燕麦β-葡聚糖特性、功效及不同因素对其提取效果影响研究进展

樊琳娜，何聪芬

（北京工商大学理学院，北京100048）

燕麦β-葡聚糖特性、功效及不同因素对其提取效果影响研究进展

樊琳娜，何聪芬*

（北京工商大学理学院，北京100048）

对国内外对于燕麦β-葡聚糖物化特性分析现状进行了总结，发现与其他来源的β-葡聚糖相比，燕麦β-葡聚糖具有更好的水溶性和皮肤渗透性以及较强的吸附小分子的能力，应用前景广阔。此外我们讨论了品种、生长环境、加工处理、提取工艺4方面因素对其提取效果的影响，旨在为燕麦β-葡聚糖的提取与进一步研究提供建议。

燕麦；β-葡聚糖；特性；处理；提取

葡聚糖（glucan）为右旋吡喃葡萄糖聚合体，分子式为（C6H10O5）n，其相邻葡萄糖残基的碳1、2、3、4、6的半缩醛氧之间以葡糖苷键连接构成骨架，有α和β位两种结构形式［1］。β-葡聚糖（β-Glucan）作为葡萄糖的高聚物，因其葡萄糖苷键为β-1，3键而得名［2］。β-葡聚糖除具有主链与分支的基本结构特征以外，还具有螺旋特性的高级结构，高分子量的β-1，3-葡聚糖主要以1重和3重螺旋2种高级结构的形式存在，同时也存在由低分子或者带电荷的分子构成的随机链圈状态［3］。

β-葡聚糖在植物和微生物中广泛存在，是细胞壁的重要成分，因分子量、分支度等不同而以多种形式存在［4］，见表1。

分布于表皮棘层的和基底层细胞间朗格汉斯细胞能捕获和处理侵入皮肤的抗原，并传递给T细胞，可使特异性T细胞增殖和激活。β-1，3-D-葡聚糖能与朗格汉斯细胞特异性结合，引起一系列免疫应答，从而产生如粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（Colonystimulating factor，GM-CSF）、表皮生长因子（Epidermal growth factor，EGF）、成纤维细胞生长因子（Fibroblast growth factor，FGF）和血管内皮细胞生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）等细胞因子［9］。GM-CSF能刺激细胞分化，同时增强成熟细胞功能；EGF的增加不仅可以启动细胞内一些重要功能基因活化和表达，提高胶原蛋白和弹性蛋白的生成，进而改善皮肤老化生成皱纹的问题，还可以刺激各种细胞的增殖迁移，加快表皮的新旧更替；FGF能够促进平滑肌细胞的增殖和新血管形成，修复受损皮肤；VEGF参与正常血管结构的维持，并调节生理和病理性血管新生［10］。

表1　不同来源β-葡聚糖结构特点、分子量及功能Table 1Structure，molecular weight and functions of β-glucan of different sources

此外，颗粒葡聚糖给药能增强血细胞的生成活性，包括粒细胞、单核白细胞和红细胞的生成，从而导致从接近致命剂量的辐射中得到恢复［11］，这不失为其一个应用前景广阔而值得关注的功能。β-葡聚糖不足之处在于，可能引起呼吸道炎症，引发变态反应并与花粉敏感征候群有关［4］。

1燕麦β-葡聚糖物化特性概况

燕麦β-葡聚糖通过β-（1，3）和β-（1，4）糖苷键把β-D吡喃葡萄糖单位连接起来而形成的一种高分子无分支线性黏多糖，其中约含有70%的β-（1，4）键和30%的β-（1，3）键［12］。

