小麦阿拉伯木聚糖水凝胶结构及流变特性

王立博,陈复生*,殷丽君*,张丽芬,刘成龙
(河南工业大学粮油食品学院,河南 郑州 450001)

摘 要:讨论3 种小麦(郑麦9023、矮抗58、周麦27)阿拉伯木聚糖(W9023、W58、W27)水凝胶特性的差异。通过流变学实验、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱分析、称质量法对3 种水凝胶(Q9023、Q58、Q27)的成胶性及凝胶稳定性、微观结构、溶胀性及色泽进行研究。3 g/100 mL的W9023和W58在漆酶作用下可形成凝胶。Q9023凝胶点为9 min,Q58为19 min。傅里叶变换红外光谱分析结果为典型的AX图谱。扫描电子显微镜观察发现Q9023凝胶孔壁光滑,Q58呈脊状结构。结果表明,不同来源的小麦阿拉伯木聚糖成胶性能有差异。Q9023结构更为稳定,控释能力较强,色泽较浅,更利于后续改善凝胶特性的研究。

关键词:小麦阿拉伯木聚糖;水凝胶;流变特性;微观结构

小麦是世界上分布最为广泛的粮食作物之一,被广泛应用于粮食加工及饲料工业。我国每年因小麦制粉工业所产的小麦麸皮约为2 000万 t[1-2],但基本用做饲料。小麦麸皮作为一种廉价的农业副产品,含有丰富的膳食纤维、甾醇、维生素、矿物质等[3-4]。阿拉伯木聚糖(arabinoxylans,AX)作为膳食纤维的主要组成成分之一,结构复杂多样,具有抗氧化、降血糖以及调节肠道等生理功能[5]。小麦麸皮中AX含量较为丰富,约为12.7%~22.1%,但不同品种的小麦麸皮AX含量不同[6-7]

AX主要由阿拉伯糖和木糖2 种五碳糖组成,所以又被称为戊聚糖[8]。其广泛存在于小麦、大麦、黑麦、燕麦、玉米、稻米、高粱等谷物组织中[9-10]。由于AX来源广泛且具有良好的生物活性,使得AX及其凝胶制品在食品化工及生物工程等领域的应用受到广泛关注[11-12]。研究发现,少量的单体或二聚体阿魏酸可通过酯键与阿拉伯糖残基C5位相连,并且对AX功能特性等有重要影响[13-14]。生物酶(如漆酶、过氧化物酶/H2O2体系等)以及一些化学试剂(过硫酸铵等)可通过自由基氧化,使得AX中的阿魏酸基团共价交联形成凝胶[15]。以小麦麸皮AX为原料制备薄膜,发现AX薄膜结晶形态、β转变以及吸水性与阿拉伯糖取代程度相关[16]。分别以过氧化物酶/H2O2体系和漆酶/O2体系为催化剂制备玉米AX凝胶,结果表明,过氧化物酶/H2O2体系所制备的凝胶相比于漆酶/O2体系具有更短的凝胶化时间,漆酶/O2体系凝胶具有更密集、规律的微观结构[17]。但由于AX凝胶存在的机械性能差、质构单一等问题,目前还处于研究阶段。因此本实验以3 种不同品种(郑麦9023、矮抗58、周麦27)的小麦麸皮为原料制备AX,并在漆酶作用下制备水凝胶。通过对所制备的水凝胶流变学特性及结构特性进行比较,选取凝胶特性较好的品种,为后期AX水凝胶性能的改善提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

郑麦9023、矮抗58、周麦27由河南农业科学院种植所得。

漆酶38429 Sigma-Aldrich(上海)贸易公司;高峰α-淀粉酶A8750 北京索莱宝科技有限公司;氢氧化钠、盐酸、无水乙醇 国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

HAAKE RheoStress 6000型流变仪、WQF-510A型傅里叶变换红外光谱分析仪 美国Thermo Scientific公司;Quanta FEG 250型扫描电子显微镜 美国FEI公司;CR-410型色彩色差计 日本Minolta公司;LGJ-25C型冷冻干燥机 北京四环科学仪器厂。

