魯振杰，李 娟，陳正行*，李 誠，王 莉，李亞男

（江南大學(xué)食品學(xué)院，江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室，江蘇 無錫 214122）

小麥麩皮是我國小麥制粉工業(yè)的主要副產(chǎn)品，年產(chǎn)量可達3 000萬 t以上[1-2]。近年來，關(guān)于小麥麩皮高附加值利用一直是谷物精深加工領(lǐng)域的研究熱點。小麥麩皮含有豐富的碳水化合物、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和維生素等營養(yǎng)素，具有重要的利用價值。

阿拉伯木聚糖（arabinoxylan，AX）是小麥細胞壁多糖的主要成分，主要集中在小麥麩皮中，占麩皮干基質(zhì)量的20%以上[3-4]。AX是谷物中重要的非淀粉多糖，是小麥膳食纖維的主要組成成分。Izydorczyk等[5]于1992年提出了AX的結(jié)構(gòu)，它是由阿拉伯糖（arabinose，Ara）和木糖（xylose，Xyl）2 種單糖組成的，以(1,4)-β-D-吡喃木糖殘基單元聚合為線型主鏈，通過C(O)-2、C(O)-3或C(O)-2,3-糖苷鍵連接α-L-阿拉伯呋喃糖基取代物，AX中Xyl主鏈上的Ara殘基通常是單取代和雙取代并存，且Ara殘基以單體的形式取代，Ara/Xyl值表示AX的支鏈化程度，比值越大表明支鏈化程度越高。根據(jù)AX的溶解性，一般將其分為兩大類：水溶性阿拉伯木聚糖（waterextractable arabinoxylan，WEAX）和水不溶性阿拉伯木聚糖（water-unextractable arabinoxylan，WUAX），兩類AX的組成、結(jié)構(gòu)基本相似，其結(jié)構(gòu)的差異主要表現(xiàn)為聚合度、取代程度、取代方式以及阿魏酸含量[6-7]。小麥麩皮中WEAX約占總AX的25%～30%，而WUAX約占總AX的70%～75%，造成這一現(xiàn)象的主要原因是，麩皮中90%的AX與細胞壁中的木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)等組分存在著較多的以阿魏酸連接的共價酯鍵，使其難以溶解[8]。在堿性條件下（NaOH溶液、飽和Ba(OH)2溶液、Ca(OH)2溶液等），這種共價酯鍵被打斷，有利于AX的分離提取，WUAX變?yōu)閃EAX，因此堿液通常被用作小麥麩皮、米糠等AX的提取劑[9]?；贏X的結(jié)構(gòu)特性，其應(yīng)用前景非常廣泛，現(xiàn)有研究表明，AX不僅具有良好的生理功能特性，如抗氧化、降血糖、調(diào)節(jié)腸道功能等；還具有凝膠特性，被用于制備面團改良劑、水凝膠、膜材料等[10-11]。

目前，關(guān)于AX提取研究的報道較多，主要有水熱提取法、酶解提取法和堿提取法。Aguedo等[12]采用堿提取法、酶處理法和水熱法提取麥麩AX。結(jié)果表明，堿法和水熱法能高效提取AX，而酶法提取得率和純度均較低；張曉娜等[13]采用酸水洗結(jié)合堿法工藝提取麥麩AX，最高得率可達到20.89%；Ayalasoto等[14]研究提取時間、溫度和NaOH濃度對玉米纖維AX得率的影響。結(jié)果表明，較長的提取時間和較高的溫度下，AX得率較高，最高可達到36.6%。在已有AX的提取研究報道中，主要是圍繞優(yōu)化提取工藝以獲得較高的提取得率，而很少關(guān)注提取過程中不同提取條件所得AX的單糖組成、純度及理化性質(zhì)的差異。楊莎等[15]采用不同堿溶液提取麥麩AX發(fā)現(xiàn)，采用NaOH（含0.88% H2O2）溶液所得AX純度較高，側(cè)鏈取代度較低；而采用飽和Ba(OH)2溶液所得AX純度最高，側(cè)鏈取代度和分子質(zhì)量也較大。袁建等[16]通過分析不同提取時間、pH值和溫度對AX分子質(zhì)量分布的影響，發(fā)現(xiàn)提高pH值和溫度可以獲得富含多種高分子質(zhì)量的AX。因此，對不同堿提取條件所得AX的性質(zhì)進行分析有助于指導(dǎo)AX在實際生產(chǎn)中的開發(fā)和應(yīng)用。本實驗以小麥麩皮為原料，探討不同堿提取條件對AX的組成成分、純度、分子質(zhì)量和溶液黏度的影響，以期為小麥麩皮AX的開發(fā)和應(yīng)用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥麩皮 中糧集團有限公司；液體高溫淀粉酶（≥250 U/g）、液體堿性蛋白酶（≥2.4 U/g） 美國Sigma公司；葡萄糖（Glu）、Xyl、Ara、葡聚糖標準品中國藥品生物制品檢定所；無水乙醇、硫酸、鹽酸、氫氧化鈉、碳酸鈣、硫酸銅、硫酸鉀、硝酸鈉（均為分析純） 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SYF系列多功能干濕法粉碎機 瑞安善源機械有限公司；MPG-100H超級恒溫循環(huán)酶解罐 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；C-MAG HS 7磁力攪拌器 德國IKA儀器有限公司；Beta2-8 LD plus冷凍干燥機 德國Marin Christ公司；Avanti J26XP高速冷凍離心機 美國Beckman Coulter公司；1200高效液相色譜儀 安捷倫科技（中國）有限公司；1525高效液相色譜儀（配2410示差折光檢測器和Empower工作站）、DHR-3流變儀 美國沃特世公司。

