燕麦β-葡聚糖的凝胶质构性能研究
燕麦β-葡聚糖的凝胶质构性能研究
1142007,Vo1.28,No.08食品科学※基础研究
燕麦B一葡聚糖的凝胶质构性能研究
汪海波一,徐群英1,汪海婴3,刘大川1,谢笔钧z
(1.武汉工业学院食品系,湖北武汉430022;
2.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉430000;3.华中科技大学同济医学院基础部,湖北武汉430000)
摘要:以我国山西产燕麦为原料,提取并分离纯化燕麦一葡聚糖,以X—T21型质构仪为主要研究设备,重点
研究了一葡聚糖凝胶性能和相关影响因素.研究结果
明,.葡聚糖的浓度和分子质量大小会直接影响其凝胶的
形成.同时,其凝胶性能受一葡聚糖浓度,分子质量,pH,溶剂种类和盐等因素的影响.提高一葡聚糖浓
度,分子质量,降低体系pH和添加适量的盐,尿素及硼砂等均有助于其凝胶质构性能的改善;而提高体系pH,
增加溶剂种类的极性则会降低其凝胶质构性能.
关键词:燕麦p-葡聚糖;凝胶性能;影响因素
StudyonGellingCharacteristicsofOat13一Glucan
WANGHai-bo,,XUQun—ying,WANGHai—ying.,LIUDa-chuan,XIEBij
un
(1.DepartmentofFoodScienceandEngineering,WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan430022,China;
2.CollegeofFoodScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUm~versity,Wuhan430000,China;
3.DepartmentofBasic,Ton~iMedicalCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430000,China)
Abstract:Inthisstudy.theglucanwasextractandpurifiedfromoatofShanxi.Thegellingcharacteristicsandeffectfactors
T21textureanalyser.Theresult ofoat13-glucanwereresearchedwiththeX—
sindicatethatoat13-glucangellingWasinfluenced
bytheconcen~afionandmolecularweightofoat-glucanandthecharacteristicsofoat—glucanCanbeeffectedbythe
concentration,molecularweightofoat13-glucan,pHandthekindofsolventandSOon.ThegellingcharacteristicsCanbeimproved
byenhancingtheconcentration,molecularweightofoat13-glucanordecreasingthepHorappendingatittlesaltorureaandborax.
Ontheotherhand.thegellingcharacteristicsofoat-glucanCanbedecreasedbyimprovingpHorappendingDMSO.
Key
s:oat—glucan;gellingcharacteristics;influencefactors
中图分类号:TS201.7文献标识码:A文章编
号:1002-6630(2007)08—0114—06
燕麦又称莜麦,属禾本科植物,是我国西北部的
主要农作物之一.上世纪八十年代初期,国外学者研
究发现燕麦和大麦中富含的水溶性一(1—3)(1—4)D一葡
聚糖(以下简称一葡聚糖)对人体具有显着的降血脂,降
血糖作用和提高机体免疫能力等诸多有益的生理功效,
从而使一葡聚糖的研究成为热点【,】.人们对一葡聚糖
研究的关注一方面来源于一葡聚糖自身的生理功能正是
对威胁人类健康的高血脂症和高血糖症具有预防和治疗
作用【】;另一方面,富含一葡聚糖的燕麦和大麦是全
世界广泛种植的主要农作物,资源丰富,因此一葡聚
糖的深入研究对人类的健康和大麦及燕麦的开发利用具
有很大的社会意义和经济价值.研究发现,燕麦一葡
聚糖在较低浓度下仍具有较高的粘度,因此其在食品增
稠和食品凝胶等方面的应用前景良好.国外学者自上世
纪末起开始研究燕麦.葡聚糖的溶液流变学性能和凝胶
性能【o】,但是到目前为止,对于燕麦.葡聚糖的流变
和凝胶质构等性能方面的研究仍不够完善,如其凝胶形
成条件,凝胶质构的相关影响因素等尚未完全明晰.为
此,本研究以我国山西产燕麦为原料,制备并分离纯
化燕麦葡聚糖,以TextureAnalyserX—T21型凝胶质
构仪为主要研究手段,比较系统地研究燕麦0.葡聚糖的
凝胶形成条件及葡聚糖浓度,分子量,pH,等因素对
其凝胶性能的影响,为燕麦葡聚糖在食品及医药化工等
领域的实际应用提供理论基础.
