裸燕麦β-葡聚糖的提取工艺及其理化性质研究

李楠，闫智超，孙元琳，周素梅

（1.运城学院生命科学系，山西 运城 044000；2.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193）

燕麦是禾本科燕麦属（Avena）一年生草本植物，我国的燕麦类型主要为裸燕麦，又称为莜麦，与皮燕麦相比，裸燕麦籽粒富含β-葡聚糖、蛋白质和不饱和脂肪酸[1]。近年来，β-葡聚糖因具有降低胆固醇[2]、预防心血管疾病[3]、调节血糖[4-5]、促进肠道有益菌的生长[6]、增强免疫力[7]等功效而备受关注。

有研究表明，燕麦β-葡聚糖是由β-（1→3）-D-葡聚糖和β-（1→4）-D-葡聚糖交联而成的线性同聚多糖，主要存在于胚乳及糊粉层细胞壁中[8]。由于品种、生长气候及温度不同[9]，燕麦β-葡聚糖的含量也不同，麸皮中β-葡聚糖的干基含量一般为2.1%～3.9%[1]。目前，有关燕麦β-葡聚糖的提取及理化性质研究主要以燕麦麸皮为原料[10-13]，上述研究忽略了胚乳细胞壁中的多糖，并且燕麦在磨粉过程中糊粉层难以物理剥离，另外，燕麦全粉是制作燕麦饼干、面包、面条、馒头等的原料，全粉的品质直接决定上述食品的营养品质，所以测定燕麦全粉中的β-葡聚糖，对分析燕麦全粉的营养价值、了解燕麦β-葡聚糖的含量、理化性质及功能特性有重要意义。

本研究以山西高寒地区裸燕麦全粉为原料，刚果红法测定β-葡聚糖的含量，研究不同提取条件对裸燕麦全粉β-葡聚糖得率的影响，采用响应面分析法得出β-葡聚糖的最优提取工艺条件，并分析因素与因素之间的相互作用以及各个因素对β-葡聚糖得率的影响程度，同时测定了β-葡聚糖的持水力、乳化性及乳化稳定性，为山西高寒地区裸燕麦的精深加工提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

裸燕麦：山西省朔州市山阴县。

β-葡聚糖标准品：中国计量科学研究院；耐高温α-淀粉酶（酶活≥40 U/mg）：合肥博美生物科技有限公司；刚果红：天津市瑞金特化学品有限公司；无水乙醇、氢氧化钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾（分析纯）：天津市大茂化学试剂厂；盐酸：洛阳昊华化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

紫外可见分光光度计（UV 600PC）：上海元析仪器有限公司；真空冷冻干燥机（Scientz-18ND）：宁波新芝生物科技股份有限公司；旋转蒸发器（RE-2000A）：上海亚荣生化仪器厂；pH计（FE20）：梅特勒-托利多仪器有限公司；台式低速离心机（TD5A-WS）：湖南湘立科学仪器有限公司；恒温数显水浴锅（HH-4）：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；中草药粉碎机（FW177）：天津泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

将裸燕麦粉碎，过50目筛，与75%乙醇按照料液比1∶8（g/mL）在80℃下回流2 h，以除去脂溶性物质、游离糖、小分子蛋白等，并灭活内源性β-葡聚糖酶，过滤，沉淀于80℃干燥，备用[14]。

1.3.2 工艺流程

裸燕麦全粉→加稀碱提取两次，收集上清液（4 000 r/min离心15 min）→耐高温α-淀粉酶除淀粉→等电点法去除蛋白质（调节pH值至4.5，95℃的水浴下静置30 min，收集上清液）→醇沉（真空减压浓缩，缓慢加入乙醇溶液使最终浓度为60%，4℃下静置20 h，离心收集沉淀）→沉淀复溶→冷冻干燥得到燕麦β-葡聚糖粗提物。

1.3.3 燕麦β-葡聚糖含量的测定

参考伏萃翠[15]的方法稍作改动，配制浓度为0.2 mg/mL的β-葡聚糖标准溶液，分别取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL标准溶液于比色管中，加去离子水补足至2 mL，然后分别加入4 mL刚果红溶液，混合摇匀，反应30 min，在波长550 nm处测定吸光度值。以β-葡聚糖浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制标准曲线。

测定裸燕麦全粉中β-葡聚糖含量时，将β-葡聚糖粗提物复溶，测定方法与绘制标准曲线相同，利用标准曲线回归方程计算得率。

1.3.4 单因素试验

pH值对得率的影响：固定液料比18∶1(mL/g)，提取温度80℃，提取时间2 h，研究提取液pH值为10.0、10.5、11.0、11.5、12.0 时对 β-葡聚糖得率的影响。

