微波超聲聯(lián)用處理對青稞β-葡聚糖理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性的影響

于麗雅，石夢夢，王月琴，周 明，曹洪偉,3, ，張春紅，宋洪東,3，管 驍,3

（1.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.西藏喜馬拉雅生態(tài)科技股份有限公司，西藏 日喀則 857000；3.國家糧食產(chǎn)業(yè)（城市糧油保障）技術(shù)創(chuàng)新中心，上海 200093；4.中國人民解放軍海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200052）

青稞是一種營養(yǎng)價值較高的谷物，具有三高兩低，即高蛋白、高纖維、高維生素、低脂肪、低糖的成分結(jié)構(gòu)特性[1]。β-葡聚糖是一種重要的谷物膳食纖維組分，它是以D-葡萄糖為基本單位，由β-(1→4)、β-(1→3)糖苷鍵連接而成的混合鍵型多糖。青稞中的β-葡聚糖主要存在于麩皮中，根據(jù)谷物品種、產(chǎn)地和環(huán)境的不同，其含量會有一定差距[2]。有研究表明，青稞中的β-葡聚糖在谷類作物中含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.66%～8.62%，其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大麥、小麥和燕麥[3]。而青稞麩皮是青稞加工過程中最主要的副產(chǎn)物，常作為農(nóng)作物殘渣、加工廢料或飼料，未經(jīng)綜合利用就被丟棄，只有少部分被加工成烘焙食品等高纖維食品。因此，若采用青稞麩皮制取β-葡聚糖，不僅可以避免資源浪費，還能將增加農(nóng)牧民收入。

超聲空化產(chǎn)生的能量可以破壞細(xì)胞壁，提高溶劑分子擴(kuò)散進(jìn)入多孔介質(zhì)的速率，致使β-葡聚糖提取率增加[4]。如Chen Chao等[5]對超聲輔助法和常規(guī)法提取燕麥β-葡聚糖進(jìn)行了比較，研究表明，超聲處理提取的β-葡聚糖產(chǎn)量比常規(guī)法高37%。谷物β-葡聚糖的提取多以酶解的方式進(jìn)行，酶法提取是通過酶反應(yīng)，將原料中的大分子物質(zhì)降解從而破壞細(xì)胞壁，促進(jìn)多糖的釋放，提高其得率[6]。Karimi等[7]使用酶法提取大麥麩皮中的β-葡聚糖，研究結(jié)果表明用α-淀粉酶可有效地提高β-葡聚糖的純度，并能在4 h內(nèi)從大麥麩中去除淀粉、蛋白質(zhì)和戊聚糖。微波可以通過偶極子旋轉(zhuǎn)對分子產(chǎn)生直接的內(nèi)部加熱作用，利用微波可以快速均勻地加熱材料，實現(xiàn)更高的產(chǎn)率，有研究表明適度微波處理可以提高酶的活性。超聲和微波作為綠色、安全、無污染的技術(shù)，受到了社會的廣泛關(guān)注。梁茜茜等[8]對微波-超聲協(xié)同提取法與傳統(tǒng)水提法提取燕麥麩多糖進(jìn)行比較，研究結(jié)果顯示，燕麥麩多糖得率提高了將近2 倍。β-葡聚糖具有獨特的理化性質(zhì)和生理功能，與其結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量和構(gòu)象密切相關(guān)。值得注意的是，不同提取方法會影響β-葡聚糖的流變性、黏度、相對分子質(zhì)量等理化性質(zhì)并造成其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[9]，從而影響食品的質(zhì)地和口感。

目前，關(guān)于青稞β-葡聚糖的研究多集中在提高提取率上，而忽略了青稞β-葡聚糖的理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性。因此，本研究以青稞麩皮為原料，采用微波超聲聯(lián)用提取青稞β-葡聚糖。研究了微波時間對α-淀粉酶活性及超聲功率對青稞β-葡聚糖提取效果的影響，并對不同超聲處理時間下提取的青稞β-葡聚糖溶解特性、乳化性、起泡性和流變學(xué)特性進(jìn)行研究，通過動態(tài)光散射儀測定其粒徑大小及分布情況，采用傅里葉變換紅外光譜和掃描電子顯微鏡對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以期對青稞資源開發(fā)和利用提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

青稞原料 西藏奇正集團(tuán)；高溫α-淀粉酶（20 000 U/mL）、胰蛋白酶（250 U/mg）上海源葉生物科技有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

