玉米麩皮中阿拉伯木聚糖的提取、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)

劉靜，劉俊康

(江南大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院 食品膠體與生物技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

目前我國玉米麩皮主要用作動物飼料或農(nóng)業(yè)肥料，其價值未被充分開發(fā)利用。根據(jù)國家調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和綜合開發(fā)農(nóng)業(yè)政策，綜合利用農(nóng)業(yè)可再生資源，對社會經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護有著極大的促進作用。

阿拉伯木聚糖是一種半纖維素，廣泛存在于玉米、小麥、燕麥等谷物的胚乳和麩皮中［1］。研究發(fā)現(xiàn)，阿拉伯木聚糖具有許多重要的生理功能，已受到廣泛關(guān)注。如可作為膳食纖維，具有潤腸通便、預(yù)防結(jié)腸癌、減肥美容之功效;作為免疫調(diào)節(jié)劑，增強人體免疫功能，具有抗腫瘤、抗病毒及減輕癌癥治療中的毒副作用的功效;還具有抗氧化、降低膽固醇及調(diào)節(jié)血糖水平等功能［2］。

麩皮中大量的阿拉伯木聚糖與體系中的木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)等組分以阿魏酸連接的共價酯鍵，減少了其可溶性［3］。但在堿性條件下，酯鍵的結(jié)合可被打斷，能夠使阿拉伯木聚糖游離出來。因此，堿液通常被作為小麥麩皮、米糠、玉米皮中阿拉伯木聚糖的提取液。有文獻報道［4］，用過氧化氫對堿液提取的半纖維素進行漂白，可使其顏色變淺，其原理在于過氧化氫在堿性介質(zhì)中不僅具有脫木素和漂白的作用，還可用作多糖溫和的增溶劑。故堿-過氧化氫法是用來提取玉米麩皮中的阿拉伯木聚糖的一種有效方法。

關(guān)于阿拉伯木聚糖提取及其基本性質(zhì)的研究，對阿拉伯木聚糖的實際應(yīng)用具有十分重要的意義。本文采用堿-過氧化氫法從玉米麩皮中提取阿拉伯木聚糖，考察了堿濃度對其提取的影響，通過單糖分析和紅外光譜圖對所提取的阿拉伯木聚糖的結(jié)構(gòu)進行了初步鑒定，并探究了其熱穩(wěn)定性、流變性能和乳化性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

玉米麩皮，工業(yè)品;乙醇、氫氧化鈉、濃鹽酸、30%雙氧水、濃硫酸、碳酸鈣、吐溫80、液體石蠟均為分析純;去離子水。

上海雷磁PHSJ-3F pH 計;FTLA2000 型傅里葉紅外光譜儀;Vario EL Ⅲ元素分析儀;GC-14 A 氣相色譜儀;Waters 600 高效液相色譜儀;TGA1 型熱重分析儀;DHR-2 流變儀。

1.2 阿拉伯木聚糖的提取

稱取一定量玉米麩皮，加入至不同濃度的NaOH 溶 液 中(濃 度 分 別 為0. 25，0. 50，1. 0，2.0 mol/L)，再緩慢滴加適量H2O2溶液，60 ℃下機械攪拌4 h，降溫后，通過離心收集上層清液。用鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH 至6 ～7，加入4 倍體積的無水乙醇，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計算

計算阿拉伯木聚糖質(zhì)量WAX和玉米麩皮質(zhì)量W麩皮的比值，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測定

將提取的玉米麩皮AX 配制成1 ～2 mg/mL 的水溶液，用0.45 μm 微孔過濾膜過濾后，通過高效液相色譜法測定相對分子量分布。

1.5 單糖分析

采用氣相色譜法測定阿拉伯木聚糖單糖組成，方法如下［5］:

取一定量阿拉伯木聚糖(保證單糖濃度，＞5 mg/mL)于20 mL 1 mol/L H2SO4溶液中100 ℃水解4 h。冷卻至室溫，加BaCO3中和至pH 7.0。過濾，收集濾液，將濾液冷凍干燥，得到游離單糖。將干燥單糖樣品衍生化后進行氣相色譜分析。

1.6 紅外光譜的測定

少量AX 與溴化鉀混合研磨、壓片，傅里葉紅外光譜儀掃描紅外譜圖。

1.7 熱穩(wěn)定性測定

稱取6 ～10 mg 阿拉伯木聚糖，升溫速率設(shè)為5 ℃/min，初始溫度為25 ℃，終止溫度為600 ℃，以純度99.999%的氮氣為保護氣，流量為30 mL/min，儀器記錄質(zhì)量損失情況。