1.3 方法

1.3.1 小麦阿拉伯木聚糖的制备

分别以郑麦9023、矮抗58、周麦27的小麦麸皮原料,经粉碎研磨成粉,过30 目筛。4 倍质量的蒸馏水浸泡麦麸并置于100 ℃水浴加热30 min,待温度降至85 ℃时,加入α-淀粉酶85 ℃水浴酶解除淀粉(碘液检测酶解程度)。待淀粉分解完全,过滤并富集沉淀,沸腾蒸馏水冲洗沉淀4~5 次,75 ℃烘箱干燥4 h[2]。后将除淀粉的小麦麸皮与0.25 mol/L NaOH溶液1∶5(m/V)混合,25 ℃条件下,置于恒温振荡器100 r/min避光振荡碱提4 h,经4 000 r/min离心20 min,收集上清液,用4 mol/L的HCl溶液调pH值至4。4 000 r/min离心20 min,收集上清液,边搅拌边缓慢加入3 倍体积的无水乙醇,获得白色絮状沉淀,后以无水乙醇冲洗2 次,过滤富集。冷冻干燥后,得到3 种小麦阿拉伯木聚糖(wheat bran arabinoxylans,WBAXs)[18]W9023、W58、W27。

1.3.2 WBAXs中阿魏酸含量的测定

取5 mg阿魏酸标品,溶于0.05 mol/L、pH 7的磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS),定容至50 mL。得100 μg/mL阿魏酸标准溶液,后用PBS稀释成2、4、6、8、10、12 μg/mL的梯度标准溶液,以PBS为空白,在290 nm波长处测吸光度,建立标准曲线,将3 种WBAXs用PBS配制成一定质量浓度的溶解液,测阿魏酸含量,每个样品测量3 次取平均值[19]

1.3.3 WBAXs水凝胶的制备

以3 种小麦麸皮制备的WBAXs(W9023、W58、W27)为原料配制成5 g/100 mL的溶液,加入漆酶(0.1 U/mg WBAXs),25 ℃静置2 h,形成水凝胶(Q9023、Q58、Q27),4 ℃冰箱过夜备用。

1.3.4 WBAXs水凝胶流变学特性的测定

采用HAAKE RheoStress 6000型流变仪进行时间扫描,平板夹具直径为50 mm,间隙为1 mm,固定频率为1 Hz,应变范围为10%。将制备的WBAXs配制成3 g/100 mL的溶液,保持在4 ℃,加入漆酶(0.1 U/mg WBAXs)后迅速搅拌均匀,并快速上样,夹具边缘加一层硅油,防止在测试中样品水分蒸发。25 ℃保持2 h,测定样品储能模量(G’)和损耗模量(G”)。之后继续进行频率扫描,频率变化范围0.01~10.00 Hz[20]

1.3.5 WBAXs扫描电子显微镜观察

将冷冻干燥的WBAXs粉末及凝胶样品置于放有导电硅胶的样品台上,喷金后进行扫描,观察样品表面形态,加速电压为15 kV[21]

1.3.6 WBAXs傅里叶变换红外光谱分析

将经过冷冻干燥的WBAXs及WBAXs凝胶粉末在70 ℃箱烘干燥12 h,将样品与KBr在研钵中研细(2 mg样品/200 mg KBr),取适量混合样品压片后,置于傅里叶变换红外光谱仪中测量,KBr压片作为空白,测定400~4 000 cm-1的光谱[22-23]

1.3.7 WBAXs水凝胶溶胀性的测定

将冷藏过夜的5 g/100 mL的WBAXs水凝胶室温条件下放置1 h,转移到烧杯中称质量。后浸入到去离子水中,每隔20 min取出凝胶,擦去表面水分,称质量记作m1,样品干质量以m0表示。共测试6 h,每个样品平行测定3次,取平均值[20,24]。凝胶溶胀比(swelling ratio,Q)。按下式计算:

1.3.8 WBAXs水凝胶色差测定

采用CR-410色彩色差计对1.3.3节制备的WBAXs凝胶样品的明亮指数(L*)、红绿值(a*)和黄蓝值(b*)进行测定,每个样品平行测定3 次,取平均值。

2 结果与分析

2.1 WBAXs制备及阿魏酸含量分析

图1 WBAXs粉末扫描电子显微镜图(×10 000)
Fig. 1 SEM photomicrographs of WBAXs powder (×10 000)

冷冻干燥后得到的白色絮状WBAXs粗产物经扫描电子显微镜观察。如图1所示,WBAXs粉末形状不规则,均由小于10 μm微小颗粒聚合而成,W9023和W27粉末结构较为松散,W58粉末聚合更为紧密。可能是在冷冻干燥过程中,促进粒子间亲水交联,导致聚合。