1.3 方法

1.3.1 麥麩預(yù)處理

將麥麩粉碎并過80 目篩，按料液比1∶10（g/mL）加入去離子水，于酶解罐中升溫至93 ℃，每100 g麥麩加入0.6 mL高溫淀粉酶原液，攪拌酶解3 h，降溫至堿性蛋白酶最適溫度63 ℃，每100 g麥麩加入0.8 mL堿性蛋白酶原液，攪拌酶解3 h，酶解過程結(jié)束后升溫至100 ℃，保溫10 min滅酶，酶解液以4 000 r/min離心10 min，將所得沉淀用去離子水洗滌3 次，凍干制得去淀粉、脫蛋白的麥麩[17]。

1.3.2 AX的提取

取1.3.1節(jié)處理麥麩，以料液比1∶20（g/mL）與一定濃度NaOH溶液混合，在酶解罐中維持恒定溫度，在攪拌條件下反應(yīng)一定時間。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫后以4 000 r/min離心10 min，沉淀物用去離子水洗滌3 次，收集所有上清液，用6 mol/L鹽酸溶液將上清液調(diào)至pH 4.3，以13 000 r/min離心15 min，取上清液加入3 倍體積無水乙醇以沉淀多糖，使乙醇溶液終體積分數(shù)為75%，4 ℃靜置過夜。醇沉后倒去上清液，用75%乙醇溶液洗滌3 次，所得沉淀揮發(fā)除去過量乙醇，冷凍干燥制得AX樣品[18]。

1.3.3 不同提取條件AX的制備

分別以NaOH濃度、提取溫度和提取時間為單因素自變量，在一定的變量范圍內(nèi)考察不同提取條件對AX性質(zhì)的影響。

分別在NaOH濃度0.1、0.25、0.5、0.75、1、1.25 mol/L條件下，固定提取溫度85 ℃、提取時間120 min、料液比1∶20（g/mL）等條件提取AX。

分別在提取溫度45、55、65、75、85、95 ℃條件下，固定NaOH濃度0.5 mol/L、提取時間120 min、料液比1∶20（g/mL）等條件提取AX。

分別在提取時間60、90、120、150、180、210 min條件下，固定NaOH濃度0.5 mol/L、提取溫度85 ℃、料液比1∶20（g/mL）等條件提取AX。

1.3.4 AX單糖組成測定

采用高效液相色譜法測定不同提取條件下AX的單糖組成。

樣品制備：稱取10 mg樣品于15 mL樣品瓶中，加入0.3 mL 72% H2SO4，于30 ℃水浴鍋中水解1 h，期間攪拌數(shù)次。加入8.4 mL去離子水，于121 ℃高溫水解1 h，冷卻至室溫。取3 mL于離心管中，稱取130 mg碳酸鈣分數(shù)次加入中和，離心取上清液，經(jīng)0.22 μm濾膜過濾后進行分析。標準曲線：配制Glu、Xyl、Ara質(zhì)量濃度分別為1.5、1、0.5 mg/mL的標準溶液，以0.5、5、10、15、20 μL的梯度進樣，作3 種單糖的標準曲線。

