蒸汽爆破麦胚多糖提取工艺优化及其理化性质研究

胡 蕾，叶 鹏，彭子木，张 民，2，*，刘 锐，吴 涛，隋文杰

(1.天津科技大学食品科学与工程学院，食品营养与安全国家重点实验室，天津300457;2.天津农学院，食品科学与生物工程学院，天津300384)

麦胚是小麦种子的胚芽，其全球年产量约有2500万吨，是小麦加工产业的主要副产品［1］。麦胚中含有丰富的碳水化合物、脂肪、蛋白质和维生素E等营养物质，是一种极富营养的产品［2－4］。麦胚多糖是麦胚中的重要活性成分，多糖已被广泛证明具有多种活性，例如抗氧化、抗肿瘤、抗辐射、抗衰老、提高免疫力等［5－7］。

研究麦胚多糖提取工艺和深度开发具有重要意义。赵彬等［8］采用亚临界水萃取法提取麦胚多糖，得出在水料比20∶1(mL/g);温度150℃，浸提时间10 min的最优条件下，麦胚多糖提取得率为7.26%;Yun等［5］研究了热水浸提法提取麦胚多糖的工艺，其提取得率为8.89%。传统方法提取率较低，其原因可能是存在于细胞壁中的多糖与提取溶剂的可及性低，因而无法被有效提取［9］。蒸汽爆破(Steam Expiosion，SE)工作原理是将物料的空隙中进行充满水蒸汽，再进行高温高压处理，使物料间的液体汽化，再瞬间将压力降为0，此时，由于细胞内的汽体体积会瞬间膨胀，从而达到“爆破”的效果，使得细胞撕裂，许多不易提取的物质从细胞内释放出来［10］。陈洪章等［11－12］分别对漆果原料和麻黄原草原料进行蒸汽爆破预处理，其提取出的生物活性物质分别提高了8倍和2倍;有研究对稀碱浸泡的裸麦壳进行蒸汽爆破预处理，发现分子量在5 k Da以上的阿拉伯木聚糖的得率提高了5倍［13］。然而，应用蒸汽爆破技术处理麦胚原料的研究鲜有报道，蒸汽爆破技术预处理麦胚多糖的提取得率及理化性质有待研究。

本文采用蒸汽爆破技术对麦胚进行前处理，在此基础上采用传统水提醇沉法对麦胚中多糖进行提取，并利用响应面法对蒸汽爆破麦胚多糖的提取工艺进行了优化，拟获得最佳的提取工艺;对获得的蒸汽爆破麦胚多糖的理化性质进一步分析，为蒸汽爆破麦胚多糖的提取提供技术支撑，同时为麦胚多糖的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

麦胚 山东发达面粉集团有限公司;石油醚 国药集团化学试剂有限公司。

QBS－2008型蒸汽爆破实验机 鹤壁正道生物能源公司;DGG－101－OBS型电热鼓风干燥箱 天津市天津天宇实验仪器有限公司;RE－52AA型真空减压旋转蒸发仪 上海亚荣生化仪器厂;TU1810型紫外分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司;EMS－20型恒温水浴锅 天津欧诺仪器仪表有限公司;Sorvall ST 40R型离心机 赛默飞世尔科技。

1.2 实验方法

1.2.1 麦胚蒸汽爆破处理条件的确定 称取500 g麦胚4份，分别加入150 mL的蒸馏水，在室温下复水30 min，用蒸汽爆破实验机分别于0.4、0.6、0.8和1.0 MPa下维持压力5 min进行蒸汽波破处理，蒸汽爆破处理后的麦胚在60℃的烘箱中干燥24 h，然后磨成细粉，并过0.25 mm的筛网［14］。将蒸汽爆破麦胚粉与石油醚在55℃回流8 h，挥干石油醚后，再将其与80%乙醇回流提取1 h，以达到去除脂质、单糖和低聚糖等杂质的目的，干燥后备用。