尽管目前对β-葡聚糖的作用机理尚未完全研究清楚，但一致认为黏度和溶解性会对其皮肤吸收效果有决定性作用，进而影响多种生理功能的发挥。而燕麦β-葡聚糖的黏度除了与分子结构和浓度有关外，很大程度上取决于分子量的大小和分子形状［13］。燕麦β-葡聚糖溶液黏度随剪切速率的增高而逐渐降低；与其分子量成正比，与溶液温度成反比；与中性溶液相比，弱酸性或弱碱性环境均可导致β-葡聚糖溶液黏度的下降；随着其浓度的增加和分子量的增大，其流体的黏性行为特征减少而弹性行为特征增强；随着流体温度升高，燕麦β-葡聚糖流体的黏性和弹性行为均逐渐减弱［14］。

研究表明，β-葡聚糖的水溶性（占大多数）和非水溶性主要是受其结构中β-（1，3）糖苷键的含量和聚合度的影响。水溶性β-葡聚糖中β-（1，3）糖苷键与β-（1，4）糖苷键含量之比为1∶2.5～1∶2.6，而非水溶性β-葡聚糖中相应糖苷键含量之比为1∶4.2［15］。

如图1所示，燕麦葡聚糖和酵母葡聚糖都是β-1，3-葡糖苷键为主链的葡萄糖多糖，但是燕麦葡聚糖侧链是β-1，4-葡糖苷键，酵母葡聚糖侧链则是β-1，6-葡糖苷键。而Peterson等检测得出，燕麦β-葡聚糖中β-（1，3）糖苷键与β-（1，4）糖苷键含量之比为：（1∶2.1～1∶2.4）、大麦、黑麦、小麦分别为：1∶2.8～1∶3.3、1∶3.0～1∶3.2、小麦：1∶3.0～1∶3.8［16］。所以很明显，燕麦β－葡聚β－葡聚糖糖比市场占有量最大的酵母β－葡聚糖以及其他谷物的水溶性更强。

图1　燕麦葡聚糖和醇母葡聚糖Fig.1Oat glucan and yeast glucan

目前，应用于化妆品中的β－葡聚糖多是不溶于水的酵母β-葡聚糖固体颗粒（D=0.2 μm），通常以山梨醇作为有效悬浮剂，一般在伤口愈合时使用。对酵母β-葡聚糖进行羧甲基化改性处理可以改进产品水溶性，使酵母β-葡聚糖可以应用于现代功效性化妆品配方中，但同时也影响了分子的3-D-结构和生物功能：羧甲基化取代度超过75%时，生物学功能开始丧失；β-葡聚糖分子完全被取代则会导致其生物功效的完全丧失［9］。由此来看，燕麦β-葡聚糖的开发对化妆品中β-葡聚糖的应用意义重大。

燕麦β-葡聚糖的溶液在低于1%的浓度范围内，显示出较好的均质特性和黏性流体特性，是理想的牛顿流体；当浓度达到2%时候，β-葡聚糖就会显示出一些异质和黏弹性［17］；当浓度达到2 g/L以上时，具有假塑性流体的特性，即表观黏度值随剪切速率的增大而减小，为其在作为增稠剂和稳定剂奠定了基础［12］。其次，燕麦β-葡聚糖对热、酸、碱等都比较稳定，已经作为良好的乳化剂、增稠剂和稳定剂应用于食品工业，甚至还凭借较好的持水性和持油性添加在肉制品中改善其口感［18］。再者，燕麦β-葡聚糖具有较强的吸附小分子的能力，能与蛋白质竞争，和多酚通过氢键、疏水相互作用等结合，形成的多糖多酚复合物能为机体提供更持久的抗氧化能力［19］。MarkRedmond和RaviPillai、Joachim Roding等应用人体皮肤模型染料荧光追踪试验，发现燕麦β-葡聚糖分子能通过细胞间隙，对表皮层有明显的渗透现象。这些特点也表明燕麦β-葡聚糖的应用具有广阔的前景。

