燕麥β-葡聚糖特性、功效及不同因素對(duì)其提取效果影響研究進(jìn)展

樊琳娜，何聰芬

（北京工商大學(xué)理學(xué)院，北京100048）

燕麥β-葡聚糖特性、功效及不同因素對(duì)其提取效果影響研究進(jìn)展

樊琳娜，何聰芬*

（北京工商大學(xué)理學(xué)院，北京100048）

對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)于燕麥β-葡聚糖物化特性分析現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)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和皮膚滲透性以及較強(qiáng)的吸附小分子的能力，應(yīng)用前景廣闊。此外我們討論了品種、生長(zhǎng)環(huán)境、加工處理、提取工藝4方面因素對(duì)其提取效果的影響，旨在為燕麥β-葡聚糖的提取與進(jìn)一步研究提供建議。

燕麥；β-葡聚糖；特性；處理；提取

葡聚糖（glucan）為右旋吡喃葡萄糖聚合體，分子式為（C6H10O5）n，其相鄰葡萄糖殘基的碳1、2、3、4、6的半縮醛氧之間以葡糖苷鍵連接構(gòu)成骨架，有α和β位兩種結(jié)構(gòu)形式［1］。β-葡聚糖（β-Glucan）作為葡萄糖的高聚物，因其葡萄糖苷鍵為β-1，3鍵而得名［2］。β-葡聚糖除具有主鏈與分支的基本結(jié)構(gòu)特征以外，還具有螺旋特性的高級(jí)結(jié)構(gòu)，高分子量的β-1，3-葡聚糖主要以1重和3重螺旋2種高級(jí)結(jié)構(gòu)的形式存在，同時(shí)也存在由低分子或者帶電荷的分子構(gòu)成的隨機(jī)鏈圈狀態(tài)［3］。

β-葡聚糖在植物和微生物中廣泛存在，是細(xì)胞壁的重要成分，因分子量、分支度等不同而以多種形式存在［4］，見表1。

分布于表皮棘層的和基底層細(xì)胞間朗格漢斯細(xì)胞能捕獲和處理侵入皮膚的抗原，并傳遞給T細(xì)胞，可使特異性T細(xì)胞增殖和激活。β-1，3-D-葡聚糖能與朗格漢斯細(xì)胞特異性結(jié)合，引起一系列免疫應(yīng)答，從而產(chǎn)生如粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子（Colonystimulating factor，GM-CSF）、表皮生長(zhǎng)因子（Epidermal growth factor，EGF）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（Fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）和血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）等細(xì)胞因子［9］。GM-CSF能刺激細(xì)胞分化，同時(shí)增強(qiáng)成熟細(xì)胞功能；EGF的增加不僅可以啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)一些重要功能基因活化和表達(dá)，提高膠原蛋白和彈性蛋白的生成，進(jìn)而改善皮膚老化生成皺紋的問題，還可以刺激各種細(xì)胞的增殖遷移，加快表皮的新舊更替；FGF能夠促進(jìn)平滑肌細(xì)胞的增殖和新血管形成，修復(fù)受損皮膚；VEGF參與正常血管結(jié)構(gòu)的維持，并調(diào)節(jié)生理和病理性血管新生［10］。

表1　不同來源β-葡聚糖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、分子量及功能Table 1Structure，molecular weight and functions of β-glucan of different sources

此外，顆粒葡聚糖給藥能增強(qiáng)血細(xì)胞的生成活性，包括粒細(xì)胞、單核白細(xì)胞和紅細(xì)胞的生成，從而導(dǎo)致從接近致命劑量的輻射中得到恢復(fù)［11］，這不失為其一個(gè)應(yīng)用前景廣闊而值得關(guān)注的功能。β-葡聚糖不足之處在于，可能引起呼吸道炎癥，引發(fā)變態(tài)反應(yīng)并與花粉敏感征候群有關(guān)［4］。

