燕麦β-葡聚糖的溶液和凝胶特性及其凝胶结构的研究（可编辑）

燕麦β-葡聚糖的溶液和凝胶特性及其凝胶结构的研究（可编辑） 分类号 TS学校代号10462 密 级 公开 学 号2006003010 硕士学位 燕麦β-葡聚糖的溶液和凝胶特性及其凝胶结构的研究:学位申 请人 何俊 :导师姓名及职称 申瑞玲 教授 :专业名称 食品科学 :学科门类 工学 :论文提交日期 2009 年 4 月 A Dissertation Submitted toZhengzhou University of Light Industry for the Academic Degree of Masterof Engineering Science Solution Flow Behavior and Gelling Properties and Gelling Structure of Oat β-glucans Candidate: Jun He Supervisor: Pro. Rui-ling Shen Major: Food ScienceSchool of Food and Biological Engineering Zhengzhou University of Light Industry Zhengzhou 450002, //.na April 2009郑州轻工业学院学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体,均已在文中作出了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与若有不实,愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名: 年 月 日郑州轻工业学院 学位论文知识产权声明 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定,即:研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于郑州轻工业学院。学校有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时,本人保 证,毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为郑州 轻工业学院。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名: 指导教师签名:年 月 日 年 月日 摘 要 燕麦 β-葡聚糖是主要存在于燕麦籽粒的亚糊粉层细胞壁的一种非淀粉多糖,含量可 达 3-7%。通过研磨在麸皮中富集。裸燕麦是我国特产的优质燕麦,本论文以裸燕麦麸 皮为原料进行 β-葡聚糖的提取,并对乙醇-酶和热水提(OG1)、水提(OG2)、碱提(OG3) 三种不同提取方法制备的 β-葡聚糖溶液及凝胶性质的研究并进行了结构表征。 研究了一种高粘度、大分子的 β-葡聚糖提取方法-乙醇-酶热水两步提取燕麦 β-葡 聚糖工艺,确定昀佳工艺条件为:在 60%的乙醇溶液中,加入 60 U/g 胰蛋白酶,50? 酶解 60min时,残渣中 β-葡聚糖的保留率为 96.11%,蛋白质的去除率为 71.79%,淀粉 酶作用可以去除淀粉并使细胞壁破裂;响应面分析得出在料液比为 1:20、浸提温度为 80?、浸提时间 60min时,燕麦 β-葡聚糖得率的为 7.34%。 以三种不同提取制备方法得到的燕麦β-葡聚糖(乙醇-酶和热水两步提取OG1、水提 OG2、碱提OG3)为原料。 4 4 4 利用乌氏粘度计测得的粘均分子量分别为:140×10 、120×10 、90×10 ,同时把β- 葡聚糖稀溶液划分为稀释区、半稀释区及缠绕区;利用数字粘度计研究了质量分数、pH 值、多羟基化合物及离子强度对不同分子量β-葡聚糖溶液表观粘度值的影响。结果表明 分子量越大其β-葡聚糖粘度值越大;在中性条件下 β-葡聚糖粘度值昀大,说明 β-葡聚糖 + + 是中性糖;而多羟基化合物和离子(Na 、k )的加入都会对β-葡聚糖粘度造成影响;利 用流变仪研究了剪切速率、温度与粘度的关系,结果表明不同分子量的燕麦 β-葡聚糖随 着分子量的增加越接近于假塑性流体,具有良好的剪切稀化性,符合假塑性流体公式, 冷冻温度对凝胶密度、吸水量及凝胶得率的影响表明:冷冻-解冻形成凝胶的冷冻 温度为-15?,12h,研究冷冻-解冻循环数对凝胶得率的影响确定制备β-葡聚糖凝胶循环 数为8个循环;在以上条件下,三种方法制备得到的 β-葡聚糖的昀小成胶范围与分子量 和浓度有关;在小的形变试验条件下, β-葡聚糖凝胶是一种弹性凝胶,在一定的频率和 温度下,随着作用时间的增加其凝胶形变越大,除去外力凝胶恢复原状;大的形变试验 表明凝胶强度随分子量的增加而增加。脆度随着分子量的增加而降低;其凝胶在水中的 溶胀动力学性质,在溶胀初期满足Fickian 扩散定律, 是扩散控制过程的溶胀。 通过扫描电镜(SEM)、扫描探针显微镜(AFM)对燕麦 β-葡聚糖凝胶的表面观察 后发现,燕麦 β-葡聚糖凝胶是由线性大分子链构成的无序网状结构,且网状结构致密; DSC、TG-DTG、DTA研究表明燕麦 β-葡聚糖凝胶网络的熔融温度在 55-110?。