1.2.2 蒸汽爆破预处理麦胚多糖的提取工艺 对

1.2.1 方法中得到的去除杂质的蒸汽爆破麦胚粉中多糖进行提取:称取50 g的不同蒸汽爆破条件处理后的麦胚粉末，料液比为1∶5(g/mL)，于70℃热水浸提30 min，沉淀物重复浸提3次，4000 r/min离心20 min，收集上清液，将上清液浓缩至一定体积后采用Sevag法去除蛋白，加入4倍体积的无水乙醇4℃静置12 h，于4000 r/min离心10 min，得到的沉淀依次用无水乙醇和丙酮分别洗涤3次，得到蒸汽爆破麦胚粗多糖。

1.2.2.1 蒸汽爆破麦胚多糖提取单因素实验 提取时间对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响:采用1.2.2所示方法提取蒸汽爆破麦胚多糖，称取蒸汽爆破麦胚粉末，每份50 g，料液比1∶5，提取温度60℃，提取1次，考察不同提取时间(10、20、30、40、50 min)对多糖提取得率的影响;提取次数对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响:称取蒸汽爆破麦胚粉末，每份50 g，料液比1∶5，提取温度60℃，提取时间10 min，考察不同提取次数(1、2、3、4、5次)对多糖提取得率的影响;提取温度对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响:称取蒸汽爆破麦胚粉末，每份50 g，料液比1∶5，提取时间10 min，提取1次，考察不同提取温度(40、50、60、70、80℃)对多糖提取得率的影响;料液比对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响:称取蒸汽爆破麦胚粉末，每份50 g，提取时间10 min，提取温度60℃，提取1次，考察不同料液比(1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7)对多糖提取得率的影响。

1.2.2.2 响应面法优化蒸汽爆破麦胚多糖的提取工艺 根据单因素实验结果选取因素水平，建立4因素3水平的Box－Benhnken实验，以蒸汽爆破麦胚多糖提取得率为响应值，响应面试验设计因素水平表如表1所示。

表1 响应面设计试验因素水平表Table 1 Factors and levels of response surface design

1.2.2.3 蒸汽爆破麦胚多糖含量的测定 采用苯酚硫酸法检测提取液中的多糖含量［15］，绘制的葡萄糖标准曲线为Y=12.34X－0.0164(其中Y为吸光度;X为葡萄糖浓度)，决定系数R2=0.9999，按照式(1)计算多糖提取得率。

式中，y:蒸汽爆破麦胚多糖提取得率(%);C:稀释后样品溶液中蒸汽爆破麦胚多糖的浓度(mg/mL);V:蒸汽爆破麦胚多糖溶液体积(mL);N:多糖溶液稀释倍数;W:蒸汽爆破麦胚质量(g);1000:换算系数。

1.2.3 蒸汽爆破麦胚多糖理化性质研究

1.2.3.1 蒸汽爆破麦胚多糖分子量分布的测定 超纯水配制2 mg/mL的蒸汽爆破麦胚多糖溶液，过膜(0.22μm)后，采用配置示差检测器(RID－10A)的高效液相色谱仪进行检测，色谱柱为OHpak SB－805 HQ(8.0 mm×300 mm)凝胶色谱柱，流动相为超纯水，流速为0.8 mL/min，进样量为20μL。根据葡聚糖标准品的相对分子量(用分子量为5300、3700、2400、2000、500、110、70和40 kDa)和保留时间制作GPC标 准 曲 线［16］为Y=0.0012X5－0.0353X4+0.3229X3－0.7967X2－3.0039X+19.6627，R2=0.999，其中X为相对保留时间，Y为相对分子量。

1.2.3.2 蒸汽爆破麦胚多糖的扫描电镜分析 将少量未处理麦胚多糖(提取方法同方法1.2.2中优化的最佳提取工艺)和蒸汽爆破麦胚多糖样品分别薄涂于导电胶上，在低压下固定并喷上一层薄薄的金，然后使用日立SU1510场发射扫描电镜(SEM)在5.0 kV的加速电压及500×的放大倍数下进行观察，拍照［16］。