1燕麥β-葡聚糖物化特性概況

燕麥β-葡聚糖通過β-（1，3）和β-（1，4）糖苷鍵把β-D吡喃葡萄糖單位連接起來而形成的一種高分子無分支線性黏多糖，其中約含有70%的β-（1，4）鍵和30%的β-（1，3）鍵［12］。

盡管目前對(duì)β-葡聚糖的作用機(jī)理尚未完全研究清楚，但一致認(rèn)為黏度和溶解性會(huì)對(duì)其皮膚吸收效果有決定性作用，進(jìn)而影響多種生理功能的發(fā)揮。而燕麥β-葡聚糖的黏度除了與分子結(jié)構(gòu)和濃度有關(guān)外，很大程度上取決于分子量的大小和分子形狀［13］。燕麥β-葡聚糖溶液黏度隨剪切速率的增高而逐漸降低；與其分子量成正比，與溶液溫度成反比；與中性溶液相比，弱酸性或弱堿性環(huán)境均可導(dǎo)致β-葡聚糖溶液黏度的下降；隨著其濃度的增加和分子量的增大，其流體的黏性行為特征減少而彈性行為特征增強(qiáng)；隨著流體溫度升高，燕麥β-葡聚糖流體的黏性和彈性行為均逐漸減弱［14］。

研究表明，β-葡聚糖的水溶性（占大多數(shù)）和非水溶性主要是受其結(jié)構(gòu)中β-（1，3）糖苷鍵的含量和聚合度的影響。水溶性β-葡聚糖中β-（1，3）糖苷鍵與β-（1，4）糖苷鍵含量之比為1∶2.5～1∶2.6，而非水溶性β-葡聚糖中相應(yīng)糖苷鍵含量之比為1∶4.2［15］。

如圖1所示，燕麥葡聚糖和酵母葡聚糖都是β-1，3-葡糖苷鍵為主鏈的葡萄糖多糖，但是燕麥葡聚糖側(cè)鏈?zhǔn)铅?1，4-葡糖苷鍵，酵母葡聚糖側(cè)鏈則是β-1，6-葡糖苷鍵。而Peterson等檢測(cè)得出，燕麥β-葡聚糖中β-（1，3）糖苷鍵與β-（1，4）糖苷鍵含量之比為：（1∶2.1～1∶2.4）、大麥、黑麥、小麥分別為：1∶2.8～1∶3.3、1∶3.0～1∶3.2、小麥：1∶3.0～1∶3.8［16］。所以很明顯，燕麥β－葡聚β－葡聚糖糖比市場(chǎng)占有量最大的酵母β－葡聚糖以及其他谷物的水溶性更強(qiáng)。

圖1　燕麥葡聚糖和醇母葡聚糖Fig.1Oat glucan and yeast glucan

目前，應(yīng)用于化妝品中的β－葡聚糖多是不溶于水的酵母β-葡聚糖固體顆粒（D=0.2 μm），通常以山梨醇作為有效懸浮劑，一般在傷口愈合時(shí)使用。對(duì)酵母β-葡聚糖進(jìn)行羧甲基化改性處理可以改進(jìn)產(chǎn)品水溶性，使酵母β-葡聚糖可以應(yīng)用于現(xiàn)代功效性化妝品配方中，但同時(shí)也影響了分子的3-D-結(jié)構(gòu)和生物功能：羧甲基化取代度超過75%時(shí)，生物學(xué)功能開始喪失；β-葡聚糖分子完全被取代則會(huì)導(dǎo)致其生物功效的完全喪失［9］。由此來看，燕麥β-葡聚糖的開發(fā)對(duì)化妝品中β-葡聚糖的應(yīng)用意義重大。