2燕麦β-葡聚糖提取效果及特性的影响因素

不同燕麦品质、燕麦的生长环境、加工过程以及提取工艺4种因素对燕麦β-葡聚糖含量及物化特性有不同影响。

2.1燕麦品种间差异

研究表明，不同种间燕麦β-葡聚糖含量变化较大，裸燕麦（A.nuda，大粒裸燕麦，又称莜麦）含量高于皮燕麦（Sativa，普通栽培燕麦，习惯称燕麦）。可溶性β-葡聚糖与总含量的比值也表现出明显的品种差异，皮燕麦品种在各个时期该指标均高于裸燕麦品种［20］。不同燕麦品种β-葡聚糖含量变化范围为3.14%～7.43%，最大差异为4.29%［21］。张海芳等采用刚果红分光光度法测定了16种在内蒙古武川和卓资山种植的不同品种的燕麦籽粒β-葡聚糖含量，其中，β-葡聚糖含量在6.0%以上的品种有7个：燕科1号（裸）＞武川小莜麦（裸）＞保罗（裸）＞大燕麦（皮）＞白燕7号（皮）＞卓资山大莜麦（裸）＞莜麦4 400（裸），这些品种可作为燕麦高β-葡聚糖育种的基础材料［22］。此外，不同品种燕麦β-葡聚糖的分布位置也不同：含量低的品种中主要分布于糊粉层与亚糊粉层，而含量高的品种胚乳内也有较高浓度的分布［23］。燕麦麸皮是燕麦粉加工过程中的副产品，主要由去壳燕麦的最外层和部分胚乳组成。研究表明，经加工后燕麦麸皮中β-葡聚糖含量为6.6%～11.3%，在去皮的燕麦粉中为3.0%～5.4%［24］，因此常从燕麦麸皮中提取。

2.2燕麦的生长环境

不同年度、不同地区种植的同种燕麦中β-葡聚糖含量差异较大，说明降雨、温度、土质等环境因素对燕麦β-葡聚糖的形成和积累有重要影响。籽粒成熟期温度相对较高，则籽粒β-葡聚糖含量也较高。雨水少、干旱或水分胁迫同样会导致籽粒β-葡聚糖积累量的提高，相反在气候温和、降水量高的地区β-葡聚糖含量往往较低［25］。衣莹等研究了坝莜1号、坝莜2号、坝莜3号、坝莜10号4个基因型燕麦在沈阳、彰武、台安和引种地坝上地区4个试验点的β-葡聚糖含量及其与气象因子的关系，结果却表明生长发育过程中较高温度不利于β-葡聚糖含量的积累，而较长的日照时数有利于β-葡聚糖含量的提高，说明产自低温强日照地区的燕麦中β-葡聚糖含量较高［26］。

2.3加工过程的影响

研究发现，不同加工工艺会引起燕麦β-葡聚糖含量及多种物化特性改变，包括黏度、流体性质、分子量、化学结构等。刘文胜等［27］的研究表明，燕麦籽粒经红外烘烤后，燕麦粉中β-葡聚糖含量变化不大；而经炒制和蒸制处理后，比对照组平均高出了0.76%。炒制、蒸制和红外烘烤处理燕麦籽粒均使燕麦粉糊化温度下降，峰值黏度、最终黏度和低谷黏度提高。

燕麦粉经过制作面包的烘焙过程后，β-葡聚糖的提取率增加，且提取的β-葡聚糖中三聚体和四聚体的比例增加［28］，同时高分子量（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之间的β-葡聚糖减少了近50%［29］。

挤压过程中的高温、高压、高剪切力作用可能会促使分子间价键断裂，分子裂解及分子极性变化，从而导致产品中β-葡聚糖更容易聚集，凝胶化温度、溶解度、膨胀度、表观黏度和稠度系数等都有所增加，流动行为指数降低［30］，同时含量增加，可溶性与不溶性纤维的比例增加［31］。

均质处理，尤其是高压均质处理后，β-葡聚糖的机械裂解使其结构储藏稳定性增加，又导致其溶解度的增加。经过均质处理后，溶液的黏度明显降低，流体的性质从剪切稀释变成了牛顿流体［32］。

