裸燕麥β-葡聚糖的提取工藝及其理化性質研究

李楠，閆智超，孫元琳，周素梅

（1.運城學院生命科學系，山西 運城 044000；2.中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193）

燕麥是禾本科燕麥屬（Avena）一年生草本植物，我國的燕麥類型主要為裸燕麥，又稱為莜麥，與皮燕麥相比，裸燕麥籽粒富含β-葡聚糖、蛋白質和不飽和脂肪酸[1]。近年來，β-葡聚糖因具有降低膽固醇[2]、預防心血管疾病[3]、調節血糖[4-5]、促進腸道有益菌的生長[6]、增強免疫力[7]等功效而備受關注。

有研究表明，燕麥β-葡聚糖是由β-（1→3）-D-葡聚糖和β-（1→4）-D-葡聚糖交聯而成的線性同聚多糖，主要存在于胚乳及糊粉層細胞壁中[8]。由于品種、生長氣候及溫度不同[9]，燕麥β-葡聚糖的含量也不同，麩皮中β-葡聚糖的干基含量一般為2.1%～3.9%[1]。目前，有關燕麥β-葡聚糖的提取及理化性質研究主要以燕麥麩皮為原料[10-13]，上述研究忽略了胚乳細胞壁中的多糖，并且燕麥在磨粉過程中糊粉層難以物理剝離，另外，燕麥全粉是制作燕麥餅干、面包、面條、饅頭等的原料，全粉的品質直接決定上述食品的營養品質，所以測定燕麥全粉中的β-葡聚糖，對分析燕麥全粉的營養價值、了解燕麥β-葡聚糖的含量、理化性質及功能特性有重要意義。

本研究以山西高寒地區裸燕麥全粉為原料，剛果紅法測定β-葡聚糖的含量，研究不同提取條件對裸燕麥全粉β-葡聚糖得率的影響，采用響應面分析法得出β-葡聚糖的最優提取工藝條件，并分析因素與因素之間的相互作用以及各個因素對β-葡聚糖得率的影響程度，同時測定了β-葡聚糖的持水力、乳化性及乳化穩定性，為山西高寒地區裸燕麥的精深加工提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

裸燕麥：山西省朔州市山陰縣。

β-葡聚糖標準品：中國計量科學研究院；耐高溫α-淀粉酶（酶活≥40 U/mg）：合肥博美生物科技有限公司；剛果紅：天津市瑞金特化學品有限公司；無水乙醇、氫氧化鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀（分析純）：天津市大茂化學試劑廠；鹽酸：洛陽昊華化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計（UV 600PC）：上海元析儀器有限公司；真空冷凍干燥機（Scientz-18ND）：寧波新芝生物科技股份有限公司；旋轉蒸發器（RE-2000A）：上海亞榮生化儀器廠；pH計（FE20）：梅特勒-托利多儀器有限公司；臺式低速離心機（TD5A-WS）：湖南湘立科學儀器有限公司；恒溫數顯水浴鍋（HH-4）：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；中草藥粉碎機（FW177）：天津泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

將裸燕麥粉碎，過50目篩，與75%乙醇按照料液比1∶8（g/mL）在80℃下回流2 h，以除去脂溶性物質、游離糖、小分子蛋白等，并滅活內源性β-葡聚糖酶，過濾，沉淀于80℃干燥，備用[14]。

1.3.2 工藝流程

裸燕麥全粉→加稀堿提取兩次，收集上清液（4 000 r/min離心15 min）→耐高溫α-淀粉酶除淀粉→等電點法去除蛋白質（調節pH值至4.5，95℃的水浴下靜置30 min，收集上清液）→醇沉（真空減壓濃縮，緩慢加入乙醇溶液使最終濃度為60%，4℃下靜置20 h，離心收集沉淀）→沉淀復溶→冷凍干燥得到燕麥β-葡聚糖粗提物。

1.3.3 燕麥β-葡聚糖含量的測定

參考伏萃翠[15]的方法稍作改動，配制濃度為0.2 mg/mL的β-葡聚糖標準溶液，分別取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL標準溶液于比色管中，加去離子水補足至2 mL，然后分別加入4 mL剛果紅溶液，混合搖勻，反應30 min，在波長550 nm處測定吸光度值。以β-葡聚糖濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標繪制標準曲線。

測定裸燕麥全粉中β-葡聚糖含量時，將β-葡聚糖粗提物復溶，測定方法與繪制標準曲線相同，利用標準曲線回歸方程計算得率。

1.3.4 單因素試驗

pH值對得率的影響：固定液料比18∶1(mL/g)，提取溫度80℃，提取時間2 h，研究提取液pH值為10.0、10.5、11.0、11.5、12.0 時對 β-葡聚糖得率的影響。