燕麥β-葡聚糖的溶液在低于1%的濃度范圍內(nèi)，顯示出較好的均質(zhì)特性和黏性流體特性，是理想的牛頓流體；當(dāng)濃度達(dá)到2%時(shí)候，β-葡聚糖就會(huì)顯示出一些異質(zhì)和黏彈性［17］；當(dāng)濃度達(dá)到2 g/L以上時(shí)，具有假塑性流體的特性，即表觀黏度值隨剪切速率的增大而減小，為其在作為增稠劑和穩(wěn)定劑奠定了基礎(chǔ)［12］。其次，燕麥β-葡聚糖對(duì)熱、酸、堿等都比較穩(wěn)定，已經(jīng)作為良好的乳化劑、增稠劑和穩(wěn)定劑應(yīng)用于食品工業(yè)，甚至還憑借較好的持水性和持油性添加在肉制品中改善其口感［18］。再者，燕麥β-葡聚糖具有較強(qiáng)的吸附小分子的能力，能與蛋白質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)，和多酚通過氫鍵、疏水相互作用等結(jié)合，形成的多糖多酚復(fù)合物能為機(jī)體提供更持久的抗氧化能力［19］。MarkRedmond和RaviPillai、Joachim Roding等應(yīng)用人體皮膚模型染料熒光追蹤試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖分子能通過細(xì)胞間隙，對(duì)表皮層有明顯的滲透現(xiàn)象。這些特點(diǎn)也表明燕麥β-葡聚糖的應(yīng)用具有廣闊的前景。

2燕麥β-葡聚糖提取效果及特性的影響因素

不同燕麥品質(zhì)、燕麥的生長(zhǎng)環(huán)境、加工過程以及提取工藝4種因素對(duì)燕麥β-葡聚糖含量及物化特性有不同影響。

2.1燕麥品種間差異

研究表明，不同種間燕麥β-葡聚糖含量變化較大，裸燕麥（A.nuda，大粒裸燕麥，又稱莜麥）含量高于皮燕麥（Sativa，普通栽培燕麥，習(xí)慣稱燕麥）。可溶性β-葡聚糖與總含量的比值也表現(xiàn)出明顯的品種差異，皮燕麥品種在各個(gè)時(shí)期該指標(biāo)均高于裸燕麥品種［20］。不同燕麥品種β-葡聚糖含量變化范圍為3.14%～7.43%，最大差異為4.29%［21］。張海芳等采用剛果紅分光光度法測(cè)定了16種在內(nèi)蒙古武川和卓資山種植的不同品種的燕麥籽粒β-葡聚糖含量，其中，β-葡聚糖含量在6.0%以上的品種有7個(gè)：燕科1號(hào)（裸）＞武川小莜麥（裸）＞保羅（裸）＞大燕麥（皮）＞白燕7號(hào)（皮）＞卓資山大莜麥（裸）＞莜麥4 400（裸），這些品種可作為燕麥高β-葡聚糖育種的基礎(chǔ)材料［22］。此外，不同品種燕麥β-葡聚糖的分布位置也不同：含量低的品種中主要分布于糊粉層與亞糊粉層，而含量高的品種胚乳內(nèi)也有較高濃度的分布［23］。燕麥麩皮是燕麥粉加工過程中的副產(chǎn)品，主要由去殼燕麥的最外層和部分胚乳組成。研究表明，經(jīng)加工后燕麥麩皮中β-葡聚糖含量為6.6%～11.3%，在去皮的燕麥粉中為3.0%～5.4%［24］，因此常從燕麥麩皮中提取。

2.2燕麥的生長(zhǎng)環(huán)境

不同年度、不同地區(qū)種植的同種燕麥中β-葡聚糖含量差異較大，說明降雨、溫度、土質(zhì)等環(huán)境因素對(duì)燕麥β-葡聚糖的形成和積累有重要影響。籽粒成熟期溫度相對(duì)較高，則籽粒β-葡聚糖含量也較高。雨水少、干旱或水分脅迫同樣會(huì)導(dǎo)致籽粒β-葡聚糖積累量的提高，相反在氣候溫和、降水量高的地區(qū)β-葡聚糖含量往往較低［25］。衣瑩等研究了壩莜1號(hào)、壩莜2號(hào)、壩莜3號(hào)、壩莜10號(hào)4個(gè)基因型燕麥在沈陽、彰武、臺(tái)安和引種地壩上地區(qū)4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的β-葡聚糖含量及其與氣象因子的關(guān)系，結(jié)果卻表明生長(zhǎng)發(fā)育過程中較高溫度不利于β-葡聚糖含量的積累，而較長(zhǎng)的日照時(shí)數(shù)有利于β-葡聚糖含量的提高，說明產(chǎn)自低溫強(qiáng)日照地區(qū)的燕麥中β-葡聚糖含量較高［26］。