1
与方法
1.1材料,试剂与仪器
1.1.1材料
收稿日期:2007—06—25
作者简介:汪海波(197l一),男,副教授,博士,主要从事天然活性成分的开发与利用研究.
※基础研究食品科学2007,Vo1.28,No.08115
山西产燕麦(品种为晋燕8号)山西省农科院高
寒作物研究所.燕麦全籽经布勒磨粉机和布勒打麸
机处理分离得到燕麦麸皮,麸皮进一步粉碎后过筛
备用.
1.1.2试剂
荧光增白剂CalcofluorSigma公司;考马斯亮兰
G一250进口分装;层析用聚酰胺(30--50目)青岛海洋
化学试剂厂;氯化钠等均为国产
纯.
1.1-3仪器
动态流变仪AR500;TextureAnalyserX—T21型凝
胶质构仪;荧光光度计930;激光光散射仪DLS一700;
真空冷冻干燥仪Lgl05—2型;离心机TDL.50;旋转蒸发
器ZFQ85一A.
1.2方法
1.2.1质构仪测定条件及参数定义…】
参考TextureAnalyserX—T21型质构仪使用#说明
#,
选择凝胶类型样品的测定条件:探头模具为A1BE;探
头半径为35mm;测定模式为measureforeein
compression;测定选项为returntothestart;实验速度
为1.5mnds;初始速度为5.0mm/s;穿透距离30cm:上
提5mm/s;温度为20?.
质构仪测定的典型曲线如图1所示.测定参数定
义如下:凝胶稳定度(脆性)a1.曲线中出现第一个明显
的断裂值;凝胶弹性A1.凝胶破裂点下的峰面积Area
1:2;硬度a2.第一次压缩循环中出现峰值所代表的
力;凝胶强度A2.压缩总正峰面积Area1:3;粘性
A3.第,次压缩的负峰面积Area3:4,代表探头从食
品中离开时难易程度;粘滞力a3.第一次压缩负峰的
峰值.
嚣
..._
网
I/1’ol2=;【_3l/
作用时间(s)由
a3
图1典型的质构仪测定曲线
Fig.1TypicalTPAcurve
1_2.2燕麦B一葡聚糖的制各itz3]
燕麦麸皮一无水乙醇加热回流60min灭酶一离心一
50~C鼓风干燥---an水搅拌浸提两次(50?)一离心并合并上
清液一减压浓缩一调pH4.5离心脱蛋白一淋洗过活性炭柱
脱色---~H无水乙醇沉淀一热水溶解沉淀后加淀粉酶酶解
除淀粉---~H无水乙醇再次沉淀一热水溶解沉淀一聚酰胺
柱层析一收集多糖组分---~H无水乙醇沉淀一冻干一B.葡
聚糖样品,命名为Oglu一1.
称取一定量燕麦葡聚糖Oglu1,加0.2mol/LHC1,
充分搅拌溶解后,在70?下保温水解30min后迅速中
和,冷却,用无水乙醇沉淀,透析脱盐,无水乙醇
再次沉淀,冷冻干燥得到部分降解的葡聚糖组分,命
名为Oglu一3.
分别采用Calcofluor荧光法[14_I,凝胶渗透色谱和
激光光散射联用仪(GPC—LLS)~定Oglu一1,Oglu一3的B一
葡聚糖含量和相对分子质量.