1.2.3.3 蒸汽爆破麦胚多糖持油性的测定 持油性的测定参考孟雅倩［17］的方法，并略作修改。称取100 mg麦胚多糖，向离心管中加入5 mL植物油并用涡旋混合器充分振荡使得多糖完全被植物油浸润，在3500 r/min条件下离心15 min，倾倒游离的植物油于量筒中，测量植物油的体积并记录数据。按照下列公式计算多糖的持油性:

式中:V:游离的植物油体积(mL);m:称取的多糖的质量(g)。

1.3 数据处理

采用Design－Expert 8.0.5软件进行设计分析，数据分析采用Origin 9.0软件进行分析，方差分析采用(one－way AVONA)进行显著性检验，显著水平P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 麦胚蒸汽爆破处理条件的选择

图1 不同蒸汽爆破条件对多糖提取得率的影响Fig.1 Effect of different steam explosion conditions on extraction yield of polysaccharide

对不同蒸汽爆破条件下得到的麦胚进行多糖提取，其多糖提取得率如图1所示，不同蒸汽爆破条件下，多糖提取得率不同，当蒸汽爆破时间为5 min，压力从0.4升至0.8 MPa时，多糖提取得率与蒸汽爆破压力呈正比关系，超过0.8 MPa后，多糖提取得率呈现降低趋势。在蒸汽爆破压力为0.8 MPa时，多糖提取得率最高。这可能是开始随着蒸汽爆破强度的增强，细胞中发生了不可溶性多糖向可溶性多糖的转化，且蒸汽爆破处理会暴露出更多可溶性物质［18］。随着蒸汽爆破压力的增大，水蒸汽的比例和密度增大，提高了麦胚的爆破率，由于焓差的影响，气相介质的焓在低压时上升较快，随着蒸汽爆破压力再次加强，焓开始下降，因此爆破功率会下降;另一方面爆破压力过大，会导致纤维素破坏，半纤维素过度降解，导致多糖提取得率降低［19－20］。因此选择蒸汽爆破压力为0.8 MPa，维持压力时间5 min，作为后续实验条件。

2.2 单因素实验

2.2.1 提取时间对蒸汽爆破多糖提取得率的影响 由图2可以得出结果，在10～30 min的时间范围内，蒸汽爆破麦胚多糖提取得率与提取时间呈现正相关，当提取时间低于30 min时，提取不充分是造成提取得率低的主要原因;随着提取时间延长，其得率不再显著性增加(P＞0.05)，同时还会增加能耗［21］。因此，综合考虑成本因素，选取提取时间为30 min。

图2 提取时间对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响Fig.2 Effect of time on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.2.2 提取次数对蒸汽爆破多糖提取得率的影响 提取次数对多糖提取得率的影响结果如图3所示，在提取次数为1～3次范围内，蒸汽爆破麦胚多糖提取得率与提取次数呈现出正相关。当提取次数大于3次时，增加提取次数，多糖得率没有显著性变化(P＞0.05)，这可能是由于多糖的提取量已到达最高值(18.41%)，继续提取并不会显著性提高得率，故确定选用提取次数为3次。

图3 提取次数对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响Fig.3 Effect of times on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.2.3 提取温度对蒸汽爆破多糖提取得率的影响 由图4可知，在40～70℃时蒸汽爆破麦胚多糖提取得率随着提取温度的升高而增加，当提取温度为40℃时，提取得率仅为14%，这是因为在低温条件下，溶剂的溶解力和渗透力较低，导致麦胚多糖不能很好地溶出［22］;随着提取温度不断升高，溶剂的溶解力和渗透力不断升高，其得率在不断增加，当提取温度为70℃时多糖得率达到最大值，此时提取得率为18.17%;继续增加提取温度时提取得率无明显变化，过高的提取温度还可能会破坏多糖的结构［23］。结合考虑成本因素，故选择提取温度为70℃。