1.8 流變性能測定

稱取一定量玉米麩皮阿拉伯木聚糖，配制成不同濃度的水溶液，用流變儀進行測試(40 mm 錐板)，作粘度隨剪切速率的變化圖。

1.9 乳化性能測定

分別在質(zhì)量分數(shù)1.0%吐溫80(Tween 80)和1.0% AX 水溶液中加入一定量的液體石蠟，體積比為O/W=2/8。在室溫下，設(shè)定轉(zhuǎn)速為10 000 r/min，均質(zhì)機乳化3 min，制備乳液。待乳液穩(wěn)定1 d 后，滴少量乳液分別于水中和液體石蠟中，觀察其分散狀態(tài)［6］。另取少量乳液用去離子水稀釋，用光學(xué)顯微鏡觀察其乳液液滴形態(tài)［7］。拍攝靜置1，10，30 d后乳液照片，考察其穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿濃度對AX 的提取率、顏色和分子量的影響

由表1 可知，隨著NaOH 濃度的增加，提取所得的阿拉伯木聚糖的顏色在逐漸加深，而相對平均分子量隨著濃度的增加變化不大。當濃度低于1 mol/L時，其提取率呈增加趨勢;當濃度為2 mol/L 時，其提取率有所降低。這是由于麩皮中將阿拉伯木聚糖與木質(zhì)素和纖維素等緊密結(jié)合的酯鍵，在堿性環(huán)境下被打斷，使阿拉伯木聚糖能夠被提取出來。當堿濃度過高時，可能導(dǎo)致部分阿拉伯木聚糖發(fā)生降解，使得提取率有所降低，且顏色加深。由于0.50 mol/L氫氧化鈉溶液提得的AX 產(chǎn)率較高、顏色較淺，故該濃度是從玉米麩皮提取AX 的較佳條件。

表1 不同濃度的堿對AX 提取的影響Table 1 The influence of alkali concentration on the extraction of Arabinoxylan

2.2 單糖分析結(jié)果

單糖分析結(jié)果見圖1、圖2 和表2。堿-過氧化氫提取法提取的AX 單糖組分相對比較簡單，主要由木糖、阿拉伯糖、葡萄糖和半乳糖組成。其中木糖和阿拉伯糖的相對含量占總量的92%，葡萄糖和半乳糖的相對含量約8%。

圖1 單糖標樣的氣相色譜圖Fig.1 The gas chromatographic of standard monosaccharides

圖1 中根據(jù)出峰次序，依次為鼠李糖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(內(nèi)標)。

圖2 玉米麩皮AX 水解產(chǎn)物氣相色譜圖Fig.2 The gas chromatographic of hydrolysates of corn bran AX

圖2 中根據(jù)出峰次序，依次為阿拉伯木聚糖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 的單糖相對含量Table 2 The relative contents of monosaccharides of AX

2.3 紅外圖譜

AX 的紅外圖譜見圖3。

紅外光譜中可以看出較為明顯的多糖特征峰［8］:3 400 cm－1的O—H 伸縮振動;2 890 cm－1的烷基C—H 伸縮振動;1 638 cm－1的締合水的吸收峰;1 385 cm－1的烷基C—H 彎曲振動;1 070 cm－1的C—O—C 伸縮振動，詳細解析見表3。

圖3 AX 的紅外圖譜Fig.3 FTIR spectrum of AX

表3 AX 紅外圖譜解析Table 3 IR spectrum analysis of AX

2.4 熱穩(wěn)定性

AX 的熱穩(wěn)定性見圖4。

圖4 AX 的TGA 圖Fig.4 TGA curve of AX

AX 具有較好的吸濕性，能從空氣中吸收并保持一定水分［9］。TGA 圖中，50 ～100 ℃是由于失水造成的質(zhì)量損失，約10%;隨著溫度升高，AX 在215 ℃時開始分解，350 ℃時分解完全，質(zhì)量損失約57%。由此表明，AX 在215 ℃以下時，有較好的熱穩(wěn)定性。

2.5 粘度

不同濃度AX 的粘度變化見圖5。

圖5 不同濃度AX 的黏度隨剪切速率變化圖Fig.5 The relation curves between viscosity of AX solution and share rates