以吸光度为纵坐标(Y),阿魏酸质量浓度为横坐标(X),得线性回归方程Y=0.070 82X-0.004 64(R2=0.999 7),测得W9023、W58、W27阿魏酸含量分别为(2.63±0.03)、(5.67±0.07) 、(4.75±0.05) μg/mg。阿魏酸含量的多少影响凝胶的形成,其作为WBAXs凝胶的连接位点,可在生物酶或一些化学试剂作用下氧化交联形成二聚阿魏酸、三聚阿魏酸或多聚阿魏酸结构,从而形成凝胶。研究发现,碱法制备AX过程中伴随有脱酯化作用,使得单体阿魏酸含量下降,酶促交联程度降低,进而影响凝胶形成,即碱作用条件对形成凝胶的能力有显著差异[18]

2.2 WBAXs水凝胶流变学特性及成胶规律

储能模量G’(样品弹性形变)与损耗模量G”(样品黏性形变)的大小可反映样品的稳定性。当储能模量G’大于损耗模量G”时即弹性形变大于黏性形变,样品表现出一定的刚性,反之,则呈现流体特性,当两者相等时,为凝胶转化点(即凝胶点)。

图2 水凝胶储能模量(G’)和损耗模量(G”)随时间及频率变化曲线图
Fig. 2 Storage (G’) and loss (G”) modulus of hydrogels as a function of gelation time and frequency

如图2A1~A3所示,当样品未加入漆酶时,所有样品的损耗模量G”均大于储能模量G’,且数值大小基本保持不变,样品呈现流体特性,即未发生聚合形成凝胶。当加入漆酶后,分子间氧化交联,样品黏度增加,储能模量G’与损耗模量G”均随时间变化上升。当时间为9 min时,Q9023的储能模量G’与损耗模量G”大小相等,即为Q9023凝胶点。随时间延长,储能模量G’逐渐高于损耗模量G”,最终储能模量G’为21 Pa左右,损耗模量G”为16 Pa左右,即凝胶趋于稳定,但储能模量G’的数值较低,表明凝胶的强度很弱。Q58凝胶点为19 min,最终储能模量G’与损耗模量G”趋于稳定,分别为21 Pa和19 Pa左右。而Q27在加入漆酶后,储能模量G’与损耗模量G”随时间延长有所增加,但二者无交点且始终为储能模量G’小于损耗模量G”,最终分别稳定于8 Pa和14 Pa左右,即3 g/100 mL的Q27表现为流体特性,未形成凝胶,这可能与周麦27的WBAXs纯度有关。Martinez-Lopez等[25]研究发现凝胶的强度还与AX纯度及分支度相关,AX纯度较高时凝胶强度较强,当分支度较小时,可促进多糖主链上未被取代的木糖之间发生物理相互作用,从而形成更强的凝胶。所以相比之下,郑麦9023 WBAXs中阿魏酸含量虽然最少,但可能由于其纯度较高、分支度小等,因而可快速形成凝胶。

图2B1~B3分别为Q9023、Q58、Q27频率变化曲线。Q9023与Q58在整个频率扫描范围内储能模量G’均大于损耗模量G”,呈高弹性,表明二者形成稳定的凝胶。Q27在整个频率扫描范围内损耗模量G”大于储能模量G’,表明凝胶呈现流体特性。这与各自时间扫描结果一致。3 种水凝胶的储能模量G’与损耗模量G”均随频率增加而增加,均表现出对频率的依赖性,表明凝胶结构松弛;储能模量G’与损耗模量G”差值逐渐缩小,表明可恢复的储能模量较低,即凝胶结构弱易断裂,是一种“弱凝胶”[26]。相比之下,Q9023形成凝胶时间更为短暂,且储能模量G’与损耗模量G”趋于稳定后差值大于Q58,为5 Pa,说明其凝胶结构更为稳定。

2.3 WBAXs水凝胶结构

图3 WBAXs水凝胶扫描电子显微镜图(×400)
Fig. 3 SEM photomicrographs of WBAX hydrogels (× 400)

从图3可以看出,Q9023凝胶网络结构相对均匀,呈不规则的蜂窝状结构,孔径大小约为200 μm左右,孔壁相对平整光滑;Q58凝胶网络结构不规则且分布不均匀,孔径大小不均一,分布松散,分子间相互交联聚合,呈脊状结构,孔壁较厚且不光滑;Q27无孔状结构,分子间聚合呈片层状结构,片层相对较薄,表面不平整呈褶状,有凸起结构连接于片层之间。相比之下,Q9023与Q58虽然均含有孔状结构,但Q9023凝胶网络结构更加完整,网孔相对均匀,为凝胶提供良好的刚性,因而在作为载体时,更有利于活性物质的运载与释放。