1-2_3燕麦B一葡聚糖凝胶质构特性研究
1.2.3.1燕麦B.葡聚糖分子量及浓度对葡聚糖凝胶形
成的影响
分别配制不同浓度和不同分子量的燕麦B.葡聚糖溶
液,用AR一500动态流变仪测定其动态粘度(剪切应力)曲
线.测定条件:温度25?,椎板40mm,2.,测定
采用流动模式,数据获取为连续模式,以剪切速率为
变量,变量范围从0.1,1000s一1,变量扫描为线性模
式,采集50个变量点.
1.2.3.2燕麦B.葡聚糖浓度对凝胶质构性质的影响
制各不同浓度的Og1U一1凝胶放在测试杯中,用
TextureAnalyserX.T21型质构测定仪测定凝胶质构性
能,考察葡聚糖浓度对胶体质构性质的影响.
1.2.3-3体系pH对胶体质构性能的影响
分别配制中性,pH4,pH10浓度为3%的Oglu一1
溶胶,考察pH对燕麦B一葡聚糖凝胶质构性能的影响.
1.2.3.4尿素,硼砂,盐及溶剂种类等对葡聚糖凝胶
质构性能的影响
分别在Oglu一1溶胶中添加不同浓度的尿素,硼砂及
氯化钠,考察葡聚糖质构性能的改变情况.同时,采
用DMSO为溶剂代替水配置燕麦葡聚糖溶胶,考察
DMSO对其溶胶质构性能的影响.
2结果与分析
2.1燕麦B一葡聚糖制各与检测.
经制备得到两个燕麦B一葡聚糖级分Oglu.1和Oglu一
3,均为白色纤维状固体,经Calcofluor荧光法专一性
测定其B一葡聚糖含量均大于95%,碘反应为阴性表明不
含淀粉类成分,紫外280nm处无吸收峰表明不含蛋白类
成分.采用凝胶渗透色谱和激光光散射联用仪(GPC—LLS)
测定两个多糖级分的相对分子质量及相关参数,结果见
表1.
如加mom加
1162007,”Co1.28,No.08目晶科学※基础研究
表1燕麦葡聚糖相对分子质量及相关参数
Fable1Resultsofmolecularweightsand<S>’ofOglu
fractions
2.2葡聚糖相对分子质量和溶液浓度对凝胶形成的影响
一
部分高分子聚合物当浓度足够大时会失去流动性
能而形成凝胶或冻胶.凝胶是高分子链之间以化学键形
成的交联结构的溶胀体,加热不能溶解也不能熔融,它
既是高分子的浓溶液,又是高弹性的固体.高分子从
溶液态向凝胶态转变的最大特征是高分子溶质从溶液状
态下的具有较高自由度的单分子或无规多分子的聚集体
结构向大范围高分子相互连接的空间网格结构转变,其
最大特征是高分子的自由度明显下降.凝胶状态或接近
凝胶状态下时,高聚物受外力剪切作用时表现为较高的
弹性,但当剪切作用增大到一定程度时,凝胶结构被
破坏,表现为剪切应力的突然下降.非凝胶结构则没
有此突变过程.因此,可以利用高聚物溶液剪切应力
对剪切速率的扫描曲线来观察凝胶或半凝胶状态的形
成.图2是相对分子质量为4.49X105的燕麦B.葡聚糖
Oglu-1在溶液浓度为1%,5%时及相对分子质量为7.30
X10的Oglu-3溶液浓度为5%时的剪切应力一剪切速率
扫描曲线.从图2中可以看到,随着剪切速率的增加,
三个葡聚糖溶液样品的剪切应力均迅速增加,但5%的
Oglu一1组分在剪切速率达到400s一1时出现剪切应力骤减
的突变现象,而1%的Oglu.1和5%的Oglu.3则未见此
现象,说明5%的Oglu.1溶液中有凝胶结构形成,并
且此结构在400s一1剪切速率条件下会被破坏.高聚物凝
胶的形成取决于相对分子质量大小,分子结构和分子浓
度的高低.高聚物相对分子质量大,浓度高则分子问
结合交联的几率就越大,同时,分子链的规整性越好
和活性基团的数量越多也有利于分子间形成化学键的键
苣
O
.墨蚕誊莩量量善量蒙謇n寸卜o.u
剪切速率(1/s)
图2燕麦B一葡聚糖溶液剪切应力一剪切速率扫描曲线
Fig.2ScaningcurveofOglubyshearstresstoshearrate
合.因此,只有在高浓度和高相对分子质量的葡聚糖
溶液中才出现凝胶结构.