UV2300II型紫外-可見分光光度計 上海天美科學(xué)儀器有限公司；DV-I+數(shù)字式黏度計 美國Brookfield公司；HR20旋轉(zhuǎn)流變儀 美國TA儀器公司；SCIENTZ-IID超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司；N a n o S t a r I I 動態(tài)光散射儀 美國Wy a t t 公司；Nicolet iS5傅里葉變換紅外光譜儀 賽默飛世爾科技（中國）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 微波超聲聯(lián)用條件確定

將α-淀粉酶溶液置于60 ℃水浴加熱并記錄加熱溫度，用微波合成儀模擬水浴升溫曲線。通過測定水浴和微波處理時間（0、10、20、30、40、50、60 min）下α-淀粉酶相對活力確定微波處理時間。然后按青稞β-葡聚糖的提取方法確定最佳超聲處理功率（0、200、400、600、800 W），以提高青稞葡聚糖的提取效果。

1.3.2 青稞β-葡聚糖的提取

微波超聲聯(lián)用提取青稞β-葡聚糖的提取工藝參考Maheshwari[10]和Yuan Qin[11]等的基礎(chǔ)上稍有改動。將青稞麩皮粉末按水料比20∶1（mL/g）稱取，添加蒸餾水至500 mL并混勻。調(diào)節(jié)pH值到8.0，混合液進(jìn)行超聲處理，超聲參數(shù)為功率600 W，頻率20 kHz，超聲不同時間（0、10、20、30、40 min）后離心（6 000 r/min、20 min）取上清液。調(diào)節(jié)pH值到6.0，加入α-淀粉酶（添加量為40 U/mL），對5 組溶液分別進(jìn)行微波處理，微波參數(shù)為溫度60 ℃、時間30 min、功率300 W[12]。溶液冷卻后調(diào)節(jié)pH值到8.0，加入胰蛋白酶（添加量為2.5 U/mL）以去除溶液中剩余的淀粉和蛋白質(zhì)，置于37 ℃酶解2.5 h，滅酶。冷卻后調(diào)節(jié)pH值到4.5，于4 ℃靜置12 h，離心（6 000 r/min、20 min）取上清液。調(diào)節(jié)上清液pH值到7.0，加入乙醇至醇體積分?jǐn)?shù)為70%，冷藏沉淀12 h，離心（6 000 r/min、20 min）取沉淀，沉淀冷凍干燥后得到β-葡聚糖粗提物。

1.3.3 青稞β-葡聚糖提取效果評價

根據(jù)剛果紅法[13]測定β-葡聚糖的含量，采用苯酚-硫酸法測定總糖的含量。取0.02 g不同處理條件下冷凍干燥后的β-葡聚糖溶于蒸餾水中，定容至250 mL，稀釋100 倍后取0.5 mLβ-葡聚糖溶液，加5.5 mL蒸餾水補足至6 mL，再分別加入4 mL剛果紅溶液后搖勻，在波長545 nm下測定其吸光度。根據(jù)實驗結(jié)果由標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出β-葡聚糖的含量。β-葡聚糖得率、純度計算公式如下：

式中：m表示提取所得樣品中β-葡聚糖的質(zhì)量/g；M表示青稞麩皮粉質(zhì)量/g；M1表示提取所得樣品中總糖質(zhì)量/g。

1.3.4 青稞β-葡聚糖溶解特性的測定

青稞β-葡聚糖濁度測定：參考GB/T 13200—1991《水質(zhì) 濁度的測定》，配制福爾馬肼濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為y＝0.003 5x+0.008 7，R2＝0.987。稱取0.5 g不同處理條件下冷凍干燥后的β-葡聚糖于蒸餾水中，在60 ℃條件下水浴攪拌使其充分溶解，待溶液冷卻至室溫后定容至100 mL，得到β-葡聚糖溶液（下同）。分別吸取不同處理條件下的β-葡聚糖溶液50 mL于100 mL容量瓶中，加蒸餾水定容。于680 nm波長下測定吸光度。根據(jù)測量結(jié)果由濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線計算樣品溶液濁度。濁度計算公式如下：

