碱提方法对小麦麸皮阿拉伯木聚糖结构及面团特性的影响

杨 莎 郭晓娜 朱科学 周惠明

(江南大学食品学院；江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，无锡 214122)

碱提方法对小麦麸皮阿拉伯木聚糖结构及面团特性的影响

杨 莎 郭晓娜 朱科学 周惠明

(江南大学食品学院；江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，无锡 214122)

通过采用氢氧化钠和饱和氢氧化钡溶液提取小麦麸皮中的阿拉伯木聚糖，比较所得碱提阿拉伯木聚糖(Alkline extracted arabinoxylans, AEAXs)的得率、纯度、侧链取代度和单糖组成以及相对分子质量之间的差异，探讨不同提取方法对AEAXs结构的影响及不同结构和添加量AEAXs对面团热机械学特性和流变学特性的作用。结果发现，采用氢氧化钠(含0.88%过氧化氢)所制备AEAXs纯度较高，侧链阿拉伯糖基取代度较低，而饱和氢氧化钡所得AEAXs纯度最高，侧链阿拉伯糖基取代度和相对分子质量也较大。面团热机械学特性测定结果表明，所有AEAXs的添加均会显著提高面团吸水率、降低面团回生值，且降低面团形成时间和稳定时间，而采用氢氧化钠(含0.88%过氧化氢)所制备AEAXs其添加对面团稳定时间负面影响最小。当添加量从2%升高至3%时，效果更明显。流变学试验结果发现，3%氢氧化钠(含过氧化氢)所得AEAXs的加入可以增加面团黏性模量G”，而其他提取剂所得AEAXs则会降低小麦面团的G’和G”。

阿拉伯木聚糖 热机械学特性 流变学特性 面团 碱提

阿拉伯木聚糖(Arabinoxylan，AX)是小麦麸皮中一种重要的非淀粉多糖，因其具有增强人体免疫功能、降低胆固醇及调节血糖水平等重要生理功能而受到广泛关注，其主要结构是由以β-D-吡喃木糖残基经β-1,4-糖苷键连接而成的木聚糖为主链，α-L-呋喃阿拉伯糖为侧链连接而成。根据其在水中的溶解性AX可分为水提阿拉伯木聚糖(water extracted arabinoxylan, WEAX)和碱提阿拉伯木聚糖(alkaline extracted arabinoxylans, AEAXs)， 二者的差异主要存在于侧链取代程度和相对分子质量的不同，后者的相对分子质量和侧链取代度(A/X, 阿拉伯糖基与木糖基的比值)均高于前者。麸皮中WEAX的质量分数约在2%～3%，而AEAXs的质量分数约占18%～25%[1-2]。AX由于自身的结构特性，易与其他细胞壁物质(如木质素、纤维素分子)之间存在着物理缠绕或化学结合。在碱性条件下，这种缠绕和结合可以被氢氧根打破，促使多糖游离出来，因此对AEAXs的提取常采用碱提法[3]。

阿拉伯木聚糖对面团的形成过程和最终小麦产品的比容及质构特性具有重要的影响，但这些影响却存在着分歧。Costas等[4]所制备阿拉伯木聚糖侧链取代度为0.67，相对分子质量约为134 600～201 600，将其加入至小麦面团可以增加面团吸水率，增大面包比容。郑学玲等[5]采用氢氧化钠提取AEAXs，测得其侧链取代度为0.57，且相对分子质量较小，将其添加至小麦粉发现其对小麦粉的品质起着改善作用。而李雪等[3]采用氢氧化钡提取AEAXs并测得其相对分子质量为644 022～2 766 532，将其添加至馒头中发现馒头品质产生劣化。由于所用AEAXs的提取方法不同，从而使其结构存在差异，进而可能导致其添加至小麦面团中对面团机械学和流变学等特性产生不同的作用。

因此，本研究通过采用不同的碱提方法对小麦麸皮中的阿拉伯木聚糖进行提取，分析其结构特性，并通过将之添加至面团以研究所提AEAXs对面团热机械学和流变学特性的影响，从而进一步探讨不同提取方法对AEAXs结构影响的差异，以及其添加至小麦面团对面团特性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器设备

香满园小麦粉：益海嘉里(昆山)食品工业有限公司；小麦麸皮：泰兴南新面粉厂；化学试剂：国药集团化学试剂有限公司；Protamax复合蛋白酶：诺维信酶制剂公司；标准品右旋糖酐Dextran：中国食品药品检定研究院。