2.3葡聚糖浓度及相对分子质量对凝胶质构性能的影响
采用物性分析测定仪测定燕麦B.葡聚糖Oglu.1浓度
分别为8%,5%,3%和Oglu.3浓度为3%时的凝胶质
构性能.实验结果见图3和表2.结果表明,随着葡
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
现象说明葡聚糖胶体还不是完全意义上的凝胶,而是包
含凝胶和流体的混合结构.相对分子质量改变对葡聚糖
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黏性也增强.
2.4pH对葡聚糖质构性能的影响
型
露
聪
1
I1lr2030?4(
Ii作用时间(s)
a.Oglu一1(8%)
{_
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b.Oglu一1(5%)
12
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I510
作用时N(s)
c.Oglu一3(3%)
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※基础研究艮品科学2007,Vo1.28,No.08117
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1
I
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4(
d.Oglu一1(3%)
图3葡聚糖浓度对凝胶质构性能的影响
Fig.3Effe~sofconcentrationontexturebehaviourofOglu
表2葡聚糖浓度对凝胶质构性能的影响
Table2Effectsofconcentrationontexturebehaviour
ofOglu
前期的研究结果表明,pH的改变对葡聚糖溶液的
流动性能有一定影响,这种影响可能来自于溶液状态下
多糖分子间相互作用的改变.对高浓度葡聚糖质构性能
的研究表明,pH对葡聚糖质构同样具有一定影响.与
中性条件相比(图3d和表2),在pH4的酸性条件下葡聚
糖胶体的质构性能得到明显改善,胶体硬度提高21%,
胶体强度提高45%.而pH为10的碱性条件则作用正好
相反f图4a,图4b和表3).这种现象可能与酸性条件下
对多糖分子无规聚集有抑制作用,分子链更舒展,在
浓度较高时更容易形成大范围的空间网络结构有关.
2.5尿素,硼砂,溶剂种类等对葡聚糖溶胶质构性能
性能的影响
高分子的凝胶行为及其凝胶质构性能从根本上受其
分子结构,分子间相互作用及高分子与水分子的相互作
用的影响.尿素,硼砂,盐及DMSO溶剂等均为强极
性物质,具有比较强的氢键断开能力和水合能力,可
显着影响高分子的溶液行为和聚集行为.在笔者所进行
的前期研究中发现,尿素,硼砂,盐及DMSO溶剂等
可对低浓度条件下燕麦葡聚糖的溶液流体性能产生不同
程度的影响,在该基础之上,本研究进一步考察了这
些成分对燕麦葡聚糖溶胶的质构性能的影响.
2.5.1尿素及盐的影响
分别在3%浓度的燕麦B一葡聚糖中添加不同浓度的
尿素和氯化钠,考察其对葡聚糖胶体质构性能的影响.
实验结果表明(图4c,f和表3),在低浓度的盐和尿素条
件下(盐1%和尿素3mol/L),葡聚糖胶体性能均得到不同
程度的改善;而在高浓度盐和尿素条件下情况正好相
反.结合尿素对葡聚糖溶液流体性能的影响分析,即
尿素在低浓度下对葡聚糖溶液粘度有降低作用,而高浓
度下有升高作用,说明尿素和盐在低浓度下具有氢键断
开能力从而导致分子链的展开,当燕麦葡聚糖浓度较高
时易形成网格凝胶,而当尿素和盐浓度较高时,由于
其所具有的强竞争性水合能力,可能导致葡聚糖分子间
的无规聚集,网格形成较少,胶体性能下降.
