小麥麩皮戊聚糖提取、功效及應用研究進展

李昕彤，王 碩，劉 峰，唐曉珍*

（1.山東農業大學 食品科學與工程學院，山東泰安 271018；2.山東百瑞佳食品股份有限公司，山東萊州 261400）

小麥是我國主要的農作物之一，隨著小麥應用的不斷拓展和小麥加工技術的持續完善，小麥產品的深加工是小麥加工產業的必然趨勢。小麥麩皮富含戊聚糖、纖維素等多種功能性多糖，是小麥加工的副產物，目前主要用作飼料，附加值較低。隨著多糖研究成為熱點，作為小麥麩皮中主要活性物質的戊聚糖受到廣泛關注。

戊聚糖（又稱阿拉伯木聚糖）是細胞壁多糖的重要組成成分，是一種重要的谷物非淀粉多糖，主要由阿拉伯糖（Ara）和木糖（Xyl）組成，兩種單糖含量占到60%以上[1]。戊聚糖具有多種生理活性，包括調節胃腸道菌群、促進腸道內雙歧桿菌及乳桿菌的繁殖[2-4]，可降血糖[5-7]，還有提高免疫及抗腫瘤等[8-10]。小麥麩皮是目前戊聚糖的主要來源之一，彩粒小麥是種皮或糊粉層含豐富天然花色苷類化合物的優質小麥品種，與普通小麥相比，其膳食纖維、礦物質、蛋白質和維生素含量更豐富，氨基酸組成更合理[11]，且彩麥麩皮[12]中戊聚糖比普通小麥麩皮和大麥麩皮含量高，具備深入開發的價值，但彩麥麩皮戊聚糖研究很少，可借鑒普通小麥麩皮戊聚糖研究進展。

目前，常用的戊聚糖提取方法有水提法[13-15]、酶提法[16-22]、堿提法[14,16,23]、超聲提取法[24-27]，高溫酸水解法、蒸汽爆破法和超高壓提取等新興方法[28-32]也逐漸應用于戊聚糖提取。研究發現，從小麥加工副產物中提取出來的戊聚糖在面包面團、曲奇餅干等面制品[33-38]及根據戊聚糖的溶液性質在飲品如啤酒[39-43]中有了新進展，同時張久亞[44]、侯慧麗[45]、ALI[46]等人拓展了戊聚糖在奶片、肉食雞飼料及果蔬保鮮中的應用范圍。

1 彩麥麩皮中戊聚糖的提取方法

1.1 水提法

根據水溶性不同，戊聚糖可分為水溶性戊聚糖和水不溶性戊聚糖[13]。秦鵬飛[14]利用水熱法從小麥麩皮中提取戊聚糖，最佳提取工藝參數為：水熱溫度150oC，水熱時間15 h，固液比1∶10，此時戊聚糖的提取率27.5%。徐晶晶等[15]以提取天然色素后的黑粒小麥麩皮殘渣為原料，提取其中水溶性戊聚糖，并對提取條件進行了優化，料液比1∶25（g/mL）、提取溫度80 ℃、提取時間75 min，提取率為1.4%。該工藝操作簡單，收率高，不使用有害試劑和原料，過程清潔無污染。

1.2 酶提法

利用生物酶制劑提取彩麥麩皮中的戊聚糖也是一種常用的方式。何歡等[16]的研究中小麥麩皮水溶性戊聚糖的最佳提取工藝為反應溫度62 ℃、反應時間1.5 h、酶濃度0.55%、pH為4.2，提取率為15.3%。陳鳳蓮[17]將小麥麩皮中的淀粉和蛋白質分別用α-淀粉酶和堿性蛋白酶降解，通過水洗過濾分離得到小麥麩皮戊聚糖，含量達到34.51%。付元芳等[18]研究發現，木聚糖酶提取黑小麥中戊聚糖比纖維素酶提取得率高，分別為4.83%、2.33%，可能是由于木聚糖酶能夠滲透至細胞壁的網狀結構，水解木糖主鏈間β-1,4糖苷鍵，將水不溶性戊聚糖降解為水溶性戊聚糖，從而提高了出產率[19]。孫元琳等[20]以黑小麥麥麩為原料，優化了戊聚糖酶提取水不溶性戊聚糖的工藝條件為加酶量12 mg/10 g（m∶m=酶∶原料）、提取溫度60 ℃、提取時間90 min、溶液pH為6.0及料液比1∶10（g/mL），提取率為4.17%。在此研究中，作為一種細胞壁物質分解酶，戊聚糖酶可使黑小麥麩皮細胞壁發生降解而變得松散，有利于戊聚糖溶出，并使麩皮中的水不溶性戊聚糖發生降解，從而使水溶性戊聚糖提取率增加[21]。