色譜條件：Hi-Plex H色譜柱（300 mm×7.7 mm）；柱溫55 ℃；示差折光檢測器；檢測溫度30 ℃；流動相為超純水，流速0.6 mL/min；分析時間20 min[19-20]。

AX樣品的純度表示為Xyl和Ara的含量之和，即AX含量；AX樣品提取得率按下式計算：

蛋白質(zhì)含量測定采用GB 5009.5—2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》中的凱氏定氮法。

1.3.5 AX分子質(zhì)量分布測定

采用高效凝膠過濾色譜法[21]，從不同NaOH濃度、提取溫度和提取時間3 個因素中分別選擇具有代表性的3 個水平進行測定。樣品制備：用流動相溶解不同提取條件的AX樣品，配制成質(zhì)量濃度為10 mg/mL溶液，離心后過0.22 μm濾膜，進行分析。標準曲線：取已知分子質(zhì)量的葡聚糖標準品（Glu 180 g/mol，mw2 700、9 750、135 030、300 600、2 000 000 g/mol），經(jīng)與上述相同處理后，繪制標準曲線。

色譜條件：1525高效液相色譜儀（配2410示差折光檢測器和Empower工作站）；Ultrahydrogel? Linear色譜柱（300 mm×7.8 mm）；柱溫、檢測器溫度35 ℃；流動相為0.10 mol/L硝酸鈉溶液，流速0.8 mL/min。

1.3.6 流變分析

取不同提取條件的AX配成質(zhì)量濃度0.02 g/mL溶液，在25 ℃條件下測定樣品的剪切黏度，流變儀模具為40 mm平板，測定間隙為800 μm，在剪切速率1～1 000 s-1范圍內(nèi)進行剪切黏度的測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin軟件進行數(shù)據(jù)作圖處理，采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行ANOVA方差分析、Duncan多重比較，P＜0.05，差異顯著。每組實驗重復(fù)3 次，結(jié)果以 ±s表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 堿提取條件對AX單糖組成的影響

本實驗所提取AX樣品中阿拉伯半乳糖、鼠李糖等單糖含量較少[23]，因此主要對樣品中Glu、Xyl、Ara 3 種主要單糖進行考察，分析不同堿提取條件對其含量變化的影響規(guī)律。麥麩經(jīng)預(yù)處理后，淀粉基本被除去，而麥麩中的蛋白質(zhì)部分是結(jié)合蛋白[18]，因此蛋白酶前處理只能除去部分蛋白質(zhì)，其蛋白質(zhì)質(zhì)量分數(shù)由（15.78±0.02）%下降至（10.33±0.14）%，所得處理后麥麩原料的得率為53.65%。

2.1.1 NaOH濃度對AX單糖組成的影響

表1 不同NaOH濃度下AX單糖組成及得率Table 1 Monosaccharide composition and yield of arabinoxylan obtained at different alkali concentrations

由表1可知，隨NaOH濃度的增加，樣品中Glu相對含量顯著增加，表明隨麥麩結(jié)構(gòu)破壞程度的增加，AX分子結(jié)合的纖維素等物質(zhì)被溶解出來，在測定單糖組成的強酸環(huán)境中被分解為Glu而檢測出[24]。Xyl相對含量隨NaOH濃度的增加而減少，而Ara卻有所增加，Ara/Xyl值也隨之增大，說明高NaOH濃度下能溶解出支鏈度高的AX分子，表明所提取的AX分子的支鏈化程度與其在麥麩中的結(jié)合程度呈正相關(guān)。此外，部分支鏈度低的AX分子在高NaOH濃度下易被分解。

AX純度隨NaOH濃度的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，在較低NaOH濃度時AX樣品的純度較高，但其得率較低，表明較低NaOH濃度的處理作用較弱，只能溶解出與木質(zhì)素、纖維素等其他麥麩成分結(jié)合程度較低的部分，而不足以完全破壞麥麩的結(jié)構(gòu)，以溶解出較多的AX[25]。當NaOH濃度達到0.5 mol/L時，能獲得較高的提取得率，說明此NaOH濃度條件下，麥麩中的AX組分已能被完全溶解出，但其純度降低，表明所得樣品中部分AX分子是以與其他物質(zhì)相結(jié)合的形式存在。當NaOH濃度高于0.75 mol/L時，其純度增大，說明高NaOH濃度能將上述以結(jié)合形式存在的AX分子溶解出，從而提高其純度，同時也有少量AX分子在高NaOH濃度下被分解，導(dǎo)致提取得率降低。因此，在提取溫度85 ℃和提取時間120 min條件下，當NaOH濃度達到0.5 mol/L時，可獲得較高提取得率的AX，其得率和純度分別為32.8%和88.72%。