2.5.2硼砂的影响
硼砂对燕麦B一葡聚糖的质构性能影响实验表明(图
4g,h和表3),硼砂存在条件下,葡聚糖胶体的硬度和
强度均显着提高(硼砂浓度为0.1%时,胶体硬度提高
70%,胶体强度提高79%),说明硼砂能增强燕麦葡聚
糖凝胶性能,且随着硼砂浓度的增高,作用越显着.
这可能是由于燕麦葡聚糖与硼砂形成配位化合物而促进
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a.浓度3%pH4
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图4尿素,pH,盐,硼砂及DMSO对葡聚糖凝胶质构的影响
Fig.4Effectsofurea,pH,salt,boraxandDMSOontexture
behaviorofOglu
表3尿素,盐,pH,硼砂及DMSO对葡聚糖凝胶质构性能的影响
Table3Effectsofurea.pH.salt.boraxandDMSOontexture
behaviorofOglu
剂相比,DMSO葡聚糖溶胶的胶体硬度下降36%,胶
体强度下降35%,这说明在极性更强的DMSO中多糖分
子间难以形成有规则的空间排布从而导致胶体强度的整
体下降.
3结论
凝胶是高分子在高浓度条件下分子规则排布所形成
的一种特殊存在状态,因其性质独特而应用广泛.燕
麦B一葡聚糖溶液剪切应力一剪切速率扫描曲线显示葡聚
糖浓度和相对分子质量大小对凝胶形成有较大影响,只
???加0加?加:250m
加:250m:2加??加0m加加:250m:.?加如加0m加??
一暑)器鞲一暑)通器鞲一暑)翟器
※基础研究食品科学2007,Vo1.28,No.08119
有在燕麦B一葡聚糖相对分子质量大于4.49×10,浓度
高于5%的条件下时方可形成凝胶结构.质构性质研究
表明,增加燕麦B一葡聚糖浓度,提高燕麦.葡聚糖相
对分子质量可显着改善其凝胶性能,同时,硼砂,低
浓度的盐和尿素对凝胶质构也有增强作用,而碱性条
件和DMSO溶剂则不利于葡聚糖分子空间网格结构的
形成.
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图际食用圈研究避屐:灵翟田鼢滔艾滋
被称为”世纪杀手”的艾滋病有了新的辅助治疗方法.从在广东微生
物研究所召开的”国际食用菌
研究进展学术报告会”上了解到,从中国,加拿大等国科学家对灵芝
的抗艾实验结果显示,灵芝对于艾
滋病治疗有辅助作用,可成为昂贵的抗逆转录病毒药物的另一个选择,或可用作配合抗逆转录病毒药物的
一
个辅助治疗,使更多的艾滋病人负担得起.
长期以来,艾滋病尚无治疗的有效药物和疗法,艾滋病的防治已成为摆在各国政府面前的一大课题.
灵芝在中国已有2000多年的应用历史,已被广泛应用于治疗各种疾病,包括肿瘤,病毒感染,炎症,高
血压,免疫异常导致的各种疾病等.随着灵芝研究的深入,灵芝的价值已逐渐得到国际的承认.近几年
来,国际上越来越多的研究和发现表明,灵芝对于治疗艾滋病具有特殊功效.加拿大多伦多大学实验医学
病理系杨柏华教授作的”灵芝抗肿瘤的研究新进展”的学术报告展示了详细,前沿的灵芝研究成果.国
际知名的蕈菌专家张树庭教授报告说,他与坦桑尼亚的教授,科学家组成的团队在非洲开展了试验性的关
于灵芝制剂对艾滋病人的治疗作用的临床试验研究,初步结果显示:灵芝胶囊和抗逆转录病毒药物一起治
疗,艾滋病患者的体重增长,CD4细胞数量,血红细胞水平等指标均明显上升,比只予抗逆转录病毒组
的病人的效果提高一倍.