图4 提取温度对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响Fig.4 Effect of temperature on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.2.4 料液比对蒸汽爆破多糖提取得率的影响 料液比对麦胚多糖提取得率的影响如图5所示，蒸汽爆破麦胚多糖提取得率随着提取溶剂的增加呈现升高后趋于平缓趋势，当料液比为1∶5时多糖得率达到最大值(15.76%)。料液比作为影响麦胚多糖提取得率的重要因素，当料液比过低时，样品液浓度过高不易浸出使提取不彻底;当样品液的料液比过高，会使溶剂液过多导致提取液浓缩分离难度的增加。所以选择料液比为1∶5。

图5 料液比对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的影响Fig.5 Effect of solid－liquid ratio on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

2.3 响应面法优化蒸汽爆破麦胚多糖提取工艺的研究

2.3.1 响应面试验设计方案及结果 在单因素实验结果的基础上，根据Box－Behnken实验的设计原理，应用Design－Expert 8.0.5响应面设计软件对实验进行设计，得到的实验方案及实验结果如表2所示，其中以蒸汽爆破麦胚多糖提取得率(Y)为响应值，以提取时间(A)、提取次数(B)、提取温度(C)和液料比(D)为自变量，建立四因素三水平中心组合实验设计共包括29组实验，其中5组为中心实验点，24组为析因实验点，用以计算实验误差。

表2 响应面实验设计及结果Table 2 RSM design and test results

2.3.2 回归方程拟合及方差分析 对麦胚多糖提取的响应面实验结果进行回归分析，结果见表3，对四个因素进行回归拟合，得到回归方程为:

Y=17.76+0.84A+1.74B－0.88C+0.4D+0.81AB+0.84AC+0.49AD+0.26BD+0.76CD－1.32A2－2.57B2－1.28C2－2.09D2其中R2=0.9698，=0.9397，由方差分析可知回归方程模型极显著(P＜0.0001)，失拟项不显著(P＞0.05)，说明此模型与实际拟合较好，实验方法可靠，所得方程与实际拟合中非正常误差所占比例较小，因此可以用此回归方程代替真实实验点分析实验结果。结果表明，提取时间(A)、提取次数(B)、提取温度(C)、料液比(D)、提取时间与提取次数交互项(AB)、提取时间与提取温度交互项(AC)、提取温度与料液比交互项(CD)和各因素二次项对响应值影响显著(P＜0.05)，各个因素对响应值影响显著性排序为B＞C＞A＞D。2.3.3 响应面分析 根据回归方程绘制响应面等高线图，见图6。两个独立变量间的交互作用可以通过响应面表示出来，由图中可以清晰地观察到各个因子的交互作用及其对麦胚多糖提取得率的影响。

表3 回归模型及方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

通过等高线图和响应曲面立体图可以清晰地看出各因素之间的相互作用对多糖得率的影响作用。提取时间和提取次数的交互关系如图6A所示，等高线图形状呈椭圆，三维图曲面陡峭，表明提取时间和提取次数之间交互作用明显且对多糖提取得率影响显著;如图6B所示，等高线图形状呈椭圆，三维图曲面陡峭，表明提取时间和提取温度之间交互作用明显，且对多糖提取得率影响显著;从图6C可以看出，提取时间和料液比的交互关系图中等高线图形状接近圆形，表明提取时间和料液比之间的交互作用不显著。提取温度和提取次数的交互关系如图6D所示，等高线图形状接近圆形，表明提取次数和提取温度之间交互作用不显著;图6E是提取次数和料液比的交互关系图，由图6可知，等高线图形状接近圆形，表明提取次数和料液比之间交互作用不显著。图6F中的三维图曲面陡峭，表明提取温度和料液比之间交互作用对多糖提取得率影响显著(P＜0.05)，与表3中的分析结果一致。