式中：A表示稀釋后樣品溶液濁度/NTU；B表示稀釋后樣品溶液體積（100 mL）；C表示原樣品溶液體積（50 mL）。

青稞β-葡聚糖溶解度測定：取凍干后不同處理條件下的β-葡聚糖0.5 g加入100 mL蒸餾水中，使用磁力攪拌器攪拌40 min使其充分溶解，離心（3 000 r/min、20 min）去除沉淀。取上清液至恒質(zhì)鋁盒內(nèi)，于105 ℃烘干至恒質(zhì)量。溶解度計算公式如下：

式中：m1表示β-葡聚糖烘干后的質(zhì)量/g；m2表示β-葡聚糖初始質(zhì)量/g。

1.3.5 青稞β-葡聚糖乳化性質(zhì)和起泡性質(zhì)的測定

青稞β-葡聚糖乳化性測定：取不同處理條件下β-葡聚糖溶液各50 mL，調(diào)節(jié)pH值為7.0，于室溫下加入50 mL色拉油，再加入0.1%的吐溫80混合，混合液用高速分散器以2 000 r/min下乳化2 min，離心（1 300 r/min、5 min），記錄乳化層體積。將乳化后樣品置于80 ℃水浴30 min，再以蒸餾水冷卻15 min后離心（1 300 r/min、5 min）并記錄此時乳化層體積。乳化能力和乳化穩(wěn)定性計算公式如下：

式中：V0表示液體總體積/mL；V1表示乳化層初始體積/mL；V2表示靜置15 min后乳化層體積/mL。

青稞β-葡聚糖起泡性測定：取不同處理條件下β-葡聚糖溶液各50 mL，調(diào)節(jié)pH值為7.0，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的卵清蛋白10 mL混合，混合液用高速分散器以10 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪打2 min，計算泡沫體積。停止攪打后靜置30 min后再次記錄泡沫體積。起泡能力和泡沫穩(wěn)定性計算公式如下：

式中：V0表示最初溶液總體積/mL；V1表示攪打后泡沫體積/mL；V2表示靜置30 min后泡沫體積/mL。

1.3.6 青稞β-葡聚糖流變學(xué)特性測定

稱取適量冷凍干燥的樣品均勻配制質(zhì)量濃度為1 mg/mL的β-葡聚糖溶液，用流變儀分別測定其動態(tài)黏彈性特征和靜態(tài)黏彈性特征。靜態(tài)黏彈性測定條件為：剪切速率0.1～100 s-1，溫度25 ℃；動態(tài)黏彈性測定條件為：角頻率范圍0.1～100 rad/s，剪切應(yīng)變力0.1%。處理靜態(tài)流變數(shù)據(jù)時，以剪切速率為自變量，表觀黏度為因變量；處理動態(tài)流變數(shù)據(jù)時，以頻率為自變量，儲能模量（G’）、損耗模量（G”）和損耗因子（tanδ）為因變量。

1.3.7 青稞β-葡聚糖粒徑測定

取5 mL不同處理條件下的β-葡聚糖溶液于100 mL容量瓶中，加蒸餾水定容，確保稀釋后溶液中無肉眼可見雜質(zhì)。離心（3 000 r/ min、2 min），加入至四面透光比色皿，在25 ℃平衡2 min，采用動態(tài)光散射儀進(jìn)行測定，以粒徑為橫坐標(biāo)，強度為縱坐標(biāo)，得到粒徑大小及分布情況。

1.3.8 青稞β-葡聚糖紅外光譜測定

將不同處理條件下提取的青稞β-葡聚糖樣品取少量粉末與溴化鉀粉末以1∶100的比例混合，于瑪瑙研缽中研磨，用壓片機(jī)壓片并抽真空，獲得樣品薄片。將樣品薄片放入樣品架，用紅外光譜儀進(jìn)行掃描，分辨率為4 cm-1，掃描波數(shù)為400～4 000 cm-1，共掃描32 次。

1.3.9 青稞β-葡聚糖微觀結(jié)構(gòu)觀察

使用掃描電子顯微鏡在3.0 kV的電壓下獲得樣品的顆粒顯微照片。在觀察之前，將樣品用導(dǎo)電膠帶安裝在金屬載物臺上。所有樣品涂上金，并在×1 000的放大倍數(shù)下觀察。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究中每個實驗均重復(fù)3 次，并用IBM SPSS Statistics 25和Origin 9.1軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和圖表繪制。實驗結(jié)果采用表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波超聲聯(lián)用條件的確定

