王紅，張順志，劉瑞，孫元琳，*，周素梅

（1.運(yùn)城學(xué)院理科實(shí)驗(yàn)中心，山西運(yùn)城044000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山西太谷030801；3.運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系，山西運(yùn)城044000；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京100193）

戊聚糖是Hoffmann 等首先從面包專用粉中分離得到的一種非淀粉多糖，主要存在于小麥、黑麥、高粱、玉米等谷物中，是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的重要成分[1-2]。研究[3]表明，戊聚糖具有高黏度、高持水力、氧化交聯(lián)以及酶解特性，是影響谷物加工過程及產(chǎn)品品質(zhì)的重要功能性成分。此外，戊聚糖還具有較好的乳化穩(wěn)定性、表面活性、起泡性和泡沫穩(wěn)定性[4]。

氧化交聯(lián)特性和酶解特性是戊聚糖重要的理化特性。在能產(chǎn)生自由基的氧化酶體系或某些化學(xué)氧化劑的作用下，戊聚糖分子之間發(fā)生相互交聯(lián)形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使戊聚糖的持水能力增強(qiáng)，溶液黏度增加，從而改變面團(tuán)的流變性，改善了面包等烘焙產(chǎn)品的品質(zhì)[5]。此外，戊聚糖在木聚糖酶、戊聚糖酶的作用下，使戊聚糖發(fā)生降解，分子大小及結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。適量添加木聚糖酶可提高面團(tuán)機(jī)械性能，增大面團(tuán)烘焙和蒸煮產(chǎn)品的體積，延緩面團(tuán)老化，但過量添加也會(huì)使其降解過度，造成面團(tuán)發(fā)黏，烘焙和蒸煮品質(zhì)下降[6-7]。由于戊聚糖的理化特性與產(chǎn)品品質(zhì)聯(lián)系密切，因而引起了研究者們的廣泛關(guān)注。

黑小麥?zhǔn)且环N含有天然黑色素，籽粒呈藍(lán)色、紫色、深褐色或接近黑色的小麥品種[8]。近年來，隨著黑色食品行業(yè)的迅速發(fā)展，黑小麥以其高纖維，并富含維生素、礦物質(zhì)、色素及酚酸類抗氧化物質(zhì)而受到人們關(guān)注。黑小麥作為一種優(yōu)質(zhì)的特色谷物資源，具有很大的開發(fā)前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[9-10]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)小麥面粉中戊聚糖的功能性研究已取得一定進(jìn)展，而對(duì)黑小麥戊聚糖的研究尚處于起步階段。本論文對(duì)黑小麥面粉戊聚糖的氧化交聯(lián)特性和酶解特性進(jìn)行研究，對(duì)于進(jìn)一步探討戊聚糖發(fā)揮其功能特性的機(jī)理，開發(fā)天然的品質(zhì)改良劑，推動(dòng)特色谷物資源的開發(fā)利用有著極其重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑小麥面粉戊聚糖：運(yùn)城學(xué)院生命科學(xué)系食品分析實(shí)驗(yàn)室自制[11]。木聚糖酶（2 500 U/g）：Sigma-aldirich公司；辣根過氧化物酶（peroxidase，POX，140 U/mg）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOX，110 U/mg）：Amresco公司；30%H2O2、葡萄糖、FeCl3等均為分析純?cè)噭?/p>

1.2 試驗(yàn)儀器

LD4-2A 型離心機(jī)：北京醫(yī)用離心機(jī)廠；pHS-3c型pH 計(jì)：上海精密科學(xué)儀器有限公司；Φ0.6-0.7 mm、Φ0.8-0.9 mm 型烏氏粘度計(jì)：上海啟航玻璃儀器廠；DSX-280A 型高壓滅菌鍋：上海申安醫(yī)療器械廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同酶量對(duì)黑小麥面粉戊聚糖（wheat flour pentosan，WEP）酶解特性的影響

