提取条件对小麦麸皮阿拉伯木聚糖相对分子质量分布的影响

袁 建，范 哲，王 艳，何 荣，鞠兴荣

提取条件对小麦麸皮阿拉伯木聚糖相对分子质量分布的影响

袁 建，范 哲，王 艳，何 荣，鞠兴荣

（南京财经大学食品科学与工程学院，江苏 南京 210046）

以小麦麸皮为原料，通过化学分析法和高效凝胶渗透色谱法，探讨提取时间、pH值和温度对阿拉伯木聚糖提取得率及其产品相对分子质量分布的影响。结果表明，随着提取时间的延长、pH值和温度的升高，阿拉伯木聚糖的得率显著提高。延长提取时间（5 h），可以提高产品中低相对分子质量阿拉伯木聚糖的含量；提高反应的pH值（13.0）和温度（90 ℃）则可以获得富含多种高相对分子质量阿拉伯木聚糖的产品。

小麦麸皮；阿拉伯木聚糖；提取条件；相对分子质量分布

阿拉伯木聚糖（arabinoxylan）是高等植物，特别是禾谷类作物种子细胞壁的主要成分之一[1]，在燕麦、小麦和水稻的种皮细胞中约占70%，是一种重要的非淀粉性多糖[2]。Annison等于1992年提出了阿拉伯木聚糖的结构[3]，它是由阿拉伯糖和木糖两种单糖组成的，故称之为阿拉伯木聚糖或戊聚糖[4]。研究发现，阿拉伯木聚糖具有多种保健功能，作为膳食纤维，具有润肠通便、减肥美容之功效[5]；作为免疫调节剂，可启动自然杀伤细胞、T和B淋巴细胞，增强人体免疫功能[6]；阿拉伯木聚糖还具有抗氧化、降低胆固醇及调节血糖水平等功能[7]。

基于阿拉伯木聚糖的这些生理功能，开展了从不同原料中提取阿拉伯木聚糖的研究。宋晓庆等[8]采用水提法对黑麦中的水溶性阿拉伯木聚糖进行提取，由于水溶性阿拉伯木聚糖含量相对较少，工艺优化后最高得率也只有1.8%左右；而张晓娜等[9]采用酸水洗结合碱法的工艺提取小麦阿拉伯木聚糖，这种方法工艺优化后，最高得率可达到20.89%。不同提取方法获得的阿拉伯木聚糖产品，其相对分子质量也有所差异。Emmanuelle等[10]得出水提法获得的阿拉伯木聚糖组分的相对分子质量为7.0×103～8.0×103左右，而碱提法获得的阿拉伯木聚糖产品中同时含有相对分子质量为7.0×103和4.2×105的组分。另一方面，研究表明，阿拉伯木聚糖的相对分子质量大小和它的生理活性以及在食品体系中的功能特性有着密切的关系。张晓娜[11]的研究认为，小麦麸皮中酶法提取（80%醇沉）的阿拉伯木聚糖产品的相对分子质量在1.2×104～7.0×104左右，具有清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）自由基和羟自由基的效果，还能增强小鼠的特异性体液免疫功能；Courtin等[12]研究发现小麦中获得的高相对分子质量阿拉伯木聚糖产品能够显著影响生面团的延展性，而低相对分子质量的阿拉伯木糖产品通过影响持水能力、氧化胶凝性质或黏度在面包烘焙过程中发挥作用。因此，对阿拉伯木聚糖相对分子质量进行分析有助于了解其生理功能的作用机理，并进一步指导阿拉伯木聚糖在实际生产中的开发和应用[13]。小麦麸皮中阿拉伯木聚糖含量比较丰富，通过现代加工技术可以在小麦麸中得到富集。提取条件对阿拉伯木聚糖得率的影响多有报道[14]，但提取条件对阿拉伯木聚糖产品相对分子质量分布的影响规律研究较少，本实验拟以小麦麸皮作为原料，讨论了不同提取工艺条件对所得阿拉伯木聚糖产品相对分子质量分布的影响，旨在为阿拉伯木聚糖的深入研究和产品开发提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

小麦麸皮 南京海佳面粉厂。

阿拉伯木聚糖 实验室自制；葡聚糖标准品 美国Sigma公司；地衣酚、硝酸钠 上海阿拉丁试剂有限公司；盐酸、苯酚、硫酸等均为分析纯 南京化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

