馮孟熙,汪蘭

(1.華中農(nóng)業(yè)大學 食品科學技術(shù)學院,武漢 430070;2.湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所,武漢 430064)

亞麻是全球最重要的經(jīng)濟作物之一,由于其纖維在紡織行業(yè)以及種子在食品和保健品行業(yè)的作用而在全球被廣泛種植[1]。亞麻籽富含營養(yǎng)素,即必需的脂類、蛋白質(zhì)、生物活性多肽以及可溶性和不溶性膳食纖維,在食品工業(yè)中顯示出良好的應用潛力[2]。亞麻籽的膳食纖維含量占其總質(zhì)量的22%～28%,最外層的表皮含有約8%質(zhì)量的黏性膠[3]。

亞麻籽膠(FG)是一種中性多糖和酸性多糖組成的陰離子雜多糖。中性阿拉伯木聚糖由β-D-(1,4)-木聚糖骨架組成,相對分子質(zhì)量為1 200 kDa,酸性組分以鼠李糖半乳糖醛酸-I(RG-I)主干,其特征是[→2]-α-L-Rhap-(1→4)-α-D-GalpA-(1→)的二糖基重復單元。 FG由于其良好的乳化性、增稠性、凝膠性和界面穩(wěn)定性等,已成為商用的食品親水膠體。Luo等[4]發(fā)現(xiàn)適當?shù)財z入FG可以通過改變腸道菌群的比例,降低體重、體脂和總?cè)８视偷暮俊?/p>

FG是一種親水性膠體,常用水進行提取。溫度、pH和料水比是影響提取得率和最終膠化學成分的主要因素[5]。提高提取溫度可獲得更高的提取得率(高達脫脂亞麻籽質(zhì)量的16%～20%),但會降低最終膠的純度,即蛋白質(zhì)和灰分殘留會更多[6-7]。原料與水的比例對FG提取率的影響相對較小,當比例超過1∶20時,可以忽略不計[8]。已有研究著重提取工藝對FG得率和純度的影響,但溶液的pH 值對 FG 的化學成分、理化性質(zhì)影響的研究較少。本研究通過比較酸性、中性和堿性溶液下提取的FG的組分、單糖組成、理化特性,篩選適宜的提取溶液,為其在食品工業(yè)中的開發(fā)和利用提供了基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

亞麻籽(甘肅張掖黃籽):由中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所提供。

大豆色拉油:益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司;三氟乙酸(色譜純)、甲醇(分析純):上海安譜實驗科技股份有限公司;醋酸鈉:Sigma公司;重蒸苯酚:北京索萊寶科技有限公司;鹽酸、氫氧化鈉、乙醇(95%)、氯化鈉、硝酸鈉、十二烷基硫酸鈉(SDS)、硫酸等:均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SHJ-6A磁力攪拌水浴鍋 常州金壇良友儀器有限公司;UH5300 紫外可見分光光度計 日本日立公司;DHG-9078A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設(shè)備有限公司;ICS5000離子色譜儀、Reacti-ThermTM氮氣吹掃儀 美國賽默飛世爾科技公司;GPC-MALLS 凝膠滲透色譜-多角度激光光散射聯(lián)用儀 美國懷雅特技術(shù)有限公司;GL-21M高速冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司;Mastersizer 2000激光粒度分析儀 英國Malvern公司;IKA均質(zhì)機 廣州市東南科創(chuàng)科技有限公司;TA.XT 2i/50質(zhì)構(gòu)儀 英國Stable Micro Systems公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 亞麻籽膠提取工藝

