蒸汽爆破麥胚多糖提取工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究

胡 蕾，葉 鵬，彭子木，張 民，2，*，劉 銳，吳 濤，隋文杰

(1.天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室，天津300457;2.天津農(nóng)學(xué)院，食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津300384)

麥胚是小麥種子的胚芽，其全球年產(chǎn)量約有2500萬噸，是小麥加工產(chǎn)業(yè)的主要副產(chǎn)品［1］。麥胚中含有豐富的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)和維生素E等營養(yǎng)物質(zhì)，是一種極富營養(yǎng)的產(chǎn)品［2－4］。麥胚多糖是麥胚中的重要活性成分，多糖已被廣泛證明具有多種活性，例如抗氧化、抗腫瘤、抗輻射、抗衰老、提高免疫力等［5－7］。

研究麥胚多糖提取工藝和深度開發(fā)具有重要意義。趙彬等［8］采用亞臨界水萃取法提取麥胚多糖，得出在水料比20∶1(mL/g);溫度150℃，浸提時間10 min的最優(yōu)條件下，麥胚多糖提取得率為7.26%;Yun等［5］研究了熱水浸提法提取麥胚多糖的工藝，其提取得率為8.89%。傳統(tǒng)方法提取率較低，其原因可能是存在于細胞壁中的多糖與提取溶劑的可及性低，因而無法被有效提取［9］。蒸汽爆破(Steam Expiosion，SE)工作原理是將物料的空隙中進行充滿水蒸汽，再進行高溫高壓處理，使物料間的液體汽化，再瞬間將壓力降為0，此時，由于細胞內(nèi)的汽體體積會瞬間膨脹，從而達到“爆破”的效果，使得細胞撕裂，許多不易提取的物質(zhì)從細胞內(nèi)釋放出來［10］。陳洪章等［11－12］分別對漆果原料和麻黃原草原料進行蒸汽爆破預(yù)處理，其提取出的生物活性物質(zhì)分別提高了8倍和2倍;有研究對稀堿浸泡的裸麥殼進行蒸汽爆破預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)分子量在5 k Da以上的阿拉伯木聚糖的得率提高了5倍［13］。然而，應(yīng)用蒸汽爆破技術(shù)處理麥胚原料的研究鮮有報道，蒸汽爆破技術(shù)預(yù)處理麥胚多糖的提取得率及理化性質(zhì)有待研究。

本文采用蒸汽爆破技術(shù)對麥胚進行前處理，在此基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)水提醇沉法對麥胚中多糖進行提取，并利用響應(yīng)面法對蒸汽爆破麥胚多糖的提取工藝進行了優(yōu)化，擬獲得最佳的提取工藝;對獲得的蒸汽爆破麥胚多糖的理化性質(zhì)進一步分析，為蒸汽爆破麥胚多糖的提取提供技術(shù)支撐，同時為麥胚多糖的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

麥胚 山東發(fā)達面粉集團有限公司;石油醚 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

QBS－2008型蒸汽爆破實驗機 鶴壁正道生物能源公司;DGG－101－OBS型電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津市天津天宇實驗儀器有限公司;RE－52AA型真空減壓旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠;TU1810型紫外分光光度計 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;EMS－20型恒溫水浴鍋 天津歐諾儀器儀表有限公司;Sorvall ST 40R型離心機 賽默飛世爾科技。

1.2 實驗方法

1.2.1 麥胚蒸汽爆破處理條件的確定 稱取500 g麥胚4份，分別加入150 mL的蒸餾水，在室溫下復(fù)水30 min，用蒸汽爆破實驗機分別于0.4、0.6、0.8和1.0 MPa下維持壓力5 min進行蒸汽波破處理，蒸汽爆破處理后的麥胚在60℃的烘箱中干燥24 h，然后磨成細粉，并過0.25 mm的篩網(wǎng)［14］。將蒸汽爆破麥胚粉與石油醚在55℃回流8 h，揮干石油醚后，再將其與80%乙醇回流提取1 h，以達到去除脂質(zhì)、單糖和低聚糖等雜質(zhì)的目的，干燥后備用。