TGL-16 C高速离心机 上海安亭科学仪器厂；WH-2微型漩涡混合仪 上海沪西分析仪器厂有限公司；U-3900紫外-可见分光光度计 日本Hitachz公司；高效液相色谱仪（配有1525泵、2707自动进样器、2414示差折光检测器）、Ultrahydrogel liner柱（7.8 mm×300 mm） 美国Waters公司。

1.3 方法

1.3.1 阿拉伯木聚糖的提取[15-16]

脱脂麦麸粉→70%乙醇、70 ℃水浴灭内源酶→耐热α-淀粉酶去除淀粉→离心、取沉淀→一定料液比、pH值、温度、时间条件下进行提取→等电点法去除蛋白质→加入一定量的β-葡聚糖酶，除去β-葡聚糖→离心、取上清液，减压浓缩→加入95%乙醇沉淀多糖→离心、取沉淀→冷冻干燥得到阿拉伯木聚糖粗提物

1.3.2 不同提取条件对阿拉伯木聚糖相对分子质量分布的影响

将小麦麸皮在料液比1∶20（m/V）、pH 12、80 ℃条件下，分别提取1、3、5 h，获得阿拉伯木聚糖粗提物，探讨不同提取时间下阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布。

分别在pH 9、11、13（料液比1∶20、提取温度80 ℃、时间为2 h）条件下提取，获得阿拉伯木聚糖粗提物，探讨不同pH值下阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布。

分别在50、70、90 ℃（料液比1∶20、pH 13、时间为2 h）条件下提取，获得阿拉伯木聚糖粗提物，探讨不同温度下阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布。

1.3.3 阿拉伯木聚糖提取物的成分测定

蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法[17]；阿拉伯木聚糖含量测定采用地衣酚-盐酸法[18]；根据下式计算阿拉伯木聚糖得率。

1.3.4 阿拉伯木聚糖相对分子质量分布测定

采用高效凝胶渗透色谱法（high performance gel permeation chromatography，HPGPC）测定不同提取条件下获得的阿拉伯木聚糖产品的相对分子质量分布。色谱条件：Ultrahydrogel liner柱（7.8 mm×300 mm），柱温、检测器温度为45 ℃，流动相为0.10 mol/L NaNO3溶液，流速为0.9 mL/min[19]。样品分析：采用流动相溶解已知相对分子质量（1 000、5 000、25 000、150 000、670 000），质量浓度为1 mg/mL的葡聚糖标准品和不同提取工艺条件下得到的阿拉伯木聚糖样品（10 mg/mL），高速离心后，上清液经0.45 μm滤膜过滤，进行分析。数据处理：采用Waters Empower 3操作系统，GPC分析软件自动进行数据处理，结果可以得到数均相对分子质量（Mn）、重均相对分子质量（Mw）、相对分子质量分散系数（Mw/Mn）和峰面积。其中，Mn表示聚合物以分子数统计平均的相对分子质量；Mw表示聚合物以重量统计平均的相对分子质量；Mw/Mn表示高聚物混合物相对分子质量的分布宽度，比值大，说明相对分子质量分布宽，高聚物中长链短链混杂。

1.4 数据处理

采用SAS软件对数据进行ANOVA方差分析、Duncan’s多重比较，显著性差异选用P＜0.05。每组实验重复3 次，结果均采用±s表示。

2 结果与分析

2.1 阿拉伯木聚糖的提取结果

表1 不同提取条件下阿拉伯木聚糖的相关指标Table 1 Influence of extraction conditions on protein content, purity and yield of araboxylan extract

由表1可知，获得的多糖粗提物主要成分为糖和蛋白质，其中的蛋白质可能与阿拉伯木聚糖相结合，以糖-蛋白质复合物的形式存在。有研究表明碱法提取后获得的产品是多糖粗提物，除去主成分阿拉伯木聚糖和蛋白质外，还含有少量的灰分和其他非淀粉多糖等杂质[20]。

不同提取工艺下得到的粗提物中阿拉伯木聚糖含量和得率差异较大，表1列出了部分提取条件下阿拉伯木聚糖产品的得率及其含量。随着提取时间的延长、反应pH值和温度的升高，阿拉伯木聚糖的含量和得率都逐渐增加。其中，与提取1 h相比，提取5 h（pH 12，80 ℃）获得了较高的阿拉伯木聚糖含量和得率，分别为86.28%和（7.19±0.04）%。此外，反应的pH值和温度对阿拉伯木聚糖的提取效果也有较大影响。与pH 9相比，在pH 13（80℃，2 h）条件下提取阿拉伯木聚糖的得率可达（11.28±0.07）%（P＜0.05）；在90 ℃（pH 13，2 h）的提取条件下，阿拉伯木聚糖的得率高达（13.09±0.16）%。可见高pH值、高温有利于麦麸中阿拉伯木聚糖的溶出。同时也可以看出，随着提取时间和pH值的增加，提取物中蛋白质的含量逐渐增大，可能是因为其中与多糖相结合的蛋白质组分增多；而随着温度的升高，粗提物中蛋白质含量则逐渐减小，可能是高温导致部分蛋白质发生了变性，降低了蛋白质与多糖的结合程度。