Free Zone 2.5型真空冷冻干燥机：澳大利亚波通公司；Mixolab混合实验仪：法国肖邦公司；DHR-3型旋转流变仪：美国TA公司；Waters 1525高效液相系统(柱子Styragel HMw 300 mm×7.8 mmid×2)：美国沃特斯公司。

1.2 方法

1.2.1 麸皮预处理[6]

将小麦麸皮磨碎过筛置于70%的乙醇中搅拌30 min洗去乙醇，用10倍水洗麸皮，洗至上清液澄清为止。将水洗后的麸皮在60 ℃下用protamax复合蛋白酶水解30 min，于沸水浴中灭酶10 min，8 000r/min离心水洗至上清液澄清。将离心后的麸皮于60 ℃下烘干。

1.2.2 碱提阿拉伯木聚糖的制备[7-8]

0.67 mol/L氢氧化钠：料液比为1：50，提取温度60 ℃，提取时间为3 h。将溶液于8 000 r/min离心20 min后取上清液，加水洗涤并再次离心，合并上清液。用冰醋酸调pH至中性(如有沉淀应再次离心)，加入乙醇使体系于65%乙醇浓度沉淀样品，搅拌30 min后于4 ℃过夜。将上清液倒去，于8 000 r/min离心20 min后收集沉淀。将所得样品冷冻干燥，即得AEAXN。

0.67 mol/L氢氧化钠(含0.88% H2O2)：与氢氧化钠作提取剂时提取条件和步骤相同，冷冻干燥后所得样品为AEAXN+H。

饱和氢氧化钡溶液：称取一定量的麸皮于饱和氢氧化钡溶液中，料液比为1：50，提取温度60 ℃，提取时间为3 h。将溶液于8 000 r/min离心20 min后取上清液，加水洗涤并再次离心，合并上清液。用冰醋酸调pH至中性，将溶液于去离子水中透析。收集透析液，将所得样品冷冻干燥，即得AEAXB。

饱和氢氧化钡溶液(含0.26 mol/L NaBH4)：与饱和氢氧化钡溶液提取条件和步骤相同，冷冻干燥后所得样品为AEAXB+N。

得率的计算：得率g/100 g=所得多糖的质量×纯度/麸皮的质量

1.2.3 阿拉伯木聚糖纯度测定

采用Douglas[9]的方法测定样品中阿拉伯木聚糖的纯度，分别在波长552、510 nm处测定吸光度。

1.2.4 单糖组成分析

将所得多糖样品进行水解、中和、柱前衍生化，然后参考Englyst 等[10]的气相法测定品中的多糖组成。

1.2.5 阿拉伯木聚糖相对分子质量的测定

采用高效液相色谱法，流动相和溶剂均为含有0.5% 质量分数溴化锂的二甲亚砜[11]。流速为0.5 mL/min，柱温40 ℃，以右旋糖酐Dextran作为标准品。

1.2.6 面团热机械学特性的测定[12]

利用Mixolab混合试验仪进行测定，采用ICCNo.173,2008标准试验方法。将冻干后的4种样品分别以2%和3%的质量分数添加至小麦粉中，混合均匀，未添加任何样品的小麦面团为对照组。试验过程中面团的质量为75 g，其中加水的量应使目标扭矩C1的值稳定在(1.10±0.05) N·m，其搅拌速度始终维持在80 r/min。运行过程中温度的设置为30 ℃恒温8 min，而后以4 ℃/min升温至90 ℃维持7 min，而后以4 ℃/min降温至50 ℃并维持5 min。对2个“s”形搅拌刀间对面团产生的力矩(以N·m为单位)进行实时测定和记录，由此绘制出时间以及温度对力矩变化的混合曲线，分析面团的流变学特性(如面团的吸水率、稳定时间和加热过程中蛋白质的弱化度)、酶活性以及淀粉糊化的参数。

1.2.7 面团流变学特性的测定[13]

将冻干后的4种样品分别以2%和3%的质量分数添加至小麦粉中，混合均匀，未添加任何样品的小麦面团为对照组。利用Mixolab混合试验仪所得吸水率加入相应的水分并揉成面团，静置5 min。取3 g左右的面团，在DHR-3型旋转流变仪上用20 mm平板夹具2 mm的间隙进行振荡流变测定。在进行频率扫描试验之前应对所有样品进行应力扫描，以确保所有样品的测试均在线性黏弹性范围内。频率扫描的条件为：温度25 ℃，应力值为0.65%，扫描频率为0.1～40 Hz。

