优良乳化特性麦麸阿拉伯木聚糖 制备工艺优化

刘成龙,殷丽君,陈复生,王立博,张鹏龙

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001)

小麦是全球种植最广泛的农作物,世界上约1/2人口以其为主食。2016年我国小麦产量达到1.28亿吨,由制粉工业产生的麸皮就有2000多万吨,而目前小麦麸皮主要用于饲料加工,附加值较低。麸皮中含有丰富的阿拉伯木聚糖(arabinoxylan,AX),约占其干基含量的20%[1]。

AX具有良好的乳化特性和高持水性,并且在氧化酶的作用下能够氧化交联形成凝胶。同时,作为一种膳食纤维,AX还具有一定的生理活性,如抗氧化、降低胆固醇、增强免疫力等。AX很难被代谢吸收,会影响动物的生长发育。因此,从小麦麸皮中提取AX能够提高经济效益,对小麦的精深加工具有重要意义。Yadav等通过研究发现从玉米中提取的AX的乳化性质强于阿拉伯胶[2]。有研究推断多糖乳化特性主要是具有亲水性的糖链与连接其上的蛋白质共同作用形成的,因此,目前对阿拉伯木聚糖乳化特性研究多集中在与蛋白质结合得到改性产物从而提高乳化特性方面[3]。而小麦自身就具有高蛋白质含量,通过提取方法优化直接提取具有优良乳化特性麦麸阿拉伯木聚糖可以极大的简化后续改性操作过程,从而减少能耗,节省生产成本。

本实验采用粒径分析的方法对麦麸阿拉伯木聚糖(wheat bran arabinoxylan,WBAX)提取工艺条件进行优化,并通过正交实验设计法进行系统优化,以期获得具有优良乳化特性的麦麸阿拉伯木聚糖的提取方法。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

小麦 矮抗58,硬质小麦,干基蛋白质含量14.48%,河南省农科院;无水乙醇 天津天力化学试剂有限公司;氢氧化钠 洛阳市化学试剂厂;浓盐酸、30%双氧水 洛阳昊华化学试剂有限公司;阿拉伯胶 天津市科密欧化学试剂有限公司。

MLU-202实验磨粉机 无锡布勒机械制造有限公司;高速万能粉碎机 北京市永光明医疗仪器有限公司;40目分样筛 浙江上虞市五四仪器筛具厂;L550型离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;雷磁PHS-3C pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;FLUKO高速剪切均质机 上海弗鲁克流体机械制造有限公司;APV-2000高压均质机 斯必克流体技术有限公司;Zetasizer Nano-ZS90激光粒度仪 英国马尔文仪器有限公司;电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;722s可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.2 碱提工艺 取100 g去淀粉小麦麸皮,加入1.5 L一定浓度的NaOH溶液。然后,加入30% H2O2溶液,并调节H2O2浓度为0.5%。在设定碱提温度与碱提时间下,水浴加热反应,反应后料液在4000 r/min离心20 min,取上清液用4 mol/L HCl溶液调pH至一定值,在4000 r/min离心20 min,取上清液,加入无水乙醇沉淀(V乙醇∶V料液=13∶7),在4000 r/min离心20 min,所得沉淀复溶于水,在4000 r/min再离心20 min,上清液冷冻干燥,得到麦麸阿拉伯木聚糖[4],4 ℃条件下保存。

1.2.3 乳状液制备 将大豆油与1%(w/w)麦麸阿拉伯木聚糖样品溶液,按质量比1∶9混合。混合液先用高速均质机在20000 r/min的转速下均质3 min获得初乳液,再将获得的初乳液在50 MPa压力下进行高压均质,获得O/W乳状液。

1.2.4 单因素实验 分别对NaOH浓度、碱提时间、碱提温度、pH四因素做单因素实验。

1.2.4.1 考量NaOH浓度的影响 固定条件碱提温度80 ℃、碱提时间120 min、pH4.3,考察NaOH浓度0.05、0.10、0.15、0.20、0.25 mol/L对WBAX乳状液平均粒径及分布影响。

1.2.4.2 考量碱提时间的影响 固定碱提温度80 ℃、NaOH浓度为0.15 mol/L、pH4.3,考察碱提时间30、60、90、120、150、180 min对WBAX乳状液平均粒径及分布影响。

1.2.4.3 考量碱提温度的影响 固定碱提时间120 min、NaOH浓度为0.15 mol/L、pH4.3,考察碱提温度50、60、70、80、90、100 ℃对WBAX乳状液平均粒径及分布影响。

1.2.4.4 考量pH的影响 固定碱提时间120 min、反应温度80 ℃、NaOH浓度0.15 mol/L,考察pH3.5、3.8、4.0、4.3、4.5、4.8、5.0对WBAX乳状液平均粒径及分布影响。