酶提法條件溫和、安全無毒，利用該法提取的戊聚糖其纖維天然結構破壞性低，口感好，功能特性得到了較好保留。但是酶法利用和推廣還存在一定的缺陷，如缺乏高效穩定類酶制劑以及酶制劑的成本較高等[22]。

1.3 堿提法

堿提法是使用較為廣泛的提取麥麩戊聚糖方法，其原理為通過將麥麩在NaOH、Ba(OH)2等堿性介質中浸泡，破壞細胞壁聚合物間的次級鍵使其溶解，分離后得到水不溶性戊聚糖。何歡等[16]利用NaOH溶液從小麥麩皮中提取堿溶性戊聚糖，在料液比1∶20、溫度55 ℃、作用時間1.5 h、堿濃度20%條件下達到最佳提取條件，提取率17.4%。徐晶晶[15]以黑粒小麥麩皮中提取的粗膳食纖維為原料，用堿液浸提法提取水不溶性戊聚糖，得到最佳堿液浸提條件為堿濃度1.4%、提取溫度100 ℃、堿提時間70 min，此時水不溶性戊聚糖得率為7.3%，顯著高于水提法的1.4%提取率，同時能將蛋白質提取出來，提取率為6.2%。楊莎等[23]分別使用NaOH和Ba(OH)2提取阿拉伯木聚糖，發現經Ba(OH)2提取獲得的阿拉伯木聚糖純度更高，可達87.38%，可能是由于Ba2+的存在使堿提法的特異選擇性變高。但是堿提法也有一定缺陷，如提取時間較長、堿液耗量大、堿性廢水處理困難且易污染環境，需要進一步研究解決。

1.4 超聲提取法

超聲提取的原理為提取過程中因超聲波產生的強烈振動引起細胞結構的變化，加速擴散溶解速度，從而達到快速高效提取的目的。目前研究較多的是將超聲波與單一提取方法結合，提高提取效率。HOLLMANN等[24]利用超聲波輔助堿法麥麩中提取木聚糖，在60 ℃條件下僅需10 min即能分離出木聚糖，相比單一的減法處理，減少了提取時間，但提取率并無明顯提升。WANG等[25]利用超聲波輔助酶法從麥麩中提取戊聚糖，在原料濃度50 g/L，酶用量4.5 g/L，提取溫度50 ℃，提取時間70 min，超聲功率180 W的最佳提取條件下，戊聚糖產量為（14.26±0.17）%，麥麩中戊聚糖提取率顯著提高。范玲等[26]將超聲波與堿法提取相結合，以NaOH溶液作浸提液，在超聲功率300 W，超聲時間30 min，堿液質量分數2%，堿提時間2 h，堿提溫度55 ℃的最佳提取條件下，麥麩酚基木聚糖得率最高為38.73%，其中水溶性酚基木聚糖得率為29.05%。超聲波提取可以顯著提高戊聚糖提取率，但是由于超聲波具有較強的剪切作用，長時間的超聲作用會使大分子的多糖斷裂，提取率反而下降[27]。此外，超聲波產生的環境噪聲，可能使其無法應用于大規模生產。

1.5 其他方法

高溫酸水解法、蒸汽爆破法和超高壓提取等也逐漸應用于戊聚糖提取中。丁長河等[28]采用高溫酸水解法提取麩皮中戊聚糖，在高溫條件下以少量酸作為催化劑對半纖維素進行水解，促進了戊聚糖的溶出。賀永惠等[29]證實蒸汽爆破技術有助于提高小麥麩皮水溶性戊聚糖的含量，與未處理麩皮相比，小麥麩皮中水溶性戊聚糖質量分數提高了10.8倍。王曉華等[30]以超高壓結合酶法提取小麥麩皮低聚木糖，彌補了單純利用酶法耗時長、提取率較低的缺點，在液料比值30 mL/g，酶質量濃度3.5 g/L，壓力大小200 MPa，保壓溫度35 ℃，保壓時間25 min的最優工藝條件下，測得小麥麩皮低聚木糖提取率為86.10%。該方法具有能耗低、對提取成分破壞小、提取純度好、效率高等特點。