2.3加工過程的影響

研究發(fā)現(xiàn)，不同加工工藝會(huì)引起燕麥β-葡聚糖含量及多種物化特性改變，包括黏度、流體性質(zhì)、分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)等。劉文勝等［27］的研究表明，燕麥籽粒經(jīng)紅外烘烤后，燕麥粉中β-葡聚糖含量變化不大；而經(jīng)炒制和蒸制處理后，比對(duì)照組平均高出了0.76%。炒制、蒸制和紅外烘烤處理燕麥籽粒均使燕麥粉糊化溫度下降，峰值黏度、最終黏度和低谷黏度提高。

燕麥粉經(jīng)過制作面包的烘焙過程后，β-葡聚糖的提取率增加，且提取的β-葡聚糖中三聚體和四聚體的比例增加［28］，同時(shí)高分子量（MW＞1×106）β-葡聚糖的比例降低，低分子量的比例增加，而分子量在1×106和2×106之間的β-葡聚糖減少了近50%［29］。

擠壓過程中的高溫、高壓、高剪切力作用可能會(huì)促使分子間價(jià)鍵斷裂，分子裂解及分子極性變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)品中β-葡聚糖更容易聚集，凝膠化溫度、溶解度、膨脹度、表觀黏度和稠度系數(shù)等都有所增加，流動(dòng)行為指數(shù)降低［30］，同時(shí)含量增加，可溶性與不溶性纖維的比例增加［31］。

均質(zhì)處理，尤其是高壓均質(zhì)處理后，β-葡聚糖的機(jī)械裂解使其結(jié)構(gòu)儲(chǔ)藏穩(wěn)定性增加，又導(dǎo)致其溶解度的增加。經(jīng)過均質(zhì)處理后，溶液的黏度明顯降低，流體的性質(zhì)從剪切稀釋變成了牛頓流體［32］。

氧化過程中，β-葡聚糖發(fā)生降解而黏度降低，且氧化后的β-葡聚糖羰基和羧基增加，分子的膨脹能力改變，與膽汁酸的結(jié)合能力也增強(qiáng)［33］。發(fā)芽過程中，燕麥β-葡聚糖含量總體降低趨勢(shì)很大。磨粉對(duì)β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)沒有影響，但會(huì)影響燕麥中β-葡聚糖的分子量，進(jìn)而導(dǎo)致黏度的差異［34］。靈芝菌、真姬菇菌等食用真菌則對(duì)燕麥β-葡聚糖具有較強(qiáng)的降解作用［35］。

2.4提取工藝條件的影響

潘妍等［36］進(jìn)行了水提法提取燕麥β-葡聚糖的優(yōu)化，得出水提法提取燕麥β-葡聚糖的最佳條件為：pH12，液料比為25 mL/g，溫度為40℃，操作時(shí)間4 h。喬有明［13］等采用凝膠色譜法對(duì)不同提取因子對(duì)水提法提取得到的燕麥β-葡聚糖的分子量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)燕麥β-葡聚糖產(chǎn)品相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍為3.64× 104～1.67×106。在滅內(nèi)源酶溫度為140℃，脫脂時(shí)間為10 min，浸提溫度為80℃，浸提時(shí)間為1 h，pH為11，液料比為12 mL/g條件下，所得到的燕麥β-葡聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量較大；反之，在滅內(nèi)源酶溫度為60℃，脫脂時(shí)間為50 min，浸提溫度為40℃，浸提時(shí)間為2 h，pH為1或7，液料比為20 mL/g條件下，燕麥β-葡聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)到最小。李小鵬等［37］對(duì)水提、酶提，發(fā)酵提取的燕麥β-葡聚糖的分子量和透皮吸收率做了測(cè)定比較和初步研究。結(jié)果表明，β-葡聚糖分子量大小為：水提法＞酶提法＞發(fā)酵法；皮膚透過率大小為：發(fā)酵法＞酶提法＞水提法。此結(jié)論對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)燕麥β-葡聚糖中提取工藝的選取具有一定的指導(dǎo)意義。

