亞麻籽膠超聲輔助提取條件優化及其熱穩定性研究

任雪嬌

1.錦州醫科大學食品與健康學院（錦州 121000）；2.沈陽農業大學食品學院（沈陽 110866）

近年來，食物中的水溶性膠體尤其是植物中的多糖受到食品和藥物科學家的關注[1]。亞麻籽膠作為亞麻籽油生產的副產品，主要存在于亞麻籽的最外層，浸泡在水中很容易被溶解[2]，占種子干重的2%～10%[3]，是從完全干燥的亞麻籽種子中提取的多糖黏液。亞麻籽膠是一種異質多糖，由75%的中性阿拉伯木聚糖和25%的鼠李糖半乳糖醛酸組成。亞麻籽膠水溶液因其功能性質而倍受關注[4]，在食品工業中可作為增稠劑、穩定劑和乳化劑，同時亞麻籽膠還具備良好的保水保油、流變特性和凝膠性。

目前，主要的多糖提取工藝有熱水浸提、微波輔助提取[5]、超聲輔助提取[6]以及酶輔助提取[7]。除此之外，人們又開發了多種新工藝，包括超臨界提取[8]、離子液體提取[9]、超高壓提取[10]、快速溶劑萃取和亞臨界水提取[8]等。不同的提取方法會影響多糖的提取率，甚至會影響多糖的結構以及功能性質。其中，熱水浸提是多糖提取中的一種傳統提取方法，具有設備簡單、操作容易、成本較低等優點，但同時也有諸多弊端，如提取時間長、溫度高、效率低等。超聲輔助提取主要是利用超聲波的空化作用，由于機械和熱效應進而破壞植物細胞壁，從而促進多糖的溶出和擴散，提高多糖提取率，也是目前在多糖提取中應用較為廣泛的一種工藝。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

亞麻籽膠（內蒙古烏蘭察布興和縣）；95%乙醇（國藥集團化學試劑有限公司）；1, 1-二苯基-2-苦基肼（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；2, 2’-連氮基-雙-（3-乙基苯并二氫噻唑啉-6-磺酸）二銨鹽（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；過硫酸鉀（國藥集團化學試劑有限公司）；6-羥基-2, 5, 7, 8-四甲基色烷-2-羧酸（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 儀器與設備

KQ-300GDV超聲波清洗器（昆山市超聲波儀器廠）；MCR92流變儀（奧地利安東帕有限公司）；BRT-11J烘烤箱（廣州展桌商用設備制造有限公司）；101-E型電熱鼓風干燥箱（北京市永光明醫療儀器廠）；TA-XT Plus型物性測試儀（英國Stable Micro System公司）；DH3600Ⅱ型電熱恒溫培養箱（天津市泰斯特儀器有限公司）；N-1001型旋轉蒸發儀（上海愛朗儀器有限公司）；Zeiss Sigma 500場發射掃描電子顯微鏡（德國蔡司公司）；Nicolet iS5 FT-IR傅里葉紅外光譜儀（賽默飛世爾科技公司）；D8Advance XRD衍射儀（德國布魯克光譜儀器公司）；STA409PC熱分析儀、DSC404F3差示熱量掃描儀（德國耐馳儀器制造有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 熱水浸提亞麻籽膠的提取

稱取100 g完整的亞麻籽于燒杯中，按料液比1∶15（g/mL）加入蒸餾水，在80 ℃的水浴中連續攪拌2 h，溶液以5 000 r/min離心15 min，在上清液中加入3倍體積95%的乙醇，浸泡過夜，離心（5 000 r/min，15 min）所得沉淀在50 ℃烘干，記為HWE[11]。

1.3.2 超聲波輔助提取亞麻籽膠條件優化

1.3.2.1 單因素試驗

考察超聲溫度（40，50，60，70和80 ℃）、超聲時間（20，30，40，50和60 min）和超聲功率（180，210，240，270和300 W）對亞麻籽膠提取率的影響。單因素試驗時，其他因素水平選擇：超聲溫度60 ℃、超聲時間20 min、超聲功率240 W。稱取100 g完整的亞麻籽于燒杯中，按料液比1∶15（g/mL）加入蒸餾水，在60 ℃的超聲波清洗器中，以240 W連續處理30 min，溶液以5 000 r/min離心15 min，在上清液中加入3倍體積95%的乙醇，浸泡過夜，離心（5 000 r/min，15 min）所得沉淀在50 ℃烘干，記為UAE。

1.3.2.2 響應面試驗設計

在單因素試驗結果，對超聲溫度、超聲時間和超聲功率各選取三個水平，應用Design Expert軟件，以UAE提取率為響應值，利用響應面分析法，得到UAE提取的最佳工藝參數。其水平因素表如表1所示。試驗共17組，中心點有5次重復試驗。

