黃玉炎,柴小巖,何桀,張冰琳,項(xiàng)雷文
(福建師范大學(xué)福清分校,福建 福清 350300)
燕麥β-葡聚糖是水溶性膳食纖維,具有降血糖、降血脂、降膽固醇、增強(qiáng)免疫力和預(yù)防心腦血管疾病等功效[1-4],且其抑菌性能良好[5],還能夠有效調(diào)節(jié)血脂及改善腸道菌群[6]。當(dāng)前,燕麥β-葡聚糖已作為天然多糖加入到食品中,在一定程度上可改善食品的風(fēng)味[7-9]。與其他來源的β-葡聚糖相比,燕麥β-葡聚糖具有更好的水溶性、皮膚滲透性以及較強(qiáng)的吸附小分子的能力[10]。
目前關(guān)于燕麥β-葡聚糖的提取方法主要有水提法[11]、發(fā)酵法[12]、酶解法[13]、凍融法[14]、雙向發(fā)酵法[15]等,但是水提法提取率比較低;堿提法雖然提取率大大提高,但產(chǎn)品純度較低;酶解法因醇沉?xí)拇罅康囊掖级杀靖?;凍融法所得產(chǎn)品純度高,但得率低。鑒于燕麥β-葡聚糖在食品中的廣泛應(yīng)用,急需一種高得率、高純度的燕麥麩提取方法。
本文將超聲輔助提取技術(shù)應(yīng)用于燕麥麩β-葡聚糖提取過程,有望提高燕麥麩β-葡聚糖的得率和純度,并在一定程度上改善燕麥麩β-葡聚糖的持水性和黏度。
燕麥麩:廈門格林貝爾生物科技有限公司;燕麥β-葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品、剛果紅:Aladdin公司;海藻酸鈉、阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠、瓜爾膠(食品級):山東省滕州市香凝生物工程有限公司。
KQ500DB型數(shù)控超聲波清洗器:昆山市超聲儀器有限公司;PHS-3E數(shù)字酸度計(jì):上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司;L-550低速大容量離心機(jī):山東濟(jì)南來寶醫(yī)療器械有限公司;RE-100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:WIGGENS labortechnik GmbH;TFDXO.25真空冷凍干燥機(jī):山東煙臺(tái)中孚冷鏈設(shè)備有限公司;UV754紫外分光光度計(jì):上海佑科儀器儀表有限公司;NDJ-8S黏度計(jì):福建化??平虄x器有限公司;Nicolet 380傅里葉變換紅外光譜儀:Thermo Fisher Scientific公司。
1.2.1 超聲輔助凍融法提取燕麥麩中的β-葡聚糖
取一定量的105℃烘干至恒重的燕麥麩粉,將燕麥麩粉與水分別按 1 ∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30(g/mL)的比例混合,將混合溶液分別在超聲功率為500 W,溫度 45、50、55、60、65 ℃下超聲輔助提取 30、40、50、60、70 min(為避免溫度波動(dòng),超聲5 min后需暫停5 min再繼續(xù)超聲,超聲輔助提取30 min的超聲總時(shí)間為15 min,依次類推),提取兩次合并上清液,靜置12 h后,經(jīng)3 500 r/min離心20 min后取上清液,將上清液在100 r/min、45℃蒸發(fā)濃縮至體積的4%,先將濃縮液在-18℃冷凍24 h,而后將濃縮液置于4℃解凍12 h,再將解凍液通過G2砂芯漏斗過濾,收集絮狀凝膠加水復(fù)溶,重復(fù)凍融操作,最后將絮狀凝膠冷凍干燥,得到燕麥麩β-葡聚糖。
參照文獻(xiàn)采用苯酚-硫酸法[16]測定多糖含量,繪制燕麥麩β-葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.011 0x+0.006 4,相關(guān)系數(shù) R2=0.996 2,線性范圍在 0~25 μg/mL,并計(jì)算燕麥麩β-葡聚糖的得率和純度。
1.2.2 燕麥麩β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)表征
紫外光譜分析:稱取0.1 g的燕麥麩β-葡聚糖樣品,加入20 mL蒸餾水使其徹底溶解后,用紫外分光光度計(jì)在190 nm~400 nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。
紅外光譜分析:將燕麥麩β-葡聚糖于105℃烘5 h。冷卻至25℃后與研細(xì)的KBr混合均勻,壓片,并于紅外光譜儀上采集紅外光譜,波數(shù)范圍為4 000 cm-1~400 cm-1。
1.2.3 燕麥麩β-葡聚糖持水性的測定
參考段中華等[17]的方法。稱取0.1 g燕麥麩β-葡聚糖樣品,轉(zhuǎn)移至離心管中,加入10 mL蒸餾水,振蕩10 min,25℃下靜置24 h后,在3000r/min離心30min,分離得到沉淀,在25℃下靜置1 h后稱重(W1),再將沉淀凍干稱重(W2),按下述公式計(jì)算持水率。
式中:X為燕麥麩β-葡聚糖持水的持水率,%;W1為吸水后質(zhì)量,g;W2為凍干后質(zhì)量,g。
1.2.4 燕麥麩中β-葡聚糖和幾種常見食品膠體復(fù)配后表觀黏度的變化
參考董興葉[18]的方法。分別配制0.1%燕麥麩β-葡聚糖樣品、海藻酸鈉、阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠及瓜爾膠,采用NDJ-8S黏度計(jì)先測定這些溶液的表觀黏度,再測定燕麥麩β-葡聚糖樣品與這幾種常見食品膠體以不同比例復(fù)配后的表觀黏度,并進(jìn)行對比分析。測定過程選用1號轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速為60 r/min。
