玉米麸皮中阿拉伯木聚糖的提取、结构及性质

刘静，刘俊康

(江南大学 化学与材料工程学院 食品胶体与生物技术教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

目前我国玉米麸皮主要用作动物饲料或农业肥料，其价值未被充分开发利用。根据国家调整农业结构和综合开发农业政策，综合利用农业可再生资源，对社会经济发展和环境保护有着极大的促进作用。

阿拉伯木聚糖是一种半纤维素，广泛存在于玉米、小麦、燕麦等谷物的胚乳和麸皮中［1］。研究发现，阿拉伯木聚糖具有许多重要的生理功能，已受到广泛关注。如可作为膳食纤维，具有润肠通便、预防结肠癌、减肥美容之功效;作为免疫调节剂，增强人体免疫功能，具有抗肿瘤、抗病毒及减轻癌症治疗中的毒副作用的功效;还具有抗氧化、降低胆固醇及调节血糖水平等功能［2］。

麸皮中大量的阿拉伯木聚糖与体系中的木质素、纤维素、蛋白质等组分以阿魏酸连接的共价酯键，减少了其可溶性［3］。但在碱性条件下，酯键的结合可被打断，能够使阿拉伯木聚糖游离出来。因此，碱液通常被作为小麦麸皮、米糠、玉米皮中阿拉伯木聚糖的提取液。有文献报道［4］，用过氧化氢对碱液提取的半纤维素进行漂白，可使其颜色变浅，其原理在于过氧化氢在碱性介质中不仅具有脱木素和漂白的作用，还可用作多糖温和的增溶剂。故碱-过氧化氢法是用来提取玉米麸皮中的阿拉伯木聚糖的一种有效方法。

关于阿拉伯木聚糖提取及其基本性质的研究，对阿拉伯木聚糖的实际应用具有十分重要的意义。本文采用碱-过氧化氢法从玉米麸皮中提取阿拉伯木聚糖，考察了碱浓度对其提取的影响，通过单糖分析和红外光谱图对所提取的阿拉伯木聚糖的结构进行了初步鉴定，并探究了其热稳定性、流变性能和乳化性能。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

玉米麸皮，工业品;乙醇、氢氧化钠、浓盐酸、30%双氧水、浓硫酸、碳酸钙、吐温80、液体石蜡均为分析纯;去离子水。

上海雷磁PHSJ-3F pH 计;FTLA2000 型傅里叶红外光谱仪;Vario EL Ⅲ元素分析仪;GC-14 A 气相色谱仪;Waters 600 高效液相色谱仪;TGA1 型热重分析仪;DHR-2 流变仪。

1.2 阿拉伯木聚糖的提取

称取一定量玉米麸皮，加入至不同浓度的NaOH 溶 液 中(浓 度 分 别 为0. 25，0. 50，1. 0，2.0 mol/L)，再缓慢滴加适量H2O2溶液，60 ℃下机械搅拌4 h，降温后，通过离心收集上层清液。用盐酸调节溶液pH 至6 ～7，加入4 倍体积的无水乙醇，收集沉淀，干燥，即得阿拉伯木聚糖(AX)。

1.3 阿拉伯木聚糖提取率计算

计算阿拉伯木聚糖质量WAX和玉米麸皮质量W麸皮的比值，可得到阿拉伯木聚糖的提取率Y，如公式(1)所示:

1.4 阿拉伯木聚糖分子量分布的测定

将提取的玉米麸皮AX 配制成1 ～2 mg/mL 的水溶液，用0.45 μm 微孔过滤膜过滤后，通过高效液相色谱法测定相对分子量分布。

1.5 单糖分析

采用气相色谱法测定阿拉伯木聚糖单糖组成，方法如下［5］:

取一定量阿拉伯木聚糖(保证单糖浓度，＞5 mg/mL)于20 mL 1 mol/L H2SO4溶液中100 ℃水解4 h。冷却至室温，加BaCO3中和至pH 7.0。过滤，收集滤液，将滤液冷冻干燥，得到游离单糖。将干燥单糖样品衍生化后进行气相色谱分析。

1.6 红外光谱的测定

少量AX 与溴化钾混合研磨、压片，傅里叶红外光谱仪扫描红外谱图。

1.7 热稳定性测定

称取6 ～10 mg 阿拉伯木聚糖，升温速率设为5 ℃/min，初始温度为25 ℃，终止温度为600 ℃，以纯度99.999%的氮气为保护气，流量为30 mL/min，仪器记录质量损失情况。

1.8 流变性能测定

称取一定量玉米麸皮阿拉伯木聚糖，配制成不同浓度的水溶液，用流变仪进行测试(40 mm 锥板)，作粘度随剪切速率的变化图。

1.9 乳化性能测定

分别在质量分数1.0%吐温80(Tween 80)和1.0% AX 水溶液中加入一定量的液体石蜡，体积比为O/W=2/8。在室温下，设定转速为10 000 r/min，均质机乳化3 min，制备乳液。待乳液稳定1 d 后，滴少量乳液分别于水中和液体石蜡中，观察其分散状态［6］。另取少量乳液用去离子水稀释，用光学显微镜观察其乳液液滴形态［7］。拍摄静置1，10，30 d后乳液照片，考察其稳定性。