提取時間對得率的影響：固定液料比18∶1（mL/g），提取溫度 80 ℃，pH10.0，研究提取時間為 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h時對β-葡聚糖得率的影響。

液料比對得率的影響：固定提取溫度80℃，提取時間 2 h，pH 值 10.0，研究液料比為 15∶1、18∶1、21∶1、24∶1、27∶1（mL/g）時對 β-葡聚糖得率的影響。

提取溫度對得率的影響：固定液料比18∶1（mL/g），提取時間 2 h，pH 值 10.0，研究提取溫度為 70、75、80、85、90℃時對β-葡聚糖得率的影響。

1.3.5 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，運用Design Expert 10.0軟件中的Box-Behnken，進行響應面試驗設計，因素與水平見表1。

表1 因素水平Table 1 Factor levels

1.3.6 β-葡聚糖理化性質測定

持水力：稱取0.5 g冷凍干燥后的β-葡聚糖溶于25 mL蒸餾水中，控制溫度20℃，調節pH值為7，于50 mL的燒杯中攪拌24 h，4 000 r/min離心10 min，測濕重[16]。持水力的大小按式（1）計算。

式中：m1為樣品吸水后質量，g；m0為樣品質量，g。

乳化性和乳化穩定性：配制質量濃度為2%的β-葡聚糖溶液100 mL，控制溫度為25℃，調節pH值為7，加入100 mL色拉油，在高速分散器中以2 000 r/min的轉速條件下乳化2 min，然后1 300 r/min離心5 min，記錄乳化層體積[17]。乳化性按式（2）計算。

將上述乳化樣品，在80℃的水浴中保溫25 min，冷卻后于1 300 r/min離心5 min，計算乳化穩定性。

2 結果與分析

2.1 β-葡聚糖標準曲線的繪制

以β-葡聚糖質量濃度為橫坐標，吸光度值為縱坐標繪制標準曲線，結果如圖1所示。

圖1 β-葡聚糖標準曲線Fig.1 Standard curve of β-glucan

2.2 單因素試驗結果

2.2.1 pH值對得率的影響

pH值對得率的影響見圖2。

圖2 pH值對β-葡聚糖得率的影響Fig.2 The effect of pH on the yield of β-glucan

由圖2可知，在試驗pH值范圍內，得率先增加后降低，當pH值為11.0時，得率最高，為3.45%。裸燕麥β-葡聚糖在堿性溶液中溶解性增加，所以堿性條件有利于β-葡聚糖的提取，使得率增加。當堿性過強時，會導致部分β-葡聚糖解聚，黏度增大，顏色加深，使得率下降[18]。綜上，pH值選擇11.0。

2.2.2 提取時間對得率的影響

提取時間對得率的影響見圖3。

圖3 提取時間對β-葡聚糖得率的影響Fig.3 The effect of time on the yield of β-glucan

由圖3可知，隨著提取時間延長，β-葡聚糖得率先升高后下降，提取時間為2.0 h時得率最高。分析原因為β-葡聚糖的溶出需要一定的時間才能達到平衡，在一定時間內，得率會隨著時間的延長而增加。而時間過長，會導致一部分β-葡聚糖重新被吸附，并且長時間處于堿性高溫溶液中，β-葡聚糖會發生水解，使得率下降[19]。綜上分析，提取時間選擇2.0 h。

2.2.3 液料比對得率的影響

液料比對得率的影響見圖4。

圖4 液料比對β-葡聚糖得率的影響Fig.4 The effect of liquid-to-material ratio on the yield of β-glucan

由圖4可知，隨著液料比的增加β-葡聚糖得率先升高后基本不變，液料比為21∶1（mL/g）時得率最高。當液料比較小時提取不充分，增加提取液可使細胞內外溶質濃度差增加，傳質推動力增強，有利于β-葡聚糖溶出。但液料比過大，會增加后續濃縮能耗，對實際生產沒有意義。綜上，液料比選擇21∶1（mL/g）。

2.2.4 提取溫度對得率的影響

提取溫度對得率的影響見圖5。

圖5 提取溫度對β-葡聚糖得率的影響Fig.5 The effect of temperature on the yield of β-glucan

由圖5可知，在70℃～85℃，β-葡聚糖得率隨溫度的升高而增加，超過85℃后得率開始降低。由于溫度升高加快溶液內的分子運動，并且提取液的黏度也會隨著溫度升高而降低，所以在一定范圍內，得率隨著溫度升高而增加。當溫度超過一定值時，其它雜質溶出增加，影響β-葡聚糖的溶出，另外，過高溫度也會導致β-葡聚糖降解[20]，使得率降低。綜上，提取溫度選擇85℃。