稱取3份適量亞麻籽,過篩,除去灰塵,然后用去離子水洗滌。將洗干凈的亞麻籽與9倍體積的去離子水混合,用1 mol/L NaOH和l mol/L HCl分別將pH調(diào)至4和10,最后一組調(diào)節(jié)pH為6.5,分別命名為FG-4、FG-10、FG-6.5。然后在60 ℃的水浴條件下用磁力攪拌器在3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下將溶液攪拌2 h,在4 500 r/min的條件下離心10 min,分離亞麻籽殼與不溶性雜質(zhì)。通過乙醇與浸泡亞麻籽收集的黏稠液體以(9∶1)的比例,加入95%乙醇進行沉淀過夜;在4 ℃,7 000 r/min的條件下離心15 min后,收集FG進行冷凍干燥后研磨成粉備用。

1.3.2 FG基本組成的測定

灰分含量的測定參考 GB 5009.4-2016,蛋白質(zhì)含量的測定參考 GB 5009.5-2016,多糖含量的測定參考 SN/T 4260-2015,脂肪含量的測定參考GB 5009.6-2016。

1.3.3 單糖組成的測定

參照Wang等[9]的方法利用離子色譜儀檢測FG的單糖組成。分別準確稱取巖藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖、果糖、核糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、甘露糖醛酸、古羅糖醛酸13種標準品加入水配制成10 mg/mL標準溶液母液單標,然后取適量標準品母液單標混合配制成最高指標濃度為60,50,40 μg/mL的標準品混標。取干凈的色譜瓶,稱取適量FG樣品,加入1 mL 2 mol/L TFA溶液,121 ℃加熱2 h,通氮氣,吹干。加入99.99%甲醇清洗,再吹干,重復甲醇清洗2～3次。加入無菌水溶解,轉(zhuǎn)入色譜瓶中待測。采用ICS5000離子色譜儀和電化學檢測器對單糖組分進行分析檢測。采用DionexTMCarboPacTMPA20液相色譜柱(150 mm×3.0 mm,10 μm);進樣量為5 μL。流動相A(H2O),流動相B(0.1 mol/L NaOH),流動相C(0.1 mol/L NaOH,0.2 mol/L NaAc),流速0.5 mL/min;柱溫為30 ℃;洗脫梯度:0 min A相/B相/C相(95∶5∶0,體積比),26 min A相/B相/C相(85∶5∶10,體積比),42 min A相/B相/C相(85∶5∶10,體積比),42.1 min A相/B相/C相(60∶0∶40,體積比),52 min A相/B相/C相(60∶40∶0,體積比),52.1 min A相/B相/C相(95∶5∶0,體積比),60 min A相/B相/C相(95∶5∶0,體積比)。

利用Origin軟件處理色譜數(shù)據(jù),橫坐標為檢測的保留時間(min),縱坐標為離子檢測的響應值,得到標準品離子色譜圖和樣品離子色譜圖。采用外標法進行定量。

1.3.4 分子量的測定

利用GPC-MALLS凝膠滲透色譜-多角度激光散射儀測定FG的分子量,用0.1 mol/L NaNO3配制1 mg/mL的亞麻籽膠溶液,將FG溶液在8 000 r/min下離心15 min,用注射器吸取上層溶液經(jīng)0.45 μm聚醚砜微孔濾膜過濾。具體條件:流速0.4 mL/min;進樣量500 μL;試驗溫度(25.0±0.2) ℃。

1.3.5 粒徑的測定

用0.1 mol/L NaNO3配制1 mg/mL的FG溶液,通過0.22 μm過濾器過濾,利用動態(tài)光散射法,采用馬爾文粒徑儀測定亞麻籽膠溶液的粒徑。

1.3.6 Zeta電位的測定

采用馬爾文粒徑儀測定FG溶液的Zeta電位,將冷凍干燥得到的亞麻籽膠粉末用去離子水溶解,得到0.25%濃度的FG溶液,進行測定。

1.3.7 特性黏度的測定

參照Hellebois等[10]的方法并稍作修改,將亞麻籽膠溶于0.1 mol/L NaCl溶液中,用烏氏黏度計測定不同濃度的FG溶液(0.5～2.5 mg/mL)在25 ℃水浴中流經(jīng)兩個刻度需要的時間Ti,并測出溶劑流經(jīng)兩個刻度需要的時間T0,以濃度和比濃黏度作圖,外推至濃度C=0時的比濃黏度即為特性黏度[η]。比濃黏度和特性黏度按下式計算:

