燕麦β-葡聚糖含量及其检测方法研究进展

张美俊 ，杨武德 ，王 超 ，路 花 ，杨 富 ，严威凯

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西省农业科学院高寒区作物研究所，山西大同037008；3.加拿大农业部渥太华研发中心，安大略渥太华K1A0C6）

燕麦（Avena）是禾本科（Gramineae）燕麦属（Avena L.）一年生草本植物。栽培燕麦主要是皮燕麦（Avena sativa L.）和裸燕麦（Avena nuda L.）。皮燕麦籽粒带稃，裸燕麦籽粒不带稃。皮燕麦和裸燕麦在我国均有种植，主要是裸燕麦，占燕麦总产量的90%以上[1]，内蒙古阴山地区是裸燕麦的发源地。世界其他国家种植的燕麦主要是皮燕麦[2]。燕麦喜冷凉温润气候，北半球温带地区是燕麦集中产区。我国燕麦主要集中在华北、西北、西南高海拔、冷凉和干旱地带，每年种植面积约100万hm2，其中，燕麦在华北（内蒙古、河北省、山西省）种植面积占全国总面积的70%左右。

燕麦含有丰富的营养成分，蛋白质含量11.16%～22.10%，其中，赖氨酸含量0.47%～0.96%，是小麦粉的2倍以上，被认为是更为优质的谷物蛋白；脂肪酸含量4.00%～11.00%，约80%为不饱和脂肪酸，亚油酸占脂肪酸含量的32.99%～48.69%[3-5]。目前燕麦备受关注，是由于燕麦富含多种功能成分，其中，β-葡聚糖被认为是燕麦最具开发潜力的功能成分之一。有研究表明，β-葡聚糖能降低人体血清胆固醇，预防心血管疾病[6-7]；调节血糖水平，可预防糖尿病[8-10]；调节机体免疫[11-12]等功能。燕麦已经被美国食品药品管理局（The Food and Drug Administration，FDA）以及欧洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）认证为保健食品，建议每日至少摄取0.75 gβ-葡聚糖，而摄入3 g β-葡聚糖可达到保健功能[13-16]。

由于燕麦β-葡聚糖具有独特的生理功效，围绕它开展研究能促进燕麦资源的开发。国家燕麦产业技术体系首席专家任长忠就指出，把燕麦功能成分提取出来，加工成特殊功能食品，突出燕麦高附加值，从而逆向推动燕麦产业发展和升级。笔者主要对国内外燕麦资源β-葡聚糖含量及检测方法进行了综述，以期为燕麦β-葡聚糖的开发研究及加快选育优质品种提供借鉴。

1 燕麦β-葡聚糖结构

1942年，学者从燕麦籽粒中分离到一种黏胶状非淀粉多糖，采用酶水解法对其结构进行鉴定，认为是一种聚葡萄糖[17]。此后试验证实了这一推断，将其命名为β-葡聚糖（β-glucan），是由D-葡萄糖以连续的 β-（1→4）糖苷键和单个的 β-（1→3）糖苷键连接而成的线性、黏性多糖[18-21]。β-葡聚糖被发现分布于禾谷类作物籽粒糊粉层、亚糊粉层以及胚乳细胞壁中[20，22-23]。禾谷类作物中，β-葡聚糖含量较高的是燕麦和大麦[17-18，23]。不同禾谷类作物籽粒β-葡聚糖化学结构类似，仅是分子中β-（1→4）糖苷键与β-（1→3）糖苷键所占比例存在区别。β-葡聚糖有可溶性和不溶性2种，不溶性β-葡聚糖中（1→4）糖苷键与（1→3）糖苷键含量比较高，可达4.2∶1，而燕麦中这一比值为（2.1～2.8）∶1[24]，大麦达（2.8～3.3）∶1，小麦达（3.0～3.8）∶1。研究也表明，燕麦中可溶性β-葡聚糖占总β-葡聚糖的50.7%～90.0%[20，25]，燕麦具有降血脂、降胆固醇等生理功效的主要功能成分是可溶性β-葡聚糖[20，26-28]。

2 燕麦资源β-葡聚糖含量差异

为利用和挖掘高β-葡聚糖含量的燕麦基因和种质资源，国内外学者对燕麦资源β-葡聚糖含量进行了相关研究。

国外学者AJITHKUNAR等[29]调查了来自瑞典和美国的134个燕麦资源β-葡聚糖，含量在0.76%～3.68%，研究发现，β-葡聚糖含量主要与燕麦基因型有关，其中，美国燕麦资源β-葡聚糖含量较高（平均2.24%）。GAJDOSOVA等[30]研究了33个燕麦资源（4个裸燕麦和29个皮燕麦）的β-葡聚糖含量，裸燕麦β-葡聚糖含量在3.91%～7.47%，皮燕麦β-葡聚糖含量在1.97%～4.09%。REDAELLI等[20]调查了658个欧洲燕麦资源，发现β-葡聚糖含量介于2.05%～5.29%，表明基因型和环境均会显著影响β-葡聚糖含量。SIKORA等[31]对1 700个燕麦资源进行分析，结果表明，β-葡聚糖含量在6.7%以上的有10个，3.6%以下有10个，最低值和最高值分别是1.8%和7.5%。