1.3 数据统计与分析

所得数据均为试验重复3次所测定的平均值，采用SPSS 16.0 软件，选择Duncan测试，在P<0.05检验水平下进行显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 4种碱提方法对阿拉伯木聚糖的理化性质影响

2.1.1 单糖组成分析

从表1可以看出，NaOH作为提取剂时所得AEAXN和AEAXN+H得率(分别为13.50%和20.52%)均高于Ba(OH)2为提取剂时所得AEAXB和AEAXB+N的得率，但后者提取剂所得样品纯度均高于前者，此结论与Gruppen等[14]一致。碱提原理是在提取过程中，氢氧根可以破坏阿拉伯木聚糖与细胞壁物质连接的共价酯键，从而释放部分与阿拉伯木聚糖，使其产生溶胀从而溶解于碱液中[15]。从该试验结果可推测出，单一的NaOH作为提取剂时，只能无选择性地对多糖和细胞壁物质进行粗略水解，而无法高选择性专一水解阿拉伯木聚糖，因此得率虽高但纯度较低。过氧化氢的加入会加剧多糖的释放，提高多糖的溶出程度，因此所得样品的提取率和得率都最高，纯度也略高于单一NaOH作为提取剂时所提的样品[16]。而Ba2+的存在使得碱提的特异选择性变高，因此纯度均高于NaOH所得阿拉伯木聚糖AEAXN。

表1 不同提取方法对碱提阿拉伯木聚糖得率、纯度和单糖组成的影响

注：数据均为试验重复3次所测定的平均值±标准差，不同小写字母代表差异显著(P<0.05)，余同。

通过单糖分析的结果发现，AEAXN和AEAXN+H中葡萄糖的质量分数分别为15.65%和7.93%，而AEAXB和AEAXB+N中葡萄糖的含量明显降低，这表明Ba2+的存在可以降低碱液对葡聚糖的提取率。当溶液中存在硼氢化钠时，AEAXB+N中葡萄糖的质量分数降低至2.57%，这说明硼氢化钠也对提高阿拉伯木聚糖的纯度存在积极的影响。当对不同提取方法所得阿拉伯木聚糖样品进行侧链取代度A/X分析时发现，不同提取剂对于A/X值也有一定的影响。AEAXN的A/X为0.701但纯度仅有66.04%，可能是由于所提样品中其他物质(如纤维素、葡聚糖等，还有含有较多阿拉伯糖基的多糖)含量较高，因此在单糖组成的测定中呈现A/X比例偏高的趋势。AE-

AXN+H的A/X值最低，仅为0.603。有文献指出，细胞壁中的阿拉伯木聚糖主链是木聚糖，阿拉伯糖基侧链和其上的阿魏酸酯均可与其他物质如纤维素、木质素等以氢键或共价键的形式连接，因此碱液对其进行提取时可能同时分别切断阿拉伯糖基和阿魏酸酯所连物质[3]。所以当加入H2O2时，其还原性加剧了多糖糖苷键的断裂，侧链连接的阿拉伯糖基被破坏。AEAXB和AEAXB+N的A/X值相似，分别为0.753和0.755。这表明，Ba2+不仅对与细胞壁相连的阿拉伯木聚糖具有高度选择性，而且能较少地破坏侧链阿拉伯糖基与木糖的连接，由此较为完整地保持了阿拉伯木聚糖在细胞壁中的状态。

2.1.2 阿拉伯木聚糖相对分子质量分布的测定

由于阿拉伯木聚糖的结构是以吡喃木糖残基经β-1,4-糖苷键连接而成的木聚糖为主链，α-L-呋喃阿拉伯糖为侧链连接而成。因此，提取方法和提取方式对提取出的阿拉伯木聚糖链长和相对分子质量具有较大的影响，且所得阿拉伯木聚糖的相对分子质量约在103～106[17]。由于多糖聚合物结构的多分支化，Dervilly等[17-18]曾指出，多糖的分子质量分布不能仅仅通过单一的分子量数值来表示。因此，本研究从3个不同的相对分子质量段对多糖的分子量分布进行讨论和比较。