式中:ηsp為增比黏度;C為被測溶液的濃度(mg/mL);ηsp/C為比濃黏度(mL/mg);T為被測溶液在烏氏黏度計下的流出時間(s);T0為純?nèi)軇┰跒跏橡ざ扔嬒碌牧鞒鰰r間(s);[η]為特性黏度(mL/g)。

1.3.8 凝膠性的測定

配制2%的FG溶液,在90 ℃下溶解后置于4 ℃冰箱中過夜,形成凝膠。用TA.XT 2i/50質(zhì)構(gòu)測試儀的P/0.5型探頭,測試速度為2.0 mm/s,形變 50%,測定凝膠破裂所需要的最大力,即凝膠強度。

1.3.9 乳化性及乳化穩(wěn)定性的測定

參照Zang等[11]的方法并稍作修改,分別配制1%的FG溶液,90 ℃加熱攪拌溶解,于室溫下冷卻后,加入8%的大豆色拉油,使用高速均質(zhì)機于10 000 r/min下均質(zhì)3 min,得到乳白均一的乳狀液。

乳狀液在常溫下放置,于0 h和24 h從乳液底部吸取50 μL,用0.1 g/dL SDS溶液稀釋250倍,測定在500 nm處的吸光度,以SDS溶液為空白對照。

樣品的濁度為T,以濁度的大小表示乳化劑的乳化活性(emulsion ability,EA):

式中:L為光路長度,此處為1 cm。

乳化劑的乳化穩(wěn)定性(emulsion stability,ES) 用24 h后測定的濁度T2的變化程度來表示:

1.3.10 起泡性及起泡穩(wěn)定性的測定

參照袁孝瑞等[12]的方法并稍作修改,分別取10 mL濃度為1%的FG溶液,于高速均質(zhì)機下以8 000 r/min均質(zhì)1 min,讀取泡沫體積(mL),放置30 min后再次讀取泡沫體積。起泡性(FC)和起泡穩(wěn)定性(FS)按照下式計算:

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 2010、Origin 2022b 和 SPSS 26 進行作圖與數(shù)據(jù)分析。試驗結(jié)果均以平均值±標準差表示,采用單因素方差分析法進行顯著性差異分析,當P<0.05 時表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 FG的提取率及基本組成

FG提取率與基本組成見表1。

表1 亞麻籽膠的提取率和基本組成成分Table 1 Extraction rate and basic composition of flaxseed gum %

本方法對FG的提取率為5.65%～5.83%,與劉蕾等[13]優(yōu)化的提取工藝相近。提取FG的原料集中于亞麻籽全籽和亞麻籽殼,也有少部分研究者利用亞麻籽餅粕和脫脂亞麻籽粉進行提取。馮愛娟等[14]以亞麻籽殼為原料,利用超聲波輔助提取,得到的最佳工藝條件為料液比1∶30(g/mL)、提取溫度90 ℃、初始pH 7.0、提取功率240 W、時間40 min,得到的FG提取率達到19.8%。姚玥等以亞麻餅粕為原料,采用酶法-超聲波輔助法優(yōu)化了FG的提取條件,得到的最佳工藝條件為酶添加量1.25%、提取溫度40 ℃、提取時間60 min、料液比(亞麻餅粕∶水)1∶30(g/mL)、提取功率400 W,提取率達到33.41%。本研究中FG得率較低,可能與提取原料差異有關(guān)。