谷物β-葡聚糖的提取多以酶解方式進(jìn)行處理，α-淀粉酶作為提取β-葡聚糖時常用的酶，其相對活力至關(guān)重要。如圖1A所示，在溫度為60 ℃附近時，α-淀粉酶的溫度趨于穩(wěn)定；隨著加熱時間的延長，α-淀粉酶相對活力呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并且在30 min時達(dá)到最高值，與傳統(tǒng)的水浴加熱相比，微波處理α-淀粉酶的相對活力高于水浴加熱。這可能與微波處理更能引起酶蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變有關(guān)[14]。然而，當(dāng)微波處理時間繼續(xù)延長時，α-淀粉酶的相對活力逐漸降低，可能是因為α-淀粉酶達(dá)到臨界點，導(dǎo)致酶活性下降。因此，選擇微波參數(shù)為60 ℃處理30 min作為提取青稞β-葡聚糖的條件。

圖1 微波超聲提取條件的確定Fig.1 Determination of extraction conditions by microwaveultrasonict reatment

超聲功率控制空化強度，有助于從基質(zhì)中釋放被包埋的β-葡聚糖。因此，超聲功率是影響提取效率的重要因素。圖1B顯示了超聲功率對β-葡聚糖得率的影響。隨著超聲功率的增加，β-葡聚糖得率增加，當(dāng)超聲功率達(dá)到600 W時得率最高。在高于600 W的超聲功率下，β-葡聚糖得率緩慢下降。因此，選擇超聲功率600 W作為后續(xù)實驗的超聲功率。

2.2 超聲處理時間對β-葡聚糖提取效果和溶解特性的影響

如圖2A所示，不同超聲處理時間對青稞β-葡聚糖的得率和純度均有影響。經(jīng)過微波處理提取的青稞β-葡聚糖得率和純度分別為（4.10±0.13）%和（70.42±0.63）%。但隨著超聲處理時間的延長以及微波熱效應(yīng)的影響下，青稞β-葡聚糖的得率和純度顯著增加（P＜0.05）；超聲處理時間為30 min時，β-葡聚糖的得率和純度最高，分別為（6.30±0.38）%和（83.53±0.13）%。這是因為超聲和微波處理破壞了青稞麩皮細(xì)胞壁，細(xì)胞溶脹后β-葡聚糖擴(kuò)散溢出需要時間。在一定時間內(nèi)，超聲處理時間越長，溶液機(jī)械振動時間越長，超聲設(shè)備的機(jī)械攪拌越充分，更有利于β-葡聚糖溶出[15]；當(dāng)超聲處理時間為40 min時，β-葡聚糖得率降低。這是因為超聲處理時間過長會使提取液局部溫度過高，導(dǎo)致β-葡聚糖發(fā)生降解[16]，從而導(dǎo)致β-葡聚糖得率下降。與此同時，在超聲處理過程中，雜質(zhì)也不斷被提取出來，雜質(zhì)的增加也會在一定程度上影響β-葡聚糖的溶出。

圖2 超聲處理青稞β-葡聚糖提取效果（A）和溶解特性（B）的變化Fig.2 Effect of sonication time on the extraction efficiency (A) and solubility (B) of highland barley β-glucan

如圖2B所示，隨著超聲處理時間的延長以及在微波熱效應(yīng)的影響下，β-葡聚糖溶液濁度顯著降低，溶解度顯著升高（P＜0.05）。有研究發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖相對分子質(zhì)量越大，溶液濁度越大[17]。未經(jīng)超聲處理時，多聚物處于聚集狀態(tài)，β-葡聚糖分子鏈之間相互交聯(lián)、纏繞在一起，因此濁度較高。并且β-葡聚糖分子中存在較多羥基，親水基團(tuán)的存在使得β-葡聚糖本身就對水分子有較強的親和力。由于超聲波產(chǎn)生的空化作用和微波的熱效應(yīng)，使β-葡聚糖分子內(nèi)積蓄熱量，導(dǎo)致β-葡聚糖的空間結(jié)構(gòu)變得更加疏松，從而增強了β-葡聚糖的溶解特性。