氧化过程中，β-葡聚糖发生降解而黏度降低，且氧化后的β-葡聚糖羰基和羧基增加，分子的膨胀能力改变，与胆汁酸的结合能力也增强［33］。发芽过程中，燕麦β-葡聚糖含量总体降低趋势很大。磨粉对β-葡聚糖的结构没有影响，但会影响燕麦中β-葡聚糖的分子量，进而导致黏度的差异［34］。灵芝菌、真姬菇菌等食用真菌则对燕麦β-葡聚糖具有较强的降解作用［35］。

2.4提取工艺条件的影响

潘妍等［36］进行了水提法提取燕麦β-葡聚糖的优化，得出水提法提取燕麦β-葡聚糖的最佳条件为：pH12，液料比为25 mL/g，温度为40℃，操作时间4 h。乔有明［13］等采用凝胶色谱法对不同提取因子对水提法提取得到的燕麦β-葡聚糖的分子量进行了分析，发现燕麦β-葡聚糖产品相对分子质量分布范围为3.64× 104～1.67×106。在灭内源酶温度为140℃，脱脂时间为10 min，浸提温度为80℃，浸提时间为1 h，pH为11，液料比为12 mL/g条件下，所得到的燕麦β-葡聚糖的相对分子质量较大；反之，在灭内源酶温度为60℃，脱脂时间为50 min，浸提温度为40℃，浸提时间为2 h，pH为1或7，液料比为20 mL/g条件下，燕麦β-葡聚糖的相对分子质量达到最小。李小鹏等［37］对水提、酶提，发酵提取的燕麦β-葡聚糖的分子量和透皮吸收率做了测定比较和初步研究。结果表明，β-葡聚糖分子量大小为：水提法＞酶提法＞发酵法；皮肤透过率大小为：发酵法＞酶提法＞水提法。此结论对工业化生产燕麦β-葡聚糖中提取工艺的选取具有一定的指导意义。

3总结与讨论

通过对现已发表的资料进行研究总结，我们发现目前国内外对β-葡聚糖的结构、性质、制备方法的研究已较为深入，但对其生理功能的作用机制方面的探讨还存在着不足。

燕麦β-葡聚糖的含量、分布位置和分子量：裸燕麦含量高于皮燕麦，可溶性β-葡聚糖的比例也较大，就化妆品中的应用而言更有利；燕麦基因型对β-葡聚糖含量与分布的影响也较大，含量低的品种中主要分布于糊粉层与亚糊粉层，从燕麦麸皮中提取率较高；而含量高的品种胚乳细胞内也分布着较高浓度的β-葡聚糖。

对于不同前处理工艺，炒制、蒸制、烘焙、挤压有利于提高燕麦β-葡聚糖的提取率，烘培后燕麦β-葡聚糖分子量会相对变小，更有利于被吸收利用，炒制、蒸制、红外烘烤、挤压、均质处理均会导致燕麦β-葡聚糖黏度的增大；均质还有利于溶解度的增大；氧化处理会导致燕麦β-葡聚糖的化学结构发生改变；部分真菌也会使燕麦β-葡聚糖发生降解。燕麦β-葡聚糖的提取工艺中水提法使用较多，提取条件的研究也已较为完善，而发酵法得到的分子量较小皮肤透过率也较高，使用效果更好，值得进行工艺方面进一步地优化与完善研究。

此外，对于不同前处理与制备工艺下得到的燕麦β-葡聚糖的分子量、分支度、空间几何构象之间的区别的研究，结论比较零散，较为系统的分析目前未见报道。特定分子量、分支度、空间几何构象的β-葡聚糖具的黏度、流体性质和生物活性有什么特别之处，我们又该进行怎样的处理以更加适应于人类吸收系统的吸收，发挥其最大功效，同样有待进一步地研究。

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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（汉），在读硕士，研究方向：化妆品科学与技术。

何聪芬，副院长，主任。