將 WEP 溶于 pH 5.0，0.1 mol/L 的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液中，配制成濃度為5 mg/mL 的溶液。分別加入木聚糖酶 0、1、2、4、6、8、10 mg/g 底物，于 45 ℃反應(yīng)120 min。酶解結(jié)束后，沸水浴10 min 滅酶，冷卻，離心，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定戊聚糖溶液的比黏度。

1.3.2 不同作用時(shí)間對(duì)WEP 酶解特性的影響

將 WEP 溶于 pH 5.0，0.1 mol/L 的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液中，配制成濃度為5 mg/mL 的溶液。加入木聚糖酶 1 mg/g，于 45 ℃反應(yīng)不同時(shí)間（0、30、60、90、120、150、180、210、240 min）。酶解結(jié)束后，沸水浴 10 min滅酶，冷卻，離心，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定戊聚糖溶液的比黏度。

1.3.3 過氧化氫與過氧化物酶（hydrogen peroxide/peroxidase，H2O2/POX）體系對(duì)WEP 氧化交聯(lián)特性的影響

將WEP 溶于pH 6.0、0.1 mol/L 的乙酸鈉緩沖液中，配制成濃度為0.75%的溶液。首先確定過氧化物酶用量為 10 U/g，H2O2添加量分別為 150、300、600 mg/kg，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定其黏度變化。確定H2O2添加量為300 mg/kg，在加酶量分別為 5、10、15 U/g 時(shí)，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定其黏度變化[12-13]。

1.3.4 葡萄糖、葡萄糖氧化酶與過氧化物酶（glucose/glucose oxidase/peroxidase，Glc/GOX/POX）體系對(duì) WEP氧化交聯(lián)特性的影響

將WEP 溶解于pH 6.0、0.1 mol/L 的乙酸鈉緩沖液中，配制成濃度為0.75%的溶液。確定過氧化物酶用量為10 U/g，葡萄糖氧化酶80 U/g，葡萄糖添加量分別為0.009、0.017、0.033 g/g 時(shí)，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定其黏度變化。確定過氧化物酶用量為10 U/g，葡萄糖添加量0.017 g/g，葡萄糖氧化酶添加量分別為40、80、120 U/g時(shí)，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定其黏度變化。

1.3.5 化學(xué)氧化劑FeCl3對(duì)WEP 氧化交聯(lián)特性的影響

將WEP 溶解于蒸餾水中，配制成濃度為0.75%的溶液。在 FeCl3添加量為 0.19、0.38、0.75 mmol/g 時(shí)，用烏氏粘度計(jì)測(cè)定其黏度變化。

1.3.6 黏度測(cè)定

用烏氏粘度計(jì)在（25±0.2）℃水浴中進(jìn)行黏度測(cè)定[14]。黏度計(jì)算公式如下：

相對(duì)黏度（ηrel）=t/t0；比黏度（ηsp）=ηrel-1；

式中：t 為樣品溶液流經(jīng)烏氏粘度計(jì)上下兩刻度所需的時(shí)間，s；t0為純?nèi)軇ㄋ┝鹘?jīng)烏氏粘度計(jì)上下兩刻度所需的時(shí)間，s。

2 結(jié)果與分析

2.1 木聚糖酶用量對(duì)WEP酶解特性的影響

木聚糖酶用量對(duì)WEP 酶解特性的影響見表1。

表1 不同木聚糖酶用量對(duì)WEP 酶解后比黏度的影響Table 1 Effect of different xylanase dosage on the specific viscosity after WEP enzymatic hydrolysis