2.3 超聲時間對β-葡聚糖乳化性和起泡性的影響

乳化性和起泡性作為食品體系中兩個重要的基本功能特性，在食品加工中也是必不可少的一部分。當(dāng)β-葡聚糖作為穩(wěn)定劑、新型食品開發(fā)以及食品品質(zhì)調(diào)控等使用時，其乳化性和起泡性是非常重要的因素。因此，本實驗研究了不同超聲處理時間對青稞β-葡聚糖溶解性和起泡性的影響。

如圖3A所示，隨著超聲處理時間的延長以及微波熱效應(yīng)的影響下，β-葡聚糖溶液的乳化能力和乳化穩(wěn)定性逐漸降低（P＜0.05）。有研究表明，β-葡聚糖的乳化性隨著相對分子質(zhì)量的變化而變化。β-葡聚糖相對分子質(zhì)量越大，乳化穩(wěn)定性越高。同時，β-葡聚糖溶液的黏度也與乳化穩(wěn)定性有著密切關(guān)系。溶液黏度越大，乳化液中液滴的運動速度越慢。黏度大的β-葡聚糖溶液可以形成黏彈性較高的界面膜，這也是提高乳化穩(wěn)定性的重要因素[18]。因此，超聲處理時間越長，β-葡聚糖相對分子質(zhì)量越低，溶液黏度越小，乳化性和乳化穩(wěn)定性越差。

圖3 超聲處理青稞β-葡聚糖乳化性（A）和起泡性（B）的變化Fig.3 Effect of sonication time on the emulsifying capacity (A) and foaming capacity (B) of highland barley β-glucan

如圖3B所示，隨著超聲處理時間的延長以及微波熱效應(yīng)的影響下，β-葡聚糖溶液的起泡能力顯著增加，而泡沫穩(wěn)定性顯著降低（P＜0.05）。β-葡聚糖的起泡能力與其凝膠特性有關(guān)，而泡沫穩(wěn)定性與其表觀黏度有關(guān)。Ren Yao等[19]對β-葡聚糖相對分子質(zhì)量與凝膠形成速率的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明β-葡聚糖相對分子質(zhì)量越小，形成凝膠速率越快；Lazaridou等[20]對β-葡聚糖相對分子質(zhì)量與凝膠穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相對分子質(zhì)量大的β-葡聚糖能形成組織結(jié)構(gòu)更為緊密的凝膠網(wǎng)絡(luò)，即凝膠強度較大的硬質(zhì)凝膠；而相對分子質(zhì)量小的β-葡聚糖其空間構(gòu)型小，形成凝膠強度較小的軟質(zhì)凝膠，不利于泡沫穩(wěn)定。這可能是由于相對分子質(zhì)量越小，β-葡聚糖運動能力越強、擴(kuò)散速率越快，更易于由不規(guī)則排序轉(zhuǎn)向有序排列，形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；另一種可能是相對分子質(zhì)量越小的β-葡聚糖分子間相互作用程度越低，分子鏈之間有效碰撞的幾率越大，因此形成凝膠速率越快。與此同時，隨著超聲處理時間的延長，β-葡聚糖的表觀黏度、儲能模量和損耗模量均呈現(xiàn)下降趨勢，導(dǎo)致β-葡聚糖溶液黏彈性降低，有利于泡沫的形成，但不利于泡沫的穩(wěn)定。

2.4 超聲時間對β-葡聚糖流變學(xué)特性的影響

如圖4A所示，在0.1～100 s-1剪切速率范圍內(nèi)，不同超聲處理時間下β-葡聚糖溶液的表觀黏度（tanδ）均隨剪切速率的增大而減小，β-葡聚糖溶液呈現(xiàn)典型的非牛頓流體性質(zhì)和假塑性流體特性，出現(xiàn)剪切稀化行為。這可能是因為隨著剪切速率的增大，β-葡聚糖大分子鏈解纏結(jié)，排列逐漸趨于規(guī)則，因此黏度下降[21]；另一方面可能是因為β-葡聚糖分子中存在大量的親水基團(tuán)，在靜止或剪切速率較小的情況下，β-葡聚糖分子中的親水基團(tuán)能束縛大量自由水，流動阻力較強，黏度較大。但隨著剪切速率的增大，β-葡聚糖分子形成外膜，流動阻力減弱，導(dǎo)致黏度降低[22]。同時，隨著超聲處理時間的延長，β-葡聚糖分子間的糖苷鍵和分子內(nèi)糖苷鍵斷裂，導(dǎo)致其相對分子質(zhì)量減少，表觀黏度降低。