1.2.2 蒸汽爆破預(yù)處理麥胚多糖的提取工藝 對

1.2.1 方法中得到的去除雜質(zhì)的蒸汽爆破麥胚粉中多糖進行提取:稱取50 g的不同蒸汽爆破條件處理后的麥胚粉末，料液比為1∶5(g/mL)，于70℃熱水浸提30 min，沉淀物重復(fù)浸提3次，4000 r/min離心20 min，收集上清液，將上清液濃縮至一定體積后采用Sevag法去除蛋白，加入4倍體積的無水乙醇4℃靜置12 h，于4000 r/min離心10 min，得到的沉淀依次用無水乙醇和丙酮分別洗滌3次，得到蒸汽爆破麥胚粗多糖。

1.2.2.1 蒸汽爆破麥胚多糖提取單因素實驗 提取時間對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響:采用1.2.2所示方法提取蒸汽爆破麥胚多糖，稱取蒸汽爆破麥胚粉末，每份50 g，料液比1∶5，提取溫度60℃，提取1次，考察不同提取時間(10、20、30、40、50 min)對多糖提取得率的影響;提取次數(shù)對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響:稱取蒸汽爆破麥胚粉末，每份50 g，料液比1∶5，提取溫度60℃，提取時間10 min，考察不同提取次數(shù)(1、2、3、4、5次)對多糖提取得率的影響;提取溫度對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響:稱取蒸汽爆破麥胚粉末，每份50 g，料液比1∶5，提取時間10 min，提取1次，考察不同提取溫度(40、50、60、70、80℃)對多糖提取得率的影響;料液比對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響:稱取蒸汽爆破麥胚粉末，每份50 g，提取時間10 min，提取溫度60℃，提取1次，考察不同料液比(1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7)對多糖提取得率的影響。

1.2.2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化蒸汽爆破麥胚多糖的提取工藝 根據(jù)單因素實驗結(jié)果選取因素水平，建立4因素3水平的Box－Benhnken實驗，以蒸汽爆破麥胚多糖提取得率為響應(yīng)值，響應(yīng)面試驗設(shè)計因素水平表如表1所示。

表1 響應(yīng)面設(shè)計試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.2.3 蒸汽爆破麥胚多糖含量的測定 采用苯酚硫酸法檢測提取液中的多糖含量［15］，繪制的葡萄糖標準曲線為Y=12.34X－0.0164(其中Y為吸光度;X為葡萄糖濃度)，決定系數(shù)R2=0.9999，按照式(1)計算多糖提取得率。

式中，y:蒸汽爆破麥胚多糖提取得率(%);C:稀釋后樣品溶液中蒸汽爆破麥胚多糖的濃度(mg/mL);V:蒸汽爆破麥胚多糖溶液體積(mL);N:多糖溶液稀釋倍數(shù);W:蒸汽爆破麥胚質(zhì)量(g);1000:換算系數(shù)。

1.2.3 蒸汽爆破麥胚多糖理化性質(zhì)研究

1.2.3.1 蒸汽爆破麥胚多糖分子量分布的測定 超純水配制2 mg/mL的蒸汽爆破麥胚多糖溶液，過膜(0.22μm)后，采用配置示差檢測器(RID－10A)的高效液相色譜儀進行檢測，色譜柱為OHpak SB－805 HQ(8.0 mm×300 mm)凝膠色譜柱，流動相為超純水，流速為0.8 mL/min，進樣量為20μL。根據(jù)葡聚糖標準品的相對分子量(用分子量為5300、3700、2400、2000、500、110、70和40 kDa)和保留時間制作GPC標 準 曲 線［16］為Y=0.0012X5－0.0353X4+0.3229X3－0.7967X2－3.0039X+19.6627，R2=0.999，其中X為相對保留時間，Y為相對分子量。

1.2.3.2 蒸汽爆破麥胚多糖的掃描電鏡分析 將少量未處理麥胚多糖(提取方法同方法1.2.2中優(yōu)化的最佳提取工藝)和蒸汽爆破麥胚多糖樣品分別薄涂于導(dǎo)電膠上，在低壓下固定并噴上一層薄薄的金，然后使用日立SU1510場發(fā)射掃描電鏡(SEM)在5.0 kV的加速電壓及500×的放大倍數(shù)下進行觀察，拍照［16］。

