谷物非淀粉多糖特性、制備及分析方法研究進展

尚加英，鄭學玲*，趙波，李利民

1(河南工業(yè)大學 糧油食品學院，河南 鄭州， 450052)2(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京，100089)

非淀粉多糖(non-starch polysaccharides NSP)被定義為除淀粉以外的復(fù)合多糖，是一種細胞壁多糖。NSP主要存在于植物細胞壁中，是由若干單糖通過糖苷鍵連接成的多聚體，主要包含纖維素、半纖維素、果膠等，而果聚糖、甘露聚糖和半乳甘露聚糖含量相對較少[1]。根據(jù)NSP在水中的溶解度不同，將其分為水溶性NSP和水不溶性NSP。纖維素、木質(zhì)素、木聚糖和半乳甘露聚糖等被稱為水不溶性NSP，而果膠、阿拉伯木聚糖、阿拉伯半乳聚糖和β-葡聚糖被稱為水溶性NSP。谷物中含有多種NSP，主要由戊聚糖(阿拉伯木聚糖)、葡聚糖和纖維素組成。谷物的主要組分是淀粉(70%～80%)和蛋白質(zhì)(10%～15%)，細胞壁中NSP約占3%～8%。戊聚糖(阿拉伯木聚糖)和β-葡聚糖是許多谷物(如小麥、燕麥、大麥和黑麥)細胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，它們的含量因物種和生長環(huán)境的不同而不同，小麥籽粒NSP含量(11.4%)低于黑麥(13.2%)和大麥(16.7%)。戊聚糖是小麥(6%～8%)和黑麥(8.9%)中主要的NSP，而β-葡聚糖是大麥(7.6%)和燕麥(9.4%)中主要的NSP。在谷物非淀粉多糖中，戊聚糖和β-葡聚糖是最重要的多糖，由于其功能性和營養(yǎng)性日益增強而備受人們的關(guān)注。

NSP是谷物細胞壁主要的生物活性成分，其功能和營養(yǎng)價值備受全球關(guān)注。NSP包括一系列具有不同理化性質(zhì)的化合物，它們對動物和人類的營養(yǎng)作用取決于這些性質(zhì)。這些特性包括黏度特性、持水性和發(fā)酵性等。從有益健康的方面來說，NSP作為益生元，具有重要作用，例如免疫調(diào)節(jié)劑、抗氧化劑、預(yù)防糖尿病和心臟保護劑。在食品工業(yè)中，NSP被用作功能性成分，尤其是在烘焙產(chǎn)品中，其可以改善流變特性和面團吸水特性，增大面包體積。本文主要介紹了戊聚糖和β-葡聚糖的特性、制備及分析鑒定方法，綜述了各提取方法的提取效果及優(yōu)缺點，并對其含量、分子質(zhì)量及結(jié)構(gòu)測定等分析鑒定方法進行了簡要概述，以期為谷物非淀粉多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用及進一步的深入研究提供參考。

1 谷物非淀粉多糖特性

1.1 NSP理化特性

1.1.1 戊聚糖

戊聚糖(pentosan)也稱為阿拉伯木聚糖 (arabinoxylan)，主要由阿拉伯糖(arabinose)和木糖(xylose)組成，還含有一定量的己糖、雜多糖和酚類物質(zhì)等，是谷物中NSP的主要成分。根據(jù)溶解性不同，分為水溶性和水不溶性戊聚糖，二者的結(jié)構(gòu)基本相似，不同的是后者的分支程度(阿拉伯糖與木糖的比例較高)。研究表明，戊聚糖具有高黏度、高持水力、氧化交聯(lián)和酶解等顯著的功能特性，雖然其在谷物中的含量很少, 但卻是影響谷物加工過程及其產(chǎn)品質(zhì)量的重要功能性成分。