而凝胶 I 13 网络降解温度在 200?以上;XRD和 C CP/MAS NMR 研究表明燕麦 β-葡聚糖凝胶中 螺旋结构含量低,主要是无序网状结构;通过固体核磁表明燕麦 β-葡聚糖凝胶的结构可 以分为两个区域:无定形区和 A型区。其中 C1区 β-(1?4): β-1?3 1.6:1。 关键词:燕麦β-葡聚糖 提取 流变学性质 凝胶性质 凝胶 结构II ABSTRACT Oat β-glucan is a kind of non-starch polysaccharide which is usually concentrated in the inner aleur one cell walls and subaleurone endosperm cell walls covering the ranges of 3-7% on a dry basis. During milling, fractions enriched in β-glucan are transferred into oat branNaked oat is the speciality cereal in China. This paper studied on the extraction,and the effects extracting of two-steps method of ethanol -enzymatic and water(OG1), waterOG2 and alkaliOG3 on rheological properties of oat β-glucans in solution and gel state were studiedOats β- glucan was high viscosity and macro-molecule were studied by two-steps method of ethanol -enzymatic and water from oat bran were determined : β- glucan recovery was 96.11%,the protein elimination rate was 71.79% on the conditions of adding 60U/g trypsin, enzymolysis 60min in 50 ?,60% alcohol solution. The action of α-amylase removedthe starch and cause the cell wall breakage. The response surface analysis showed that yield of oats β- glucan was 7.34% on the material fluid ratio 1:20, the temperature 80 ?. extraction time 60min. This two-steps preparation of oats β- glucan was the most viscous compared with other extractable methods The[ η] values of the samples increased with increasing Mw; and varied between 387.75 dl/g and 102.88 dl/g at 25? for the oat β-glucan samples with Mw ranging from 140 to 4 90×10 And there are three transition domain of β- glucan: dilute domain、semi - dilute domain、entangled domain.The rheological property of β- glucan solution was studied in this + + paper. the effects of concentration, temperature, pH and Na ,k concentration on viscosity of β- glucan solution were investigated. The results indicated that The viscosity of the samples increased with increasing Mw and pH at 7.0 have strong effects on the viscosity of β- glucan + + solution, but the Na ,k concentration shows clear influence.The results indicated that the β- glucan solution exhibits a strong pseudoplastical properties characterized by shear-thinning