雖然上述方法可以有效提高戊聚糖得率，但均存在一定缺陷。例如酸法提取時，強酸會對戊聚糖結構造成破壞，一小部分戊聚糖可能會降解為低分子量化合物，反而降低提取率[31]，此外該方法副反應多，且強酸的腐蝕性易對產品質量產生影響。蒸汽爆破法無污染，但能耗大，成本較高，條件要求苛刻。若蒸汽爆破時間過長，物料中的大分子碳水化合物會降解生成酸類、芳香類和呋喃類等物質[32]，導致小麥麩皮總戊聚糖含量迅速減少。

2 戊聚糖的功能活性研究

戊聚糖具有與膳食纖維和活性多糖相似的功能特性，了解戊聚糖的功能活性是將其應用在不同領域的前提。目前，國內外學者已發現戊聚糖具有改善胃腸道菌群、降血糖、免疫與抗癌等益生活特性。

2.1 腸道益生活性

戊聚糖屬于膳食纖維，因此具有一定的腸道益生活性。研究表明，木聚糖骨架中的阿拉伯糖基取代位置可以改變腸道中的微生物種群[2]。PAESANI等[3]在體外和體內試驗中發現，水溶性戊聚糖的提取物顯示出能夠增加乳桿菌和雙歧桿菌等腸道微生物中有益細菌的數量并能減少梭菌等病原體的數量。但是，如果在飲食過程中攝入大量戊聚糖，則會產生腸胃氣脹等輕微不良反應[4]。

2.2 降血糖

可溶性戊聚糖可使胃排空時間延長，小腸運輸速度減慢，葡萄糖擴散速率降低，有助于降低葡萄糖的吸收和餐后的血糖反應[5]。沈麗娟等[6]發現2型糖尿病小鼠腸道菌群紊亂可被小麥戊聚糖制劑有效調節，小麥戊聚糖能降低血糖水平，可以作為糖尿病患者碳水化合物的主要來源。此外，戊聚糖還可以作為載體靶向輸送胰島素以達到降血糖的作用，MORALES-BURGOS等[7]發現載有胰島素的戊聚糖微球（50 UI/kg）可使患糖尿病大鼠的血糖水平降低39%，并且在口服后18 h效果最大，此時胰島素仍有生物活性。

2.3 免疫與抗癌

戊聚糖可以改善特異及非特異性的免疫反應，其抗腫瘤活性可以通過免疫應答的改善來介導，因此被認為是一種具有免疫調節活性的抗腫瘤物質[8]。ZHOU等[9]研究發現，堿法和酶法提取小麥麩皮中的戊聚糖都可以作為天然免疫調節劑的良好來源，堿提法比酶提法的戊聚糖具有更高的巨噬細胞吞噬功能和遲發型超敏反應。LI等[10]研究發現戊聚糖的免疫活性與它的低分子量（＜25 kDa）和高分支取代度（0.81±0.01）有關，并推測戊聚糖發出各種免疫細胞激活信號可能和脂多糖刺激細胞方式相似。

3 戊聚糖在食品工業中的應用

目前，對利用戊聚糖深加工成食品的研究較少，當前市場上僅有戊聚糖飲料、戊聚糖營養粉等相關產品，形式較為單一，產品的風味和口感不能被消費者普遍接受。因此利用小麥麩皮資源中的戊聚糖加工成高附加值的新產品是小麥麩皮深加工及綜合利用的重要途徑，對小麥資源深加工應用具有重要意義。

3.1 戊聚糖在面制品中的應用

戊聚糖在面制品中的應用研究較多。將戊聚糖添加到面包、餅干等面制品的面團中，可在一定程度上改善面制品的質構和感官特性，同時能夠賦予面制品降血壓、降血糖及改善腸道菌群等功能。