(1)結(jié)構(gòu)特征和相對分子質(zhì)量

戊聚糖主要由阿拉伯糖和木糖組成，其分子結(jié)構(gòu)包括線性β-(1-4)-木聚糖主鏈、阿魏酸以及沿著主鏈的阿拉伯糖取代物，取代基通過木糖基殘基的O2和O3原子連接到該主鏈上。盡管不同谷類的戊聚糖具有相同的基本化學結(jié)構(gòu)，但它們在阿拉伯糖(Ara)殘基替代木糖(Xyl)骨架的方式上(2種糖比例、鍵的相對比例和順序、其他取代基的存在)有所不同，這種差異性將影響戊聚糖的相互作用及其與細胞壁其他組分相互作用的能力，從而改變這些大分子的理化和功能性質(zhì)。大多數(shù)阿拉伯糖殘基作為單一取代基附著，然而，有報道表明在小麥和黑麥的戊聚糖中存在少量低聚物側(cè)鏈，這些側(cè)鏈含有通過1-2、1-3和1-5鍵連接的2個或多個阿拉伯糖殘基。雖然阿拉伯糖是最常見的取代基，但在木聚糖骨架上也發(fā)現(xiàn)了其他單糖殘基。其中包括D-葡萄糖醛酸及其4-O-甲基醚、木糖和半乳糖殘基等。

戊聚糖的相對分子質(zhì)量與谷類品種、基因型和生長環(huán)境以及處理和測定方法等有關(guān)。沉降法測得的水溶性戊聚糖的相對分子質(zhì)量為65×103～66×103，而用凝膠過濾色譜測得的相對分子質(zhì)量為8×105～5×106。水不溶性戊聚糖的平均相對分子質(zhì)量為8.5×105，而凝膠過濾色譜的測定結(jié)果為2.18×105～2.55×105。

(2)黏度特性

戊聚糖是一種具有高黏度特性的非淀粉多糖，其構(gòu)型、聚合度、阿拉伯糖排序以及阿魏酸含量和分布等均會影響其黏度特性。研究表明，戊聚糖是引起面粉水提物的固有黏度的主要原因，其固有黏度是水溶性蛋白質(zhì)的15～20倍，而且具有較高Ara/Xyl比值和阿魏酸含量的戊聚糖，其固有黏度越高。BENDER等[2]研究表明水溶性阿拉伯木聚糖對面包的烘焙性能有顯著影響，尤其是在面團的發(fā)展過程中，因為它們具有較高的水結(jié)合能力，能夠提高面團的黏度。

(3)氧化交聯(lián)特性

谷類戊聚糖具有在聚合物鏈之間形成共價鍵的獨特能力。在自由基生成劑(例如，H2O2/過氧化物酶、氯化鐵、過硫酸銨或漆酶)的存在下，阿魏酸殘基的氧化偶聯(lián)發(fā)生，引起多糖分子的交聯(lián)。由于這種反應(yīng)，戊聚糖能夠形成非常黏稠的溶液，甚至凝膠，這取決于聚合物的濃度。戊聚糖的結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量對其凝膠化能力有顯著影響，隨著阿魏酸殘基含量的增加、分子質(zhì)量的增加和天然多糖分支度的降低，交聯(lián)戊聚糖凝膠的硬度增加。BUKSA等[3]研究發(fā)現(xiàn)，戊聚糖是黑麥粉水提液中交聯(lián)反應(yīng)的主要對象。

(4)吸水性和持氣性

戊聚糖在面粉中的含量雖然很少，但其在吸水量和面團水分分布上起著重要的調(diào)節(jié)作用。ARIF等[4]研究發(fā)現(xiàn)，戊聚糖可增加面粉的吸水能力(3%～10%)，水溶性戊聚糖可大大提高面粉的吸水率(59.5%～68.8%)。面團發(fā)酵過程中氣體保持能力對面團流變學特性及最終產(chǎn)品質(zhì)有重要影響。BENDER等[5]研究表明，添加水提戊聚糖制作的面包有更大體積，水提戊聚糖較堿提取戊聚糖對無面筋面包品質(zhì)具有更大的改善功能。

(5)酶解特性

在酶的作用下，戊聚糖可發(fā)生水解和降解，從而導致其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化。夏潔人等[6]利用木聚糖酶酶解小麥麩皮，將酶解液濃縮后加入面粉，發(fā)現(xiàn)酶解戊聚糖能較好地改善面團的流變特性和面包烘焙品質(zhì)。李文多[7]研究了黑小麥戊聚糖酶對水提和堿提戊聚糖的降解程度，后者的降解程度大于前者。BUKSA等[8]對可溶性戊聚糖通過酶水解、交聯(lián)處理以及兩者的結(jié)合進行改性以制備適用于不同品質(zhì)的面包制作的改良劑。另外，在小麥淀粉和谷朊粉生產(chǎn)中，加入戊聚糖酶系可以有效地使淀粉和蛋白質(zhì)分離，從而提高淀粉和谷朊粉的得率。