behavior with an equation of Arrhenius.Temperature have strong effects on the viscosity of β- glucan solutionAqueous β-glucan solutions were freezing -15? for12 h and thawing for 12 h cycleseffects of β-glucan become gel on molecular size and concentration Small deformationIII mechanical tests revealed that β-glucan was an large deformation mechanical tests compression mode revealed an increase in strength of cereal-glucan cryogels with increasing molecular size.the dynamic swelling behavior of β-glucan cryogels indicates the crygel swelling kinetics in water meet swelling Fickian diffusion law in the early,and the process was controlled by diffusionSEM and AFM tests revealed that there is a linear chain of macromolecular network structure and the gell network structure are dense.; DSC、 TG-DTG、DTA teste revealed that the melting temperature of oat β-glucan gel networks at 55-110 ?,but The gel network 13 degradation temperature was above 200 ?.; XRD和 C CP/MAS NMR tests revealed that there is low-helix structure in oat β-glucan gel. Results from 13C CP:MAS NMR spectroscopy showed that gell contained regions with two distinct conformations. In some of the regions the β-glucan chains associated to form a unique conformation, the A-conformation, while in the other regions the β-glucan chains were in an amorphous conformation. and β-(1 ?4): β-1 ?3 1.6:1 in C1Key: oat β-gulcan extract rheological properties Gelling Properties Gelling Structure IV 目 录 第一章 绪论1 1.1 燕麦的概况1 1.2 燕麦麸皮及燕麦-葡聚糖的分布1 1.3 燕麦 β-葡聚糖的国内外研究进展2 1.3.1 β-葡聚糖提取及纯化2 1.3.2 燕麦 β-葡聚糖结构的研究..3 1.3.3 燕麦 β-葡聚糖功能性质6 1.4 本课题立题意义及研究内容..9 1.4.1 本课题立题意义.9 1.4.2 课题研究的内容..10 第二章 乙醇-酶和热水二步提取燕麦β-葡聚糖工艺的研究..11 2.1 引言.11 2.2 实验与方法11 2.2.1 实验材料..11 2.2.2 实验仪器..12 2.2.3 实验方法..12 2.3 实验结果与讨论..15 2.3.1 原料成分分析15 2.3.2 乙醇-酶体系对燕麦 β-葡聚糖保留率和蛋白质去除率的 影响15 2.3.3 单因素分析热水提取 β-葡聚糖工艺..17 2.3.4 响应面法优化燕麦 β-葡聚糖提取工艺.19 2.3.5 β-葡聚糖提取物纯度的鉴定.23 2.4 本章小结..24 第三章 燕麦β-葡聚糖溶液性质研究25 3.1 引言.25 3.2 实验材料与方法25 3.2.1 实验材料..25 3.2.2 实验仪器..25 3.2.3 试验方法..26I 3.3 结果与分析. 27 3.3.1 三种不同提取方法的比较 27 3.3.2 黏均分子量及稀溶液的性质28 3.3.3 数字黏度计研究 β-葡聚糖溶液表观黏度值的影响因素 29 3.3.4 流变仪研究 β-葡聚糖溶液表观黏度值的影响因素32 3.3.5 溶液的动态黏弹性 37 3.4 本章小结39 第四章 燕麦β-葡聚糖凝胶形成条件及力学性能分析41 4.1 引言 41 4.2 实验材料与方法 41 4.2.1 实验材料. 41 4.2.2 实验仪器. 41 4.2.3 试验方法. 42 4.3 凝胶的影响因素43 4.3.1 冷冻温度对凝胶形成的影响43 4.3.2 冷冻循环数对凝胶形成的影响. 