黑小麦面粉戊聚糖的酶解特性与氧化交联特性研究

王红，张顺志，刘瑞，孙元琳，*，周素梅

（1.运城学院理科实验中心，山西运城044000；2.山西农业大学食品科学与工程学院，山西太谷030801；3.运城学院生命科学系，山西运城044000；4.中国农业科学院农产品加工研究所，北京100193）

戊聚糖是Hoffmann 等首先从面包专用粉中分离得到的一种非淀粉多糖，主要存在于小麦、黑麦、高粱、玉米等谷物中，是构成植物细胞壁的重要成分[1-2]。研究[3]表明，戊聚糖具有高黏度、高持水力、氧化交联以及酶解特性，是影响谷物加工过程及产品品质的重要功能性成分。此外，戊聚糖还具有较好的乳化稳定性、表面活性、起泡性和泡沫稳定性[4]。

氧化交联特性和酶解特性是戊聚糖重要的理化特性。在能产生自由基的氧化酶体系或某些化学氧化剂的作用下，戊聚糖分子之间发生相互交联形成了三维网络结构，使戊聚糖的持水能力增强，溶液黏度增加，从而改变面团的流变性，改善了面包等烘焙产品的品质[5]。此外，戊聚糖在木聚糖酶、戊聚糖酶的作用下，使戊聚糖发生降解，分子大小及结构发生改变。适量添加木聚糖酶可提高面团机械性能，增大面团烘焙和蒸煮产品的体积，延缓面团老化，但过量添加也会使其降解过度，造成面团发黏，烘焙和蒸煮品质下降[6-7]。由于戊聚糖的理化特性与产品品质联系密切，因而引起了研究者们的广泛关注。

黑小麦是一种含有天然黑色素，籽粒呈蓝色、紫色、深褐色或接近黑色的小麦品种[8]。近年来，随着黑色食品行业的迅速发展，黑小麦以其高纤维，并富含维生素、矿物质、色素及酚酸类抗氧化物质而受到人们关注。黑小麦作为一种优质的特色谷物资源，具有很大的开发前景和社会经济效益[9-10]。目前，国内外对小麦面粉中戊聚糖的功能性研究已取得一定进展，而对黑小麦戊聚糖的研究尚处于起步阶段。本论文对黑小麦面粉戊聚糖的氧化交联特性和酶解特性进行研究，对于进一步探讨戊聚糖发挥其功能特性的机理，开发天然的品质改良剂，推动特色谷物资源的开发利用有着极其重要的意义。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黑小麦面粉戊聚糖：运城学院生命科学系食品分析实验室自制[11]。木聚糖酶（2 500 U/g）：Sigma-aldirich公司；辣根过氧化物酶（peroxidase，POX，140 U/mg）、葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOX，110 U/mg）：Amresco公司；30%H2O2、葡萄糖、FeCl3等均为分析纯试剂。

1.2 试验仪器

LD4-2A 型离心机：北京医用离心机厂；pHS-3c型pH 计：上海精密科学仪器有限公司；Φ0.6-0.7 mm、Φ0.8-0.9 mm 型乌氏粘度计：上海启航玻璃仪器厂；DSX-280A 型高压灭菌锅：上海申安医疗器械厂。

1.3 试验方法

1.3.1 不同酶量对黑小麦面粉戊聚糖（wheat flour pentosan，WEP）酶解特性的影响

将 WEP 溶于 pH 5.0，0.1 mol/L 的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，配制成浓度为5 mg/mL 的溶液。分别加入木聚糖酶 0、1、2、4、6、8、10 mg/g 底物，于 45 ℃反应120 min。酶解结束后，沸水浴10 min 灭酶，冷却，离心，用乌氏粘度计测定戊聚糖溶液的比黏度。

1.3.2 不同作用时间对WEP 酶解特性的影响

将 WEP 溶于 pH 5.0，0.1 mol/L 的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液中，配制成浓度为5 mg/mL 的溶液。加入木聚糖酶 1 mg/g，于 45 ℃反应不同时间（0、30、60、90、120、150、180、210、240 min）。酶解结束后，沸水浴 10 min灭酶，冷却，离心，用乌氏粘度计测定戊聚糖溶液的比黏度。