2.1.2 提取溫度對AX單糖組成的影響

表2 不同提取溫度下AX單糖組成及得率Table 2 Monosaccharide composition and yield of arabinoxylan obtained at different extraction temperatures

由表2可知，隨提取溫度的升高，AX樣品中Glu相對含量顯著減少[26]，當提取溫度達到85 ℃時不再減少，表明較高的溫度能將部分結(jié)合的纖維素等降解為Glu，在醇沉?xí)r隨上清液被除去。Xyl和Ara相對含量均隨溫度的升高而增加，但Ara的增加速率高于Xyl，從而Ara/Xyl值隨溫度的升高而增加，支鏈化程度增大，表明在高溫條件下結(jié)合程度高的AX也易被溶解出，也說明高支鏈度AX分子的結(jié)合結(jié)構(gòu)在高溫下易被破壞[24]，與上述高NaOH濃度所得AX的支鏈度高的結(jié)論相似。

隨提取溫度的升高，AX純度及提取得率均顯著增加，當溫度達到75 ℃時，其提取得率基本不再增加，但其含量仍在增加，在85 ℃時其提取得率和含量均隨溫度的升高而變化較小，表明在NaOH濃度0.5 mol/L和提取時間120 min條件下，提取溫度為85 ℃時能提供足夠的反應(yīng)溫度以獲得較高提取得率和純度的AX樣品。

2.1.3 提取時間對AX單糖組成的影響

表3 不同提取時間下AX單糖組成及得率Table 3 Monosaccharide composition and yield of arabinoxylan obtained at different extraction times

由表3可知，AX樣品中Glu相對含量隨提取時間的延長而減小，是由于提取時間的延長，樣品中結(jié)合的纖維素等被逐漸分解為Glu而在醇沉?xí)r被除去。Xyl和Ara相對含量均隨提取時間的延長而增加，Ara/Xyl值也有所增加，表明提取時間的延長有利于溶解出高支鏈度的AX分子，可通過控制提取時間制備高支鏈度的AX樣品。

隨提取時間的延長，AX相對含量及提取得率均增加，當提取時間達到120 min時，其含量基本穩(wěn)定，而提取得率在提取時間由120 min延長到180 min時仍有增加，說明少部分結(jié)合程度高的AX分子需較長的提取時間才能被溶解出來，但時間的延長也會造成AX分子的降解[14]。因此，在NaOH濃度0.5 mol/L和提取溫度85 ℃條件下，提取時間120 min可認為足夠。

2.2 堿提取條件對AX分子質(zhì)量分布的影響

表4 不同提取條件下AX分子質(zhì)量分布Table 4 Relative molecular mass distribution of arabinoxylan obtained at different extraction conditions

mw/mn表示高聚物混合物分子質(zhì)量的分布寬度，其比值越大，說明分子質(zhì)量分布越寬，分子鏈長短不均勻程度越高[16]。如表4所示，本實驗所提取AX的分子質(zhì)量分布均有2 個峰，峰1為較大的分子質(zhì)量分布峰，峰2為較小的分子質(zhì)量分布峰，其中峰1的面積所占比例均在80%以上，表明所提取AX的分子質(zhì)量分布具有較好的均一性。

當NaOH濃度由0.25 mol/L增加到1 mol/L時，所得樣品峰1的mw有所減小，而峰2的mw有所增加，表明高堿濃度條件下，部分高分子質(zhì)量的AX分子被分解，導(dǎo)致峰1的mw/mn值減小，而峰2的mw/mn值增加。當NaOH濃度由0.25 mol/L增加到0.5 mol/L時，峰1的面積增加，而峰2的面積減小，表明在此變化區(qū)間內(nèi)，低分子質(zhì)量分子的分解程度大于高分子質(zhì)量分子[27]；而NaOH濃度由0.5 mol/L增加到1 mol/L時，峰1的面積減小，而峰2的面積增加，說明此條件對高分子質(zhì)量分子的分解程度較大[15]。

