青稞β-葡聚糖超聲輔助提取工藝優(yōu)化

鄧愛(ài)華，楊品紅，劉也嘉，張 婷，羅惠媚

（湖南文理學(xué)院 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 常德 415000）

近年來(lái)，公眾對(duì)全谷物營(yíng)養(yǎng)健康食品越來(lái)越關(guān)注，基于美國(guó)和歐盟對(duì)β-葡聚糖功效的健康研究報(bào)告，富含β-葡聚糖的青稞類(lèi)食品相關(guān)研究的深度和廣度不斷拓展，而β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值影響其在面制品、乳品、飲料、肉制品和休閑食品中的應(yīng)用，為此，β-葡聚糖的提取工藝及穩(wěn)定性研究是青稞開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。β-葡聚糖在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下，淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變性，從而影響其用途[3-4]。超聲輔助溶劑提取法相比于微波提取等兼具提取時(shí)間短、溫度低和效率高的特點(diǎn)，能有效保證產(chǎn)品品質(zhì)。本研究通過(guò)響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化超聲波輔助溶劑提取青稞中的β-葡聚糖工藝參數(shù)，以期為β-葡聚糖在食品工業(yè)中的深度應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黑青稞：西藏自治區(qū)隆子縣黑青稞種植專(zhuān)業(yè)合作社；β-葡聚糖（純度99.8%）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醇、氫氧化鈉、苯酚、濃硫酸（均為分析純）：湖南匯虹試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

ZLGJ-10型真空冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠；JR-600型高速多功能粉碎機(jī)：永康市云達(dá)機(jī)械設(shè)備廠；EL104型電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；KQ5200E型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；TG16-WS型臺(tái)式高速離心機(jī)：常州金壇良友儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1β-葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

參考文獻(xiàn)[5—6]方法，進(jìn)行調(diào)整。精確稱(chēng)取β-葡聚糖52 mg用純凈水溶解，用250 mL容量瓶定容。分別吸取0.2、0.4、0.6、0.8、l.0 mL到玻璃試管中，加純水補(bǔ)至2.0 mL，然后緩慢加入6%苯酚1.0 mL及濃硫酸5.0 mL，混勻后靜止20 min，在波長(zhǎng)490 nm處測(cè)定吸光度值；以純凈水按上述顯色操作做空白對(duì)照，β-葡聚糖質(zhì)量濃度（μg/mL）為X軸，吸光度值為Y軸，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并擬合方程（Y= 0.060 9X- 0.090 2，R2=0.999 8）。

1.3.2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

取5份脫脂后的青稞粉各10 g，按一定的固液比加入一定pH值的水溶液，固定超聲功率240 W，頻率40 kHz，考察固液比（1:10、1:15、1:20、1:25、1:30）、pH值（7、8、9、10、11）、超聲溫度（20、35、50、65、80 ℃）和超聲時(shí)間（10、20、30、40、50 min）對(duì)提取率的影響，然后在4 000 r/min下離心10 min，取上清液檢測(cè)β-葡聚糖含量。單因素實(shí)驗(yàn)時(shí)，固定的參數(shù)為固液比1:20（g/mL）、pH值9.0、超聲溫度35 ℃、超聲時(shí)間20 min。

1.3.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于單因素實(shí)驗(yàn)下各因素的影響規(guī)律，在固液比1 : 20（g/mL）和超聲功率240 W條件下，以超聲溫度（A）、超聲時(shí)間（B）、溶液pH值（C）為自變量，β-葡聚糖提取率（Y）為因變量，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)方案[7]。實(shí)驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素與水平

1.3.4β-葡聚糖提取率計(jì)算

將提取液稀釋后微孔過(guò)濾，參照上述1.3.1方法測(cè)吸光度值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計(jì)算β-葡聚糖含量，根據(jù)式（1）計(jì)算β-葡聚糖提取率（Y）。

式中：Y為β-葡聚糖提取率，%；M1為提取的青稞β-葡聚糖質(zhì)量，g；M為干燥青稞粉質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 固液比對(duì)β-葡聚糖提取率的影響

如圖1所示，隨著提取溶劑比例的增大，β-葡聚糖提取率不斷增加；當(dāng)固液比達(dá)到1 : 20（g/mL）時(shí)，趨勢(shì)明顯變緩。增加溶劑比例有利于β-葡聚糖的溶出，提取率增大，但也會(huì)導(dǎo)致單位體積的超聲功率減弱，從而使提取率增加不明顯。因此，合適的固液比在1 : 20（g/mL）左右。