1.1.2 β-葡聚糖

大部分谷物都含有β-葡聚糖，其中大麥(2.5%～11.3%)和燕麥(2.2%～7.8%)中含量相對較高，主要存在于亞糊粉層與胚乳層。β-葡聚糖分為水溶性和水不溶性，其溶解度差異主要在于分子中β-(1→3)和β-(1→4)2種糖苷鍵的比例不同。據(jù)報道，大麥β-葡聚糖中β-(1→3)鍵β-(1→4)鍵的比例約1∶2.3，燕麥中的β-葡聚糖β-(1→3)和β-(1→4)2種糖苷鍵的比例約1∶2.1。β-葡聚糖的相對分子質(zhì)量會影響其溶解性、黏度和流變學特性及其在水溶液中的存在狀態(tài)，進而影響到β-葡聚糖生理功能(降血脂、降血糖、抗癌、通便及免疫調(diào)節(jié)功能)的發(fā)揮。

(1)結(jié)構(gòu)特征和相對分子質(zhì)量

谷物β-葡聚糖是由D-吡喃葡萄糖殘基通過β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的葡萄糖聚合物，其結(jié)構(gòu)主要由58%～72%的β-(1→3)鍵連接的纖維三糖基和20%～34%的纖維四糖單位組成，還含有少量的葡糖基和纖維素糊精。β-葡聚糖的相對分子質(zhì)量與谷物的來源和品種不同有關(guān)，也受不同提取和分離方法方法的影響。相對分子質(zhì)量分布是β-葡聚糖的一個重要特性，β-葡聚糖的相對分子質(zhì)量為103～107。研究表明，燕麥、大麥和小麥的β-葡聚糖相對分子質(zhì)量分布范圍分別為 65×103～31×105、80×103～27×105、21×103～11×105。

(2)溶液流變特性

β-葡聚糖流變特性與β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量密切相關(guān)，另外，外界因素如溶液濃度、溫度、pH、鹽類濃度等因素也會對其產(chǎn)生影響。β-葡聚糖在食品中的應(yīng)用主要基于它的黏度特性。β-葡聚糖溶液的表觀黏度是聚合物濃度、分子質(zhì)量、鏈構(gòu)象和分子間相互作用的函數(shù)。β-葡聚糖溶液在低剪切速率下表現(xiàn)出高的表觀黏度，在高剪切速率下表現(xiàn)出剪切稀化流，這是黏彈性流體的典型行為。對燕麥β-葡聚糖溶液流動特性的研究已經(jīng)證明了它們具有剪切稀化行為和對抗酸堿和熱處理的相對穩(wěn)定性。另外，黏度特性還與纖維三糖和四糖比值、纖維素樣碎片、分子質(zhì)量分布和谷物β-葡聚糖分子大小有關(guān)。

β-葡聚糖具有凝膠特性。谷物β-葡聚糖的剪切稀化行為在低濃度下也表現(xiàn)出來，但在高濃度下，它們往往形成凝膠，其凝膠特性受分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)的影響。高分子質(zhì)量(2.39×105)β-葡聚糖凝膠即使在200 h貯藏后也沒有表現(xiàn)出凝膠化的趨勢，而低分子質(zhì)量的短鏈分子表現(xiàn)出較高的流動性，這些具有低分子質(zhì)量β-葡聚糖結(jié)構(gòu)的短鏈更容易擴散，因此更易于聚集而形成凝膠化。

(3)乳化穩(wěn)定性

研究發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖具有提高泡沫質(zhì)量和增強乳化穩(wěn)定性的能力。低分子質(zhì)量β-葡聚糖分子鏈向水相中伸展，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生空間位阻和靜電排斥等作用，抑制了微粒的聚集，而高分子質(zhì)量β-葡聚糖通過提高水相黏度表現(xiàn)出較好的乳化穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，燕麥β-葡聚糖在高濃度、低溫和中性pH值條件下，其乳化性較好，乳化穩(wěn)定性也越高。

戊聚糖和β-葡聚糖的理化特性對食品加工性能的影響研究見表1。

表1 谷物非淀粉多糖理化特性對食品加工性能的影響Table 1 The effect of the physicochemical properties of non-starch polysaccharides on food processing performance