1.3.3 过氧化氢与过氧化物酶（hydrogen peroxide/peroxidase，H2O2/POX）体系对WEP 氧化交联特性的影响

将WEP 溶于pH 6.0、0.1 mol/L 的乙酸钠缓冲液中，配制成浓度为0.75%的溶液。首先确定过氧化物酶用量为 10 U/g，H2O2添加量分别为 150、300、600 mg/kg，用乌氏粘度计测定其黏度变化。确定H2O2添加量为300 mg/kg，在加酶量分别为 5、10、15 U/g 时，用乌氏粘度计测定其黏度变化[12-13]。

1.3.4 葡萄糖、葡萄糖氧化酶与过氧化物酶（glucose/glucose oxidase/peroxidase，Glc/GOX/POX）体系对 WEP氧化交联特性的影响

将WEP 溶解于pH 6.0、0.1 mol/L 的乙酸钠缓冲液中，配制成浓度为0.75%的溶液。确定过氧化物酶用量为10 U/g，葡萄糖氧化酶80 U/g，葡萄糖添加量分别为0.009、0.017、0.033 g/g 时，用乌氏粘度计测定其黏度变化。确定过氧化物酶用量为10 U/g，葡萄糖添加量0.017 g/g，葡萄糖氧化酶添加量分别为40、80、120 U/g时，用乌氏粘度计测定其黏度变化。

1.3.5 化学氧化剂FeCl3对WEP 氧化交联特性的影响

将WEP 溶解于蒸馏水中，配制成浓度为0.75%的溶液。在 FeCl3添加量为 0.19、0.38、0.75 mmol/g 时，用乌氏粘度计测定其黏度变化。

1.3.6 黏度测定

用乌氏粘度计在（25±0.2）℃水浴中进行黏度测定[14]。黏度计算公式如下：

相对黏度（ηrel）=t/t0；比黏度（ηsp）=ηrel-1；

式中：t 为样品溶液流经乌氏粘度计上下两刻度所需的时间，s；t0为纯溶剂（水）流经乌氏粘度计上下两刻度所需的时间，s。

2 结果与分析

2.1 木聚糖酶用量对WEP酶解特性的影响

木聚糖酶用量对WEP 酶解特性的影响见表1。

表1 不同木聚糖酶用量对WEP 酶解后比黏度的影响Table 1 Effect of different xylanase dosage on the specific viscosity after WEP enzymatic hydrolysis

如表1 所示，WEP 溶液在不同酶量条件下酶解120 min 后，比黏度相比酶解前均有所降低，且降解程度随着酶用量的增加而上升，这意味着WEP 在木聚糖酶的作用下发生了降解，使戊聚糖的相对分子质量越小，溶液黏度下降。当酶用量为1 mg/g 时，WEP 溶液的比黏度随着酶用量的增加下降很快，ηsp从0.783 下降至0.496，下降率达到36.7%；当酶用量超过4 mg/g时，溶液比黏度的下降速率趋于平缓。当酶量达到10 mg/g 时，WEP 溶液的比黏度由最初的0.783 下降至0.213，下降了72.8%。

2.2 作用时间对WEP酶解特性的影响

将酶用量固定为1 mg/g 底物，观察WEP 溶液的比黏度随反应时间的变化趋势，结果如图1 所示。

图1 不同作用时间对WEP 酶解后比黏度的影响Fig.1 Effect of different action time on the specific viscosity after WEP enzymatic hydrolysis

由图1 可知，在酶量一定的情况下，随着时间的延长，WEP 溶液黏度逐渐降低，呈下降的趋势。酶解过程在反应初期速率较快，前110 min 内曲线变化趋势较陡；随着反应时间的延长，黏度下降减慢，变化趋于平缓。继续酶解时间至4h，比黏度从0.783 下降至0.433，下降了44.7%。

