提取方法對亞麻籽膠提取率及理化性質的影響

張志穎，張琳璐，白英*，王麗芳

1(內蒙古農業大學 食品科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特，010018)2(內蒙古自治區農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特，010031)

亞麻籽，又稱胡麻籽，是一年生或多年生草本植物，屬亞麻科、亞麻屬[1]，在我國甘肅、內蒙、山西和寧夏的種植面積較大。目前，亞麻籽多被用來榨取油脂，榨油后的殘渣亞麻籽餅粕富含亞麻籽膠(flaxseed gum，FSG)、亞麻籽蛋白、木酚素等多種功能性物質[2]，但一般用作動物飼料或作為廢物處理，FSG等物質未得到充分利用，造成很大資源浪費的同時也給環境增加了一定的負擔[3]，因此對亞麻籽餅粕中的有效物質進行提取是很有必要的。

FSG是一種陰離子雜多糖，主要由中性多糖(75%)和酸性多糖(25%)構成，中性多糖主要由木糖、L-阿拉伯糖和半乳糖(6.2∶3.5∶1，摩爾比)組成，分子質量為1 200 kDa；而酸性多糖主要由650 kDa(3.8%)和17 kDa(21.3%)2個亞組分構成，單糖單元主要為L-鼠李糖、D-半乳糖醛酸、L-半乳糖、L-巖藻糖(2.6∶1.7∶1.4∶1，摩爾比)[1]。FSG具有良好的乳化性、凝膠性和抗氧化性等功能特性，還具有降血糖、降膽固醇和調節腸道菌群等生理功能，常作為食品配料添加到乳制品、肉制品和果凍制品等食品中，來改善食品品質[4-5]。亞麻全籽、亞麻籽餅粕及亞麻籽殼[6-8]等均可作為提取FSG的原料，但不同的原料因傳質阻力不同，其FSG的提取率也會有所不同。目前FSG的提取方法可分為干法和濕法，干法是指通過打磨制得FSG的技術，其制備工藝簡單，但生產的FSG產品黏度低、質量較差；濕法是指以水為主要浸提溶劑提取FSG的方法，其得到的FSG質量好，黏度也較高[6]。超聲提取法提取FSG屬于濕法，其具有提取時間短、有效成分利于分離等優點[9]。不同提取方法也可能會得到產率、性質、功能不同的FSG樣品。

本研究分別采用傳統熱水浸提法與超聲提取法從亞麻籽餅粕中提取FSG，優化2種方法的工藝并對所得FSG的理化特性、結構及抗氧化活性進行比較研究，為進一步開發和利用FSG提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

亞麻籽餅粕(冷榨)，內蒙古益善園生物科技有限責任公司。

抗壞血酸，深圳樂芙生物科技有限公司；DPPH，上海源葉生物科技有限公司；ABTS，上海翌圣生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate，SDS)、溴化鉀(光譜純)等其他所用試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

Scientz-IID觸摸式超聲波細胞粉碎機、XHF-DY均質機，寧波新芝生物科技股份有限公司；T6-新悅可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；K9860全自動凱氏定氮儀，海能未來技術集團股份有限公司；TM4000掃描電鏡，日本株式會社日立高新技術那珂事業所；IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；Haake RS6000流變儀，美國Thermo Fisher公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 FSG提取工藝

1.3.1.1 原料預處理

原料預處理工藝：

將亞麻籽餅粕粉碎后過20目篩→于少量水中浸潤5 min→加入2倍體積的無水乙醇，用玻璃棒攪拌混勻→超聲200 W處理30 min→4 ℃下4 000 r/min離心10 min后棄去上清液→加入80%乙醇沖洗2次→置于4 ℃冰箱保存待用。

1.3.1.2 FSG熱水浸提法提取工藝

單因素試驗：向預處理好的原料中以料液比分別為1∶100、1∶125、1∶175、1∶225、1∶275、1∶300(g∶mL)加入蒸餾水，在提取溫度分別為40、50、60、70、80 ℃和提取時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3 h的條件下進行提取。