1.2 NSP營養(yǎng)特性

NSP對動物和人類的營養(yǎng)作用取決于一系列具有不同理化性質(zhì)的化合物，這些特性包括黏度、保水性和發(fā)酵性等。人體的消化酶只能分解α-(1,4)糖苷鍵，因此，NSP不能在小腸內(nèi)消化。NSP對單胃動物具有一定的抗營養(yǎng)作用，但其對人體健康有很大益處，是一種很好的功能性保健食品。戊聚糖是谷物中的一類膳食纖維成分，其特殊的健康益處與其分子精細結(jié)構(gòu)有關(guān)。β-葡聚糖也是一種非常有價值的功能成分，其營養(yǎng)潛力在很大程度上取決于其結(jié)構(gòu)、大小，黏度、提取技術(shù)、質(zhì)量、流變特性、分子質(zhì)量等。戊聚糖和β-葡聚糖的營養(yǎng)特性主要包括抗營養(yǎng)特性、免疫調(diào)節(jié)特性、抗氧化特性、抗糖尿病作用以及預(yù)防心血管疾病等[18]。

(1)抗營養(yǎng)特性

已經(jīng)證明在豬和家禽等單胃動物的飲食中添加谷物NSP具有抗營養(yǎng)作用，其會影響動物對營養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。NSP對單胃動物的不良影響歸因于腸道內(nèi)容物的粘度增加。一般來說，腸道高黏度會減緩基質(zhì)和消化酶的擴散速度，并阻礙它們在黏膜表面的有效相互作用。此外，NSP與腸壁邊界相互作用，增厚了黏膜的限速未固定水層，從而降低了通過腸壁的營養(yǎng)吸收效率。此外，高消化黏度延遲胃排空和飼料轉(zhuǎn)運時間，從而降低血糖和刺激腸道微生物生長。這反過來又導致生長速度減慢，并最終降低家禽和豬的性能。因此，NSP引起的消化液黏度是動物飼料行業(yè)最為關(guān)注的問題。相反，由于腸道高黏度而導致的胃排空延遲通常被認為是有益于人類健康的。較慢的轉(zhuǎn)運時間增加了可用于吸水的時間，并允許更多時間由內(nèi)源性腸道微生物群落降解，分解產(chǎn)物主要是短鏈脂肪酸。

戊聚糖通過選擇性刺激有益的腸道微生物群在人類和動物的結(jié)腸中發(fā)揮益生元作用。長鏈可提取戊聚糖的特定濃縮物通過選擇性刺激對宿主有益的一面(例如丙酸鹽的生產(chǎn))來刺激人類和動物中特定腸道微生物(如長雙歧桿菌)并啟動特定的發(fā)酵模式。β-葡聚糖通過產(chǎn)生短鏈脂肪酸有利于有益腸道細菌的生長。β-葡聚糖在大腸中分解。隨著微生物細胞數(shù)量的增加，結(jié)腸干重增加。微生物細胞材料的保水能力大于不溶性纖維，增加了不溶性纖維的膨脹效應(yīng)。

(2)免疫調(diào)節(jié)特性

戊聚糖的免疫調(diào)節(jié)特性取決于其結(jié)構(gòu)特征，已經(jīng)證明其可以影響不同的免疫細胞，從而增強動物和人類體內(nèi)和體外的廣泛免疫反應(yīng)。β-葡聚糖被稱為生物反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，其通過激活補體系統(tǒng)、增強巨噬細胞和自然殺傷細胞功能來增強宿主免疫防御。此外，β-葡聚糖可以通過激活單核細胞/巨噬細胞和增加免疫球蛋白、NK細胞、殺傷性T細胞等的數(shù)量來刺激免疫功能，從而提高對癌癥、傳染病和寄生蟲病的抵抗力，并增加生物療法及其預(yù)防能力。

(3)抗氧化性能

戊聚糖由于其分子結(jié)構(gòu)中存在酚類基團而具有一定的抗氧化性能。戊聚糖能夠在氧化還原反應(yīng)過程中同時提供電子和氫原子。阿魏酸含量、木糖替代程度、膳食來源和代謝方式對其抗氧化潛力有很大影響。酯化阿魏酸含量較高、取代度較高的阿拉伯木聚糖寡糖是較好的抗氧化劑。由于這種抗氧化潛力，阿拉伯木聚糖降低了結(jié)直腸癌和糖尿病的風險。其發(fā)揮這些保健作用可能需要2個步驟：(1)可水提取的戊聚糖在通過胃腸道時提供電子或氫原子，以中和飲食中的自由基(與慢性疾病的發(fā)生和/或發(fā)展有關(guān))；(2)戊聚糖非競爭性地抑制腸道α-葡萄糖苷酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白，從而降低餐后血糖水平。阿魏酸和阿魏?；⒗揪厶菃?寡糖有可能用于糖尿病的治療。添加到小麥面包中的戊聚糖可以對II型糖尿病的血糖控制產(chǎn)生有益的影響。β-葡聚糖的抗氧化能力表現(xiàn)在其參與了葡萄糖調(diào)節(jié)，從而降低了人類的血清膽固醇水平。