2.3 WEP酶解产物的相对分子质量

利用凝胶过滤色谱检测WEP 酶解后的相对分子质量分布情况，结果如图2 所示。

图2 WEP 酶解液的凝胶过滤图谱Fig.2 Gel filtration spectrum of WEP enzymatic hydrolysate

图2 显示，在1 mg 酶用量下，WEP 的相对分子质量明显降低，由1.21×106[11]降至2 440，表明戊聚糖在酶解过程中发生了较大程度降解。

WEP 以木糖通过β-1，4 糖苷键构成木聚糖主链，阿拉伯糖为侧链与主链相连。本试验所使用的高纯度内切木聚糖酶仅作用于β-1，4 糖苷键相连的木糖残基，且相邻位点不能有阿拉伯糖基取代。由于WEP 中含有较多的阿拉伯糖侧链，所存在的空间位阻效应降低了木聚糖酶的活力，因此酶解产物除了木糖外，还含有一定聚合度的阿拉伯低聚木糖。

2.4 H2O2/POX体系对WEP氧化交联特性的影响

过氧化物酶（POX）在有氢供体（如戊聚糖分子中的阿魏酰基团）存在的情况下能催化H2O2或氢过氧化物的分解，而供氢体本身（如戊聚糖）则发生聚合反应，使之相对分子质量增加、溶液黏度增加[12]。首先固定POX 的添加量为10 U/g，测定H2O2不同添加量（150、300、600 mg/kg）对WEP 氧化交联的影响效果，结果如图3 所示。

由图3 可知，当 H2O2添加量为 150 mg/kg 时，WEP水溶液的比黏度变化不大，且30 min 后略有下降，表明WEP 未发生氧化交联反应。当H2O2添加量提高至300 mg/kg 时，戊聚糖水溶液的比黏度变化程度显著提高，由2.56 增加到3.45，上升了34.8%，氧化交联现象较明显。随着H2O2添加量升至600 mg/kg，溶液的比黏度及其增加值明显下降。这可能是由于H2O2用量的增加导致·OH 过量，使得多糖分子链氧化断裂从而导致了溶液黏度降低。

当H2O2添加量为300 mg/kg 时，分别加入5、10、15 U/g POX，测定WEP 的比黏度变化，结果如图4所示。

图4 POX 添加量对WEP 比黏度的影响Fig.4 Effect of POX addition on the specific viscosity of WEP

图中显示，当POX 添加量为5 U/g 时，WEP 的比黏度没有变化，表明未发生氧化交联反应。当POX 添加量为10 U/g 时，WEP 的比黏度增加最为明显，随着POX 用量进一步增至15 U/g 时，溶液的比黏度反而又降低了，甚至低于5 U/g 添加量。其原因可能是由于过量的POX 生成了较多的氢过氧化物，对戊聚糖分子间的交联产生了破坏作用。

由结果可以看出，在H2O2/POX 体系下，POX 及H2O2添加量与比黏度的增加并不呈正相关关系，POX及H2O2添加量过多或过少均不利于戊聚糖分子发生氧化交联反应。

2.5 Glc/GOX/POX体系对WEP氧化交联特性的影响

该体系在反应过程中，GOX 首先催化Glc 氧化生成H2O2，然后再和POX 作用，从而发生氧化还原反应[3]。本试验固定POX 添加量为10 U/g，通过改变Glc和GOX 的添加量来观察WEP 溶液黏度的变化，从而得出其对氧化交联的影响。当POX 添加量为10 U/g、GOX 添加量为80 U/g 时，分别加入不同量Glc，测定WEP 溶液的比黏度变化，结果如图5 所示。

由图5 可知，3 种不同的添加量均使WEP 的比黏度在5 min 内迅速增加，表明都发生了氧化交联反应。当Glc 用量由0.009 g/g 增至0.017 g/g 时，溶液比黏度从2.39 增加到3.62，增幅51.5%。当Glc 用量进一步增至0.033 g/g 时，溶液黏度增加量有所下降。该现象与H2O2对戊聚糖黏度影响结果与作用原理类似，因为Glc 添加量的增加使其被酶解产生的H2O2量增加，从而导致溶液黏度下降，这一现象也进一步证明H2O2的过量添加会影响氧化交联的效果。

图5 Glc 添加量对WEP 比黏度的影响Fig.5 Effect of Glc addition on the specific viscosity of WEP