2.2 阿拉伯木聚糖相对分子质量的分布

为了进一步了解上述提取条件下获得的阿拉伯木聚糖，采用高效凝胶渗透色谱法分析不同条件下产物中的阿拉伯木聚糖相对分子质量分布情况，明确不同提取条件对阿拉伯木聚糖得率和相对分子质量分布的影响。

2.2.1 标准曲线的建立

通过HPGPC分析葡聚糖标准品的相对分子质量分布，并采用GPC分析软件，以标准品的洗脱体积（V）和相对分子质量对数（lgMw）建立葡聚糖相对分子质量标准曲线，并作三阶拟合校正，发现lgMw与V之间存在较好的非线性关系，回归方程为lgMw=s-42.9V+5.0V2-0.198V3（R2=0.999 283），说明该标准曲线可以用于计算样品的相对分子质量。

2.2.2 不同提取时间下阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布

图1 不同提取时间下获得的阿拉伯木聚糖产品的色谱图Fig.1 Chromatogram of araboxylan obtained at different extraction times

由图1可知，在pH 12、提取温度80 ℃条件下，分别提取1、3、5 h，获得的阿拉伯木聚糖的HPGPC色谱峰的峰形基本相同，每个样品都含有2 个主要的色谱峰（峰1、峰2），其Mw分别为2.64×105～3.05×105和1.60×104～1.96×104，且尖峰处的保留时间比较接近，也就是说，其他反应条件相同时，不同时间下提取的阿拉伯木聚糖产品中多糖的种类可能相同。

表2 不同时间下提取的阿拉伯木聚糖产品的相对分子质量分布Table 2 Relative molecular weight distribution of araboxylan obtained at different extraction times

由表2可知，随着提取时间的延长，峰1的面积逐渐减小，峰2的面积逐渐增大，也就是说，延长提取时间，增加了原料中低相对分子质量阿拉伯木聚糖的溶出或者促进了高相对分子质量的阿拉伯木聚糖的降解[21]。同时，阿拉伯木聚糖峰1的分散系数较小，说明相对分子质量分布相对均一；峰2的分散系数则随着提取时间的延长逐渐增大，说明相对分子质量分布不均匀，获得的低相对分子质量阿拉伯木聚糖的种类在逐渐增加。因此，提取时间对阿拉伯木聚糖提取效果的影响主要表现为延长提取时间，可以提高产品中低相对分子质量阿拉伯木聚糖的含量，对于其中的高相对分子质量阿拉伯木聚糖的影响不大。

2.2.3 不同提取pH值下阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布

图2 不同pH值下提取的阿拉伯木聚糖的色谱图Fig.2 Chromatogram of araboxylan obtained at different extraction pH levels

由图2可知，在提取温度80 ℃、时间2 h时，pH 9和pH 11条件下得到的阿拉伯木聚糖色谱图基本相似，只有1 个主要色谱峰；但是在pH 13下得到的阿拉伯木聚糖成分比较复杂，其HPGPC色谱图中有4 个明显的色谱峰，说明高pH值会显著影响阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布情况，这与之前高pH值会显著影响阿拉伯木聚糖得率的分析结果比较一致。

表3 不同pH值下提取的阿拉伯木聚糖产品的相对分子质量分布Table 3 Relative molecular weight distribution of araboxylan obtained at different extraction pH levels