(4)抗糖尿病作用

戊聚糖對人體FDA中膽固醇水平和血糖指數(shù)有顯著影響，但其作用方式尚不清楚。這可能是由于其良好的流變特性，即高黏度和可溶性。此外，黏性物質(zhì)會減慢胃排空速度，降低小腸運動，從而導致葡萄糖吸收延遲。谷類β-葡聚糖通過降低血糖和胰島素水平，在預(yù)防、治療和控制糖尿病方面有效，其降低血糖、胰島素水平的能力與谷類β-葡聚糖產(chǎn)生的黏度呈線性關(guān)系。

(5)預(yù)防心血管疾病

研究表明，戊聚糖具有心臟保護作用，它降低了心血管疾病、癌癥、糖尿病、呼吸系統(tǒng)疾病和感染的發(fā)生率和死亡率。β-葡聚糖通過降低血液膽固醇達到降低冠心病、結(jié)直腸癌和肥胖的風險?？偰懝檀己偷兔芏戎鞍啄懝檀妓缴弑徽J為是心血管疾病的主要危險因素。β-葡聚糖具有降低總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、改善高密度脂蛋白膽固醇和血脂水平以及保持體重的能力。這反過來又降低了心血管疾病的風險。

2 谷物非淀粉多糖的提取和分離純化

2.1 NSP提取方法

目前，谷物中非淀粉多糖的提取方法主要有水提法、堿提法、酶法提取等，微波和超聲等輔助提取法及超臨界流體萃取法等是近些年新興起來的一些提取方法。各種提取方法及提取效果的研究見表2。

水提法是提取NSP普遍使用的一種方法，用水來提取NSP時，可以用熱水也可用冷水浸提，然后將提取液濃縮后，再在濃縮液中加乙醇，利用其不溶于乙醇的性質(zhì)，使其沉淀出來。熱水提取NSP的原理是其在熱水中的溶解度更大。NSP在熱水中是穩(wěn)定的，通常的做法是用熱水提取2～6 h。此法應(yīng)用廣泛、易操作，但比較耗時，而且一些多糖不溶于熱水。

堿提法一般與水提法結(jié)合使用。一些酸性或高分子質(zhì)量NSP不易溶于熱水而易溶于稀堿溶液。因此，常用一定濃度的NaON溶液或Na2CO3液代替熱水進行NSP提取。谷物中的大多數(shù)NSP一般是首先用熱水提取，然后用稀堿溶液提取殘渣中的剩余NSP。該法優(yōu)點是可以提取一些酸性多糖，但提取溫度應(yīng)保持在10 ℃以下。

酶法提取是在比較溫和的條件下分解植物組織，加速NSP的釋放。常用的酶有蛋白酶，果膠酶和纖維素酶等。谷物原料粉碎后懸浮在水中，根據(jù)復(fù)合酶的最佳反應(yīng)條件，設(shè)定最佳溫度和酸堿度，反應(yīng)一段時間。一般常用酶-水相結(jié)合的方法，這樣可以大幅度提高NSP的產(chǎn)量。此法優(yōu)點是反應(yīng)條件溫和，但很少單獨使用，通常與其他提取方法結(jié)合。

微波提取的原理是微射線輻射于溶劑并透過細胞壁到達細胞內(nèi)部，溶劑和細胞液吸收微波能，使細胞內(nèi)部溫度升高，壓力增大，當壓力超過細胞壁承受能力時，細胞壁會破裂，位于細胞內(nèi)的有效成份釋放出來，轉(zhuǎn)移到溶劑周圍被其溶解。此法選擇性好、提取時間短、節(jié)省能源和溶劑，但是不利于工業(yè)化大生產(chǎn)。

超聲波和超臨界流體提取是一種新興的分離技術(shù)，還未大規(guī)模使用。除此之外，還有一些方法由于成本高、產(chǎn)量低而不常被采用。例如，堿性金屬鹽的一些有機溶劑、2-甲氧基乙醇-氯化鋰或酸性水溶液等也曾用來提取谷物非淀粉多糖。超聲波提取效率高、時間短、耗能低，但需要控制超聲波的功率和時間，這樣可以降低對多糖分子結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2 NSP純化分級