在POX 添加量为10 U/g、Glc 添加量为0.017 g/g条件下，GOX 用量分别为 40、80、120 U/g 的 WEP 溶液黏度变化结果如图6 所示。

图6 GOX 添加量对WEP 比黏度的影响Fig.6 Effect of GOX addition on the specific viscosity of WEP

图6 中显示，GOX 用量由 40 U/g 上升到 80 U/g后，溶液黏度变化明显提高，但当GOX 用量进一步增至120 U/g 时，溶液黏度增加量反而又降低了。分析其原因，主要是由于GOX 用量过多导致溶液Glc 的大量降解，从而产生过量H2O2，而过量H2O2对于戊聚糖的氧化交联是不利的。

由结果可知，在Glc/GOX/POX 体系中，氧化交联在初期反应很快，之后黏度变化缓慢增加或不变，称之为平台区。当反应进行至平台区后，溶液黏度基本不变甚至略有下降。氧化交联特性也被称为氧化凝胶特性，其中阿魏酸被认为是氧化交联作用的主要物质[12]。前期研究[15]表明，黑小麦面粉戊聚糖中含有结合态阿魏酸，含量为0.76 mg/g。阿魏酸与戊聚糖中的阿拉伯糖侧链共价连接，对戊聚糖的氧化交联特性、黏度、面团特性以及面包的烘焙品质有着重要的影响，且阿魏酸含量越高、相对分子质量越大，戊聚糖的氧化交联特性越强[16-17]。研究发现[12]，戊聚糖凝胶的形成是在反应初期完成的，阿魏酰基团在此阶段被消耗得很快，使黏度快速增长；反应后期黏度的缓慢增长则可能是由于网络结构中分子链间的物理交联作用引起的。

2.6 化学氧化剂FeCl3对WEP氧化交联特性的影响

FeCl3是能够产生自由基的氧化剂，也是戊聚糖氧化交联特性研究中常用的化学氧化剂。通过加入不同量的FeCl3观察其对戊聚糖溶液黏度的影响，从而了解化学氧化剂对WEP 氧化交联特性的影响。FeCl3不同添加量对WEP 氧化交联的影响效果如图7 所示。

图7 FeCl3 添加量对WEP 比黏度的影响Fig.7 Effect of FeCl3 addition on the specific viscosity of WEP

图7 显示，在20 min 内，随着FeCl3添加量的增加，WEP 溶液的比黏度也不断增加，但20 min 后的变化趋势则有所不同。当FeCl3浓度为0.19 mmol/g 时，其比黏度随时间逐渐增加，并在50 min 时，到达平台区，比黏度从5.18 增加到10.65，增幅105.6%。FeCl3浓度为0.38 mmol/g 时，其比黏度在15 min 时到达平台区，从4.66 增加到了9.70，增幅达到了108.2%。但当加入的FeCl3浓度过高，即0.75 mmol/g 时，戊聚糖黏度增加迅速，仅5 in 就进入平台区，增幅为94.7%，但20 min后黏度开始下降，猜测是由于高浓度的FeCl3破坏了后期分子链间的物理交联作用，从而使得溶液黏度下降。

3 结论

随着木聚糖酶用量的增加，戊聚糖酶解速率增大，其相对分子质量大大降低。当酶用量为10 mg/g 底物时，WEP 酶解120 min 后比黏度下降72%；当酶用量为1 mg/g 底物时，随着反应时间的延长，酶解程度增大，且在前120 min 内黏度下降率较为明显，反应240 min 后，WEP 酶解液比黏度下降了45%。

H2O2/POX 体系、Glc/GOX/POX 体系和 FeCl33 个氧化体系均有利于黑小麦面粉戊聚糖发生氧化交联。在最适用量条件下，化学氧化剂FeCl3产生氧化交联的程度最大，比黏度增幅108.2%，其次为Glc/GOX/POX体系和H2O2/POX 体系，分别为51.5%和34.8%。

综上所述，黑小麦面粉戊聚糖可通过调节木聚糖酶添加量及酶解时间以降低黏度；且其又可在氧化体系中发生氧化交联，可利用其酶解特性及氧化交联特性满足食品生产需要。