鄭學玲[33]發現面團的流變學特性和面包烘焙品質與小麥麩皮戊聚糖的持水性、高黏度、氧化交聯形成凝膠及乳化穩定等性質存在密切關系。水溶性戊聚糖可以提高面團的粉質吸水量，增大面包體積并改善面包的內部質構。夏潔等[34]利用木聚糖酶處理小麥麩皮，使其中不溶性戊聚糖降解為可溶性戊聚糖，并且麩皮水解產物可以改善面團和面包品質，提高麩皮戊聚糖的利用率。ARIF等[35]研究表明，膳食纖維中的水溶性戊聚糖能提高面包品質，在硬質小麥粉中添加水溶性戊聚糖，得到的面包體積和比原面包體積增加了1%～5%，面包屑硬度降低了5%～20%。GIULILA等[36]研究發現，含戊聚糖的面包組（107±4.6）mg/dL與精制小麥面包組（121±5.2）mg /dL相比，測試者食用前后的血糖水平有顯著性差異，表明戊聚糖能夠改善餐后血糖水平，有一定的抑制肥胖的功效，由于戊聚糖或阿拉伯木聚糖凝膠具有一定的黏度特性，可以延緩胃排空速度，緩慢消化淀粉以增加飽腹感，降低碳水化合物攝入量[37]。張強等[38]將戊聚糖應用于餅干制作中，在戊聚糖粉添加量10.85%，綿白糖添加量27.58%，烘焙時間18.93 min的條件下，制作的戊聚糖曲奇餅干不僅能保證傳統曲奇餅干的口感和風味，還能為人體補充戊聚糖膳食纖維。

3.2 戊聚糖在飲品中的應用

戊聚糖的溶液性質決定了其在飲品中具有良好的應用前景。戊聚糖主要是通過分子間的氫鍵作用在溶液中聚集，并且隨著濃度增加，其分子聚集傾向增大[39]。在存在某些化學或酶促自由基生成劑的情況下，戊聚糖還可以通過阿魏酸氧化交聯反應形成高粘度溶液[40]。

水溶性戊聚糖具有良好的保水能力、起泡性能和溶脹能力，可用作黏度增強劑，穩定劑和質地增強劑[41]。DERVILLY等[42]研究發現適量的阿拉伯木聚糖能夠增加啤酒的醇厚性，提高啤酒的泡持性，但高濃度戊聚糖對啤酒的非生物穩定性有影響。李杰[43]探究了戊聚糖在渾濁小麥啤酒及除沫啤酒中的分布情況及分子結構，發現啤酒釀造原料大、小麥中戊聚糖有改善渾濁小麥啤酒的釀造工藝及品質的作用。目前，戊聚糖飲品在啤酒方面研究應用較多，其溶液性質使其未來在果汁、酸奶等其他風味營養性飲品中存在廣闊前景。

3.3 戊聚糖在其他方面中的應用

張久亞[44]將戊聚糖和奶粉作為原料，研制了一種具有戊聚糖和奶粉營養價值且口感易被人們接受的新型奶片，包括咀嚼奶片和泡騰奶片兩類。在飼料方面，侯慧麗等人[45]研究得出，在玉米-豆粕型日糧中添加40 mg/kg水溶性戊聚糖可以促進肉雞器官發育，改善肉雞體重。在保鮮方面，ALI等[46]發現在蘋果表面涂有含小麥麩皮戊聚糖的復合涂層材料，能使其采后貯藏壽命延長并防止香氣損失，有效保持其感官特性。

戊聚糖具有降脂降糖和改善腸道菌群的作用，將其添加到食品中，能夠在保證口感和風味的基礎上，滿足消費者市場對益生活性產品的需求，具有良好的發展潛力。小麥麩皮戊聚糖已開始應用于面制品及飲品行業中，在肉制品及糖果制品中尚處于研究開發階段，在動物飼料及果蔬保鮮方面也發揮了一定的作用。但戊聚糖開發利用的產品形式仍然不夠廣泛，需要進一步研究開發。

4 展望

小麥作為我國重要的谷物資源，其優質的營養使其具有巨大的發展前景。戊聚糖作為小麥麩皮中的高益生活性成分也備受關注，但對戊聚糖在食品工業中的應用研究較少，仍需要深入研究。隨著科學技術的的發展及人們對戊聚糖認識的加深，未來戊聚糖將會更廣泛地應用在食品的各個領域，在保證口感和風味的基礎上，帶來更大的經濟和社會效益。