谷物非淀粉多糖經(jīng)初步提取后得到的是多糖粗提物，其中的蛋白質(zhì)、淀粉、脂質(zhì)和色素等雜質(zhì)可能會干擾多糖成分和結(jié)構(gòu)分析，因此，在進行NSP的特性研究之前應(yīng)先純化其粗提物。在大多數(shù)情況下，純化步驟通常涉及淀粉水解和脫蛋白以提高提取的NSP的純度。常用Sevage法、三氯乙酸法、等電點法、鹽酸法、生物酶法等去除蛋白質(zhì)；α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的酶水解去除淀粉；用吸附劑(硅藻土、纖維素、活性炭等)、氧化劑(H2O2)和離子交換柱[二乙胺乙基-纖維素(diethylaminoethyl-纖維素，DEAE-纖維素)]等脫除色素。不同來源多糖純化方法見表3。

NSP的分離和純化很難完全分開進行，因為有時分離方法中已經(jīng)包含了純化，有時純化也包含分離。NSP純化分級方法主要有沉淀法、透析法、膜分離法、柱層析法和電滲析法等，目前多采用 DEAE-凝膠或其他不同類型的凝膠柱層析，或者離子交換色譜法。

表2 谷物非淀粉多糖的提取方法及提取效果Table 2 Extraction methods and effects of non-starch polysaccharides

表3 不同來源多糖純化方法Table 3 Purification methods of polysaccharides from different sources

2.2.1 沉淀法

沉淀法包括分級沉淀法、季銨鹽沉淀法和金屬鹽沉淀法等。

分級沉淀法的原理是NSP在不同濃度乙醇和丙酮中的溶解性不同，通過改變乙醇或丙酮的濃度使不同分子質(zhì)量的NSP組分分級沉淀。謝昊宇等[38]采用堿提醇沉法提取青稞麩皮β-葡聚糖，再通過硫酸銨沉淀、陰離子交換和凝膠層析法對其逐步純化， 得到94.91%的總糖含量和96.88%的β-葡聚糖含量。分級沉淀法是常用的多糖純化方法，此法操作簡單，但不易獲得均勻組分的多糖。

季胺鹽法的原理是是根據(jù)長鏈季胺鹽與酸性多糖成不溶性鹽而沉淀出來。常用季銨鹽有十六烷基三甲基季銨鹽的氫氧化物、溴化物以及十六烷基吡啶。此法選擇性好，常用于純化酸性多糖和中性高分子質(zhì)量多糖，但需要精確調(diào)節(jié)和控制溶液的離子強度和pH值。

金屬鹽沉淀法的原理是根據(jù)不同NSP組分在一定濃度的鹽溶液中具有不同的溶解性，通過離心沉淀將不同多糖組分分開以達到純化分離的目的。該方法成本低，效率低，易形成共沉淀。常用的鹽析劑有氯化鈉、氯化鉀和硫酸銨等，其中硫酸銨的應(yīng)用最為廣泛。袁建等[39]采用硫酸銨沉淀法、陰離子交換柱層析法和凝膠過濾層析法對小麥麩皮β-葡聚糖的粗提物進行純化，得到純度高于97%的組分。

2.2.2 柱層析法

柱層析法主要有凝膠柱層析和離子交換柱層析。前者是利用不同濃度的鹽溶液和緩沖液作洗脫劑將不同分子質(zhì)量的多糖分開。后者是根據(jù)多糖分子的電離性質(zhì)和電荷密度不同，與交換介質(zhì)的親和力也不同，從而使多糖得到分離。常用的離子交換劑有纖維素類、樹脂類和葡聚糖類。張峰[40]對提取的青稞β-葡聚糖先進行硫酸銨分級沉淀,后進行乙醇醇析,得到純度為88.7%的β-葡聚糖,再經(jīng)DEAE-52纖維素柱層析和葡聚糖凝膠G-100凝膠柱層析得到1種均一分子質(zhì)量的β-葡聚糖。SAVITHA PRASHANTH等[41]采用 DEAE-纖維素離子交換層析柱純化提取的小米糠中阿拉伯木聚糖組分，用碳酸銨洗脫，再經(jīng)凝膠過濾層析得到不同組分。