1.2.3.3 蒸汽爆破麥胚多糖持油性的測定 持油性的測定參考孟雅倩［17］的方法，并略作修改。稱取100 mg麥胚多糖，向離心管中加入5 mL植物油并用渦旋混合器充分振蕩使得多糖完全被植物油浸潤，在3500 r/min條件下離心15 min，傾倒游離的植物油于量筒中，測量植物油的體積并記錄數(shù)據(jù)。按照下列公式計算多糖的持油性:

式中:V:游離的植物油體積(mL);m:稱取的多糖的質(zhì)量(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Design－Expert 8.0.5軟件進行設(shè)計分析，數(shù)據(jù)分析采用Origin 9.0軟件進行分析，方差分析采用(one－way AVONA)進行顯著性檢驗，顯著水平P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥胚蒸汽爆破處理條件的選擇

圖1 不同蒸汽爆破條件對多糖提取得率的影響Fig.1 Effect of different steam explosion conditions on extraction yield of polysaccharide

對不同蒸汽爆破條件下得到的麥胚進行多糖提取，其多糖提取得率如圖1所示，不同蒸汽爆破條件下，多糖提取得率不同，當(dāng)蒸汽爆破時間為5 min，壓力從0.4升至0.8 MPa時，多糖提取得率與蒸汽爆破壓力呈正比關(guān)系，超過0.8 MPa后，多糖提取得率呈現(xiàn)降低趨勢。在蒸汽爆破壓力為0.8 MPa時，多糖提取得率最高。這可能是開始隨著蒸汽爆破強度的增強，細胞中發(fā)生了不可溶性多糖向可溶性多糖的轉(zhuǎn)化，且蒸汽爆破處理會暴露出更多可溶性物質(zhì)［18］。隨著蒸汽爆破壓力的增大，水蒸汽的比例和密度增大，提高了麥胚的爆破率，由于焓差的影響，氣相介質(zhì)的焓在低壓時上升較快，隨著蒸汽爆破壓力再次加強，焓開始下降，因此爆破功率會下降;另一方面爆破壓力過大，會導(dǎo)致纖維素破壞，半纖維素過度降解，導(dǎo)致多糖提取得率降低［19－20］。因此選擇蒸汽爆破壓力為0.8 MPa，維持壓力時間5 min，作為后續(xù)實驗條件。

2.2 單因素實驗

2.2.1 提取時間對蒸汽爆破多糖提取得率的影響 由圖2可以得出結(jié)果，在10～30 min的時間范圍內(nèi)，蒸汽爆破麥胚多糖提取得率與提取時間呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)提取時間低于30 min時，提取不充分是造成提取得率低的主要原因;隨著提取時間延長，其得率不再顯著性增加(P＞0.05)，同時還會增加能耗［21］。因此，綜合考慮成本因素，選取提取時間為30 min。

圖2 提取時間對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響Fig.2 Effect of time on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.2.2 提取次數(shù)對蒸汽爆破多糖提取得率的影響 提取次數(shù)對多糖提取得率的影響結(jié)果如圖3所示，在提取次數(shù)為1～3次范圍內(nèi)，蒸汽爆破麥胚多糖提取得率與提取次數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)。當(dāng)提取次數(shù)大于3次時，增加提取次數(shù)，多糖得率沒有顯著性變化(P＞0.05)，這可能是由于多糖的提取量已到達最高值(18.41%)，繼續(xù)提取并不會顯著性提高得率，故確定選用提取次數(shù)為3次。

圖3 提取次數(shù)對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響Fig.3 Effect of times on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.2.3 提取溫度對蒸汽爆破多糖提取得率的影響 由圖4可知，在40～70℃時蒸汽爆破麥胚多糖提取得率隨著提取溫度的升高而增加，當(dāng)提取溫度為40℃時，提取得率僅為14%，這是因為在低溫條件下，溶劑的溶解力和滲透力較低，導(dǎo)致麥胚多糖不能很好地溶出［22］;隨著提取溫度不斷升高，溶劑的溶解力和滲透力不斷升高，其得率在不斷增加，當(dāng)提取溫度為70℃時多糖得率達到最大值，此時提取得率為18.17%;繼續(xù)增加提取溫度時提取得率無明顯變化，過高的提取溫度還可能會破壞多糖的結(jié)構(gòu)［23］。結(jié)合考慮成本因素，故選擇提取溫度為70℃。