2.3 響應面試驗結果

2.3.1 回歸模型的建立及方差分析

響應面法優化試驗設計及結果見表2。

表2 響應面法優化試驗設計及結果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

續表2 響應面法優化試驗設計及結果Continue table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表2中最后5項為中心試驗，用以估算試驗誤差，其余均為析因試驗，以β-葡聚糖得率為響應值得擬合二次回歸方程。Y=4.33-0.27A-0.19B+0.066C-0.072D+0.23AB+0.24AC-0.22AD+0.38BC-0.03BD+0.045CD-0.78A2-0.62B2-0.63C2-0.87D2。

對該模型及系數進行顯著性分析，其結果如表3所示。

表3 回歸模型方差分析結果Table 3 ANOVA for response surface quadratic model analysis

回歸方程模型（P＜0.000 1）極顯著，而失擬項不顯著（P=0.063 1），說明該模型具有統計學意義，回歸方程對試驗數據擬合情況良好，試驗誤差較小。校正回歸系數R2Adj=0.917 2＞0.9，表明該模型相關度良好，實際值與預測值間有高度相關性，未知項因素對試驗結果的干擾較小，穩定性較好。R2=0.958 6，變異系數C.V.=6.08%?；貧w模型中一次項A（pH值）、B（提取時間），交互項 BC，二次項 A2、B2、C2、D2對得率影響極顯著（P＜0.01），交互項AB、AC、AD對得率影響顯著（P＜0.05），其余因素不顯著。從各變量F值的大小可以得出：各因素對裸燕麥全粉β-葡聚糖得率影響大小順序為pH值＞提取時間＞提取溫度＞液料比。

2.3.2 響應面交互作用項等高線圖分析

圖6為各因素兩兩交互作用的等高線圖，其中橢圓的形狀表示兩因素間的交互作用強弱。

圖6 響應面兩因素交互作用等高線圖Fig.6 Contour map of interaction between two factors on the response surface

由圖6可以看出，因素B和因素D、因素C和因素D的交互作用等高線最為接近圓形，說明B和D、C和D之間的交互作用不顯著。而因素B和因素C的等高線為橢圓形，最為陡峭，結合表3方差分析結果，B和C的交互作用為極顯著。其余因素交互作用的等高線彎曲程度位于中間，結合表3方差分析結果，它們之間的交互作用顯著。

2.3.3 提取工藝優化及驗證試驗

根據回歸模型分析得出提取裸燕麥全粉β-葡聚糖的最優工藝參數：pH 10.896，提取時間1.897 h，液料比 20.849∶1（mL/g），提取溫度 84.933 ℃，在此條件下β-葡聚糖的得率為4.372%。根據實際情況將最優工藝條件修正為提取液pH10.9，提取時間1.9 h，液料比21∶1（mL/g），提取溫度 85 ℃，在該條件下進行 3 次平行試驗以驗證結果，得出β-葡聚糖的實際得率為（4.36±0.10）%，與理論值基本吻合，證明該模型能較好地預測裸燕麥全粉β-葡聚糖的得率。

2.4 理化性質結果

β-葡聚糖吸水后膨脹，可使人產生飽腹感，防止飲食過量，本試驗得出裸燕麥全粉β-葡聚糖的持水力為（2.30±0.04）g/g，即β-葡聚糖吸收水分的質量是其本身質量的2倍多，因此可以將β-葡聚糖應用于功能性食品中。

β-葡聚糖具有一定的乳化性，本試驗在溫度25℃，pH7時，測得其乳化能力為（87.47±2.10）%，乳化穩定性為（91.24±0.50）%。鑒于β-葡聚糖具有較好的持水力和乳化性，可以將其作為穩定劑或增稠劑添加在食品中。

3 結論

本研究在單因素試驗的基礎上，通過響應面優化試驗得出影響裸燕麥全粉β-葡聚糖得率的因素大小順序為：pH值＞提取時間＞提取溫度＞液料比。β-葡聚糖具有堿溶性，堿性條件有利于其溶出，但是當提取液過堿時，會使β-葡聚糖糖苷鍵斷裂，使得率下降，所以提取液pH值對得率的影響最為顯著。通過響應面優化試驗得出提取裸燕麥全粉β-葡聚糖的較優工藝條件為提取液pH10.9，提取時間1.9 h，液料比21∶1（mL/g），提取溫度85℃，在此工藝條件下β-葡聚糖得率為4.36%。

對最優工藝條件下得到的β-葡聚糖進行理化性質測定，得出當溫度20℃，pH值為7時，持水力為（2.30±0.04）g/g。當溫度25℃，pH值為7時，其乳化能力為（87.47±2.10）%，乳化穩定性為（91.24±0.50）%。本研究為β-葡聚糖作為保水劑、穩定劑或增稠劑等應用于功能性食品提供了理論基礎。