正交試驗：在單因素試驗的基礎上，以提取率為指標，料液比、提取溫度和提取時間為3個因素進行L9(33)正交試驗。

浸提液過300目濾布取上清液→旋轉蒸發進行濃縮→加入4倍體積乙醇醇沉12 h→6 000 r/min離心10 min取沉淀→沉淀復溶于5倍體積蒸餾水中→透析12 h→旋蒸除有機溶劑→冷凍干燥

1.3.1.3 FSG超聲法提取工藝

單因素試驗：向預處理好的原料中以料液比分別為1∶100、1∶125、1∶175、1∶225、1∶275、1∶300(g∶mL)加入蒸餾水，在超聲功率分別為100、150、200、250、300、350、400 W和提取時間分別為10、20、30、40、50、60 min的條件下進行超聲提取。

正交試驗：在單因素試驗的基礎上，以提取率為指標，料液比、超聲功率和超聲時間為3個因素進行L9(33)正交試驗。

提取液過300目濾布取上清液→旋轉蒸發進行濃縮→加入4倍體積乙醇醇沉12 h→6 000 r/min離心10 min取沉淀→沉淀復溶于5倍體積蒸餾水中→透析12 h→旋蒸除有機溶劑→冷凍干燥

1.3.1.4 FSG提取率計算

以FSG多糖的質量為基礎，FSG提取率計算如公式(1)所示：

(1)

式中：Y，FSG提取率，%；x，從標準曲線中計算出提取液中多糖的量，μg/mL；m，亞麻籽餅粕粉取樣量，g；V1，FSG提取液總體積，mL；V2，FSG提取液測定用體積，mL；V3，FSG提取液測定液稀釋總體積，mL。

1.3.2 理化指標的測定

水分含量測定參考GB 5009.3—2016，灰分含量測定參考GB 5009.4—2016，蛋白質含量測定參考GB 5009.5—2016，多糖含量測定參考SN/T 4260—2015，脂肪含量測定參考GB 5009.6—2016。

1.3.3 FSG的結構測定

1.3.3.1 微觀結構測定

樣品用導電雙面膠帶固定在樣品臺上，吹掉多余的粉末，掃描電鏡觀察其表面微觀結構，掃描功率為10 kV。

1.3.3.2 紅外光譜測定

參照DONG等[10]的方法并略有修改。稱取1 mg樣品與100 mg溴化鉀混合，研磨使其充分混合呈均勻的粉末并進行壓片，于4 000～400 cm-1下掃描，掃描64次，分辨率為4 cm-1。

1.3.4 FSG理化性質測定

1.3.4.1 pH值測定

參照HU等[11]的方法，分別對貯存第0、1、2、4、8天時FSG溶液的pH值進行測定。

1.3.4.2 初始黏度測定

使用流變儀測定2種提取方法得到的FSG的初始黏度。

1.3.4.3 起泡性測定

準確量取5 mg/mL的FSG溶液20 mL于具塞量筒中，記錄初始體積為V1，手動鼓泡1 min后立即記錄泡沫體積為V2，靜置30 min后再次記錄泡沫體積為V3，起泡性計算如公式(2)和公式(3)所示：

(2)

(3)

1.3.4.4 乳化性測定

參考PEARCE等[12]的方法并略有改動。將FSG溶液與大豆油以體積比3∶1混合，使用高速均質機在10 000 r/min下乳化1 min后置于50 ℃水浴30 min。吸取下層液體100 μL，用1 g/L 的SDS溶液稀釋150倍，于500 nm處測定吸光值。乳化活性與乳化穩定性計算如公式(4)和公式(5)所示：

(4)

(5)

式中：N為稀釋倍數；c為樣品質量濃度，g/m3；Ф為乳液中油相體積分數；L為光程；A0為在0 min時的吸光度；At為30 min時的吸光值；t為水浴時間，30 min。

1.3.5 FSG抗氧化特性測定

1.3.5.1 清除羥自由基(·OH)能力的測定

參照王德才等[13]的測定方法進行FSG樣品清除·OH能力的測定。

1.3.5.2 清除DPPH自由基能力的測定

參照VON等[14]的測定方法進行FSG樣品DPPH自由基清除能力的測定。

1.3.5.3 總還原力的測定

參照HAFSA等[15]的方法進行FSG樣品總還原力的測定。

1.3.5.4 清除ABTS陽離子自由基能力的測定

參照THAIPONG等[16]的方法進行FSG樣品清除ABTS陽離子自由基能力的測定。

1.4 數據處理及分析

用Excel 2010、Origin 2019b和SPSS 26進行作圖與數據分析。實驗結果均以平均值±標準差表示，采用單因素方差分析法進行顯著性差異分析，當P<0.05時，表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 亞麻籽餅粕的基本成分