3總結(jié)與討論

通過對(duì)現(xiàn)已發(fā)表的資料進(jìn)行研究總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備方法的研究已較為深入，但對(duì)其生理功能的作用機(jī)制方面的探討還存在著不足。

燕麥β-葡聚糖的含量、分布位置和分子量：裸燕麥含量高于皮燕麥，可溶性β-葡聚糖的比例也較大，就化妝品中的應(yīng)用而言更有利；燕麥基因型對(duì)β-葡聚糖含量與分布的影響也較大，含量低的品種中主要分布于糊粉層與亞糊粉層，從燕麥麩皮中提取率較高；而含量高的品種胚乳細(xì)胞內(nèi)也分布著較高濃度的β-葡聚糖。

對(duì)于不同前處理工藝，炒制、蒸制、烘焙、擠壓有利于提高燕麥β-葡聚糖的提取率，烘培后燕麥β-葡聚糖分子量會(huì)相對(duì)變小，更有利于被吸收利用，炒制、蒸制、紅外烘烤、擠壓、均質(zhì)處理均會(huì)導(dǎo)致燕麥β-葡聚糖黏度的增大；均質(zhì)還有利于溶解度的增大；氧化處理會(huì)導(dǎo)致燕麥β-葡聚糖的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變；部分真菌也會(huì)使燕麥β-葡聚糖發(fā)生降解。燕麥β-葡聚糖的提取工藝中水提法使用較多，提取條件的研究也已較為完善，而發(fā)酵法得到的分子量較小皮膚透過率也較高，使用效果更好，值得進(jìn)行工藝方面進(jìn)一步地優(yōu)化與完善研究。

此外，對(duì)于不同前處理與制備工藝下得到的燕麥β-葡聚糖的分子量、分支度、空間幾何構(gòu)象之間的區(qū)別的研究，結(jié)論比較零散，較為系統(tǒng)的分析目前未見報(bào)道。特定分子量、分支度、空間幾何構(gòu)象的β-葡聚糖具的黏度、流體性質(zhì)和生物活性有什么特別之處，我們又該進(jìn)行怎樣的處理以更加適應(yīng)于人類吸收系統(tǒng)的吸收，發(fā)揮其最大功效，同樣有待進(jìn)一步地研究。

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Progress of Research on Oat β-glucan and the Factors Affecting its Extraction

FAN Lin-na，HE Cong-fen*
（School of Science，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

By summarizing the progress of research on properties of oat β-glucan so far at home and abroad，we discovered that comparing with other sources，oat β-glucan has advantages such as good solubility，skinpermeability and high absorption of small molecules，so it has a good prospect in cosmetics.We also discussed four factors affecting its properties including variety，environment，processing and extraction：different varieties of oat have distinctions in the content and position of β-glucan；processing and extraction have an obvious influence on the extraction rate，even molecular structure and weight.All properties are important in the application of oat β-glucan，so we could provide suggestions for the extraction and further research of oat βglucan through this article.

oat；β-glucan；features；properties；processing；extraction

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.15.040

2014-03-21

樊琳娜（1991—），女（漢），在讀碩士，研究方向：化妝品科學(xué)與技術(shù)。

何聰芬，副院長(zhǎng)，主任。