圖4 超聲處理青稞β-葡聚糖黏彈性的變化Fig.4 Effect of sonication time on the viscoelasticity of highland barley β-glucan

圖4B～D表示超聲處理時間對青稞β-葡聚糖黏彈性的影響。不同超聲處理時間提取的β-葡聚糖溶液儲能模量（G’）和損耗模量（G”）均隨著振蕩頻率的增加而增加；損耗因子（tanδ）隨著振蕩頻率的增加而降低，在1.2 Hz附近出現(xiàn)波動。隨著超聲處理時間的延長，G’、G”和tanδ大體均呈下降趨勢。當(dāng)超聲處理時間為40 min時，振蕩頻率約在0.11～0.12 Hz區(qū)域時，G”與G’出現(xiàn)交叉點，即tanδ＝1，β-葡聚糖溶液黏性行為與彈性行為相當(dāng)；當(dāng)振蕩頻率在0.01～0.11 Hz區(qū)域（tanδ＞1）時，β-葡聚糖溶液G’＜G”，β-葡聚糖分子鏈間解纏結(jié)，排列逐漸趨于規(guī)則，表現(xiàn)出稀溶液的性質(zhì)；當(dāng)振蕩頻率大于0.12 Hz（tanδ＜1）時，β-葡聚糖溶液G’＞G”，此時β-葡聚糖溶液彈性行為大于其黏性行為，并呈現(xiàn)出類似固體的特征。這可能是因為隨著振蕩頻率的增大，由振動引起β-葡聚糖分子鏈之間纏繞交聯(lián)的速率大于其解纏結(jié)排序速率，此時β-葡聚糖大分子之間互相纏繞，形成交聯(lián)的凝膠網(wǎng)絡(luò)，因此β-葡聚糖溶液彈性特征優(yōu)于其黏性特征[23]。此外，超聲時間為40 min的β-葡聚糖溶液在剪切速率大于1 Hz附近時tanδ＝0.1，具有弱凝膠特性[24]。

2.5 超聲處理時間對β-葡聚糖粒徑的影響

如圖5所示，所有處理條件下提取的β-葡聚糖都在100～10 000 nm間出現(xiàn)峰值，經(jīng)過微波處理而未經(jīng)超聲處理的β-葡聚糖在7 654 nm左右出現(xiàn)一個峰，表明β-葡聚糖中存在大顆?；蚓奂w，出現(xiàn)的第2個峰可能是微波的熱效應(yīng)導(dǎo)致的。與未經(jīng)超聲處理的β-葡聚糖相比，超聲處理10、20、30 min和40 min的β-葡聚糖出現(xiàn)兩個峰，并且峰值逐漸左移，粒徑變小。這可能是由于微波超聲聯(lián)用處理使大分子β-葡聚糖裂解成一部分小分子β-葡聚糖[25]。微波處理會引起β-葡聚糖構(gòu)象轉(zhuǎn)變，破壞分子內(nèi)和分子間的氫鍵，從而使β-葡聚糖粒徑減小。超聲空化是微米級氣泡快速成核、生長和破裂的過程[26]。大顆粒的出現(xiàn)表明小顆粒的再團(tuán)聚，在持續(xù)超聲處理以及微波加熱的作用下，熱效應(yīng)和空化效應(yīng)導(dǎo)致小顆粒在超聲作用下重新團(tuán)聚。

圖5 超聲處理青稞β-葡聚糖粒徑分布變化Fig.5 Effect of sonication time on the particle size distribution of highland barley β-glucan