圖4 提取溫度對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響Fig.4 Effect of temperature on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.2.4 料液比對蒸汽爆破多糖提取得率的影響 料液比對麥胚多糖提取得率的影響如圖5所示，蒸汽爆破麥胚多糖提取得率隨著提取溶劑的增加呈現(xiàn)升高后趨于平緩趨勢，當(dāng)料液比為1∶5時多糖得率達到最大值(15.76%)。料液比作為影響麥胚多糖提取得率的重要因素，當(dāng)料液比過低時，樣品液濃度過高不易浸出使提取不徹底;當(dāng)樣品液的料液比過高，會使溶劑液過多導(dǎo)致提取液濃縮分離難度的增加。所以選擇料液比為1∶5。

圖5 料液比對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的影響Fig.5 Effect of solid－liquid ratio on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.3 響應(yīng)面法優(yōu)化蒸汽爆破麥胚多糖提取工藝的研究

2.3.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果 在單因素實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)Box－Behnken實驗的設(shè)計原理，應(yīng)用Design－Expert 8.0.5響應(yīng)面設(shè)計軟件對實驗進行設(shè)計，得到的實驗方案及實驗結(jié)果如表2所示，其中以蒸汽爆破麥胚多糖提取得率(Y)為響應(yīng)值，以提取時間(A)、提取次數(shù)(B)、提取溫度(C)和液料比(D)為自變量，建立四因素三水平中心組合實驗設(shè)計共包括29組實驗，其中5組為中心實驗點，24組為析因?qū)嶒烖c，用以計算實驗誤差。

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 RSM design and test results

2.3.2 回歸方程擬合及方差分析 對麥胚多糖提取的響應(yīng)面實驗結(jié)果進行回歸分析，結(jié)果見表3，對四個因素進行回歸擬合，得到回歸方程為:

Y=17.76+0.84A+1.74B－0.88C+0.4D+0.81AB+0.84AC+0.49AD+0.26BD+0.76CD－1.32A2－2.57B2－1.28C2－2.09D2其中R2=0.9698，=0.9397，由方差分析可知回歸方程模型極顯著(P＜0.0001)，失擬項不顯著(P＞0.05)，說明此模型與實際擬合較好，實驗方法可靠，所得方程與實際擬合中非正常誤差所占比例較小，因此可以用此回歸方程代替真實實驗點分析實驗結(jié)果。結(jié)果表明，提取時間(A)、提取次數(shù)(B)、提取溫度(C)、料液比(D)、提取時間與提取次數(shù)交互項(AB)、提取時間與提取溫度交互項(AC)、提取溫度與料液比交互項(CD)和各因素二次項對響應(yīng)值影響顯著(P＜0.05)，各個因素對響應(yīng)值影響顯著性排序為B＞C＞A＞D。2.3.3 響應(yīng)面分析 根據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面等高線圖，見圖6。兩個獨立變量間的交互作用可以通過響應(yīng)面表示出來，由圖中可以清晰地觀察到各個因子的交互作用及其對麥胚多糖提取得率的影響。

表3 回歸模型及方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

通過等高線圖和響應(yīng)曲面立體圖可以清晰地看出各因素之間的相互作用對多糖得率的影響作用。提取時間和提取次數(shù)的交互關(guān)系如圖6A所示，等高線圖形狀呈橢圓，三維圖曲面陡峭，表明提取時間和提取次數(shù)之間交互作用明顯且對多糖提取得率影響顯著;如圖6B所示，等高線圖形狀呈橢圓，三維圖曲面陡峭，表明提取時間和提取溫度之間交互作用明顯，且對多糖提取得率影響顯著;從圖6C可以看出，提取時間和料液比的交互關(guān)系圖中等高線圖形狀接近圓形，表明提取時間和料液比之間的交互作用不顯著。提取溫度和提取次數(shù)的交互關(guān)系如圖6D所示，等高線圖形狀接近圓形，表明提取次數(shù)和提取溫度之間交互作用不顯著;圖6E是提取次數(shù)和料液比的交互關(guān)系圖，由圖6可知，等高線圖形狀接近圓形，表明提取次數(shù)和料液比之間交互作用不顯著。圖6F中的三維圖曲面陡峭，表明提取溫度和料液比之間交互作用對多糖提取得率影響顯著(P＜0.05)，與表3中的分析結(jié)果一致。