另外，虽然pH 9和pH 11条件下获得的阿拉伯木聚糖的HPGPC色谱峰峰形比较接近，但是pH 11条件下所得阿拉伯木聚糖的Mw（5.43×104）和分散系数相对较大，表明较高pH值在一定程度上促进了高相对分子质量阿拉伯木聚糖的溶出，同时也增加了相对分子质量分布的不均匀程度。然而，pH 13条件下所得阿拉伯木聚糖峰1的Mw为4.18×105，远大于pH 9和pH 11条件下所得阿拉伯木聚糖峰1的相对分子质量，说明高pH值进一步增加了高相对分子质量多糖的溶出；其色谱峰中还出现了2 个小相对分子质量峰（峰3、4），可能是高pH值下，高相对分子质量的阿拉伯木聚糖部分糖苷键发生断裂，降解成了低相对分子质量多糖。总的看来，提取溶液的pH值对阿拉伯木聚糖相对分子质量分布的影响较大，高pH值有利于大相对分子质量阿拉伯木聚糖的溶出，并且同时会使其发生部分降解[22]，得到多种相对分子质量大小的阿拉伯木聚糖。

2.2.4 不同提取温度下阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布

图3 不同提取温度下获得的阿拉伯木聚糖产品的色谱图Fig.3 Chromatogram of araboxylan obtained at different extraction temperatures

由图3可知，在pH 13、时间2 h，不同温度下（50、70、90 ℃）条件下提取所得阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布差异较大，50 ℃条件下的阿拉伯木聚糖有3 个主要相对分子质量色谱峰，70 ℃和90 ℃条件下所得阿拉伯木聚糖有4 个主要色谱峰，且峰形大致相似。

表4 不同温度下提取的阿拉伯木聚糖产品的相对分子质量分布Table 4 Relative molecular weight distribution of araboxylan obtained at different extraction temperatures

进一步分析（表4）可知，随着提取温度的升高，产品中阿拉伯木聚糖峰1的Mw和峰面积逐渐增大，说明高温具有增溶作用[23]，促进了高相对分子质量阿拉伯木聚糖的溶出。同时，随着温度升高，峰1的分散系数逐渐增大，相对分子质量范围逐渐变宽，高相对分子质量阿拉伯木聚糖的种类增加，也说明了高温有利于阿拉伯木聚糖的溶出。峰2的Mw为2.05×104～2.45×104左右，相差不大，且随温度升高，分散系数逐渐减小，相对分子质量分布逐渐变得均一，并且峰2的面积也不断减小，可能是高温导致了该相对分子质量段的阿拉伯木聚糖发生了降解。此外，70 ℃和90 ℃条件下阿拉伯木聚糖峰3的相对分子质量相近，分散系数也较小，相对分子质量分布相对均一。50、70、90 ℃条件下所得阿拉伯木聚糖的最小相对分子质量（峰4）基本相同，与上述不同提取时间和pH值条件下的阿拉伯木聚糖相对分子质量色谱图比较，可以认为此部分低相对分子质量阿拉伯木聚糖是高相对分子质量阿拉伯木聚糖高温、高pH值条件下的降解产物。由上可知，提取温度也显著影响阿拉伯木聚糖的提取效果，高温有利于高相对分子质量阿拉伯木聚糖的溶出。

3 结 论

提取时间、pH值和温度对小麦麸皮中阿拉伯木聚糖的提取效果和产品的相对分子质量分布有较大的影响。延长提取时间、提高pH值和温度，可以显著提高阿拉伯木聚糖的得率。延长提取时间，可以提高产品中低相对分子质量阿拉伯木聚糖的含量，而提高提取pH值和温度则可以获得富含多种高相对分子质量阿拉伯木聚糖的产品。研究认为，通过控制提取条件，可以实现高得率、特定相对分子质量范围的阿拉伯木聚糖的提取，而相关的提取工艺则需要进一步优化。

参考文献：

[1] 冯焱, 佟建明. 小麦的营养特性及其抗营养因子木聚糖的研究进展[J].河北畜牧兽医, 2005, 20(11): 43-44.

[2] 李丽坤, 赵丽红, 李伟群. 利用稻壳提取阿拉伯木聚糖的研究[J]. 黑龙江农业科学, 2008(1): 22-24.

[3] 李兴军. 小麦阿拉伯木聚糖的结构、理化特性及合成研究[J]. 粮食科技与经济, 2011, 36(1): 45-48.

[4] IZYDORCZYK M S, BILIADERIS C G. Cereal arabinoxylans advances in structure and physicochemical properties[J]. Carbohydrate Polymers, 1995, 28: 33-48.

[5] 王金华, 张声华, 陈雄, 等. 麦糟戊聚糖降脂功能研究[J]. 食品科学, 2005, 26(9): 468-470.

[6] 袁小平, 王静, 姚惠源. 小麦麸皮阿魏酰低聚糖对红细胞氧化性溶血抑制作用的研究[J]. 中国粮油学报, 2005, 20(1): 13-16.