国内学者邓万和等[32]检测了211个燕麦资源的β-葡聚糖含量，结果发现，不同资源、地区、不同年份均会影响燕麦β-葡聚糖含量，其中资源间差异最显著。资源间β-葡聚糖含量变幅在3.14%～7.43%，最大差异达4.29百分点；相同资源种植于不同生态区域最大差异达2.46百分点，不同年份间差异最大达0.84百分点。郑殿升等[33]研究了我国13个省（区）1 010份及国外引进的4份裸燕麦品种（系）β-葡聚糖含量，结果显示，我国裸燕麦资源间β-葡聚糖含量差异较大，变幅在2.00%～7.50%，其中，3.00%～4.99%的占86.4%，5.00%～5.99%的占5.72%，＜3.00%的占6.61%，≥6.00%的占1.18%，含量较高的来自山西、河北、内蒙古，含量较低的则来自云南、贵州、四川等地。张海芳等[34]对内蒙古武川和卓资山种植的16个燕麦品种籽粒进行了β-葡聚糖含量的检测，结果表明，品种对燕麦β-葡聚糖含量有显著影响，变幅在4.75%～7.12%。2013年，13个燕麦区292份燕麦资源β-葡聚糖平均含量为3.62%，不同种植生态区燕麦β-葡聚糖含量差异显著，β-葡聚糖平均含量最高的是种植于华北区的燕麦，最低的是种植于西南区的燕麦[35]。周凡等[36]对来自意大利的31份和陕西的25份野生及栽培燕麦进行测定，结果表明，不同群体、基因型燕麦β-葡聚糖含量介于1.76%～8.72%，存在显著差异。

3 燕麦β-葡聚糖的检测方法

β-葡聚糖含量的准确测定是开发燕麦β-葡聚糖的主要难点之一，目前国内外检测β-葡聚糖含量较为准确的方法主要有以下几种。

3.1 刚果红法

β-葡聚糖能与染料刚果红特异性结合，产生的有色物质有显著吸收特点，根据这一特性，通过分光光度计测定待测燕麦样吸光值，根据标准曲线计算出β-葡聚糖含量。该法简便、快速、成本低，是检测燕麦β-葡聚糖含量常用的方法。但该法检测的只是可溶性β-葡聚糖，可用酸水解的方法估算不溶性β- 葡聚糖。张海芳等[34]、齐冰洁等[37]、林伟静等[38]、张如等[39]采用此方法检测了燕麦β-葡聚糖含量。

3.2 酶法以及酶试剂盒法

MCCLEARY 等[40]提出 AOAC995.16 法[41]，原理是利用特异性β-葡聚糖内切酶对β-葡聚糖进行水解，生成聚合度低的寡糖，再将寡糖用β-葡聚糖苷酶水解为葡萄糖，用葡萄糖氧化酶-过氧化物酶方法在分光光度计上测定生成的葡萄糖[40-41]。对照葡萄糖标准曲线，求得燕麦样中β-葡聚糖含量。此方法反应专一，结果准确、可靠，但对β-葡聚糖内切酶纯度要求高，纯度低且有其他酶干扰，则测定结果不准确[42]，该方法是目前国内外定量分析燕麦β-葡聚糖广泛采用的方法。郑殿生等[33]、欧阳韶晖等[35]、KUREK等[43]采用此方法检测了燕麦β-葡聚糖含量。

此酶法目前被美国谷物化学家协会（American Association of Cereal Chemists，AACC）认可，作为标准方法推荐。爱尔兰Mgeazmye公司将该方法的主要试剂配制成试剂盒（即酶试剂盒）进行商品化生产与销售，但其价格昂贵。REDAELLI等[20]、GAJDOSOVA等[30]、张江宁等[44]采用此酶试剂盒法检测了燕麦β-葡聚糖含量。

3.3 荧光法

β-葡聚糖能与荧光物质特异性结合，与纤维素、戊聚糖等其他多糖亲和力较弱，结合之后，增强荧光物质自身荧光强度[45]，其荧光强度增量在一定范围内与β-葡聚糖含量存在线性关系，因此，可以借助荧光光度计制作荧光强度与β-葡聚糖标样的标准曲线。对照标准曲线，求得燕麦样中β-葡聚糖含量。该法操作简单、高效、准确，但仪器投入比较高，且荧光剂calcofluor与β-葡聚糖的结合能力受calcofluor发光的影响，因此，该法难以在较广范围内使用。林伟静等[38]，WOOD等[46]采用此方法检测了燕麦β-葡聚糖含量。

