arabinoxylan, thermo-mechanical property, rheological property, wheat dough, alkaline extraction

TS210.4

A

1003-0174(2017)11-0008-07

國家自然科學基金(31571871)

2016-11-15

楊莎，女，1992年出生，碩士，食品科學與工程

郭曉娜，女，1978年出生，副教授，主食及方便食品