由表2可以看出，AEAXN峰1的平均重均分子质量最大，为118.19×105，且其占比15.71%也最高。结合单糖组成的结果分析，这可能是由于NaOH作为提取剂时所得AEAXN含有大量纤维素或其他葡聚糖，导致分子链长较长且侧链取代基也比其他3种方法所得碱提阿拉伯木聚糖多，因此相对分子质量最高。AEAXN+H峰1的峰面积占比最小，且峰3的峰面积占比超过50%。结合AEAXN+H侧链取代度A/X较小这一结论，可以推测AEAXN+H样品中91.53%的多糖分子在提取时都被氢氧化钠和过氧化氢降解为小于9×105的部分，使得其平均重均分子质量较小，侧链上的阿拉伯糖基等也被部分降解。AEAXB与AEAXB+N在不同相对分子质量段的峰面积占比相似，但后者在高相对分子质量段的峰1和峰2

表2 不同提取方法所得碱提阿拉伯木聚糖的相对分子质量分布

注：峰1代表相对分子质量段大于9×105的部分，峰2代表相对分子质量段为1×105～9×105的部分，峰3代表相对分子质量段小于1×105的部分。

处所呈现的平均重均分子质量更高，这表明NaBH4的存在可以保护木糖主链或侧链不被氢氧根过度降解，从而呈现更高的平均重均分子质量。有文献指出，NaBH4能够阻止由碳链末端羰基引起的降解反应，使得羰基降解为稳定的羟基[19]。根据AEAXB+N纯度和单糖组成分析的结果，也可以判断出AEAXB+N具有更长的木糖链和更多被取代的侧链阿拉伯糖基，表明该提取方法对阿拉伯木聚糖的阿拉伯糖基侧链有一定的保护作用。

2.2 面团的热机械学特性

在面团进行混合的过程中，面团将经过不同的五个阶段：面团形成阶段、加热过程中蛋白质弱化阶段、淀粉糊化阶段、酶活测定阶段和淀粉凝胶阶段。将参数C1的数值控制(1.10±0.05) N·m，通过吸水率可以比较加入AEAXs后对面团吸水率的影响。C2可反映出在机械力和温度的共同作用下蛋白质的弱化度，C3可反映出淀粉糊化特性，C4代表淀粉糊化过程中的酶活，C5代表冷却过程中淀粉糊化胶的回生性。

通过表3的结果发现，AEAXs的加入使得面团吸水率升高，且随着AEAXs添加质量分数的增大，面团的吸水率也明显增加。其中AEAXN的加入对面团吸水率影响最高，为63.8%，而另外3种碱提方法所得AEAXs加入面团后对面团吸水率的影响相当。吸水率的升高可能是由于AEAXs自身的凝胶特性所造成。

通过比较不同碱提方法和添加量的AEAXs加入面团后对面团形成时间和稳定时间的影响发现，4种方法所得AEAXs的加入均会降低面团形成时间和稳定时间，且随着AEAXs添加质量分数的增大，面团形成时间和稳定时间均有一定程度的减小。其中AEAXB+N对面团形成和稳定时间降低的最多，分别为1.92、2.43 min，而添加AEAXN+H面团在面团稳定时间上所呈现的负面作用最小，基本与对照面团相当，为4.7 min。一方面可能是由于加入多糖后，在面团形成阶段AEAXs与面筋蛋白竞争水分，且参与到面筋蛋白网络结构的形成中，故其面团形成时间降低。另一方面也可能是因为侧链取代多糖较多，且相对分子质量较大的多糖吸水后与面筋蛋白形成的网络结构不够牢固，较为严重阻隔面筋蛋白之间以及面筋蛋白与淀粉颗粒之间的交联与结合，面团中的面筋网络结构没有充分形成，因此其稳定时间下降[20]。而AEAXN+H相对分子质量较小，侧链取代度也偏小，侧链多糖分子对于面筋蛋白和淀粉结合的阻碍作用较小，能够较为均匀地分布在面筋体系中，从而使面筋弱化程度没有AEAXB和AEAXB+N高。因此可以推断，相对分子质量较高的AEAXs的加入对于面团有着明显的弱化作用，而相对分子质量较低的AEAXs如AEAXN+H则对面团的弱化作用较弱。