隨提取溫度的升高，峰1的mw顯著減小，峰面積卻顯著增加，表明在較高提取溫度下，AX分子會發(fā)生嚴重的分解作用，將高分子質(zhì)量的分子分解為中等分子質(zhì)量和較小分子質(zhì)量的分子，從而使峰1的mw/mn值顯著減小，分子鏈的長短均勻性更好。峰2的mw隨提取溫度的升高變化較小，而峰面積卻顯著減小，說明高溫對低分子質(zhì)量分子的分解作用更強，使其分解為更小的分子或糖單元，在醇沉中由于分子質(zhì)量過小，不產(chǎn)生沉淀而被除去[12]。

提取時間由60 min延長到120 min時，峰1和峰2的mw及mw/mn值均減小，而峰1的峰面積有所增加，表明提取時間的延長對低分子質(zhì)量分子的分解程度大于高分子質(zhì)量分子；而提取時間由120 min延長到180 min時，AX的分子質(zhì)量變化較??；表明提取時間的延長可增加高分子質(zhì)量分子的含量，但相比于NaOH濃度和提取溫度，提取時間對分子質(zhì)量的影響較小，該結(jié)果和袁建等[16]對AX分子質(zhì)量分布的研究結(jié)果相似。

2.3 提取條件對AX溶液黏度的影響

圖1 NaOH濃度（A）、提取溫度（B）和提取時間（C）對AX溶液剪切黏度的影響Fig. 1 Shear viscosities of arabinoxylan solutions obtained at different NaOH concentrations (A), extraction temperatures (B), and extraction times (C)

由圖1A可知，堿提取AX溶液具有剪切變稀的性質(zhì)，為非牛頓流體。隨提取NaOH濃度的增加，在線性區(qū)域的溶液剪切黏度隨之增大。結(jié)合前面單糖組成及分子質(zhì)量變化的分析，NaOH濃度由0.25 mol/L增加到0.5 mol/L時，溶液剪切黏度的增加是由于后者的高分子質(zhì)量AX分子含量的增加，分子間相互纏繞增加，使分子間作用力增大，而具有較大的剪切黏度；當NaOH濃度為1 mol/L時，所得樣品具有較高的支鏈度和純度，高支鏈度有利于分子間的相互纏繞，使分子間的作用力較強，形成具有較大剪切黏度的溶液[28]。

由圖1B可知，隨提取溫度的升高，AX溶液在線性區(qū)域的剪切黏度隨之減小。提取溫度為45 ℃和65 ℃時，所得樣品溶液的剪切黏度隨剪切速率均勻減小，而85 ℃的樣品溶液在剪切速率為10 s-1時具有明顯的拐點，表明此時樣品溶液達到最大剪切應(yīng)力[29]。提取溫度由45 ℃升高至65 ℃時，溶液剪切黏度明顯減小，由單糖組成及分子質(zhì)量分布分析可知，65 ℃時高分子質(zhì)量AX分子的含量及支鏈度增加，但其分子質(zhì)量卻顯著減小，說明分子質(zhì)量減小對溶液黏度的影響較大[28]。當提取溫度升高至85 ℃時，溶液剪切黏度也具有明顯的減小，主要是由于高溫作用對AX分子具有較強的分解作用，使其分子質(zhì)量顯著減小，從而使溶液的剪切黏度較小。

由圖1C可知，AX溶液在線性區(qū)域的剪切黏度隨提取時間的延長而減小。由單糖組成及分子質(zhì)量分布可知，提取時間由60 min延長至120 min時，由于分子質(zhì)量的顯著減小，即使其高分子質(zhì)量分子的含量及支鏈化程度有所增加，溶液的剪切黏度仍明顯減??；當提取時間延長至180 min時，溶液剪切黏度較120 min的樣品減小較少，主要是由于提取時間的延長使AX分子發(fā)生部分降解，導(dǎo)致剪切黏度的降低。

3 結(jié) 論

NaOH濃度、提取溫度和提取時間對AX的單糖組成、分子質(zhì)量分布和溶液黏度均有顯著的影響。通過控制堿提取條件可獲得不同純度和支鏈度的AX樣品，在NaOH濃度、提取溫度和提取時間分別為0.5 mol/L、85 ℃和120 min時可獲得純度和提取得率分別為88.72%和32.8%的AX樣品。通過增強提取反應(yīng)的條件可獲得低分子質(zhì)量的AX，其中提高溫度對其分子質(zhì)量分布具有較大的影響；AX溶液的黏度隨提取NaOH濃度的增加而增大，隨提取溫度和時間的增加而明顯減小。