2.2.3 膜分離法

膜分離是近年來發(fā)展起來的一種超濾分離技術(shù)，是用己知的超濾膜分離不同分子質(zhì)量大小的多糖組分。該方法不需要經(jīng)過加熱和化學物質(zhì)處理，不僅操作簡單、能耗少、無污染，而且提取多糖的效率和含量也高，因而得到廣泛的應(yīng)用。目前所用的超濾膜有聚砜酰胺膜、醋酸纖維素膜等。RAI等[42]研究表明，超濾分離顆粒的允許粒度范圍高于多糖的粒度范圍，因此采用膜分離技術(shù)可截留不同分子質(zhì)量的β-葡聚糖。嚴汪汪等[32]用沉淀蛋白-超濾法回收小麥淀粉加工廢水中的戊聚糖，超過91.96%的戊聚糖被截留，從而達到單獨分離回收的目的。

2.2.4 其他方法

其他離純化方法，還包括制備區(qū)電泳法、親和層析法和超速離心法等。制備區(qū)電泳法是利用多糖分子質(zhì)量、形狀及電荷不同而在電場作用下達到分離目的的，其分離效果較好，但耗時長，凈化能力小，僅用于半微量制劑。親和層析法原理是某些特定的多糖能與特定的分子可逆結(jié)合，這2個特定的分子結(jié)合后也能離解，利用這種特性，多糖可以通過結(jié)合離解過程提純。另外，在對谷物非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等研究中，也會采用離子交換、凍融分級和超速離心等方法對其進行進一步純化，以得到高純度的多糖。超速離心法效果好，但對設(shè)備要求高，主要用于多糖的半微量制備。

3 NSP的分析鑒定

3.1 含量測定和純度鑒定方法

目前測定谷物中 NSP 含量的方法主要有色譜法和比色法等，戊聚糖、β-葡聚糖是研究較多的谷物非淀粉多糖，此2種多糖的含量可采用相同方法，但根據(jù)其特性不同各自具體的測定方法如下。

(1)戊聚糖的測定

測定谷物及其產(chǎn)品中戊聚糖含量的方法主要有以下幾種，見表4。目前，較常用的方法是地衣酚或間苯三酚比色法，此法快速方便，已被農(nóng)業(yè)部列為標準的檢測方法。

表4 谷物戊聚糖含量測定方法Table 4 Method for determination of pentosan in cereals

(2)β-葡聚糖的測定

谷物中β-葡聚糖含量的測定方法有以下幾種，見表5[43]。另外，也有研究表明，近紅外反射光譜法有潛力作為一種快速分析谷物籽粒中重要的營養(yǎng)多糖的方法，近紅外光譜法可用于植物育種、營養(yǎng)和產(chǎn)品研究，以獲得簡單快速的非淀粉多糖含量估計。這種分析方法快速、廉價，但是這是一種依賴于樣品光譜多元校正和精確參考分析的比較技術(shù)。

表5 谷物 β-葡聚糖含量測定方法Table 5 Method for determination of beta-glucan in cereals

谷物非淀粉多糖一般是一定分子質(zhì)量范圍的均一多糖組分。因此，如果對谷物非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)進行測定分析，具有較好的純度是結(jié)構(gòu)測定分析的必要前提。純度鑒定的常用方法主要有：超速離心法、高壓電泳法、凝膠色譜法、紙層析法、比旋光度法、光譜掃描法和高效液相色譜法等。其中，目前應(yīng)用較多也最準確的方法的是高效液相色譜法和凝膠色譜法。

3.2 分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)分析的研究

谷物非淀粉多糖的很多活性與其分子質(zhì)量有關(guān)，因此，其分子質(zhì)量的測定對研究多糖的性質(zhì)尤為重要。

過去常用超速離心沉降法、光散射法、滲透壓法、黏度法等，這些方法操作復(fù)雜且誤差較大，現(xiàn)已較少使用?，F(xiàn)在較常用的方法有凝膠過濾法和高效凝膠色譜法，這2種方法須先用已知分子質(zhì)量的標準多糖對照測定樣品的分子質(zhì)量。