2.3.4 验证实验 对回归方程求解得到模型极值点，结果表明最佳提取条件为:提取时间为29.57 min，提取温度为69.35℃，料液比为1∶5.16，提取次数为3.21次，在此条件下得到的麦胚多糖提取得率为18.37%。为了方便实际操作对响应面优化设计得到的麦胚多糖最佳提取条件进行修正为:提取时间为30 min，提取温度为70℃，料液比为1∶5，提取次数为3次，取三等份麦胚多糖粉末进行实验，通过实验测得在此条件下得到的麦胚多糖提取得率为18.72%，理论值与实际值之间的相对误差为1.90%。综上结果分析，利用响应面设计优化蒸汽爆破麦胚多糖提取的工艺是可行的。

2.4 蒸汽爆破麦胚多糖的理化性质分析

2.4.1 蒸汽爆破麦胚多糖分子量的测定 由图7和表4可知蒸汽爆破麦胚多糖的分子量分布状况，其重均分子量分布范围为2.26×105～1.76×106Da，其重均分子量主要集中在2.26×105、5.91×105和1.76×106Da，峰 面 积 比 分 别 为14.56%、17.73%和67.71%。

表4 蒸汽爆破麦胚多糖分子量分布Table 4 The molecular weight distribution of SE wheat germ polysaccharide

2.4.2 蒸汽爆破麦胚多糖表观形貌分析 图8为未处理和蒸汽爆破预处理的麦胚中制备出的多糖扫描电镜图。图8A为未处理麦胚多糖，从图中可以看出未处理麦胚多糖以片状分布，这是由于分子间的聚合力形成的，经过蒸汽爆破预处理后(图8B)，多糖的片状结构出现破碎，存在少量的丝状分支，片状多糖上有多处气孔。与未处理多糖表观结构相比较，差异巨大，这说明蒸汽爆破处理对麦胚多糖的表观结构有较大影响［18，24］。

2.4.3 麦胚多糖持油性的测定 实验结果显示蒸汽爆破麦胚多糖的持油性为(19.98±0.20)mL/g。蒸汽爆破处理对麦胚多糖的网状结构有一定的影响，多孔结构有利于吸附油脂［25］。持油性作为麦胚多糖的重要特性，对其加工适应性具有重要意义，可以考虑将其添加到蛋黄酱、花生酱、香肠、奶酪等含脂量较高的食品中［26－27］，在改善其加工特性的同时，还能增加食品中膳食纤维的含量，提高高脂产品的质量，提高食品的营养价值。

图6 两因素的交互作用对蒸汽爆破麦胚多糖提取得率的响应面图Fig.6 Response surface plots of variable parameters on extraction yield of SE wheat germ polysaccharide

图7 蒸汽爆破麦胚多糖高效液相色谱图Fig.7 The HPLCchromatogram of SE wheat germ polysaccharide

图8 蒸汽爆破麦胚多糖扫描电镜图Fig.8 The SEM image of SE polysaccharide

3 结论

研究了不同蒸汽爆破条件对麦胚多糖提取得率的影响，得出蒸汽爆破压力为0.8 MPa，维持压力5 min条件下，麦胚多糖提取得率最高，分析原因是在压力较低时，随着蒸汽爆破强度的增强，细胞中发生了不可溶性多糖向可溶性多糖的转化，且蒸汽爆破处理会暴露出更多可溶性物质。随着蒸汽爆破压力再次加强，可能会发生物质的缩合，产生更多的难溶性物质，从而不易被提取出来。通过单因素和响应面实验得到蒸汽爆破麦胚多糖最佳提取工艺为:提取时间为30 min，提取温度为70℃，料液比为1∶5，提取次数为3次，此条件下的多糖的平均提取得率为18.72%。通过其理化性质分析结果可知，蒸汽爆破麦胚多糖分子量较大，其表面呈现多孔结构，具有良好的持油性，可为其开发应用提供科学依据。