通過測定得到原料亞麻籽餅粕的基本成分含量。水分含量為(0.93±0.01)%、灰分含量為(5.14±0.15)%、蛋白質含量為(33.96±0.48)%、脂肪含量為(0.63±0.04)%、膳食纖維含量為(59.15±0.68)%。

2.2 葡萄糖標準曲線

葡萄糖標準曲線繪制結果如圖1所示，得到線性方程為y=10.271x+0.005 6，R2=0.998 6。

圖1 葡萄糖標準曲線

2.3 熱水浸提法工藝的優化結果

2.3.1 單因素試驗

由圖2可知，料液比、提取時間、提取溫度3個因素對FSG的提取率均有顯著影響(P<0.05)。

a-料液比；b-提取時間；c-提取溫度

在料液比為1∶100～1∶300時，隨著料液比的增加，整體呈現先升高后降低的趨勢(P<0.05)，在料液比為1∶125時提取率達到最大值，因此選取料液比為1∶125為宜。

在提取時間為0.5～3 h下，FSG提取率隨時間延長呈現先升高后降低的趨勢，在2 h時達到最高值。其可能原因是FSG溶出需要一定的時間，時間過短，FSG溶出不完全，在2 h時大部分FSG已溶出。提取時間為1.5與2 h無顯著差異(P>0.05)，考慮到浸提效率及過長的提取時間會滋生微生物以致對FSG質量造成影響，選擇提取時間為1.5 h為宜。

在提取溫度為40～80 ℃，FSG提取率隨溫度的升高而升高(P<0.05)，在80 ℃時達到最大值。可能原因是低提取溫度下傳質阻力較大，導致FSG溶出速率較低，而溫度升高致使分子間熱運動加快，傳質阻力降低，故提取率升高。考慮到浸提溫度高于80 ℃后會對FSG結構破壞較大，故選擇提取溫度為80 ℃為宜。

2.3.2 正交試驗

由表1和表2可知，3個因素對FSG提取率的影響主次排序為C(提取溫度)>B(提取時間)>A(料液比)，從9組處理中可以直觀找出最優水平組合為第5組，即A2B2C3，此時提取率達到18.96%，正交優化結果同樣為A2B2C3，故可得到熱水浸提法提取FSG的最佳工藝條件為：料液比1∶125、提取時間120 min、提取溫度80 ℃。SAFDAR等[17]采用熱水浸提法從亞麻籽中提取FSG，在提取溫度為100 ℃時達到最大提取率為8.92%，李小鳳等[18]同樣采用熱水浸提法從亞麻籽中提取FSG，得到的提取率為7.28%，這可能是由于提取所用原料來源、原料產地、提取工藝等的不同導致的。

表1 L9(33)正交設計因素水平表

表2 正交試驗結果

2.4 超聲提取法工藝的優化結果

2.4.1 單因素試驗

由圖3可以看到，料液比、超聲時間和超聲功率3個因素均對FSG的提取效果影響顯著(P<0.05)。

a-料液比；b-超聲時間；c-超聲功率

當料液比為1∶100～1∶300時，隨著料液比的增加，FSG提取率先升高后降低，當料液比為1∶175時提取率達到最大，故選擇料液比1∶175為宜。

在超聲處理時間為10～60 min時，FSG提取率隨時間的延長而不斷升高，在超聲處理60 min時提取率達到最大，其中超聲時間50與60 min下的差異不顯著(P>0.05)，考慮到提取時間過長，生產周期增長的同時導致生產成本增大，故最佳提取時間為50 min。