1.2.5 正交实验设计 根据单因素实验结果确定因素水平范围,在H2O2浓度0.5%,乙醇∶料液=13∶7条件下,采用正交实验设计对NaOH浓度、碱提时间、碱提温度、pH进行优化,采用4因素3水平正交设计表,共进行9次实验。

如果相机支持机内多重曝光功能，可以尝试将不同的主体混合于同一画面。或者也可以尝试用Photoshop对多个图层进行混合。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of the orthogonal regression tests

1.2.6 乳状液粒径测定 选用蒸馏水作为测量背景,对激光粒度仪进行参数设置,并清除背景值。将样品稀释,达到合适浓度后,测定粒径分布和平均粒径,平均粒径用d4,3表示,其计算公式如下:

式中:ni表示颗粒数量,di表示颗粒直径,μm。

1.2.7 乳化稳定性研究 乳状液制备完成,在底部取20 μL乳状液加入5 mL 0.1%的十二烷基硫酸钠溶液中,在650 nm下用分光光度计测其吸光值,30 min后重复上述操作。后测定吸光度值与制备完成0 min时的新鲜乳状液吸光度比值即为乳化性。连续7 d重复测定乳状液吸光度,以时间为横坐标,后测定吸光度值与新鲜乳状液吸光度值比值为纵坐标作图。分布指数(polymer dispersity index,PDI)表示粒径分布范围的集中程度，PDA越小，表明粒径分布越集中，计算公式如下：

Γ：光散射强度衰减率；k：玻尔兹曼常数；T：绝对温度(单位为K)；n：分散相折射率；η：分散介质黏度；λ0：光的波长；θ：散射角；x：分散相颗粒直径。

1.3 数据统计分析

采用分析统计软件SPSS 20.0和Origin 8.6进行实验数据分析及绘图,显著性分析过程中p<0.05为视为显著。

2 结果与讨论

2.1 AX提取单因素实验结果

2.1.1 碱浓度对WBAX乳化特性的影响 由图1(a)可知,随着提取液中NaOH浓度的增加,提取产物乳状液的粒径呈现先减小后增大的趋势,当NaOH浓度在0.15 mol/L时,乳状液平均粒径最小(0.7170±0.009) μm,显著小于0.25 mol/L时的平均粒径(0.9530±0.126) μm。NaOH浓度在0.05～0.25 mol/L时，PDI分别为0.46±0.093、0.483±0.132、0.183±0.023、0.326±0.015、0.552±0.028，当NaOH浓度为0.15 mol/L时，其PDI最小，为0.183±0.023，即图1(b)中峰的宽度较窄，粒径大小分布最为集中、均匀，说明此浓度附近提取的WBAX具有较好的乳化特性,NaOH含量过大过小都会降低WBAX的乳化特性。这可能是因为当NaOH浓度较小时,提取产物更接近于水提产物,其所包含的阿拉伯木聚糖分子的链长较短,空间位阻效应较弱,不能有效阻碍分散液滴的聚集,而碱浓度过大又会破坏酯键等一些疏水基团,影响疏水结构的形成,进而减弱其亲水亲油性,降低WBAX的乳化特性[5]。另外,有研究表明乳状液中Na+会破坏乳液界面的双电子层,分散相液滴间静电斥力下降,易于聚集,进而减弱了乳化特性[6-7]。

图1 碱浓度对WBAX乳状液平均 粒径(a)和粒径分布(b)的影响Fig.1 Effects of the concentration of alkali on the mean particle size(a)and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.1.2 碱提温度对WBAX乳化特性的影响 如图2所示,随着碱提温度的提高,粒径先减小后又有升高趋势,在80、90 ℃处存在较小粒径(0.6731±0.033、0.6799±0.007) μm。当温度在50～100 ℃时，PDI分别为：0.641±0.116、0.402±0.006、0.326±0.015、0.102±0.042、0.272±0.026、0.459±0.111，在80 ℃与90 ℃处分别为0.102±0.042、0.272±0.026，均处于较低水平,具有较优的乳化特性。根据Aguedo的研究结果可知水提AX的阿拉伯糖(Ara)/木糖(Xyl)小于碱提产物,提取条件较为温和时,Ara/Xyl的比值较小,即此时AX的分支度较低,产生的空间位阻较小,阻碍乳状液液滴聚集能力较弱,从而降低WBAX乳化能力。另外,小麦蛋白对热不敏感,在80 ℃左右才会凝胶化,而当温度再继续升高时,蛋白质的结构遭到破坏,减弱了其乳化能力[8-9]。