如表1 所示，WEP 溶液在不同酶量條件下酶解120 min 后，比黏度相比酶解前均有所降低，且降解程度隨著酶用量的增加而上升，這意味著WEP 在木聚糖酶的作用下發(fā)生了降解，使戊聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量越小，溶液黏度下降。當(dāng)酶用量為1 mg/g 時(shí)，WEP 溶液的比黏度隨著酶用量的增加下降很快，ηsp從0.783 下降至0.496，下降率達(dá)到36.7%；當(dāng)酶用量超過4 mg/g時(shí)，溶液比黏度的下降速率趨于平緩。當(dāng)酶量達(dá)到10 mg/g 時(shí)，WEP 溶液的比黏度由最初的0.783 下降至0.213，下降了72.8%。

2.2 作用時(shí)間對(duì)WEP酶解特性的影響

將酶用量固定為1 mg/g 底物，觀察WEP 溶液的比黏度隨反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同作用時(shí)間對(duì)WEP 酶解后比黏度的影響Fig.1 Effect of different action time on the specific viscosity after WEP enzymatic hydrolysis

由圖1 可知，在酶量一定的情況下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，WEP 溶液黏度逐漸降低，呈下降的趨勢(shì)。酶解過程在反應(yīng)初期速率較快，前110 min 內(nèi)曲線變化趨勢(shì)較陡；隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，黏度下降減慢，變化趨于平緩。繼續(xù)酶解時(shí)間至4h，比黏度從0.783 下降至0.433，下降了44.7%。

2.3 WEP酶解產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量

利用凝膠過濾色譜檢測(cè)WEP 酶解后的相對(duì)分子質(zhì)量分布情況，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 WEP 酶解液的凝膠過濾圖譜Fig.2 Gel filtration spectrum of WEP enzymatic hydrolysate

圖2 顯示，在1 mg 酶用量下，WEP 的相對(duì)分子質(zhì)量明顯降低，由1.21×106[11]降至2 440，表明戊聚糖在酶解過程中發(fā)生了較大程度降解。

WEP 以木糖通過β-1，4 糖苷鍵構(gòu)成木聚糖主鏈，阿拉伯糖為側(cè)鏈與主鏈相連。本試驗(yàn)所使用的高純度內(nèi)切木聚糖酶僅作用于β-1，4 糖苷鍵相連的木糖殘基，且相鄰位點(diǎn)不能有阿拉伯糖基取代。由于WEP 中含有較多的阿拉伯糖側(cè)鏈，所存在的空間位阻效應(yīng)降低了木聚糖酶的活力，因此酶解產(chǎn)物除了木糖外，還含有一定聚合度的阿拉伯低聚木糖。

2.4 H2O2/POX體系對(duì)WEP氧化交聯(lián)特性的影響

過氧化物酶（POX）在有氫供體（如戊聚糖分子中的阿魏?；鶊F(tuán)）存在的情況下能催化H2O2或氫過氧化物的分解，而供氫體本身（如戊聚糖）則發(fā)生聚合反應(yīng)，使之相對(duì)分子質(zhì)量增加、溶液黏度增加[12]。首先固定POX 的添加量為10 U/g，測(cè)定H2O2不同添加量（150、300、600 mg/kg）對(duì)WEP 氧化交聯(lián)的影響效果，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，當(dāng) H2O2添加量為 150 mg/kg 時(shí)，WEP水溶液的比黏度變化不大，且30 min 后略有下降，表明WEP 未發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)H2O2添加量提高至300 mg/kg 時(shí)，戊聚糖水溶液的比黏度變化程度顯著提高，由2.56 增加到3.45，上升了34.8%，氧化交聯(lián)現(xiàn)象較明顯。隨著H2O2添加量升至600 mg/kg，溶液的比黏度及其增加值明顯下降。這可能是由于H2O2用量的增加導(dǎo)致·OH 過量，使得多糖分子鏈氧化斷裂從而導(dǎo)致了溶液黏度降低。

當(dāng)H2O2添加量為300 mg/kg 時(shí)，分別加入5、10、15 U/g POX，測(cè)定WEP 的比黏度變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 POX 添加量對(duì)WEP 比黏度的影響Fig.4 Effect of POX addition on the specific viscosity of WEP