[7] 张碾, 欧仕益, 张宁. 麦麸酶解产品清除自由基的体外实验研究[J].营养学报, 2005, 27(1): 25-29.

[8] 宋晓庆, 董海洲. 黑麦水溶性阿拉伯木聚糖提取工艺的研究[J]. 西部粮油科技, 2003(5): 22-24.

[9] 张晓娜, 王世平, 周素梅, 等. 小麦麸皮阿拉伯木聚糖碱提工艺条件优化研究[J]. 核农学报, 2008, 22(1): 60-64.

[10] EMMANUELLE E, MARIO A, RICHARD A, et al. Extraction and characterization of water-extractable and water-unextractable arabinoxylans from spelt bran: study of the hydrolysis conditions for monosaccharides analysis[J]. Journal of Cereal Science, 2011, 53: 45-52.

[11] 张晓娜. 小麦麸皮中阿拉伯木聚糖的提取及生理活性研究[D]. 北京:中国农业大学, 2007.

[12] COURTIN C M, DELCOUR J A. Physicochemical and bread-making properties of low molecular weight wheat-derived arabinoxylans[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 1998, 46(10): 4066-4073.

[13] 李全宏, 陶国琴, 付才力, 等. 麦麸中生理活性物质研究与应用进展[J].食品科学, 2004, 25(8): 196-199.

[14] 郑学玲. 小麦麸皮中戊聚糖的制备、纯化及功能性质研究[D]. 无锡: 江南大学, 2002.

[15] BATAILLON M, MATHALY P, NUNES CARDINALI A P, et al. Extraction and purification of arabinoxylan from destarched wheat bran in a pilot scale[J]. Industrial Crops and Products, 1998, 8(1): 37-43.

[16] MANDALARI G, FAU LDS C B, SANCHO A I, et al. Fractionation and characterization of arabinoxylans from brewers’ spent grain and wheat bran[J]. Journal of Cereal Science, 2005, 42(2): 205-212.

[17] 黄婉玉, 曹炜, 李菁, 等. 考马斯亮蓝法测定果汁中蛋白质的含量[J].食品与发酵工业, 2009, 35(5): 160-161.

[18] 李胤, 陆健, 顾国贤. 啤酒中戊聚糖的测定: 地衣酚-盐酸法[J]. 食品与发酵工业, 2003, 29(9): 35-38.

[19] SUN Yuanlin, STEVE W C, GU Xiaohong, et al. Isolation and structural characterization of water unextractable arabinoxylans from Chinese black-grained wheat bran[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 85: 615-621.

[20] MAES C, DELCOUR J A. Alkaline hydrogen peroxide extraction of wheat bran non-starch polysacchatides[J]. Journal of Cereal Science, 2001, 34(1): 29-35.

[21] ZHANG Ying, PITKANENC L, DOUGLADED J, et al. Wheat bran arabinoxylans: chemical structure and film prope rties of three isolated fractions[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 86(2): 852-859.

[22] ATHINA L, TRICIA C. Composition and molecular structure of polysaccharides released from barley endosperm cell walls by sequential extraction with water, malt enzymes and alkali[J]. Journal of Cereal Science, 2008, 48(2): 304-318.

[23] HÖIJE A, GRÖNDAHL M, TØMMERAAS K, et al. Isolation and characterization of physicochemical and material properties of arabinoxylans from barley husks[J]. Carbohydrate Polymers, 2005, 61(3): 266-275.

Influence of Extraction Conditions on Relative Molecular Weight Distribution of Arabinoxylan from Wheat Bran

YUAN Jian, FAN Zhe, WANG Yan, HE Rong, JU Xing-rong
(College of Food Science and Engineering, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing 210046, China)

The influence of extraction time, pH and extraction temperature on the yield and relative molecular weight distribution of arabinoxylan from wheat bran was investigated by chemical analysis and high performance gel permeation chromatography. The results showed that the yield of arabinoxylan was significantly enhanced with increasing extraction time, pH and extraction temperature. The content of low relative molecular weight arabinoxylan was increased when the extraction time was extended to 5 h, and a variety of arabinoxylans with high relative molecular weights could be obtained by increasing pH and extraction temperature.

wheat bran; araboxylan; extraction conditions; relative molecular weight distribution

TS201.2

A

1002-6630（2014）17-0027-05

10.7506/spkx1002-6630-201417006

2013-07-28

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2012AA101609）

袁建（1965—），男，教授，本科，研究方向为食品质量与安全。E-mail：yjian_nj@163.com