44 4.3.3 冷冻凝胶临界浓度的确定 46 4.3.4 凝胶的流变学性质 46 4.3.5 凝胶质构特性压缩模式. 48 4.3.6 凝胶的溶胀动力学性质. 49 4.4 本章小结55 第五章 燕麦β-葡聚糖凝胶结构的表征..57 5.1 引言 57 5.2 实验材料与仪器 57 5.2.1 实验材料. 57 5.2.2 实验仪器. 58 5.2.3 试验方法. 58 5.3 结果与分析. 59 5.3.1 扫描电镜观察燕麦 β-葡聚糖的表面结构 59 5.3.2 ?子力显微镜分析燕麦 β-葡聚糖凝胶结构61 5.3.3凝胶的热分析 62II 5.3.4 燕麦 β-葡聚糖凝胶的 X-衍射.66 13 5.3.5 固体核磁 C CP/MAS NMR分析 β-葡聚糖凝胶结构66 5.4本章小结69 第六章 结论与展望.71 6.1 试验主要结论和创新点..71 6.2 文章主要创新点..72 6.3 展望.72 参考文献.74 附录 攻读硕士学位期间发表论文目录..80 致 谢.81III第一章 绪论第一章 绪论 1.1 燕麦的概况 燕麦是我国华北、西北、西南等地高寒地区的古老作物之一,也是重要的饲草、饲 料作物,一般分为裸燕麦和皮燕麦两种。与其它谷物相比,燕麦是谷类食品中昀好的全 [1] 价营养食品之一,其对人体的营养作用表现在 : ?燕麦含有复杂的碳水化合物,可以 减少结肠癌、乳腺癌的危险,减少便秘等大肠问题的发生。 ?燕麦中的水溶性膳食纤维 可以降低血脂,控制血糖,减少心血管疾病及糖尿病发生的危险。 ?燕麦可食用部分的 高比例蛋白质及丰富而均衡的氨基酸,可以增进智力,弥补蛋白 质的不足。 ?燕麦中的 不饱和脂肪酸对人体有特别的营养作用。?燕麦维生素 B 含量高,有利于碳水化合物 1 的代谢。 1.2 燕麦麸皮及燕麦β-葡聚糖的分布在燕麦加工中,由于燕麦籽粒软,因此麸皮与胚乳不如小麦那样好分离,麸皮中含 一定比例的胚乳,并且具有高比例的蛋白质和膳食纤维,因此燕麦麸具有很多的价值。 从表 1-1可以看出,燕麦麸中的可溶性膳食纤维含量远高于小麦麸,小麦麸中主要含有 水不溶性膳食纤维。因此,和小麦麸相比,燕麦麸对人体的保健作用更大。 [2] 表 1-1 小麦麸与燕麦麸中的膳食纤维含量(%) Table 1-1 The contents of dietary fiber in wheat bran and oat bran % 食品 总膳食纤维 不可溶性膳食纤维 可溶性膳食纤维 食用级小麦麸皮 42.2 38.9 3.3 燕 麦 麸 皮 27.8 13.8 14.0 不同谷物中 β-葡聚糖含量不同,其中以大麦和燕麦含量昀高,见表 1-2。据报道, [3] 中国裸燕麦中所含的 β-葡聚糖含量为 2.0%-7.5% 。燕麦的 β-葡聚糖主要集中在糊粉层 和亚糊粉层中,胚乳细胞壁中则很少。通过现代加工工艺,燕麦 β-葡聚糖主要富集于燕 [4] 麦麸皮中,不同加工方式商业燕麦麸中 β-葡聚糖含量为 5%-10% ,也可以高达 [5] 10.9%-16.6% 。 1郑州轻工业学院硕士学位论文 表 1-2 不同谷物中 β-葡聚糖含量(%) Table 1-2 The contents of β-glucan in different creal % 谷物 大麦 燕麦 黑麦 小麦 黑小麦 高粱 稻米 玉米 β-葡聚糖含量(%) 2.0-9.0 2.5-6.6 1.9-2.9 0.5-1.5 0.3-1.2 1.0 0.6 0.1 1.3 燕麦 β-葡聚糖的国内外研究进展 (1?3), (1?4)- β-D -葡聚糖简称 β-葡聚糖,是谷物细胞壁(如小麦、燕麦、大麦 [6] 等,其含量分别为:1%、3%-7%、5%-11% 中广泛存在的一种细胞壁多糖。而且,具 有降血糖、血脂,提高免疫力等生理功能。由于谷物 β-葡聚糖 对人体的健康有促进作用, 因此,在过去的二十多年里,对谷物 β-葡聚糖的研究一直集中在其功能性质对其生理功 能的影响方面。而谷物 β-葡聚糖的功能性质决定了其生理功能的发挥及作为功能性食品 成分在食品工业中的应用。因此,了解谷物 β-葡聚糖的功能特性对于指导应用研究具有 重要的意义。但是目前就国内对与谷物 β-葡聚糖的研究开发与国外相比还有一定的差 距。 1.3.1 β-葡聚糖提取及纯化谷物 β-葡聚糖和其他多糖同时存在于谷物糊粉层的细胞璧中,同时还含有淀粉、混 合蛋白质基质和脂肪等。因而, β-葡聚糖的提取纯化不是太容易。对 β-葡聚糖功能性质 的研究,要求选择提取率、纯度、分子量尽可能的高。但是,不同的提取方法,对 β- 葡聚糖的提取率、纯度、分子量都有影响。目前,很多的研究主要集中在提取纯化技术 对 β-葡聚糖的功能特性及生理特性的影响方面。内源性 β-葡聚糖酶的活性需要钝化,因为它是造成谷物 β-葡聚糖降解的主要原因, [7] 从而,导致其分子量的降低,进一步降低谷物 β-葡聚糖的功能特性 。大麦、燕麦等谷 物中内源性 β-葡聚糖酶的活性可以通过乙醇回流,或在 60?以上用乙醇处理的方法钝 化其活性。另外在提取过程中,60?