FG的主要成分為碳水化合物,含量為81.44%～82.33%,含有8.36%～10.09%的蛋白質(zhì)、6.18%～6.6%的灰分和2.02%～3.31%的脂肪殘留。本試驗所提取的FG基本組成與Hellebois等[15]所測定的棕色亞麻籽提取的FG相似。由于蛋白質(zhì)在酸性或堿性條件下會發(fā)生部分變性和水解,因此FG-4和FG-10的蛋白質(zhì)含量顯著低于FG-6.5。

2.2 單糖組成

利用離子色譜法測定FG的單糖組成,測定的混合標準品及樣品的離子色譜圖見圖1和圖2。

圖1 混合標準單糖離子色譜圖Fig.1 Ion chromatogram of mixed standard monosaccharide

由圖1可知,各標準單糖的保留時間依次為巖藻糖4.633 7 min(峰1)、阿拉伯糖9.875 3 min(峰2)、鼠李糖10.250 3 min(峰3)、半乳糖12.283 7 min(峰4)、葡萄糖14.475 3 min(峰5)、木糖17.167 min(峰6)、甘露糖18.567 min(峰7)、果糖20.700 3 min(峰8)、核糖22.242 min(峰9)、半乳糖醛酸35.100 3 min(峰10)、古羅糖醛酸35.742 min(峰11)、葡萄糖醛酸37.800 3 min(峰12)、甘露糖醛酸40.225 3 min(峰13)。

由圖2可知,在不同pH下提取的FG在單糖種類和含量上沒有表現(xiàn)出較大差異,均是由巖藻糖、鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和半乳糖醛酸組成。驗證了FG是由以鼠李糖為主的酸性多糖和以木糖為主的中性多糖構(gòu)成的雜多糖。本試驗測定的單糖種類與陳海華[16]和Hellebois等的測定結(jié)果一致。梁珊等[17]采用氣相色譜法測定了FG的單糖組成,結(jié)果表明僅有鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、葡萄糖、半乳糖 5 種單糖。

由表2可知,木糖是FG中含量最多的單糖,占30.35%～31.19%。與Hellebois等[10]的測定結(jié)果不同的是,他們測定的FG中含有16.4%～22.3%的半乳糖醛酸,而本試驗結(jié)果表明FG中只含有微量(0.96%～1.15%)的半乳糖醛酸。FG的單糖組成隨著亞麻的品種、生長環(huán)境、產(chǎn)地、提取方式的不同而不同。Oomah等[18]研究了12個地區(qū)的FG單糖組成,結(jié)果表明有較大差異。木糖/鼠李糖(Xyl/Rha)的比值能反映FG中的中性多糖和酸性多糖的比例,從而影響亞麻籽膠的功能性質(zhì)。由表2可以算出3種pH 環(huán)境下提取的FG的Xyl/Rha值分別為1.26,1.25,1.188。

2.3 分子量和特性黏度

為了防止多糖分子間由于非共價相互作用如氫鍵、范德華力、靜電斥力而聚集在一起,采用0.1 mol/L NaNO3代替蒸餾水作為溶劑[19]。由圖3可知,3種FG洗脫曲線相似,均有兩個洗脫峰,說明FG是由大分子量的中性單糖和較小分子量的酸性單糖組成的,與單糖組成的測定結(jié)果一致。

圖3 FG的GPC洗脫曲線Fig.3 GPC elution curves of FG

由表3可知,FG-10重均分子量Mw最大(7.377×105g/mol),FG-4的稍小(6.996×105g/mol),FG-6.5的最小(6.381×105g/mol)。FG作為一種陰離子多糖,本身帶負電荷,在堿性條件下比較穩(wěn)定,由于帶同種電荷的分子間產(chǎn)生靜電斥力,引起分子鏈充分伸展。在加熱條件下,分子鏈可能發(fā)生一定的斷裂,從而導致分子量減小[20];還可能是中性條件下提取的FG有較多的蛋白質(zhì)殘留,導致分子量降低。梁珊等[17]比較了熱水浸提和微波輔助熱水浸提FG的Mw分別為13 452和2 368。FG不同的品種、生長環(huán)境和提取方法可能導致分子量的差異。Mw/Mn可以反映大分子的均一性,其值越小,說明該聚合物的一系列大分子分子量越均一,由于FG含有兩種分子量的組分,所以均一性較差,酸性、中性和堿性條件下提取的FG 的Mw/Mn值依次為11.827,7.615,9.497。