图2 碱提温度对WBAX乳状液平均 粒径(a)和粒径分布(b)的影响Fig.2 Effects of the action temperature on the mean particle size (a)and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.1.3 碱提时间对WBAX乳化特性的影响 由图3可知,随着碱提时间的增加,平均粒径逐渐减小,当碱提时间达到150 min时达到最小(0.5876±0.010) μm,继续延长提取时间,平均粒径又会增加。当提取时间在30～180 min时，PDI分别为：0.377±0.215、0.613±0.145、0.325±0.04、0.300±0.017、0.126±0.072、0.366±0.006，同样具有此规律。呈现此趋势的原因可能是,游离的AX多为短链,分子量较低的,易于提取,在较短时间内就能溶出,而内部分子量大,分支度较高的AX溶出时间较长,随着提取时间的增加,高分子量、高分支度的的AX在产品中含量更高,提升了提取产物乳状液乳化性质[3,10]。当反应时间继续增加时,多糖的结构又会遭到破坏,降低WBAX的乳化特性[11-12]。

图3 碱提作用时间对WBAX乳状液平均 粒径(a)和粒径分布(b)的影响Fig.3 Effects of the action time on the mean particle size(a) and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.1.4 pH对WBAX乳化特性的影响 由图4可知,提取产物AX的乳状液粒径随着pH的增加呈现先下降后上升的趋势,并且在pH4.3处具有最小粒径(0.5070±0.012) μm,当pH在3.5～5.0时， PDI分别为0.58±0.205、0.489±0.235、0.300±0.021、0.260±0.034、0.398±0.048、0.330±0.093、0.353±0.006，当pH4.3时，PDI最小为0.260±0.034，乳状液粒径分布均匀,具有较好的乳化性质。这可能是因为碱液所提取的多糖包括半纤维素A 和半纤维素B,而半纤维素A的乳化特性小于半纤维素B,且在pH4.3附近可以沉淀析出。在本提取过程中,调节pH半纤维素A沉淀分离,半纤维素B得到纯化,乳化特性提升[13]。另外,pH4.3在蛋白质等电点附近,降低蛋白质的溶解性,也会对WBAX的乳化特性产生影响[14]。

图4 pH对WBAX乳状液平均 粒径(a)和粒径分布(b)的影响Fig.4 Effects of the pH value on the mean particle size(a) and particle size distribution(b)of WBAX emulsion

2.2 正交实验结果

在以上单因素实验的基础上,以WBAX乳状液平均粒径为指标,设计四因素三水平正交实验,以确定WBAX乳状液平均粒径最小的提取工艺,实验结果如下。

由表2正交实验表观分析R值可知,各因素对实验结果影响的主次顺序为碱提温度>pH>碱提时间>NaOH浓度。选定阿拉伯木聚糖提取工艺的优化方案为A3B2C2D2。即适宜的具有良好乳化性质的AX提取条件是碱提时间180 min、碱提温度85 ℃、碱浓度0.15 mol/L、pH4.3。

表2 正交实验设计及结果分析Table 2 The orthogonal regression tests design and experimentation results

选取表观分析中影响最小的因素NaOH浓度作为误差列,进行方差分析。由方差分析结果可知,A(碱提时间)、B(碱提温度)与D(pH)的显著性p值分别为(0.020、0.026、0.040)均小于0.05,故此三因素均对实验结果影响显著,该因素条件发生变化会对实验结果造成显著性变化,对其进行优化具有重要意义。

表3 方差分析Table 3 The variance analysis of experimentation results

2.3 WBAX制备乳状液乳化性质分析

阿拉伯胶广泛应用于食品工业中,目前被认为是在稀油包水乳化体系具有最优乳化性质的食用胶[2,15]。同样采用高速剪切均质与高压均质两步法,制备质量分数10%的阿拉伯胶乳状液,测定粒径。如图5所示,最优提取条件下制备WBAX的乳状液与阿拉伯胶乳状液平均粒径分别为(0.4859±0.009、0.5494±0.013) μm。但从分布指数可知WBAX的为(0.147±0.015)较阿拉伯胶的(0.113±0.016)小,差异并不显著(p=0.208>0.05)。即阿拉伯胶乳状液分散液滴大小更均匀,由图b可知,与阿拉伯胶相比,WBAX具有类似的乳化稳定性。综上所述,最佳条件下提取WBAX具有优于阿拉伯胶的乳化性质。

图5 阿拉伯胶与WBAX的粒径分布(a)与乳化稳定性(b)Fig.5 Particle size distribution(a)and emulsifying stability(b)of Arabia gum and WBAX

3 结论

本研究通过单因素实验和正交实验,采取碱提工艺从小麦麸皮中提取阿拉伯木聚糖。由实验结果可知,影响碱提小麦麸皮阿拉伯木聚糖乳化特性的四个因素中碱提时间、碱提温度和pH对实验结果影响显著,NaOH浓度影响不显著,影响的主次顺序为碱提温度>pH>碱提时间>NaOH浓度。最终确定了最佳碱提工艺参数:碱提温度85 ℃,碱提时间180 min,NaOH浓度0.15 mol/L,pH4.3。此时WBAX乳状液平均粒径达到(0.4859±0.009) μm。通过乳化稳定性研究,结果表明,与阿拉伯胶相比,最佳条件下所提取WBAX具有更优的乳化性质。

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