以上(糊化温度)淀粉也可以一起被提取出来,因 此开始必须除去淀粉。大麦和燕麦 β-葡聚糖的提取方法昀早是 Wood et al在 1977年提出的。他主要考虑 了实验室水平上粒度、温度、pH等对 β-葡聚糖得率的影响,采用了 75%的热乙醇钝化 [8] 燕麦麸中的内源酶,制备燕麦胶 。尽管这种从谷物中提取 β-葡聚糖的方法很成功, 但是,1998年 McCleary采用 40?、65?、95?的热水多次提取,使大麦 β-葡聚糖的提 [9] 取率增加到 90% 。1993 年 Bhatty 用 1M 的 NaOH 提取 β-葡聚糖时,有相当多的淀粉 2第一章 绪论 [10] 和蛋白质受到污染,而导致产品的纯度不够 。为了消除这些不利的因素,2003 年 ALazaridou 用耐高温 α-淀粉酶、胰酶、透析、乙 醇沉淀等处理后,得到纯度为 90%的燕 [11] 麦胶 。提取过程中的温度和 pH值同样影响 β-葡聚糖的得率。Temelli报道 β-葡聚糖的提 [12] 取率随着温度的增加而增加 。另外,Morgan 和 Ofman 在 pH7 时,从大麦中可以得 到高纯度的 β-葡聚糖(81.3%),接下来在 pH8 时,回流蜡质种大麦和用酶处理,同样 也可以得到高纯度的 β-葡聚糖。在 pH7 的条件下回流燕麦,可以得到粘性昀稳定的 β- 葡聚糖。Symon 和 Brennan 也报道了用高温的淀粉酶处理也可以得到高纯度的 β-葡聚 糖。 提取工艺对 β-葡聚糖分子量有很大的影响,进一步影响其功能特性。Carrrtl 报道了 [13] 用 NaOH 可以把 β-葡聚糖从谷物中完全提取出来,但是会导致 β-葡聚糖部分降解 。 尽管,在有加入保护液的情况下,Knuckles 在 65?,用 NaOH 提取,可以避免碱性链 [14] 的降解,但是,提取的 β-葡聚糖分子量也要比在 100?下水提的要低 。 Beer 也报道了, [15] 从大麦和燕麦中提取的 β-葡聚糖分子量比水提的分子量要低 。但是对于多次水提的 温度也会对分子量、 (1?4)和(1 ?3)糖苷键的比率、 β-葡聚糖的纤维素片段有影响。 因此,必须选择合适的提取条件,才能避免提取过程中 β-葡聚糖的降解。 1.3.2 燕麦 β-葡聚糖结构的研究 在谷物 β-葡聚糖功能性质的研究中,用 β-葡聚糖酶(EC3.2.1.73)水解谷物 β-葡聚 糖产生不同聚合度(DP3、DP4 等)的低聚物,其低聚物的聚合度可用高效阴离子交换 色谱结合脉冲安培传感器HPAE-PDA 测得;经过强酸水解后的谷物 β-葡聚糖中单糖 含量可用气相色谱仪(GC)来分析;核磁共振光谱分析已经广泛的用于谷物 β-葡聚糖 1 13 的结构分析,从液态核磁共振 H NMR和固态 CCP-MAS 光谱中,可以得到 β-葡聚糖 中存在连续(1?4)键的证据;谷物 β-葡聚糖的分子量可以用高 效液相色谱(SEC-HPLC) 测得;傅立叶(FT-IR)已被广泛的用来分析多糖的结构,但是,目前还没有关于在谷 物 β-葡聚糖结构分析上的报道。通过对谷物 β-葡聚糖结构的分析,可以得出谷物 β-葡聚糖是葡萄糖单元由 β-1?3 和 β-1?4糖苷键连接而成的线性非淀粉多糖,其结构主要由 β-(1?3)糖苷键连接的 纤维三糖基片断(58%-72%)和纤维四糖(20%-34%)单位组成,另外还含有少量的能 [16] 达到 14 个葡糖基,甚至还要长的纤维素糊精 。在谷物 β-葡聚糖中, β-(1?4)糖苷 键是连续的链接,而 β-(1?3)糖苷键能够分开连续的 β-(1?4)糖苷键,使其含有 3郑州轻工业学院硕士学位论文 两种糖苷键。另外, β-葡聚糖酶(EC3.2.1.73),能水解谷物 β-葡聚糖的(1?4)糖苷键, 把谷物 β-葡聚糖降解为不同聚合度的低聚体,其主要的水解产物为 3-O- β-纤维三糖基 -D-葡萄糖DP3,和 3-O- β-纤维四糖基-D-葡萄糖(DP4),同时也会存在少量聚合度大 [17] 于四的低聚体,目前,已经发现的有 DP在 5-20 之间 。 不同种类的谷物 β-葡聚糖结构相似,但其 β-葡聚糖分子量和内部精细结构特性是 [18] 不同 。用高效阴离子交换色谱结合脉冲安培传感器HPAE-PDA可以得出,在不同种 类的谷物中 β-葡聚糖聚合度(DP3、DP4)会有所不同。A Lazaridou 得出谷物 β-葡聚糖 中的 DP3 的量分别为:小麦(67.1%)、大麦(63.3%)、燕麦(55.3%-55.8%);DP4 的相对含量则恰好相反:小麦(21%-24%)、大麦(25%-33%)、燕麦(34%-41%); DP3:DP4 则为:小麦(3.0-4.5)、大麦(1.8-3.5)、黑麦(1.9-3.0)和燕麦(1.5-2.3) [19] ,这些结构的差别,但在同种类型的谷物不同的品种之间结构是否有差别还未有报道。 谷物中的 β-葡聚糖的相对分子量受到来源的差异性和品种不同的影响,也和提取和纯化 3 3 3 [20] 的方法有关,燕麦、大麦、小麦分别为 65-3100×10 、80-2700×10 、21-1100×10 。 谷物 β-葡聚糖的结构性质还包括 β-(1?4)和 β-(1?3)糖 苷键的比、较长纤维素的 片段、纤维三糖和纤维四糖的比率。 [21] 表 1-3 燕麦 β-葡聚糖分子量与结构关系 Tab 1-3 Molecular-structural features of oat β-glucans -3 DP3 DP4 DP ?5 DP3/ DP4 1-4/1-3 Mw×10 参考文献 - - - - 2.3-2.6 - Dais and Perlin, 1982 55-58.1 34.2-36 7.7-8.9 2.1-2.3 2.4 360-3100 Doublier and Wood 1995and Wood et al. 1991a?c - - - - - 1500 Autio et al. 1992 - - - - 1100-1500 Malkki et al. 1992 - - - 1.5-2.3 - - Miller and Fulcher 1995 - - - - 2.5 - Westerlund et al. 1993 - - - - - 600-840 Jaskari et al.1995 - - - - - 1200-2500 Beer et al.1997a,b 57.6 34.1 8.2 1.7 - - Izydorczyk et al. 1998b - - - - - 120-2400 Zhang et al. 1998 58.3 33.5 8.1 2.2 - 1160 Cui et al.2000 53.4-53.8 40.4-41.4 - 1.7-1.8 - 1100-1600 Johansson et al. 20004第一章 绪论 - - - - 2.4 214-257 Roubroeks et al. 2000a, 2001 56.7 34.6 8.7 2.2 - 611-1700 Wangetal.2002,2003 55.6-55.9 33.6-34.4 7.1-7.5 1.6-1.7 2.4 - Colleoni-Sirghie et al2003a 54.2-60.9 33.8-36.7 3.6-9.7 2.0-2.3 2.4-2.8 65-250 Lazaridou et al. 2003, 2004 β-葡聚糖的高级结构,由于受到多糖空间结构测试手段的限制, 目前研究报道资料较 少,已报道的研究方法归纳如下。 13 国外学者认为多糖的固态 C NMR 谱对研究多糖的构象有一定的 意义,这是因为 固态多糖的 NMR数据首先能用来确定它的固态的构象在液态中 是否保持;其次,可区 分多糖的多晶型固体状态。此外,高分辨的液态谱和固体 NMR谱 联合非常有利于胶状 多糖的研究。[22] 图 1-1 燕麦水溶性β-葡聚糖和分级收集部分Fr. 1?Fr. 3 and Fr. 5的 13C CP/MAS NMR 谱 13 Fig1-1 C CP/MAS NMR spectra of oat WIS and fractions Fr. 1?Fr. 3 and Fr. 5 extracted from oat WIS materia [23] Keith R. Morgan 通过13C CP/MAS NMR研究了大麦 β-葡聚糖凝胶特性,得出了麦β- 葡聚糖凝胶在一些区域β-葡聚糖相互作用,形成了一个特殊的构型-A构型;同时另外一 [24] 些区域的β-葡聚糖链形成了无定形区。L. Johansson 通过研究可溶性与不溶性燕麦、大 麦β-葡聚糖的CP/MAS谱,得出了燕麦和大麦的CP/MAS谱相似,在50ppm-110ppm处有 较强的共振,主要是β-葡聚糖和阿拉伯戊聚糖碳的重叠信号。10ppm-40ppm处的共振是 5郑州轻工业学院硕士学位论文 聚乙烯链引起的,可能是由于样品中存在着少量的脂肪残渣引起的,这信号仅在燕麦可 溶性的β-葡聚糖中。 [25] 王海波 利用 X-射线衍射对不同分子量的燕麦 β-葡聚糖的分 析表明,燕麦 β-葡聚 糖的 X-射线衍射是一种典型的高分子聚合物的衍射图,峰宽较大说明在结晶部分存在 多种类似的结晶形态和晶格种类;表明燕麦 β-葡聚糖的结晶体既具有宏观的规则性又 具有微观的不规整性,根据其结晶区峰面积和非结晶区面积计算不同分子量样品的结晶 度分别为 27%和 29%,小分子的 β-葡聚糖的结晶度相对较高。从结晶峰型上看,大分 子 β-葡聚糖的结晶锋尖锐完整,而小分子 β-葡聚糖的结晶锋分裂成 2个峰。 Tvaroska, et [26] al 用 X-光衍射和能量等值图研究表明大麦 β-葡聚糖分子是由右手三螺旋的结构组 成。 [1] 申瑞玲 将已知分子量的燕麦 β-葡聚糖通过FMA可以观察许多小的圆形颗粒形成 紧密的网络状结构,颗粒直径基本均匀,圆形的颗粒高度不等,推测在此结构中,可能包括 2-3条分子内交叉的β-葡聚糖链形成,。用β-葡聚糖酶将此 β-葡聚糖水解以后,大分子的β- [10] 葡聚糖链变为低聚合度的分子。Keith R. Morgan ,在研究大麦β-葡聚糖凝胶时发现,溶 解后的样品立即通过AFM观察,样品成像不清晰;如果放置几天后观察,样品成像清晰。 1.3.3 燕麦 β-葡聚糖功能性质 谷物β-葡聚糖由于其分子量和结构特性的不同(如:分子量、三糖和四糖的比率、较 长纤维素片段的数量、(1?3)/(1?4)键的比率),所表现出的谷物 β-葡聚糖性质也 有差异。