2 结果与讨论

2.1 碱浓度对AX 的提取率、颜色和分子量的影响

由表1 可知，随着NaOH 浓度的增加，提取所得的阿拉伯木聚糖的颜色在逐渐加深，而相对平均分子量随着浓度的增加变化不大。当浓度低于1 mol/L时，其提取率呈增加趋势;当浓度为2 mol/L 时，其提取率有所降低。这是由于麸皮中将阿拉伯木聚糖与木质素和纤维素等紧密结合的酯键，在碱性环境下被打断，使阿拉伯木聚糖能够被提取出来。当碱浓度过高时，可能导致部分阿拉伯木聚糖发生降解，使得提取率有所降低，且颜色加深。由于0.50 mol/L氢氧化钠溶液提得的AX 产率较高、颜色较浅，故该浓度是从玉米麸皮提取AX 的较佳条件。

表1 不同浓度的碱对AX 提取的影响Table 1 The influence of alkali concentration on the extraction of Arabinoxylan

2.2 单糖分析结果

单糖分析结果见图1、图2 和表2。碱-过氧化氢提取法提取的AX 单糖组分相对比较简单，主要由木糖、阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖组成。其中木糖和阿拉伯糖的相对含量占总量的92%，葡萄糖和半乳糖的相对含量约8%。

图1 单糖标样的气相色谱图Fig.1 The gas chromatographic of standard monosaccharides

图1 中根据出峰次序，依次为鼠李糖t =12.543 min，阿 拉 伯 糖t = 13. 553 min，木 糖t =14.130 min，甘 露 糖t = 17. 813 min，葡 萄 糖t =18.567 min，半 乳 糖 t = 19. 128 min，肌 醇t =20.848 min(内标)。

图2 玉米麸皮AX 水解产物气相色谱图Fig.2 The gas chromatographic of hydrolysates of corn bran AX

图2 中根据出峰次序，依次为阿拉伯木聚糖t=13.613 min，木聚糖t = 14. 225 min，葡萄糖t =18.578 min，半乳糖t=19.160 min。

表2 AX 的单糖相对含量Table 2 The relative contents of monosaccharides of AX

2.3 红外图谱

AX 的红外图谱见图3。

红外光谱中可以看出较为明显的多糖特征峰［8］:3 400 cm－1的O—H 伸缩振动;2 890 cm－1的烷基C—H 伸缩振动;1 638 cm－1的缔合水的吸收峰;1 385 cm－1的烷基C—H 弯曲振动;1 070 cm－1的C—O—C 伸缩振动，详细解析见表3。

图3 AX 的红外图谱Fig.3 FTIR spectrum of AX

表3 AX 红外图谱解析Table 3 IR spectrum analysis of AX

2.4 热稳定性

AX 的热稳定性见图4。

图4 AX 的TGA 图Fig.4 TGA curve of AX

AX 具有较好的吸湿性，能从空气中吸收并保持一定水分［9］。TGA 图中，50 ～100 ℃是由于失水造成的质量损失，约10%;随着温度升高，AX 在215 ℃时开始分解，350 ℃时分解完全，质量损失约57%。由此表明，AX 在215 ℃以下时，有较好的热稳定性。

2.5 粘度

不同浓度AX 的粘度变化见图5。

图5 不同浓度AX 的黏度随剪切速率变化图Fig.5 The relation curves between viscosity of AX solution and share rates

低浓度阿拉伯木聚糖水溶液粘度较低，没有明显增稠效果，但5%的阿拉伯木聚糖水溶液的粘度显著增大。这是由于低浓度的阿拉伯木聚糖在水溶液中分散较开，分子之间不会相互影响;当浓度增加时，阿拉伯木聚糖分子在水溶液中相互聚集缠结，形成一定的网络结构，增加了水溶液的粘度。

2.6 乳化性能

实验表明，由AX 制得的乳液可以很好的分散在水中，但不能在液体石蜡中分散，表明其为水包油型(O/W)乳液。

室温静置1 d 后光学显微镜拍摄的乳液颗粒照片见图6，两种物质都能将油滴均匀分散在水相中形成稳定的乳液颗粒。其中以吐温80 作乳化剂制得乳液粒径较小且均匀，而AX 为乳化剂的乳液粒径较大但不均匀。

室温静置1，10，30 d 后，拍摄分别用吐温80(Tween 80)和AX 为乳化剂制备乳液的照片，见图7。两种乳液在1 d 时都有分层现象，这是重力作用和乳化剂的乳化能力导致的。在30 d 时，两种乳液的高度都没有发生变化，也没有破乳现象，说明AX制备的乳液十分稳定。

图6 室温静置1 d 后光学显微镜拍摄的不同乳液体系照片(标尺为10 μm)Fig.6 Photograph by optical microscope of the emulsions over 1 d storage period at room temperature

图7 吐温80 和AX 为乳化剂制备乳液室温静置1 d(a)、10 d(b)和30 d(c)的照片Fig.7 Photograph of the emulsions over 1 d(a)，10 d(b)and 30 d(c)storage periods at room temperature

3 结论

实验表明，0.5 mol/L 的氢氧化钠的碱-过氧化氢法提取的玉米阿拉伯木聚糖色泽浅、收率高、未降解。所提得的阿拉伯木聚糖中只含有4 种单糖，峰面积从大到小依次为:木糖＞阿拉伯糖＞葡萄糖＞半乳糖，其中阿拉伯糖和木糖的峰面积之和约为92%。阿拉伯木聚糖热稳定性较好，从215 ℃开始热分解，还具有一定的增稠效果和较好的乳化能力。阿拉伯木聚糖是一种极为丰富的可再生资源，将其充分开发利用，对食品、医药、生工和化工等行业的发展十分有益。

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