表1 超聲波提取法Box-Behnken試驗因素水平表

1.3.3 UAE提取率計算

UAE的提取率按照式（1）計算[12]。

式中：Wg為提取獲得UAE的質量，g；Ws為用于提取的亞麻籽的質量，g。

1.3.4 熱力學特性分析

取5.0 mg亞麻籽膠樣品，使用熱重分析儀在氮氣環境中進行TG測量，其中加熱速率為10 ℃/min，溫度范圍為30～800 ℃。在鋁樣品盤中稱取5.0 mg亞麻籽膠，使用差示掃描熱量儀進行DSC測量，用空鋁盤作參考。所有DSC測量均以10 ℃/min的加熱速率，使用以流速50 mL/min的氮氣作為吹入氣體進行，在30～400 ℃的范圍內分析不同樣品的熱流變化[13]。

1.3.5 數據分析

采用SPSS 23.0數據分析軟件進行變化顯著性分析，使用Origin軟件對數據進行統計分析并繪制圖表，使用Design Expert 8.0.6進行響應面分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 超聲溫度對UAE提取率的影響

超聲溫度對UAE提取率的影響如圖1所示。從40℃升溫到60 ℃的過程中，隨著溫度的增加，UAE的提取率顯著增加（P＜0.05），并在60 ℃達到最大值。分析其原因，主要是隨著溫度的升高，細胞破壞程度加大，亞麻籽中組織結構變疏松，有利于親水性UAE的溶解和釋放。但當溫度高于60 ℃時，UAE的提取率隨溫度升高反而出現緩慢下降的趨勢，其原因主要是在溫度較高的條件下多糖會發生降解，影響了UAE的提取率。

圖1 超聲溫度對UAE提取率的影響

2.1.2 超聲時間對UAE提取率的影響

超聲時間對UAE提取率的影響如圖2所示。隨著超聲時間從10 min增加到30 min，UAE提取率從6.74%顯著上升到9.12%（P＜0.05），并且在超聲時間30 min時，達到最大值，之后隨著時間的延長，提取率呈現緩慢下降趨勢。分析其原因，可能是時間短，超聲波對細胞壁的破壞較小，亞麻籽膠釋放得少，隨著時間的延長，超聲波產生的空化作用增強，促進了物質的釋放。然而過長時間的提取，反而造成提取率下降，一方面是由于隨著時間的增長，遭到破壞的細胞壁等不溶性物質懸浮在水中，使溶劑的滲透性下降，另一方面是由于超聲波的機械作用使UAE中的多糖部分降解。

圖2 提取時間對亞麻籽膠提取率的影響

2.1.3 超聲功率對UAE提取率的影響

超聲功率對UAE提取率的影響如圖3所示。超聲功率從180 W到240 W的過程中，提取率從6.24%增加到9.18%（P＜0.05），在240 W時達到最大值。當超聲功率超過240 W時，提取率反而呈下降趨勢。分析其原因，可能是超聲波功率過高，會產生較大的空化作用，對UAE的結構造成破壞，導致大部分多糖降解，提取率下降。

圖3 超聲功率對亞麻籽膠提取率的影響

2.2 超聲波輔助提取法響應面優化

2.2.1 回歸模型的建立

利用Design Expert軟件對表1中的數據進行多元回歸擬合，得到UAE提取率和提取時間（A）、超聲功率（B）和提取溫度（C）的二次多項回歸方程：Y=9.15+0.14A+0.28B+0.16C+0.082AB-0.085AC-0.18BC-0.26A2-0.77B2-0.32C2。

2.2.2 模型擬合和試驗數據分析不同參數下UAE的提取率見表2。UAE的提取率在7.42%～9.23%范圍內。試驗數據符合基于方差分析的二元模型，響應面的方差分析見表3。模型F值為111.99，P值＜0.000 1，表明該模型具有顯著性差異。失擬項F值為0.27，P值為0.843 4＞0.05，表現為不顯著，說明該模型合適。模型的相關系數R2為0.993 1，修正系數Radj2為0.984 2，表明該試驗過程中僅有不到1.58%的變化不能用該擬合模型來解釋。兩個值均接近1，說明試驗值與預測值有高度相關性。P值可以檢測每個因素對響應值影響的顯著性。試驗中，A（P=0.000 7）、B（P＜0.000 1）、C（P=0.000 3）、BC（P=0.001 2）、A2（P＜0.000 1）、B2（P＜0.000 1）、C2（P＜0.000 1）對UAE提取率額影響均為極顯著（P＜0.01），AB（P=0.044 8）、AC（P=0.040 2）對UAE提取率的影響為顯著（P＜0.05）。在3個因素對UAE提取率的影響中，超聲功率的影響是最大的，其次是超聲溫度，超聲時間的影響最小。由此可見，該模型能較好地描述各因素之間的關系，也能優化UAE的提取工藝。