因此它们的物理性质如流变学行为和胶凝特性也不同,这些将会影响到其生理 [17] 功能的发挥以及在食品和其他领域的应用 。 1.3.3.1 溶液性质 新鲜谷物β-葡聚糖溶液是一种典型的非牛顿型粘性液体,其溶液性质与溶液浓度、 温度、分子量、结构等有关。谷物β-葡聚糖的溶液行为,是其流变学研究的内容之一。 新鲜的燕麦β-葡聚糖溶液显示出典型无规则卷曲的流动特性。在低的剪切率下,随着储 存时间的增加,溶液显示出特有的剪切稀化流动特性,随着贮存 时间越长,溶液显示出特 有的剪切稀化流动特性。低分子量的 β-葡聚糖,存放时间越长,在低的剪切率下剪切稀 [20] 化特征就越明显,高分子样品显示出无规则多糖的假塑性流动特性 。不新鲜的β-葡聚 糖溶液(低分子量)的流动特性和一些有序的聚合物相似(如黄原胶)相似,显示出了 弱凝胶化的特性。流体特性的改变主要是由于 β-葡聚糖分子从无规则卷曲变到有序的结 构的改变会导致溶液性质的改变,这可能是由链之间的结合所引起的。6第一章 绪论 谷物 β-葡聚糖的固有黏度和特性黏度[ η]在 0.28 dl/g -9.6dl/g,并与多糖的分子量有 很大的关系。这显示出 β-葡聚糖有一个无规则的线团结构。因此,不同图 1-2 20?时燕麦β-葡聚糖的增比粘度 η 与浓度之间的关系 sp Fig1-2 The relation of η and concentration for oat β-glucan at 20? sp 表 1-4 燕麦β-葡聚糖特性黏数与分子量的关系 Tab 1-4 The limiting viscosity[ η] values for the β-glucan were related to their molecular size 3 温度/? 分子量×10 特性黏数[ η] 参考文献 25 100-1200 2.58-9.63 Wood et al,1995 20 63-330 2.0-7.4 Varum et al,1998 20 35-250 0.67-3.83 Lazaridous et al,2003 25 203 3.01 Lazaridous et al,2004 [27] 结构和分子量样品的 η 和 c η 的双对数坐标(图 1-1、表 1-4)有三个明显的区域 。 β- sp 葡聚糖溶液的流动曲线可以用幂率定律来描述,且与时间、温度、分子量有很大的关系。 [28] 而且,温度对 β-葡聚糖溶液粘度的影响可以用 Arrhenius 方 程模拟 。应用 Cox-Merz 也可以测定不同分子量和浓度的 β-葡聚糖溶液样品。 1.3.3.2 凝胶性质谷物β-葡聚糖凝胶性质一般采用动力学的方 法测定在振动负荷下动态模量和力学 损耗与温度的关系。该方法提供了储能模量(G ′) ,损耗模量 (G 〃)以及损耗角正切(tan δ) 三个重要的参数。谷物 β-葡聚糖凝胶机理有两种不同的说法:一种是纤维素片段相邻两 7郑州轻工业学院硕士学位论文 [28] 边的交联要多于三个连续的β-1?4 -葡聚糖残基 ,另一种是,连续的纤维片段是通过 [29] β-1?3 ?键连接起来的 。总之,在谷物β-葡聚糖中观察到凝胶特性的不同,主要是由于 DP3:DP4比率的差异而引起的。随着DP3:DP4比率的增加纤维片段也增加的。谷物β-葡 聚糖凝胶化能力与溶液的浓度和分子量有关。在分子量相同的谷物β-葡聚糖中,凝胶时间 短,凝胶率高,其顺序依次为燕麦、小麦、大麦 β-葡聚糖。同时也反映了DP3/DP4比的顺 序。 不同分子量和内部精细结构的谷物β-葡聚糖溶液的凝胶化能力,在不同的温度和聚 [30] 合物浓度下通过动力学可以测定 。新鲜的β-葡聚糖溶液是一种典型的粘弹性流体 (G 〃G ′),这时的模量与频率有关。但是随着储存时间的增加, β-葡聚糖溶液显示出类 似凝胶的结构(G ′G 〃),G ′和G 〃交叉时所对应的时间,通常被认为是凝胶化时间(G)。 t 在凝胶固化过程的后期,溶液转变成典型的弹性凝胶(G ′G 〃,G ′与频率无关,G 〃与频 率的关系也不明显) ,G ′达到了一个稳定值。 G ′曲线的昀大斜率是作为凝胶率的一个指标。 [31] 又叫作弹性增量(I )I dlogG ′/dt 。即β-葡聚糖的凝胶率可以用弹性增量I 来表 E E E 示,这个参数是1999年由Bohm和kulicke提出。I 越高表示凝胶化的速率越快。随着谷物 E β-葡聚糖分子量的减少,凝胶化时间的降低、I 增加,这可能是由于短链分子的高迁移 E [32-33] 率增强了其扩散速率及链之间的缠绕 。 β-葡聚糖链中分子量的减少和DP3:DP4比率的增加导致凝胶G ′的增加,损耗角 [34] 正切值(tan δ)的减少 。随着浓度的增加和凝胶固化温度的增加, β-葡聚糖凝胶率也 [35] 增加,并在25-35 ?时达到昀大值。温度越高 I 值越低 。 β-葡聚糖浓度的储能模量的昀 E 7.2-7.5[36] 大值G ′服从与指数定律:G ′正比于C 。随着多糖浓度、DP3的增加及多糖分 子量的降低,谷物β-葡聚糖凝胶G ′其值可以从5?时的机械光谱中获得增加,tan δ值减 小。 在0?以上形成的谷物β-葡聚糖水凝胶和经过冷冻-解冻循环形成的β-葡聚糖凝胶的 DSC图谱,在55-80 ?