表3 FG的分子量及特性黏度Table 3 Molecular weight and characteristic viscosity of FG

特性黏度表示單個分子對溶液黏度的貢獻,是反映高分子特性的黏度,其值不隨濃度的變化而變化,與聚合物的相對分子質(zhì)量、溶劑特性有關(guān)。為了減小溶液中靜電斥力對測定結(jié)果的影響,采用一價鹽離子的溶液作為溶劑。由表3可知,在不同pH條件下提取的FG的特性黏度分別為692.1,674.4,763.6 mL/g,與Hellebois等[15]測定的金色亞麻籽提取的FG結(jié)果(652～674 mL/g)較接近。特性黏度與重均分子量的觀測結(jié)果一致,FG-10的重均分子量明顯高于FG-4和FG-6.5?？赡艿脑蚴窃趬A性介質(zhì)下,糖苷鍵相當穩(wěn)定,但在酸性條件下容易斷裂,從而影響大分子的聚集,降低聚合物的黏度。另外,流體動力學半徑越大,則分子在溶液中的伸展程度越大,流動阻力隨之增加,繼而提高多糖溶液的黏度,由表4可知粒徑的觀測結(jié)果與特性黏度保持一致。

表4 不同pH溶液中提取的FG粒徑、Zeta電位和功能特性Table 4 Particle size, Zeta potential and functional properties of FG extracted with solutions at different pH values

2.4 粒徑

由表4可知,FG的粒徑較小,均在134～204 nm范圍內(nèi),說明FG的流體力學直徑較小,與Hellebois等[15]的觀測結(jié)果(216～262 nm)相近。FG-10的粒徑最大,為204.25 nm,顯著大于另外兩組,FG-4的粒徑稍小,為142.94 nm, FG-6.5的粒徑最小,為134.04 nm。與分子量觀測結(jié)果一致,pH 10提取的FG最大,pH 4提取的FG稍小,pH 6.5提取的FG最小。

2.5 Zeta電位

膠體體系的穩(wěn)定性是當顆粒相互接近時,它們之間的雙電層互斥力與范德瓦爾互吸力相互作用的結(jié)果。如果顆粒帶有很多正或負的電荷,即Zeta電位很高,顆粒間將相互排斥以達到穩(wěn)定的體系,相反,如果Zeta電位很低,顆粒間相互吸引,會使整個體系趨于不穩(wěn)定。水相中顆粒分散穩(wěn)定性的分界線一般認為在+30 mV或-30 mV,由表4可知,3種pH條件下提取的FG的Zeta電位都低于-30 mV,說明FG是一種陰離子多糖且分散體系較穩(wěn)定。Vieira等[21]研究了不同溫度下提取的FG電位的變化,結(jié)果表明在25,40,60 ℃下提取的FG最大電位分別是-29.37,-34.57,-35.1 mV。

pH作為影響Zeta電位最重要的因素,在FG本身帶負電荷的情況下,在提取過程中加入堿性物質(zhì),顆粒得到更多的負電荷,所以FG-10溶液的Zeta電位最高且顯著高于另外兩種,達到-37.39 mV。Zeta電位越大,分子間所帶的電荷越多,分子間靜電斥力越大,這可能也是導致FG-10的特性黏度最高的原因之一。由單糖組成的測定結(jié)果可知,3種pH環(huán)境下提取的FG的Xyl/Rha值分別為1.26,1.25,1.188,以及FG-10的糖醛酸含量更高,說明FG-10攜帶的負電荷更多[22],這可能是導致Zeta電位差異的原因。而且在較低pH值下,FG分子中的羧基被質(zhì)子化,靜電斥力也會減小[23]。