圖1 固液比對(duì)β-葡聚糖提取率的影響

2.1.2 溶液pH值對(duì)β-葡聚糖提取率的影響

如圖2所示，β-葡聚糖得率隨pH值的增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在溶液pH為10.0時(shí)最大值，可能是隨堿性的增加，β-葡聚糖溶解度增大，但溶液堿性過(guò)強(qiáng)，會(huì)破壞多糖的空間結(jié)構(gòu)及活性[8]。因此，合適的pH值為10.0左右。

圖2 溶液pH對(duì)β-葡聚糖得率的影響

2.1.3 超聲時(shí)間對(duì)β-葡聚糖提取率的影響

如圖3所示，超聲作用下，β-葡聚糖能夠快速溶出，在20 min時(shí)得率達(dá)到最大；如進(jìn)一步延長(zhǎng)提取時(shí)間，一方面會(huì)導(dǎo)致β-葡聚糖發(fā)生降解，另外一方面會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)溶出。有研究[9]表明，持續(xù)超聲對(duì)多糖的一級(jí)結(jié)構(gòu)有一定的影響，大分子鏈會(huì)降解成小分子片段，從而影響提取率。因此，合適的超聲時(shí)間為20 min左右。

圖3 超聲時(shí)間對(duì)β-葡聚糖得率的影響

2.1.4 超聲溫度對(duì)β-葡聚糖提取率的影響

如圖4所示，β-葡聚糖得率隨超聲溫度的增加先增加后減小，當(dāng)超聲溫度為65 ℃時(shí)β-葡聚糖得率最大。這由于溫度會(huì)影響β-葡聚糖在溶液中的傳質(zhì)效果和穩(wěn)定性，合適的溫度既能提高β-葡聚糖的溶出度，又能保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[10]，有利于提取的進(jìn)行。因此，合適的超聲溫度為65 ℃左右。

圖4 超聲溫度對(duì)β-葡聚糖得率的影響

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.2 回歸模型的建立與分析

將表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入Design Expert 8.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析，得β-葡聚糖提取率與各變量的響應(yīng)面回歸數(shù)學(xué)模型：

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表3方差分析結(jié)果表明，該回歸模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明模型可靠；說(shuō)明模型與實(shí)驗(yàn)值擬合較好；由F值可知，各因素對(duì)提取率影響大小依次為：溶液pH值（C）＞超聲溫度（A）＞超聲時(shí)間（B）；一次項(xiàng)C、交互項(xiàng)AC和二次項(xiàng)A2、B2、C2對(duì)提取率的影響非常顯著（P＜0.001）；一次項(xiàng)A、交互項(xiàng)AB、BC對(duì)提取率的影響極顯著（P＜0.01），說(shuō)明超聲溫度、超聲時(shí)間和提取液pH值兩兩交互作用對(duì)β-葡聚糖得率影響極顯著。

表3 響應(yīng)面回歸模型方差分析

2.2.3 交互作用分析

各因素兩兩交互作用對(duì)提取率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖見(jiàn)圖5～圖7。對(duì)比曲面陡峭程度，發(fā)現(xiàn)超聲溫度（A）與pH值（C）之間存在非常顯著的交互作用，超聲溫度（A）與超聲時(shí)間（B）、超聲時(shí)間（B）與pH值（C）之間存在顯著的交互作用，與方差分析結(jié)果一致。

圖5 超聲溫度與超聲時(shí)間交互作用的響應(yīng)面與等高線

圖7 超聲時(shí)間與pH值交互作用的響應(yīng)面和等高線

2.2.4 最佳提取工藝條件確定

利用Design Expert 8.0軟件由所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)最優(yōu)分析，得出最佳萃取工藝條件為超聲溫度60.68 ℃、超聲時(shí)間21.32 min、pH 9.37，β-葡聚糖提取率為2.21%?？紤]到實(shí)際操作的方便，選取調(diào)整后的最優(yōu)參數(shù)為超聲溫度60 ℃、超聲時(shí)間20 min、pH 9.5，預(yù)測(cè)提取率為2.11%，在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，平均得率為（2.13±0.053）%，與預(yù)測(cè)值無(wú)顯著性差異（P＞0.05），說(shuō)明模型可靠。

3 結(jié) 論

超聲輔助溶劑法提取青稞中β-葡聚糖最佳工藝參數(shù)為固液比1 : 20（g/mL）、超聲功率240 W、超聲溫度60 ℃、超聲時(shí)間20 min、pH值9.5，提取率為2.13%。為了進(jìn)一步拓展β-葡聚糖在提高免疫力、抗腫瘤等保健產(chǎn)品和增稠劑、穩(wěn)定劑等食品添加劑方面的應(yīng)用，可以開(kāi)展穩(wěn)定性及改性方面的研究。

圖6 超聲溫度與pH值交互作用的響應(yīng)面和等高線