低濃度阿拉伯木聚糖水溶液粘度較低，沒有明顯增稠效果，但5%的阿拉伯木聚糖水溶液的粘度顯著增大。這是由于低濃度的阿拉伯木聚糖在水溶液中分散較開，分子之間不會相互影響;當濃度增加時，阿拉伯木聚糖分子在水溶液中相互聚集纏結(jié)，形成一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加了水溶液的粘度。

2.6 乳化性能

實驗表明，由AX 制得的乳液可以很好的分散在水中，但不能在液體石蠟中分散，表明其為水包油型(O/W)乳液。

室溫靜置1 d 后光學(xué)顯微鏡拍攝的乳液顆粒照片見圖6，兩種物質(zhì)都能將油滴均勻分散在水相中形成穩(wěn)定的乳液顆粒。其中以吐溫80 作乳化劑制得乳液粒徑較小且均勻，而AX 為乳化劑的乳液粒徑較大但不均勻。

室溫靜置1，10，30 d 后，拍攝分別用吐溫80(Tween 80)和AX 為乳化劑制備乳液的照片，見圖7。兩種乳液在1 d 時都有分層現(xiàn)象，這是重力作用和乳化劑的乳化能力導(dǎo)致的。在30 d 時，兩種乳液的高度都沒有發(fā)生變化，也沒有破乳現(xiàn)象，說明AX制備的乳液十分穩(wěn)定。

圖6 室溫靜置1 d 后光學(xué)顯微鏡拍攝的不同乳液體系照片(標尺為10 μm)Fig.6 Photograph by optical microscope of the emulsions over 1 d storage period at room temperature

圖7 吐溫80 和AX 為乳化劑制備乳液室溫靜置1 d(a)、10 d(b)和30 d(c)的照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the emulsions over 1 d(a)，10 d(b)and 30 d(c)storage periods at room temperature

3 結(jié)論

實驗表明，0.5 mol/L 的氫氧化鈉的堿-過氧化氫法提取的玉米阿拉伯木聚糖色澤淺、收率高、未降解。所提得的阿拉伯木聚糖中只含有4 種單糖，峰面積從大到小依次為:木糖＞阿拉伯糖＞葡萄糖＞半乳糖，其中阿拉伯糖和木糖的峰面積之和約為92%。阿拉伯木聚糖熱穩(wěn)定性較好，從215 ℃開始熱分解，還具有一定的增稠效果和較好的乳化能力。阿拉伯木聚糖是一種極為豐富的可再生資源，將其充分開發(fā)利用，對食品、醫(yī)藥、生工和化工等行業(yè)的發(fā)展十分有益。

［1］ Ebringerová A，Heinze T.Xylan and xylan derivatives-biopolymers with valuable properties，1. Naturally occurring xylans structures，procedure and properties［J］.Macromolecular Rapid Communication，2000，21(9):542-556.

［2］ 周素梅，王強，張曉娜.小麥中功能性多糖-阿拉伯木聚糖研究進展［J］.核農(nóng)學(xué)報，2009，23(2):297-301.

［3］ 許鳳，孫潤倉，詹環(huán)宇.非木材半纖維素研究的新進展［J］.中國造紙學(xué)，2003，18(1):145-151.

［4］ Bazus A，Rigal L，Gaset A，et al. Isolation and characterization of hemicelluloses from sunflower hulls［J］. Carbohydrate Research，1993(243):323-332.

［5］ 過嫣丹，崔唯一，孫培冬，等.玉米麩質(zhì)阿拉伯木聚糖的疏水改性［J］.應(yīng)用化工，2011，40(11):1970-1972.

［6］ Li Chen，Sun Peidong，Yang Cheng.Emulsion stabilized by starch nanocrystals［J］.Starch，2012，64:497-502.

［7］ Li Chen，Li Yunxing，Sun Peidong，et al.Starch nanocrystals as particle stabilisers of oil-in-water emulsions［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，2014，94:1802-1807.

［8］ Sun R C，F(xiàn)ang J M，Tomkinson J，et al. Fractional isolation，physico-chemical characterization and homogeneous esterification of hemicelluloses from fast-growing poplar wood［J］.Carbohydrate Polymers，2001，44:29-39.

［9］ Figueoa-Espinoza M C，Rouau X. Oxidative cross-linking of pento sana by a fungal laccase and horseradish peroxidase:Mechanism of linkage between feruloylated arabinoxylans［J］.Cereal Chemistry，1998，75:259-265.