在100～400 W的超聲功率下，FSG提取率隨著功率的升高呈現先升高后降低的趨勢，當超聲功率為200 W時提取率達到最大值，故選取超聲功率200 W為宜。

2.4.2 正交試驗

由表3和表4可知，3個因素的主次關系為A(料液比)>B(超聲時間)>C(超聲功率)。從9個處理組中可以直觀找出最優組合為第3組，即A1B3C3，提取率為23.82%，而正交優化最佳水平組合為A2B3C3，此時提取率達到23.83%。經過驗證，正交優化水平組合的FSG提取率優于第3組處理，故得到超聲法提取FSG的最佳工藝條件為料液比1∶175、超聲時間50 min、超聲功率250 W。

表3 L9(33)正交設計因素水平表

表4 正交試驗結果

2.5 掃描電鏡圖

由圖4可以看到，2種方法提取的FSG均呈立體且規則的片狀結構，表面結構均較疏松，不同之處是熱水提FSG的結構更加厚實致密，片狀結構較完整，超聲法提FSG的表面存在較多孔洞，其片狀結構單薄且呈碎片化。2種方法提取的FSG表面結構的差異可能與提取方法的作用強度有關，熱水浸提法作用條件較溫和，對所提FSG結構破壞相對較小，而超聲法提取強度較大，可能是由于超聲產生的空化氣泡爆開時形成了小的高壓集中區域，導致其形成多孔洞的結構。

a-熱水浸提FSG；b-超聲法提FSG

2.6 傅里葉紅外光譜圖

紅外光譜是根據分子內部不同的官能團、化學鍵振動或轉動等信息，以此來衡量物質分子中官能團或化學鍵的存在或變化的分析方法。由圖5可以看出，提取方法對FSG的結構有一定影響。2 981～2 850 cm-1處為C—H鍵的伸縮振動[19](熱水提FSG：2 945.24 cm-1)；1 291～1 460 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：1 483.07 cm-1，超聲提FSG：1 284.11、1 482.34 cm-1)為C—H的變角振動吸收峰[20]；1 426～1 409 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：1 426.01 cm-1)為C—H彎曲弱振動[21]；1 060～985 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：1 060.81 cm-1，超聲提FSG：1 063.54 cm-1)代表C—O鍵的伸縮振動；917 cm-1附近的吸收峰(熱水提FSG：914.73 cm-1，超聲提FSG：909.61 cm-1)代表β-糖苷鍵的存在[19]；875～560 cm-1處的吸收峰(熱水提FSG：871.57 cm-1，超聲提FSG：864.99 cm-1)表明有糖結構的存在[22]。2種提取方法得到FSG的二級結構差異可能是超聲處理后由于機械作用的剪切力，破壞了多糖分子之間的相互作用，從而對其分子結構產生了一定影響[23]。

a-熱水浸提FSG；b-超聲法提FSG

2.7 理化性質分析

2.7.1 pH穩定性

FSG溶液的pH值對其流動行為和黏度等理化性質有很大的影響，故分析貯存期間FSG的pH值變化是很有必要的。FSG溶液的最佳pH值為6.0～8.0。如圖6所示，在貯存過程中，熱水提FSG的pH值在6.38～6.61，超聲FSG在6.27～6.46時，熱水提FSG的pH值略高于超聲提FSG，這可能是由于高溫提取致使蛋白質和多糖的變性導致的[11]。2種FSG溶液的pH值總體變化不大，可以看出2種方法提取的FSG均具有良好的pH穩定性，這與HU等[11]的研究結果是相似的。

圖6 提取方法對FSG的pH穩定性的影響

2.7.2 黏度測定結果

由圖7可知，在相同的質量濃度下，熱水提FSG的表觀黏度顯著高于超聲提FSG(P<0.05)。這可能是因為微觀結構對黏度有一定的影響，超聲提取作用強度較大，相比于熱水提FSG，其片狀結構單薄且呈碎片化，且超聲處理可能會破壞糖苷鍵，從而破壞大分子的聚集，此外，減少的分子間相互作用可能導致FSG溶液的表觀黏度顯著降低。