2.6 膠凝性

膠凝性是指親水膠體通過分子長鏈的交聯(lián)將水或者其他液體固定在三維網(wǎng)絡(luò)中,形成不流動的固體或半固體性質(zhì),不過只有部分親水膠體具有膠凝性,如明膠、果膠等,有些則需要通過與其他親水膠體復合來形成凝膠,因為這些親水膠體本身不具有膠凝性,例如黃原膠等。

關(guān)于FG膠凝性的研究已有許多,亞麻籽具有弱凝膠的特性,可在加熱溶解后,在冷卻的過程中形成冷致凝膠。由表4可知,隨著提取過程中pH的增大,膠凝性逐漸降低,FG-4的凝膠強度(21.38 g)顯著高于FG-10(15.29 g),略大于FG-6.5(19.3 g),但差異并不顯著。陳海華等[24]的研究結(jié)果表明,90 ℃條件下溶解2%的FG,得到的FG的凝膠強度為30 g,造成差異的原因可能是亞麻籽的產(chǎn)地、生長環(huán)境以及純度不同。堿性條件下提取的FG分子發(fā)生部分解聚,分子間相互纏結(jié)點減少,導致凝膠強度降低。Chen等[25]指出,含中性多糖含量更高的FG具有更好的剪切變稀和弱凝膠的特性,由單糖組成可以看出,在3種pH環(huán)境下提取的FG的Xyl/Rha值分別為1.26,1.25,1.188,這也可能是導致FG凝膠性差異的原因之一。

2.7 乳化性和乳化穩(wěn)定性

乳化性是FG的一個重要性質(zhì),取決于降低油水界面的張力的能力。由表4可知,FG-4的乳化性最好,顯著大于FG-6.5和FG-10。在乳化穩(wěn)定性上,FG-4顯著大于FG-6.5,FG-6.5顯著大于FG-10。這與粒徑的觀測結(jié)果對應,酸性和中性溶劑提取的FG粒徑較小,可以在乳化時形成較小的乳滴,從而達到較好的乳化性,而堿性條件下提取的FG的粒徑較大,導致其乳化性較差。親水膠體的蛋白質(zhì)含量也會影響其乳化性,由于在不利條件下蛋白質(zhì)乳液容易失去穩(wěn)定性,而且中性FG的蛋白質(zhì)含量顯著高于另外兩種,這可能也是導致乳化性及乳化穩(wěn)定性差異的原因。

2.8 起泡性和泡沫穩(wěn)定性

起泡性是指親水膠體降低液體表面張力并捕捉氣體的能力,泡沫穩(wěn)定性是指產(chǎn)生泡沫后保持氣泡的能力。不同pH條件下提取的FG的起泡性和泡沫穩(wěn)定性見表4,隨著提取過程中pH的改變,FG溶液的起泡性和泡沫穩(wěn)定性并沒有較大幅度變化,分別為112%～119%和92%～96%,這說明提取過程中pH的變化并不會影響FG的起泡性和泡沫穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文主要探究了在不同pH條件下提取的FG性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)上的差異。結(jié)果表明,在特性黏度上, FG-10最大,FG-4略高于FG-6.5,這與其分子量大小、流體動力學半徑和Zeta電位有關(guān),同時,由于FG-10的粒徑較大,也使得其乳化性較差;FG主要單糖組成成分為木糖(30.35%～31.19%)和鼠李糖(24.65%～25.54%),FG-10的中性多糖比例相對來說較少,這可能影響其Zeta電位和膠凝性;提取過程中pH的改變并不會影響其起泡性和泡沫穩(wěn)定性。因此,在酸性條件下提取的FG功能特性相對來說更優(yōu)越,但如果提取過程中pH過低,可能也會使FG的功能性質(zhì)下降。