2.3.4 驗證實驗 對回歸方程求解得到模型極值點，結(jié)果表明最佳提取條件為:提取時間為29.57 min，提取溫度為69.35℃，料液比為1∶5.16，提取次數(shù)為3.21次，在此條件下得到的麥胚多糖提取得率為18.37%。為了方便實際操作對響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計得到的麥胚多糖最佳提取條件進行修正為:提取時間為30 min，提取溫度為70℃，料液比為1∶5，提取次數(shù)為3次，取三等份麥胚多糖粉末進行實驗，通過實驗測得在此條件下得到的麥胚多糖提取得率為18.72%，理論值與實際值之間的相對誤差為1.90%。綜上結(jié)果分析，利用響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化蒸汽爆破麥胚多糖提取的工藝是可行的。

2.4 蒸汽爆破麥胚多糖的理化性質(zhì)分析

2.4.1 蒸汽爆破麥胚多糖分子量的測定 由圖7和表4可知蒸汽爆破麥胚多糖的分子量分布狀況，其重均分子量分布范圍為2.26×105～1.76×106Da，其重均分子量主要集中在2.26×105、5.91×105和1.76×106Da，峰 面 積 比 分 別 為14.56%、17.73%和67.71%。

表4 蒸汽爆破麥胚多糖分子量分布Table 4 The molecular weight distribution of SE wheat germ polysaccharide

2.4.2 蒸汽爆破麥胚多糖表觀形貌分析 圖8為未處理和蒸汽爆破預(yù)處理的麥胚中制備出的多糖掃描電鏡圖。圖8A為未處理麥胚多糖，從圖中可以看出未處理麥胚多糖以片狀分布，這是由于分子間的聚合力形成的，經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后(圖8B)，多糖的片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破碎，存在少量的絲狀分支，片狀多糖上有多處氣孔。與未處理多糖表觀結(jié)構(gòu)相比較，差異巨大，這說明蒸汽爆破處理對麥胚多糖的表觀結(jié)構(gòu)有較大影響［18，24］。

2.4.3 麥胚多糖持油性的測定 實驗結(jié)果顯示蒸汽爆破麥胚多糖的持油性為(19.98±0.20)mL/g。蒸汽爆破處理對麥胚多糖的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有一定的影響，多孔結(jié)構(gòu)有利于吸附油脂［25］。持油性作為麥胚多糖的重要特性，對其加工適應(yīng)性具有重要意義，可以考慮將其添加到蛋黃醬、花生醬、香腸、奶酪等含脂量較高的食品中［26－27］，在改善其加工特性的同時，還能增加食品中膳食纖維的含量，提高高脂產(chǎn)品的質(zhì)量，提高食品的營養(yǎng)價值。

圖6 兩因素的交互作用對蒸汽爆破麥胚多糖提取得率的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface plots of variable parameters on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

圖7 蒸汽爆破麥胚多糖高效液相色譜圖Fig.7 The HPLCchromatogram of SE wheat germ polysaccharide

圖8 蒸汽爆破麥胚多糖掃描電鏡圖Fig.8 The SEM image of SE polysaccharide

3 結(jié)論

研究了不同蒸汽爆破條件對麥胚多糖提取得率的影響，得出蒸汽爆破壓力為0.8 MPa，維持壓力5 min條件下，麥胚多糖提取得率最高，分析原因是在壓力較低時，隨著蒸汽爆破強度的增強，細胞中發(fā)生了不可溶性多糖向可溶性多糖的轉(zhuǎn)化，且蒸汽爆破處理會暴露出更多可溶性物質(zhì)。隨著蒸汽爆破壓力再次加強，可能會發(fā)生物質(zhì)的縮合，產(chǎn)生更多的難溶性物質(zhì)，從而不易被提取出來。通過單因素和響應(yīng)面實驗得到蒸汽爆破麥胚多糖最佳提取工藝為:提取時間為30 min，提取溫度為70℃，料液比為1∶5，提取次數(shù)為3次，此條件下的多糖的平均提取得率為18.72%。通過其理化性質(zhì)分析結(jié)果可知，蒸汽爆破麥胚多糖分子量較大，其表面呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，具有良好的持油性，可為其開發(fā)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。