NSP結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前，對谷物非淀粉多糖結(jié)構(gòu)的研究方法主要包括化學分析法和物理分析法。化學分析法包括高碘酸氧化、部分或完全酸水解、Smith降解和甲基化分析等。利用Smith降解和高碘酸氧化分析糖苷鍵位置、直鏈多糖聚合度和支鏈多糖分支數(shù)目等信息。甲基化分析法通常與質(zhì)譜分析法結(jié)合使用，分析分支鏈點位置、羥基被取代位置以及重復(fù)結(jié)構(gòu)中單糖數(shù)目等信息。物理分析法主要是通過精密儀器來分析多糖的結(jié)構(gòu)信息，如核磁共振儀、高效液相色譜儀、紅外光譜儀、氣相色譜儀以及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和質(zhì)譜儀等。核磁共振儀用來研究確定糖苷殘基的α-構(gòu)型與β-構(gòu)型殘基的比例，判斷異頭碳的構(gòu)型，推斷主鏈和支鏈連接鍵型。高效液相排阻色譜來確定單糖組分和相對分子質(zhì)量分布。用高效液相色譜法或氣相色譜法測定水解后多糖的單糖組成，來研究確定單糖的種類及摩爾比。紅外光譜來測定多糖的官能團，研究吡喃糖環(huán)或呋喃糖環(huán)的構(gòu)象以及糖苷鍵的構(gòu)型。

不同種類谷物中非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)類似，但其不同組分的分子質(zhì)量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定差異性。目前已證實大麥β-葡聚糖是由線性β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的，不存在連續(xù)的β-(1→3)糖苷鍵[44]。IRAKLI等[45]利用13C NMR光譜和高效陰離子交換色譜研究了青稞β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明，來自所有大麥品種的β-葡聚糖均由纖維三糖和纖維四糖單元組成，占釋放低聚物總量的90.6%～92.3%，這些單元的摩爾比例為2.31～2.77。REVANAPPA等[46]通過甲基化分析、13C-核磁共振、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析、高碘酸鹽氧化、Smith降解和旋光測量等方法相結(jié)合來闡明小麥阿拉伯木聚糖的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明，β-(1→4)鍵上有1個木聚糖主鏈，在O-3或O-2和O-3處被取代，另外，在阿拉伯木聚糖中還觀察到完全分枝的木糖基殘基。DE ARCANGELI等[47]將大麥β-葡聚糖分離物與地衣酶反應(yīng)，釋放的低聚物用高效陰離子交換色譜結(jié)合脈沖安培檢測進行分析，結(jié)果表明，水和堿可提取β-葡聚糖和殘基組分中的3-O-β- 纖維三糖基 -D- 葡萄糖與3-O-β-纖維四糖-D-葡萄糖的比例較高，表明該大麥的β-葡聚糖結(jié)構(gòu)更緊密。

此外，一些顯微技術(shù)包括射線衍射、掃描電鏡、原子力顯微鏡、靜態(tài)和動態(tài)激光光散射等也可用于直接觀察多糖結(jié)構(gòu)。由于每種分析方法都有其局限性，無法單獨完成多糖結(jié)構(gòu)的解析，需要采用多種方法相結(jié)合，各種方法分析結(jié)果相互驗證和補充，從而才能得到完整的谷物非淀粉多糖結(jié)構(gòu)信息。

4 結(jié)論

近年來，越來越多的研究表明，谷物非淀粉多糖具有復(fù)雜的生物學活性和多種功能，特別是對機體免疫功能有顯著的影響。NSP具有降低膽固醇，調(diào)節(jié)血糖水平，促進腸道蠕動等人體營養(yǎng)保健功能，由于其重要的生理功能特性，受到人們越來越多的關(guān)注。目前，NSP已成為天然藥物和保健品研發(fā)的重要組成部分。

隨著NSP提取、分離純化和分析鑒定技術(shù)的飛速發(fā)展，其提取、分離純化效果日益提高，許多高級的分析手段被用于分析多糖的結(jié)構(gòu)。但非淀粉多糖的分離純化非常復(fù)雜，很難獲得均一組分的多糖組分，這是阻礙多糖研究發(fā)展的主要因素之一。分離純化多糖的方法和途徑很多，研究者必須根據(jù)所研究的多糖的特性，選擇合適的分離純化方法。另外，目前還沒有一種能夠有效分析多糖結(jié)構(gòu)的方法，應(yīng)將多種分析方法結(jié)合使用來研究多糖結(jié)構(gòu)。因此，未來的發(fā)展應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步改善提取和分離純化工藝，以得到較高純度的均一多糖組分，同時對谷物非淀粉多糖不同組分的分子結(jié)構(gòu)和功能特性進行深入研究，為進一步開發(fā)谷物非淀粉多糖功能性產(chǎn)品，加大非淀粉多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論參考。