通过C5-C4的值可以看出，4种方法所得AEAXs对其回生值均有降低，AEAXs添加量为3%的面团比添加量为2%的面团具有更低的回生值，这表明其对面团的回生均有抑制作用，且3%AEAXs对淀粉回生的抑制作用更明显。这可能是因为AEAXs可以在淀粉回生时影响直链淀粉分子的重新排列，阻碍其有序结晶区的再次形成，从而减缓其回生速度[21]。

2.3 面团动态流变学特性的测定

从图1面团动态流变学特性可以看出，对照和样品面团的弹性模量G’和黏性模量G”均随频率增大而增大，且G’均大于G”，表现为典型的弱凝胶动态流变学谱图。

当AEAXN+H的添加量为2%时，在低剪切频率下其G”大于对照G”，且当添加量提高至3%时，AEAXN+H面团的黏性模量G”大于对照的G”，这表明AEAXN+H的加入使得面团体系黏性更大。这可能是由于AEAXN+H相对分子质量较小，侧链取代度较低，从而能够更均匀地参与到面筋网络形成过程中。而其他碱提阿拉伯木聚糖的加入会不同程度地影响小麦面团的黏弹性，降低小麦面团的G’和G”，这可能是因为碱提阿拉伯木聚糖存在与面筋蛋白竞争水的关系，导致对面筋网络结构产生弱化作用。流变学结果与混合实验仪结果基本一致，加入2%AEAXN+H后小麦面团G’大于其他3种样品的G’且小于空白小麦面团，这可能是由于AEAXN+H相对分子质量较低且侧链取代度较小，因此可以明显减弱高聚物多糖对面筋蛋白的负面影响。

表3 AEAXs添加量为2%和3%时不同方法提取的AEAXs对面团热机械学的影响

图1 不同AEAXs的加入对小麦面团流变学特性的影响

3 结论

本试验采用不同碱提剂提取小麦麸皮中的AEAX，比较其结构差异，并将其加入小麦面团中研究对面团热机械学和流变学特性的影响。结果表明，以饱和氢氧化钡溶液为提取剂所得AEAX的纯度和侧链取代度最高，且平均重均分子质量较大。将AEAX加入至小麦面团会显著提高面团吸水率，降低面团回生值、形成时间和稳定时间。当添加量从2%升高至3%时，AEAX可以显著提高面团吸水率并降低回生值。流变学结果表明3%氢氧化钠(含过氧化氢)所得AEAX的加入可以增加面团黏性模量，而其他提取剂所得AEAX则会降低小麦面团的弹性模量和黏性模量。

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Effect of Arabinoxylan Extracted by Different Methods on the Dough Thermo-Mechanical and Rheological Properties

Yang Sha Guo Xiaona Zhu Kexue Zhou Huiming

(School of Food Science and Technology；Collaborative Innovation Center for Food Safety and Quality Control, Jiangnan University, Wuxi 214122)

This study was aimed to compare the yield rate, purity, substituted ratio of side chain, monosaccharide composition and difference of relative molecular mass of alkaline extracted arabinoxylans (AEAXs) extracted from wheat bran by different sodium hydroxide and barium hydroxide solutions, and explore the effect of these AEAXs on the thermo-mechanical and rheological properties of wheat dough.

The results showed that AEAXs prepared by sodium hydroxide (containing 0.88% hydrogen peroxide) had higher purity and low substituted ratio of side chain arabinoxylan, while AEAXs prepared by barium hydroxide had high purity and high substituted ratio of side chain arabinoxylan and relative molecular mass.

The thermal mechanical properties determination of wheat dough showed that the presence of AEAXs increased water absorption and decreased the dough setback value, which also decreased dough development and stability. And the addition of AEAX extracted by sodium hydroxide (0.88% hydrogen peroxide) produced the least negative effect on dough stability. When the addition was increased from 2% to 3%, a significant effect showed. The rheological results showed that with the addition of AEAXs prepared by 3% sodium hydroxide (0.88% hydrogen peroxide) increased the dough viscosity modulus, while other AEAXs would decrease G’ and G” of wheat dough.

arabinoxylan, thermo-mechanical property, rheological property, wheat dough, alkaline extraction

TS210.4

A

1003-0174(2017)11-0008-07

国家自然科学基金(31571871)

2016-11-15

杨莎，女，1992年出生，硕士，食品科学与工程

郭晓娜，女，1978年出生，副教授，主食及方便食品