圖中顯示，當(dāng)POX 添加量為5 U/g 時(shí)，WEP 的比黏度沒有變化，表明未發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)POX 添加量為10 U/g 時(shí)，WEP 的比黏度增加最為明顯，隨著POX 用量進(jìn)一步增至15 U/g 時(shí)，溶液的比黏度反而又降低了，甚至低于5 U/g 添加量。其原因可能是由于過量的POX 生成了較多的氫過氧化物，對(duì)戊聚糖分子間的交聯(lián)產(chǎn)生了破壞作用。

由結(jié)果可以看出，在H2O2/POX 體系下，POX 及H2O2添加量與比黏度的增加并不呈正相關(guān)關(guān)系，POX及H2O2添加量過多或過少均不利于戊聚糖分子發(fā)生氧化交聯(lián)反應(yīng)。

2.5 Glc/GOX/POX體系對(duì)WEP氧化交聯(lián)特性的影響

該體系在反應(yīng)過程中，GOX 首先催化Glc 氧化生成H2O2，然后再和POX 作用，從而發(fā)生氧化還原反應(yīng)[3]。本試驗(yàn)固定POX 添加量為10 U/g，通過改變Glc和GOX 的添加量來觀察WEP 溶液黏度的變化，從而得出其對(duì)氧化交聯(lián)的影響。當(dāng)POX 添加量為10 U/g、GOX 添加量為80 U/g 時(shí)，分別加入不同量Glc，測(cè)定WEP 溶液的比黏度變化，結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，3 種不同的添加量均使WEP 的比黏度在5 min 內(nèi)迅速增加，表明都發(fā)生了氧化交聯(lián)反應(yīng)。當(dāng)Glc 用量由0.009 g/g 增至0.017 g/g 時(shí)，溶液比黏度從2.39 增加到3.62，增幅51.5%。當(dāng)Glc 用量進(jìn)一步增至0.033 g/g 時(shí)，溶液黏度增加量有所下降。該現(xiàn)象與H2O2對(duì)戊聚糖黏度影響結(jié)果與作用原理類似，因?yàn)镚lc 添加量的增加使其被酶解產(chǎn)生的H2O2量增加，從而導(dǎo)致溶液黏度下降，這一現(xiàn)象也進(jìn)一步證明H2O2的過量添加會(huì)影響氧化交聯(lián)的效果。

圖5 Glc 添加量對(duì)WEP 比黏度的影響Fig.5 Effect of Glc addition on the specific viscosity of WEP

在POX 添加量為10 U/g、Glc 添加量為0.017 g/g條件下，GOX 用量分別為 40、80、120 U/g 的 WEP 溶液黏度變化結(jié)果如圖6 所示。

圖6 GOX 添加量對(duì)WEP 比黏度的影響Fig.6 Effect of GOX addition on the specific viscosity of WEP

圖6 中顯示，GOX 用量由 40 U/g 上升到 80 U/g后，溶液黏度變化明顯提高，但當(dāng)GOX 用量進(jìn)一步增至120 U/g 時(shí)，溶液黏度增加量反而又降低了。分析其原因，主要是由于GOX 用量過多導(dǎo)致溶液Glc 的大量降解，從而產(chǎn)生過量H2O2，而過量H2O2對(duì)于戊聚糖的氧化交聯(lián)是不利的。