提取时间对得率的影响：固定液料比18∶1（mL/g），提取温度 80 ℃，pH10.0，研究提取时间为 1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 h时对β-葡聚糖得率的影响。

液料比对得率的影响：固定提取温度80℃，提取时间 2 h，pH 值 10.0，研究液料比为 15∶1、18∶1、21∶1、24∶1、27∶1（mL/g）时对 β-葡聚糖得率的影响。

提取温度对得率的影响：固定液料比18∶1（mL/g），提取时间 2 h，pH 值 10.0，研究提取温度为 70、75、80、85、90℃时对β-葡聚糖得率的影响。

1.3.5 响应面试验

在单因素试验的基础上，运用Design Expert 10.0软件中的Box-Behnken，进行响应面试验设计，因素与水平见表1。

表1 因素水平Table 1 Factor levels

1.3.6 β-葡聚糖理化性质测定

持水力：称取0.5 g冷冻干燥后的β-葡聚糖溶于25 mL蒸馏水中，控制温度20℃，调节pH值为7，于50 mL的烧杯中搅拌24 h，4 000 r/min离心10 min，测湿重[16]。持水力的大小按式（1）计算。

式中：m1为样品吸水后质量，g；m0为样品质量，g。

乳化性和乳化稳定性：配制质量浓度为2%的β-葡聚糖溶液100 mL，控制温度为25℃，调节pH值为7，加入100 mL色拉油，在高速分散器中以2 000 r/min的转速条件下乳化2 min，然后1 300 r/min离心5 min，记录乳化层体积[17]。乳化性按式（2）计算。

将上述乳化样品，在80℃的水浴中保温25 min，冷却后于1 300 r/min离心5 min，计算乳化稳定性。

2 结果与分析

2.1 β-葡聚糖标准曲线的绘制

以β-葡聚糖质量浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制标准曲线，结果如图1所示。

图1 β-葡聚糖标准曲线Fig.1 Standard curve of β-glucan

2.2 单因素试验结果

2.2.1 pH值对得率的影响

pH值对得率的影响见图2。

图2 pH值对β-葡聚糖得率的影响Fig.2 The effect of pH on the yield of β-glucan

由图2可知，在试验pH值范围内，得率先增加后降低，当pH值为11.0时，得率最高，为3.45%。裸燕麦β-葡聚糖在碱性溶液中溶解性增加，所以碱性条件有利于β-葡聚糖的提取，使得率增加。当碱性过强时，会导致部分β-葡聚糖解聚，黏度增大，颜色加深，使得率下降[18]。综上，pH值选择11.0。

2.2.2 提取时间对得率的影响

提取时间对得率的影响见图3。

图3 提取时间对β-葡聚糖得率的影响Fig.3 The effect of time on the yield of β-glucan

由图3可知，随着提取时间延长，β-葡聚糖得率先升高后下降，提取时间为2.0 h时得率最高。分析原因为β-葡聚糖的溶出需要一定的时间才能达到平衡，在一定时间内，得率会随着时间的延长而增加。而时间过长，会导致一部分β-葡聚糖重新被吸附，并且长时间处于碱性高温溶液中，β-葡聚糖会发生水解，使得率下降[19]。综上分析，提取时间选择2.0 h。

2.2.3 液料比对得率的影响

液料比对得率的影响见图4。

图4 液料比对β-葡聚糖得率的影响Fig.4 The effect of liquid-to-material ratio on the yield of β-glucan

由图4可知，随着液料比的增加β-葡聚糖得率先升高后基本不变，液料比为21∶1（mL/g）时得率最高。当液料比较小时提取不充分，增加提取液可使细胞内外溶质浓度差增加，传质推动力增强，有利于β-葡聚糖溶出。但液料比过大，会增加后续浓缩能耗，对实际生产没有意义。综上，液料比选择21∶1（mL/g）。

2.2.4 提取温度对得率的影响

提取温度对得率的影响见图5。

图5 提取温度对β-葡聚糖得率的影响Fig.5 The effect of temperature on the yield of β-glucan

由图5可知，在70℃～85℃，β-葡聚糖得率随温度的升高而增加，超过85℃后得率开始降低。由于温度升高加快溶液内的分子运动，并且提取液的黏度也会随着温度升高而降低，所以在一定范围内，得率随着温度升高而增加。当温度超过一定值时，其它杂质溶出增加，影响β-葡聚糖的溶出，另外，过高温度也会导致β-葡聚糖降解[20]，使得率降低。综上，提取温度选择85℃。