3.4 高效液相色谱法

此方法的原理是用（1→3）（1→4）-β-D- 葡萄糖水解酶对葡聚糖进行专一性水解，生成寡糖，寡糖再在C18柱中分离，用反向高效液相层析定量检测[42]。利用高效液相色谱法测定β-葡聚糖含量的结果准确，但该法所用设备较为昂贵。游景水[47]采用高效液相色谱法测定了燕麦保健食品中β-葡聚糖的含量。

3.5 近红外光谱法

以上传统检测β-葡聚糖含量的方法测量精度高，但检测速度慢、成本高，需要对样品进行物理和化学过程预处理，无法做到对大批量燕麦样品β-葡聚糖含量的快速检测和评价[48]。

近红外光谱（Near infrared spectroscopy，NIRS）技术以其快速、避免化学过程对样品造成的损害、多组分同时测量，甚至可对样品进行无损检测的优势[49]，在农作物品质检测方面得到应用[50-52]。近红外光谱测定原理是基于含有C-H，N-H，O-H，S-H化学键的化合物样品，对近红外光（光谱波长780～2 526 nm）的选择性振动吸收，其中，透射谱区近红外光在样品中穿透能力可达30 mm，适合样品整粒或原状分析。近红外光谱分析将光谱测量技术、化学计量技术、数据处理技术与基础测试技术相结合，通过建立数学模型对未知样品进行定性或定量分析的一种间接分析法。近红外光谱分析中最为关键的步骤是首先用化学测试方法对大量有代表性样品测得标准值，同时采集光谱数据，把光谱数据与化学测试数据建立对应模型并进行校正、验证。

BAGCHI等[53]采用近红外光谱分析了173份未破坏的水稻籽粒蛋白质含量和直链淀粉含量，建立了水稻蛋白质含量和直链淀粉含量的检测模型，具有较高的准确性。HELL等[54]利用近红外和中红外光谱分析了小麦麸水分、蛋白质、可溶性和不可溶性膳食纤维和脂肪等指标，结果显示，基于近红外光谱技术建立的各指标检测模型对各指标的预测精度要优于中红外光谱。GOODARZI等[55]将近红外光谱技术与高效液相色谱法技术相结合，建立的大豆总异黄酮含量检测模型精度较高。基于近红外光谱分析技术的研究，国内外已研发出快速测定粮食作物籽粒蛋白质、脂肪、淀粉等指标的多功能谷物近红外分析仪，成为农作物品质分析和育种的一种重要手段[56-58]。

国内外关于利用近红外光谱检测禾谷类作物β-葡聚糖含量的研究较少，周青梅等[59]利用近红外光谱检测大麦中的β-葡聚糖含量，结果显示，估测精度R2达0.827，表明建立的近红外模型能检测麦芽β-葡聚糖含量。REDAELLI等[20]用化学测试方法调查欧洲燕麦资源β-葡聚糖含量的同时，也采用近红外光谱构建了β-葡聚糖含量的预测模型。RINGSTED等[60]研究明确了光谱区域2 275～2 375 nm与大麦β-葡聚糖具有重要的关系，并采用偏最小二乘法构建了大麦β-葡聚糖光谱检测模型，验证精度可以达到0.90，表明结合近红外光谱技术和化学计量学技术可以实现单粒大麦β-葡聚糖的准确检测。早期学者也探讨了近红外光谱分析大麦[61]、单粒大麦、麦芽[62]和裸燕麦[2]β-葡聚糖含量的可行性。

加拿大农业部渥太华研发中心，在燕麦育种过程中，结合酶试剂盒法，采用近红外光谱检测燕麦β-葡聚糖含量，构建了β-葡聚糖近红外光谱分析检测模型，在结合多年试验数据基础上，不断对光谱模型进行改进和优化，实现了对β-葡聚糖含量的快速、准确检测[63-64]。

4 结语

燕麦种质资源具有丰富的遗传多样性[37]，不同燕麦资源间β-葡聚糖含量差异显著，且燕麦资源在不同生态区种植β-葡聚糖含量也存在差异。截至目前，有3 202份燕麦资源入中国国家种质资源库，还有1 100余份资源未进行评价编入目录。因此，从不同燕麦资源及地区间筛选可直接利用的高β-葡聚糖含量的燕麦资源或筛选可作为改良燕麦品种的重要亲本材料，对开发燕麦资源功能活性物质β-葡聚糖具有重要意义。

燕麦β-葡聚糖含量检测方法中，近红外光谱法具有分析速度快，操作简单，对样品仅进行物理破损或不需破损的优点。近红外光谱法在使用前需创建所需的数学检测模型，每一个数学模型的建立都是由大量化学标准值做支撑，这将决定近红外光谱测试的精度和使用效果。而模型的建立将极大地提高检测效率，这对育种单位尤其重要，通过对低世代种子和有限种质资源非破坏性测试，实现高β-葡聚糖含量的杂交早代材料快速选择，将有力地推进燕麦品质育种进度[2，53]。