采用excel和Design Expert 8.05處理軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
2.1.1 料液比對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響
料液比對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響如圖1所示。
從圖 1 可以看出,在料液比 1∶10(g/mL)~1∶20(g/mL)時(shí),燕麥麩中β-葡聚糖提取得率隨著料液比的減少而增加;在料液比 1∶20(g/mL)~1∶30(g/mL)時(shí),燕麥麩中β-葡聚糖提取得率變化不大。這可能是因?yàn)樘崛∫狠^少時(shí),燕麥麩中β-葡聚糖未能充分溶解;當(dāng)提取液達(dá)到一定比例時(shí),燕麥麩中β-葡聚糖會(huì)充分溶出;考慮到后續(xù)提取液的濃縮操作,料液比范圍確定在1∶15(g/mL)~1∶25(g/mL)之間。
圖1 料液比對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響Fig.1 Effect of solid-liquid ratio on extraction yield of β-glucan from oat bran
2.1.2 超聲提取溫度對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響
超聲提取溫度對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響如圖2所示。
圖2 提取溫度對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響Fig.2 Effect of extract temperature on extraction yield of βglucan from oat bran
從圖2可以看出,超聲提取溫度在45℃~65℃時(shí),燕麥麩中β-葡聚糖提取得率隨著超聲提取溫度升高而增加。但隨著超聲提取溫度的升高,提取液的顏色也隨之加深,這可能是因?yàn)闇囟仍礁?,提取液中的物質(zhì)會(huì)發(fā)生反應(yīng),尤其是美拉德反應(yīng),這會(huì)給后續(xù)分離操作帶來困難。因此考慮到后續(xù)操作,超聲提取溫度范圍確定在45℃~55℃之間。
2.1.3 超聲時(shí)間對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響
超聲提取時(shí)間對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響如圖3所示。
從圖3可以看出,超聲提取時(shí)間在30 min~70 min時(shí),燕麥麩中β-葡聚糖提取得率隨著超聲提取時(shí)間延長而增加。但隨著超聲提取時(shí)間的延長,長時(shí)間的超聲會(huì)使提取溫度上升,提取液的顏色也會(huì)加深。因此考慮到后續(xù)操作,超聲提取時(shí)間范圍確定在50 min~70 min之間。
圖3 提取時(shí)間對燕麥麩中β-葡聚糖提取得率的影響Fig.3 Effect of extract time on extraction yield of β-glucan from oat bran
2.1.4 正交試驗(yàn)優(yōu)化
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果可得各因素的最佳水平,然后按L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表,進(jìn)行正交試驗(yàn),通過對正交試驗(yàn)結(jié)果分析可以得到提取工藝的最優(yōu)組合。因素水平表見表1,正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表1 正交試驗(yàn)因素和水平Table 1The factors and levels of L9(34)orthogonal experimental
表2 L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2The results of L9(34)orthogonal experimental
從表2可以看出,因素影響主次順序?yàn)锳>B>C,即料液比對β-葡聚糖提取得率影響最大,提取時(shí)間幾乎沒有影響;正交試驗(yàn)優(yōu)化后最佳組合為A2B3C1或A2B3C3,且A2B3C1正好在表2中出現(xiàn),提取時(shí)間較短,因此,最優(yōu)組合取 A2B3C1,即料液比為 1 ∶20(g/mL)、提取溫度為55℃、提取時(shí)間為50 min,在最優(yōu)條件下,得率為6.0%。
對提取的β-葡聚糖樣品進(jìn)行純度分析,采用超聲輔助凍融法提取燕麥麩中β-葡聚糖,其提取純度為82.3%,得率為6.0%;吳佳等[14]從燕麥粉中提取β-葡聚糖的純度為92.0%,但得率僅為1.5%。可以看出,凍融法提取所得的β-葡聚糖樣品純度均較高,但得率較低,而采用超聲輔助提取β-葡聚糖樣品時(shí),得率可增加3倍。因此,超聲輔助提取結(jié)合凍融法精制,燕麥中β-葡聚糖提取樣品純度較高,得率也高。
一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和燕麥麩提取的β-葡聚糖樣品溶液在190 nm~400 nm范圍掃描的紫外光譜如圖4所示。