表2 試驗設計及結果

表3 方差分析和參數顯著性檢驗

2.2.3 響應曲線和等高線分析

超聲時間、超聲溫度和超聲功率對亞麻籽膠提取率的二維等高線（圖4 a，c和e）以及三維響應面圖形（圖4 b，d和f）表明3個因素對亞麻籽膠的提取率的影響存在交互作用，且影響均顯著（P＜0.05）。隨著超聲時間的延長、超聲功率的增大和超聲溫度的升高，亞麻籽膠的提取率會逐漸增加，達到最高值后緩慢下降，可能是由于較長的時間以及較高的溫度會引起多糖的降解，另外較高的超聲功率會引起空化效應，破壞細胞壁結構，加速多糖的降解。

2.2.4 提取參數優化及模型驗證

通過模型預測的最佳提取條件為超聲時間32.68 min、超聲功率245.29 W、超聲溫度61.59 ℃，在此條件下，預測的亞麻籽膠最大提取率為9.21%。實際提取條件為超聲時間32 min、超聲功率245 W、超聲溫度62 ℃。經過3次平行試驗，亞麻籽膠的平均提取率為9.18%±0.12，達到預測值的99.57%，表明利用該模型來優化亞麻籽膠的提取率是可行的。這一提取率要高于預試驗利用熱水浸提方式制備的亞麻籽膠（7.30%±0.18）。Safdar等[12]在功率500 W、頻率22 kHz、振幅50%的條件下，使用直徑為13 mm的探針在不同時間間隔（10，15，10，25，20和30 min）進行超聲處理，得到結論：隨著超聲時間的增加，提取率從5.41%增加到7.84%，且在30 min達到最大值，與此次試驗的結論相一致，但此次試驗對于亞麻籽膠的提取率要高于Safdar等[12]，說明在前人試驗基礎上，該方法可以有效提高亞麻籽膠的提取率，是一種高效的提取方法。

2.3 熱力學特性分析

熱重分析法（TG）和差示掃描量熱法（DSC）是對不同生物聚合物，尤其是多糖的熱穩定性進行的兩種常見分析方法[14-15]。亞麻籽膠的TG分析如圖5所示。在低于100 ℃的溫度下，亞麻膠中約有10%的質量損失，這可能是由于亞麻籽膠是親水性膠體，而膠體中游離水在此溫度蒸發，Alpizar-Reyes等[16]在羅望子膠種子粉末的研究中已得到相似的結論。可以看出，UAE的水分含量略低于HWE。在200 ℃的溫度范圍內，觀察到亞麻籽膠質量緩慢而穩定地下降，超過此溫度，亞麻籽膠的質量急劇下降至400 ℃，由于亞麻籽膠受熱分解導致質量的快速損失，熱降解首先發生在半乳糖醛酸鏈，糖苷鍵斷裂，隨后羧酸基團在環上發生脫羧反應，同時生物聚合物大分子序列分解也會導致亞麻籽膠的分解。當溫度高于400 ℃時，質量損失緩慢，可能是隨著溫度的升高，含脂肪基和酮基的固體炭接枝多環芳香烴的結構會被破壞并緊密堆積[17]。

差示掃描量熱法（DSC）用于測量亞麻籽膠隨溫度升高發生的吸熱或放熱轉變，結果如圖5所示。不同提取方式HWE和UAE所得的亞麻籽膠均既有吸熱的轉變，也有放熱的轉變。可以觀察到HWE和UAE各有一個吸熱峰值出現在119.96 ℃和109.14 ℃，這一峰值的出現主要與亞麻籽膠中存在的自由水蒸發有關。HWE和UAE的放熱峰值分別出現在279.52 ℃和284.36℃，這一溫度對應亞麻籽膠的分解。觀察到的結果與Rashid等[18]在64.7 ℃和279 ℃觀察到亞麻籽膠有兩個峰值的結果略有差異，可能與亞麻籽膠的來源不同有關。兩種樣品的放熱溫度UAE略高于HWE，說明UAE要比HWE更穩定。Ezzati等[19]報道過，超聲波輔助提取可以提高向日葵果膠的穩定性。亞麻膠的熱性能表明，生物高聚物具有很高的熱穩定性，在微膠囊、乳液、懸浮液、面包制作等涉及高溫的工業應用中是一個很好的選擇。在此研究中，通過熱力學分析可知，UAE比HWE具有更高的熱穩定性。

3 結論

試驗研究了亞麻籽膠的超聲輔助提取工藝，并對其熱穩定性進行了分析。在單因素條件的基礎上，采用響應面法對超聲溫度、超聲時間、超聲功率三因素進行優化，得到亞麻籽膠的最佳提取參數：超聲時間32 min、超聲功率245 W、超聲溫度62 ℃，在此條件下亞麻籽膠的提取率能夠達到9.18%。超聲輔助提取的亞麻籽膠比熱水浸提的亞麻籽膠具有更好的熱穩定性，為其在食品中的應用提供良好的理論基礎。