圖7 提取方法對FSG黏度的影響

2.7.3 起泡性測定結果

起泡性是一種衡量聚合物穩定泡沫、限制漏氣及防止泡沫坍塌能力的指標[11]。通過觀察泡沫體積及其隨時間的變化來確定FSG的起泡性和穩定性。如圖8所示，可以看到超聲提FSG的起泡性和泡沫穩定性顯著高于熱水提FSG(P<0.05)，可能的原因一方面是熱水提FSG具有較高的初始黏度，使其穩定泡沫界面和抗坍塌的能力較低[11]；另一方面可能是由于超聲處理降低了FSG顆粒的粒度，同時降低了水的界面張力，有利于分子的快速擴散[24]。

圖8 提取方法對FSG起泡性和泡沫穩定性的影響

2.7.4 乳化性測定結果

乳化性是食品應用中重要的功能性質之一，乳化能力取決于親水膠體或乳化劑降低油水界面張力的能力。由圖9可以看出，超聲提FSG較熱水提FSG相比具有更好的乳化性和乳化穩定性(P<0.05)，可能原因是高強度的超聲處理抑制了顆粒聚集，提高乳液界面吸附分子的能力。

圖9 提取方法對FSG乳化性和乳化穩定性的影響

2.8 抗氧化性測定結果

由圖10可知，不同提取方法對得到的FSG的抗氧化能力均有影響，且熱水提FSG與超聲提FSG的4種抗氧化能力均隨FSG質量濃度的增加而增加。

在FSG質量濃度為2～10 mg/mL時，超聲提FSG的·OH清除能力高于熱水提FSG，但均低于抗壞血酸。FSG多糖中的羧基能夠絡合金屬離子如Fe2+等，抑制其與H2O2進行反應生成·OH，另一方面多糖中的羥基和羧基可作為氫供體，提供氫原子與·OH反應從而清除·OH，因此，多糖含量較高的超聲提FSG的·OH清除效果更好。

超聲提FSG的清除DPPH自由基能力高于熱水提FSG，但均低于抗壞血酸。這可能是因為多糖的清除自由基能力與其供氫能力呈正相關[25]，多糖的羥基和羧基均可作為氫的供體，其中羧基更容易解離氫原子，使DPPH還原成DPPH-H，因此多糖含量相對高的超聲提FSG清除DPPH自由基能力更高。

總還原力是評價樣品抗氧化活性的重要指標，還原能力測定通過鐵氰化鉀還原方法測量抗氧化劑的給電子能力，樣品的還原能力可以作為評估其潛在抗氧化性能的指標[26]。如圖10-c所示，在質量濃度為2～10 mg/mL時，超聲提FSG的總還原力高于熱水提FSG，均低于抗壞血酸的總還原力。

a-·OH清除活性；b-DPPH自由基清除活性；c-總還原力；d-ABTS陽離子自由基清除活性

ABTS陽離子自由基是帶正電荷的自由基，其清除過程的主要原理是電子的轉移[27]。如圖10-d所示，當FSG的質量濃度為0.4～2.0 mg/mL時，熱水提FSG的ABTS陽離子自由基清除率高于超聲提FSG，均低于抗壞血酸。

ABTS陽離子自由基是帶正電荷的自由基，其清除過程的主要原理是電子的轉移[27]。如圖10-d所示，當FSG的質量濃度為0.4～2.0 mg/mL時，熱水提FSG的ABTS陽離子自由基清除率高于超聲提FSG，均低于抗壞血酸。

3 結論

本研究對比了熱水浸提法和超聲法所得到的FSG在結構、理化特性及抗氧化活性上的差異。在FSG的結構與理化性質方面，兩者有著密切的關聯性，熱水提FSG表面結構相對完整致密，致使其相對于超聲提FSG而言具有較高的初始黏度，可用作食品增稠劑等，但同時其較高的初始黏度也是導致其起泡性及起泡穩定性低于超聲提FSG的原因之一；超聲提FSG表面結構疏松多孔，這是相對高強度的超聲處理引起的，這種處理也是其乳化性及乳化穩定性高于熱水提FSG的一個原因，相比較下可見超聲提FSG較為適用于烘焙食品以及蛋黃醬和沙拉醬等。抗氧化性方面，2種方法提取的FSG均具有良好的抗氧化活性。本研究考察了提取方法對FSG的影響，為提高亞麻籽餅粕的利用率、擴大FSG在食品中的應用及功能性產品的開發提供了理論基礎及參考。