2.3 响应面试验结果

2.3.1 回归模型的建立及方差分析

响应面法优化试验设计及结果见表2。

表2 响应面法优化试验设计及结果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

续表2 响应面法优化试验设计及结果Continue table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表2中最后5项为中心试验，用以估算试验误差，其余均为析因试验，以β-葡聚糖得率为响应值得拟合二次回归方程。Y=4.33-0.27A-0.19B+0.066C-0.072D+0.23AB+0.24AC-0.22AD+0.38BC-0.03BD+0.045CD-0.78A2-0.62B2-0.63C2-0.87D2。

对该模型及系数进行显著性分析，其结果如表3所示。

表3 回归模型方差分析结果Table 3 ANOVA for response surface quadratic model analysis

回归方程模型（P＜0.000 1）极显著，而失拟项不显著（P=0.063 1），说明该模型具有统计学意义，回归方程对试验数据拟合情况良好，试验误差较小。校正回归系数R2Adj=0.917 2＞0.9，表明该模型相关度良好，实际值与预测值间有高度相关性，未知项因素对试验结果的干扰较小，稳定性较好。R2=0.958 6，变异系数C.V.=6.08%。回归模型中一次项A（pH值）、B（提取时间），交互项 BC，二次项 A2、B2、C2、D2对得率影响极显著（P＜0.01），交互项AB、AC、AD对得率影响显著（P＜0.05），其余因素不显著。从各变量F值的大小可以得出：各因素对裸燕麦全粉β-葡聚糖得率影响大小顺序为pH值＞提取时间＞提取温度＞液料比。

2.3.2 响应面交互作用项等高线图分析

图6为各因素两两交互作用的等高线图，其中椭圆的形状表示两因素间的交互作用强弱。

图6 响应面两因素交互作用等高线图Fig.6 Contour map of interaction between two factors on the response surface

由图6可以看出，因素B和因素D、因素C和因素D的交互作用等高线最为接近圆形，说明B和D、C和D之间的交互作用不显著。而因素B和因素C的等高线为椭圆形，最为陡峭，结合表3方差分析结果，B和C的交互作用为极显著。其余因素交互作用的等高线弯曲程度位于中间，结合表3方差分析结果，它们之间的交互作用显著。

2.3.3 提取工艺优化及验证试验

根据回归模型分析得出提取裸燕麦全粉β-葡聚糖的最优工艺参数：pH 10.896，提取时间1.897 h，液料比 20.849∶1（mL/g），提取温度 84.933 ℃，在此条件下β-葡聚糖的得率为4.372%。根据实际情况将最优工艺条件修正为提取液pH10.9，提取时间1.9 h，液料比21∶1（mL/g），提取温度 85 ℃，在该条件下进行 3 次平行试验以验证结果，得出β-葡聚糖的实际得率为（4.36±0.10）%，与理论值基本吻合，证明该模型能较好地预测裸燕麦全粉β-葡聚糖的得率。

2.4 理化性质结果

β-葡聚糖吸水后膨胀，可使人产生饱腹感，防止饮食过量，本试验得出裸燕麦全粉β-葡聚糖的持水力为（2.30±0.04）g/g，即β-葡聚糖吸收水分的质量是其本身质量的2倍多，因此可以将β-葡聚糖应用于功能性食品中。

β-葡聚糖具有一定的乳化性，本试验在温度25℃，pH7时，测得其乳化能力为（87.47±2.10）%，乳化稳定性为（91.24±0.50）%。鉴于β-葡聚糖具有较好的持水力和乳化性，可以将其作为稳定剂或增稠剂添加在食品中。

3 结论

本研究在单因素试验的基础上，通过响应面优化试验得出影响裸燕麦全粉β-葡聚糖得率的因素大小顺序为：pH值＞提取时间＞提取温度＞液料比。β-葡聚糖具有碱溶性，碱性条件有利于其溶出，但是当提取液过碱时，会使β-葡聚糖糖苷键断裂，使得率下降，所以提取液pH值对得率的影响最为显著。通过响应面优化试验得出提取裸燕麦全粉β-葡聚糖的较优工艺条件为提取液pH10.9，提取时间1.9 h，液料比21∶1（mL/g），提取温度85℃，在此工艺条件下β-葡聚糖得率为4.36%。

对最优工艺条件下得到的β-葡聚糖进行理化性质测定，得出当温度20℃，pH值为7时，持水力为（2.30±0.04）g/g。当温度25℃，pH值为7时，其乳化能力为（87.47±2.10）%，乳化稳定性为（91.24±0.50）%。本研究为β-葡聚糖作为保水剂、稳定剂或增稠剂等应用于功能性食品提供了理论基础。