之间,由凝胶-溶液转变过程中,显示出很宽的吸热范围,同时, [37] 峰值温度在Tm在一个较窄的范围内 。峰值温度随着 β-葡聚糖分子量的增加而增加, [18] 显示出高分子凝胶的?H值很低 。与流变学性质相似,凝胶的显 示的加热函值( ?H) [26] 随着分子量的减小而减小,随着DP3:DP4的增加而增加 。谷物β-葡聚糖的冷冻凝胶 [38] 的?H值也是随着分子量的减小而减小随着DP3:DP4的增加而增加 。另外,通过动 力学和DSC的测定显示出凝胶网络的溶解温度随着分子量和多糖链中纤维三糖基的数 量的增加而增加。 对β-葡聚糖凝胶施加一定的力时,其所表现的凝胶强度、硬度等与所受的力有关, 8第一章 绪论 通常对其凝胶所受较大的力的描述采用物性仪来测定。对于不同浓度的 β-葡聚糖凝胶样 品,随着β-葡聚糖浓度的增大,凝胶性能发生明显变化,其凝胶强度、硬度、脆性等凝 胶质构性质均与浓度正相关。在表现出凝胶所具有的弹性和硬度等特性的同时,高浓度 β-葡聚糖胶体还表现出溶液的粘性,且也与浓度呈正相关。此现象说明 β-葡聚糖凝胶还 不是完全意义上的凝胶体,而是包含凝胶和流体的混合结构。相 对分子质量改变对β-葡 聚糖质构性能的影响表明,相对分子质量越大,形成凝胶的弹性和硬度也越好但同时粘 [25] 性也增强 。 1.4 本课题立题意义及研究内容 1.4.1 本课题立题意义 近年国内市场对燕麦需求也很大,经济的发展,膳食结构的改变,人民生活水平已 由温饱型向营养型过渡,营养、安全、方便、回归自然已成为食品开发的主题,消费者 对燕麦这样的小杂粮注重的是营养、安全和保健要求,而国内市场燕麦产品单调,燕麦 类食品主要以燕麦片即粗加工的燕麦食品为主,造成了资源的极大浪费。随着燕麦种植 面积的迅速扩大,对燕麦的深加工及其有效成分的高效利用技术已成为急需解决的问 题。而我国燕麦从基础研究、理论研究、开发利用上都显示出薄弱基础,特别是对其副 产品精深加工,功能因子的开发以及综合利用方面涉及很少。因此,利用我国特产的优 质燕麦,从燕麦麸中提取、分离纯化燕麦 β-葡聚糖,细致地研究 它的功能特性以及生理 作用,对我国燕麦的开发利用以及整体科研水平的提高都有重要意义。如果能实现麸皮 的有效增值和利用,将具有十分重要的经济效益和社会效益。 当今燕麦正面对一个巨大的市场,研究表明燕麦中发挥其生理功能的有效成分是可 溶性 β-葡聚糖,而其生理功能的基础就是保持分子在肠道中的黏性,因此分离纯化过程 重要的就是要保持其有效的粘度和溶解性,而目前关于研究 β-葡聚糖的分离纯化过程由 于酸碱等加入都会不同程度使 β-葡聚糖降解,寻找一种理想的分离纯化方法以保持其有 效的粘度成为研究其功能特性的首要任务;在 β-葡聚糖功能性质的研究中,国外的学者 主要集中研究了某一种品种的燕麦的几种性质,如同一品种的 β-葡聚糖溶液的剪切稀化 特性及放置时间对黏度的影响、不同温度对黏度的影响、及其溶液动态粘弹等方面,而 从不同工艺条件下研究考虑 β-葡聚糖溶液性质还不多见; β-葡聚糖在一定条件下可以形 成凝胶,目前研究主要集中在对凝胶的动态粘弹性、热力学性质、质构性质方面的研究, 而凝胶形成条件对其性质的影响至关重要,但目前这方面仍属空白。由于理论研究尚未 全面,从而也就制约了燕麦 β-葡聚糖结构的进一步研究,进而影响其广泛作为功能性食 9郑州轻工业学院硕士学位论文 品原料的可能性,因此,通过对燕麦 β-葡聚糖溶液和凝胶性质的研究,为燕麦 β-葡聚 糖产品的开发提供实验依据和理论基础,从而尽快开发利用我国优良品种裸燕麦,积极 研制新型功能食品,不断拓宽燕麦利用的新领域,这对于发展我国经济和有效利用我国 资源具有巨大的经济价值和深远的社会意义,同时可以为更多的糖尿病患者带来福音, 从而提高人民的健康水平。 1.4.2 课题研究的内容(本课题来源于国家自然科学基金项目) 本课题的研究目标是从燕麦麸皮中提取β-葡聚糖,并对其进行分离纯化,研究分 离的β-葡聚糖所具有溶液性质和凝胶特性,并对其凝胶机理进行初步的探讨。 主要研究内容包括: 1. 燕麦β-葡聚糖的制备及乙醇-酶和热水两步法提取β-葡聚糖工艺进行研究。 2. 燕麦β-葡聚糖溶液性质进行研究。 3. 燕麦β-葡聚糖凝胶形成因素及凝胶性质研究。 4. 燕麦β-葡聚糖的凝胶机理进行初步探讨。10第二章 乙醇-酶和热水二步提取燕麦β-葡聚糖工艺的研究 第二章 乙醇-酶和热水二步提取燕麦β-葡聚糖工艺的研究 2.1 引言 燕麦 β-葡聚糖是一种主要存在于燕麦糊粉层和亚糊粉层中的一种重要的细胞壁多 糖,经研究表明,燕麦 β-葡聚糖具有降血脂、降血糖、改善肠道功能、增强免疫力等生 [38] [39] 理功能 ;并可用在食品工业中作为食品功能性因子及增稠剂、脂肪代替品等 。 β- 葡聚糖发挥作用的基础就是要确保分子的有效的粘度和溶解性,这和其提取工艺有密切 的关系。 不同的提取过程和方法,得到的谷物 β-葡聚糖的量、纯度和分子大小也是不一样的。 [40] 目前国内外的研究主要集中在水提、碱提法 。在这些提取方法中,提取的溶剂以及淀 粉和蛋白质的去除等,往往需要反复加入盐酸和氢氧化钠溶液来 维持体系pH值的相对稳 定性,酸碱等化学试剂的加入以及细胞壁中内源性β-葡聚糖酶的存在,很容易导致 β-葡 聚糖