由結(jié)果可知，在Glc/GOX/POX 體系中，氧化交聯(lián)在初期反應(yīng)很快，之后黏度變化緩慢增加或不變，稱之為平臺(tái)區(qū)。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至平臺(tái)區(qū)后，溶液黏度基本不變甚至略有下降。氧化交聯(lián)特性也被稱為氧化凝膠特性，其中阿魏酸被認(rèn)為是氧化交聯(lián)作用的主要物質(zhì)[12]。前期研究[15]表明，黑小麥面粉戊聚糖中含有結(jié)合態(tài)阿魏酸，含量為0.76 mg/g。阿魏酸與戊聚糖中的阿拉伯糖側(cè)鏈共價(jià)連接，對(duì)戊聚糖的氧化交聯(lián)特性、黏度、面團(tuán)特性以及面包的烘焙品質(zhì)有著重要的影響，且阿魏酸含量越高、相對(duì)分子質(zhì)量越大，戊聚糖的氧化交聯(lián)特性越強(qiáng)[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)[12]，戊聚糖凝膠的形成是在反應(yīng)初期完成的，阿魏?；鶊F(tuán)在此階段被消耗得很快，使黏度快速增長(zhǎng)；反應(yīng)后期黏度的緩慢增長(zhǎng)則可能是由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分子鏈間的物理交聯(lián)作用引起的。

2.6 化學(xué)氧化劑FeCl3對(duì)WEP氧化交聯(lián)特性的影響

FeCl3是能夠產(chǎn)生自由基的氧化劑，也是戊聚糖氧化交聯(lián)特性研究中常用的化學(xué)氧化劑。通過加入不同量的FeCl3觀察其對(duì)戊聚糖溶液黏度的影響，從而了解化學(xué)氧化劑對(duì)WEP 氧化交聯(lián)特性的影響。FeCl3不同添加量對(duì)WEP 氧化交聯(lián)的影響效果如圖7 所示。

圖7 FeCl3 添加量對(duì)WEP 比黏度的影響Fig.7 Effect of FeCl3 addition on the specific viscosity of WEP

圖7 顯示，在20 min 內(nèi)，隨著FeCl3添加量的增加，WEP 溶液的比黏度也不斷增加，但20 min 后的變化趨勢(shì)則有所不同。當(dāng)FeCl3濃度為0.19 mmol/g 時(shí)，其比黏度隨時(shí)間逐漸增加，并在50 min 時(shí)，到達(dá)平臺(tái)區(qū)，比黏度從5.18 增加到10.65，增幅105.6%。FeCl3濃度為0.38 mmol/g 時(shí)，其比黏度在15 min 時(shí)到達(dá)平臺(tái)區(qū)，從4.66 增加到了9.70，增幅達(dá)到了108.2%。但當(dāng)加入的FeCl3濃度過高，即0.75 mmol/g 時(shí)，戊聚糖黏度增加迅速，僅5 in 就進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，增幅為94.7%，但20 min后黏度開始下降，猜測(cè)是由于高濃度的FeCl3破壞了后期分子鏈間的物理交聯(lián)作用，從而使得溶液黏度下降。

3 結(jié)論

隨著木聚糖酶用量的增加，戊聚糖酶解速率增大，其相對(duì)分子質(zhì)量大大降低。當(dāng)酶用量為10 mg/g 底物時(shí)，WEP 酶解120 min 后比黏度下降72%；當(dāng)酶用量為1 mg/g 底物時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，酶解程度增大，且在前120 min 內(nèi)黏度下降率較為明顯，反應(yīng)240 min 后，WEP 酶解液比黏度下降了45%。

H2O2/POX 體系、Glc/GOX/POX 體系和 FeCl33 個(gè)氧化體系均有利于黑小麥面粉戊聚糖發(fā)生氧化交聯(lián)。在最適用量條件下，化學(xué)氧化劑FeCl3產(chǎn)生氧化交聯(lián)的程度最大，比黏度增幅108.2%，其次為Glc/GOX/POX體系和H2O2/POX 體系，分別為51.5%和34.8%。

綜上所述，黑小麥面粉戊聚糖可通過調(diào)節(jié)木聚糖酶添加量及酶解時(shí)間以降低黏度；且其又可在氧化體系中發(fā)生氧化交聯(lián)，可利用其酶解特性及氧化交聯(lián)特性滿足食品生產(chǎn)需要。