圖4 標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和燕麥麩β-葡聚糖紫外光譜圖Fig.4 Ultraviolet spectrum of standard oat β-glucan and oat bran β-glucan
由圖4可知,β-葡聚糖提取樣品和標(biāo)準(zhǔn)品紫外光譜基本一致。該β-葡聚糖組分的最大吸收峰出現(xiàn)在200 nm,該波長處的吸收峰為糖類物質(zhì)的特征吸收峰。紫外掃描圖譜可知,280 nm和260 nm均沒有出現(xiàn)吸收峰,這說明從燕麥麩中提取的β-葡聚糖樣品中不含蛋白質(zhì)和核酸。
標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和從燕麥麩中提取的β-葡聚糖樣品的紅外光譜圖譜如圖5所示。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖和燕麥麩β-葡聚糖紅外光譜圖Fig.5 The infrared spectrum of standard oat β-glucan and oat bran β-glucan
由圖5可知,燕麥麩提取的β-葡聚糖的紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)燕麥β-葡聚糖的紅外光譜圖沒有顯著差異。兩種β-葡聚糖均在3 400 cm-1附近出現(xiàn)吸收峰,該峰是糖類分子或分子間的O-H鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的,該峰表明在分子內(nèi)及分子間有氫鍵的存在,而1 050 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰則是由O-H鍵變角振動(dòng)產(chǎn)生的;而在2 900 cm-1和1 380 cm-1附近出現(xiàn)的兩個(gè)吸收峰分別是次甲基中C-H鍵的伸縮振動(dòng)和變角振動(dòng)產(chǎn)生的;1 650 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰則可能是-CHO中的C=O鍵產(chǎn)生的;1 400 cm-1附近的吸收峰則C-H鍵變角振動(dòng)產(chǎn)生的;1 070 cm-1和1 160 cm-1附近出現(xiàn)的兩個(gè)吸收峰則可能是由于β-葡聚糖中具有不同數(shù)目的1,3-糖苷鍵和1,4-糖苷鍵而形成不同的C-O-C鍵振動(dòng)產(chǎn)生的;而900 cm-1附近出現(xiàn)的吸收峰則表明兩種β-葡聚糖是由β-D-吡喃型葡萄糖組成的,且該峰是由該糖中C-H鍵振動(dòng)產(chǎn)生的。
超聲輔助凍融法提取的燕麥麩β-葡聚糖的持水率307.6%,其持水率較高,這可能是由于超聲輔助提取過程能夠影響β-葡聚糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使其形成較大的空隙,有利于其吸收水分子,從而增大持水率,關(guān)于其空間結(jié)構(gòu),可以對其進(jìn)行電鏡掃描以進(jìn)一步鑒定。藍(lán)高爽[19]在對玉米多糖進(jìn)行分析時(shí),得到了類似的結(jié)論,其結(jié)果表明,超聲提取的玉米多糖形成了較大的空隙,這種結(jié)構(gòu)有利于吸收及貯存水分子。另外,涂宗財(cái)?shù)萚20]在超聲輔助提取荷葉多糖的研究中表明,超聲提取過程所需時(shí)間較短,且在中性條件下提取,這有利于在提取過程中保護(hù)多糖分子免受損傷,分子量較大,從而比較容易與水分子結(jié)合,增大持水率。
燕麥麩中β-葡聚糖提取樣品與幾種常見食用膠體表觀黏度見表3。
由表3可知,0.1%濃度的β-葡聚糖的表觀黏度與瓜爾膠較相似,在較低的濃度下具有較高的表觀黏度。說明燕麥麩β-葡聚糖具有很好的增稠和穩(wěn)定效果。將0.1%β-葡聚糖與相同濃度的阿拉伯膠、卡拉膠、黃原膠、海藻酸鈉、瓜爾膠以不同的體積比混合均勻,在25℃的條件下測定表觀黏度,結(jié)果見表4。
表3 燕麥麩β-葡聚糖樣品與不同食品膠體的表觀黏度性質(zhì)比較Table 3 Comparative apparent viscosity property of different food gum and oat bran β-glucan
表4 β-葡聚糖樣品與不同食品膠體復(fù)配表觀黏度性質(zhì)比較Table 4 Comparative apparent viscosity property of different food gum mixed with oat bran β-glucan
復(fù)配膠體溶液黏度的測量可以反映出β-葡聚糖樣品與食品膠的協(xié)同增稠率,膠體與β-葡聚糖的比例影響著其增效作用。由表4可知,0.1%燕麥β-葡聚糖與阿拉伯膠復(fù)配后沒有增稠作用,與其他4種膠體復(fù)配后增稠作用也不明顯,但是互相也沒有拮抗影響。因此燕麥β-葡聚糖與其他食品膠有很好的兼容性,可應(yīng)用于食品和醫(yī)療方面作為增稠劑和穩(wěn)定劑。
采用超聲輔助凍融法從燕麥麩中提取β-葡聚糖時(shí),料液比為 1 ∶20(g/mL)、超聲功率為 450 W、提取溫度為55℃、提取時(shí)間為50 min,將提取液蒸發(fā)濃縮至體積的4%,反復(fù)凍融2次。在此條件下,燕麥麩β-葡聚糖純度為82.3%,得率為6.0%,其持水率為307.6%,0.1%濃度下其表觀黏度可達(dá)74.8 g/(cm·s),與同濃度的瓜爾膠相似。