2.6 超聲時間對β-葡聚糖紅外光譜的影響

如圖6所示，在不同超聲處理時間以及微波熱效應(yīng)的影響下，提取的青稞β-葡聚糖紅外光譜圖峰型基本吻合，基本官能團(tuán)沒有發(fā)生變化，并未出現(xiàn)新的吸收峰。其中，3 405 cm-1處的吸收峰可能是由多糖鏈中糖苷鍵間/內(nèi)的相互作用導(dǎo)致的O—H收縮振動引起的[27]；2 931 cm-1處的吸收峰是糖類的特征峰，可能是由于飽和碳上的C—H的收縮振動引起的[28]；1 630 cm-1處的吸收峰為糖的水化物的吸收峰，即與水結(jié)合的O-H鍵彎曲形成的，或是β-葡聚糖中殘留的少量蛋白質(zhì)中的N-H基團(tuán)吸收峰[29]；1 390 cm-1處的吸收峰則是C—H面內(nèi)彎曲振動和變角振動產(chǎn)生的；1 074 cm-1處的吸收峰可能是由β-(1→4)和β-(1→3)連接的C—O—C振動產(chǎn)生[30]；而897 cm-1處微小的吸收峰為β-D-葡萄吡喃糖的特征吸收峰。表明不同超聲處理時間提取的青稞β-葡聚糖的基本結(jié)構(gòu)是β-D-吡喃型葡萄糖[31]，且超聲提取β-葡聚糖不會造成基本官能團(tuán)發(fā)生改變。與此同時，隨著超聲處理時間的延長，紅外光譜峰面積逐漸減小，這表示各個官能團(tuán)的含量減少，所提取的β-葡聚糖相對分子質(zhì)量逐漸減小，該結(jié)果與粒徑分布結(jié)果一致。

圖6 超聲處理青稞β-葡聚糖的紅外光譜圖Fig.6 Effect of sonication time on the FTIR spectrum of highland barley β-glucan

2.7 超聲時間對β-葡聚糖掃描電子顯微鏡結(jié)果的影響

在不同超聲處理時間以及微波熱效應(yīng)的影響下提取的青稞β-葡聚糖微觀結(jié)構(gòu)如圖7所示，超聲處理時間對青稞β-葡聚糖的形態(tài)和結(jié)構(gòu)存在顯著差異。未經(jīng)超聲處理的青稞β-葡聚糖表面結(jié)構(gòu)主要以致密聚集片段的形式存在（圖7A）；隨著超聲處理時間的延長，青稞β-葡聚糖表面出現(xiàn)細(xì)小空洞，呈現(xiàn)出多孔、疏松的聚集體狀態(tài)（圖7B～E）。這是由于超聲處理產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機(jī)械振動以及微波的熱效應(yīng)導(dǎo)致青稞β-葡聚糖的分子間氫鍵被破壞，使得大分子質(zhì)量的β-葡聚糖分子鏈之間解離，從而形成多孔海綿狀或蓬松的外觀[32]。因此，青稞β-葡聚糖結(jié)構(gòu)松散，片段變小。

圖7 超聲處理青稞β-葡聚糖的微觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Effect of sonication time on the scanning electron microscopic image of highland barley β-glucan

3 結(jié)論

超聲的空化效應(yīng)可以產(chǎn)生的極高壓力并且提高局部溫度，從而破壞細(xì)胞壁，使得細(xì)胞中的有效成分能夠快速的釋放到溶劑中。微波處理可以破壞植物細(xì)胞壁及外膜，使胞內(nèi)成分流出，同時，微波還可以通過偶極子旋轉(zhuǎn)對分子產(chǎn)生直接的內(nèi)部加熱作用。和傳統(tǒng)的水浴相比，微波增強了α-淀粉酶活性，有助于增強青稞麩皮粉的酶解效果，為酶解奠定基礎(chǔ)；在微波超聲聯(lián)用處理的最佳提取條件下，料液比1∶20（g/mL）、超聲功率600 W提取30 min、微波加熱60 ℃提取30 min，青稞β-葡聚糖的得率最高，可達(dá)（6.30±0.38）%。同時，微波超聲聯(lián)用不僅增強了青稞β-葡聚糖的提取效果，并且改變了其功能特性。隨著超聲處理時間的延長，在超聲空化以及微波熱效應(yīng)的影響下，青稞β-葡聚糖濁度、乳化性和泡沫穩(wěn)定性降低，溶解度和起泡能力增加；這是由于超聲空化效應(yīng)和機(jī)械振動使β-葡聚糖由較大的聚集體解聚成較小的聚集體，導(dǎo)致其表觀黏度降低，交聯(lián)現(xiàn)象變?nèi)?，而微波的熱效?yīng)破壞了β-葡聚糖分子間（內(nèi)）的糖苷鍵，從而使β-葡聚糖相對分子質(zhì)量和粒徑減小。同時，微波超聲聯(lián)用也使青稞β-葡聚糖微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示，隨著超聲處理時間的延長，青稞β-葡聚糖結(jié)構(gòu)逐漸松散，片段變小。本研究為青稞資源開發(fā)利用以及青稞β-葡聚糖新食品類型開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。