2.4 WBAXs及其水凝胶傅里叶变换红外光谱图分析

图4 WBAXs及WBAXs水凝胶红外光谱图
Fig. 4 FI-TR spectra of WBAXs powder and hydrogel

在1 200~800 cm-1范围内为一条宽的多糖吸收峰,1 047 cm-1处的强吸收峰为C—OH弯曲振动峰,1 079 cm-1处为C—O—C伸缩振动峰,855 cm-1处吸收峰为β-糖苷键的伸缩振动峰,表明木糖是通过β-糖苷键相互连接,这与AX主链结构一致[27]。1 651 cm-1及1 531 cm-1处分别为酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ基团吸收峰,表明有蛋白质存在[28]。2 925 cm-1为—CH伸缩振动峰,3 375 cm-1处宽吸收峰为—OH伸缩振动峰。由图4可知,WBAXs水凝胶的—OH伸缩振动峰吸收强度小于WBAXs,说明漆酶作用下,—OH参与氧化反应,使得WBAXs中的阿魏酸基团共价交联形成凝胶[15]。WBAXs水凝胶样品在855 cm-1的吸收峰强度降低,即β-糖苷键的伸缩振动峰吸收强度降低,说明漆酶作用下,WBAXs分子发生聚合,多糖链结构发生改变。Q9023和Q58在1 079 cm-1的吸收峰发生偏移,C—O—C伸缩振动峰强度降低,C—O弯曲振动峰强度增大,说明WBAXs分子间(内)的阿魏酸基团通过酯键形成二聚体或三聚体阿魏酸,进而形成凝胶[29]

2.5 WBAXs水凝胶溶胀性比较

由图5可知,当质量浓度为5 g/100 mL时,3 种凝胶均表现出成胶特性。在实验6 h后,凝胶溶胀比基本保持稳定,Q58溶胀比最高,为15.67±0.83,Q9023为14.74±0.43,Q27溶胀比最低,为13.98±0.90。电子显微镜观察Q27为片层结构,对水分运载及控释能力较低,因而溶胀比低。Q9023与Q58均有孔状结构,所以具有较高的溶胀比,但Q58溶胀比要高于Q9023,这可能是由于Q58中有未交联AX长链存在,而未发生交联的多糖聚合链更易伸展,从而导致较高的溶胀比[30]

图5 水凝胶溶胀性
Fig. 5 Swelling capacity of hydrogels

2.6 WBAXs水凝胶色差比较

图6 水凝胶色差比较
Fig. 6 Chromatic aberration of hydrogels

水凝胶色差比较如图6所示,3 种凝胶L*、a*、b *均大于零,即凝胶色泽偏向红黄色,这可能是因为AX分子间交联聚合,从而导致凝胶色泽偏向红黄色。Q58的L*、a*、b*均为最大,凝胶接近乳白色且不透明。Q9023与Q27的L*、b*较小且相近,即二者凝胶色泽较浅,Q9023的a*大于Q27,说明Q9023偏红色。

3 结 论

本实验考察了不同来源的WBAXs水凝胶特性的差异,通过流变学时间扫描及频率扫描实验,扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱分析,称质量法对3 种水凝胶的成胶性,凝胶稳定性、微观结构、分子结构、溶胀性及色泽进行了研究。流变学实验表明,WBAXs凝胶强度较弱。W9023及W58在质量浓度为3 g/100 mL时均可形成凝胶,Q9023在9 min时开始成胶且凝胶结构较为稳定。扫描电子显微镜图显示,Q9023呈不规则的蜂窝状结构且相对均匀,孔壁相对平整光滑,更有利于对活性物质的运载和释放。由红外光谱可知,凝胶样品在漆酶作用下,分子结构发生变化。Q9023在1 079 cm-1的吸收峰发生偏移,说明一些基团发生聚合。质量浓度为5 g/100 mL时,3 种凝胶均表现出成胶性,Q58与Q9023持水性均高于Q27,且Q58色泽接近白色,Q9023色泽与Q27接近,色泽较浅。综上所述,不同来源的WBAXs成胶性有差异,Q9023凝胶网络结构更为稳定,控释能力较强,色泽较浅,更利于后续改善凝胶特性的研究。

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Structure and Rheological Properties of Wheat Bran Arabinoxylan Hydrogel

WANG Libo, CHEN Fusheng*, YIN Lijun*, ZHANG Lifen, LIU Chenglong
(Grain College, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:The gelation capacity, rheological properties, structural characteristics, swelling capacity and color of hydrogels obtained from three wheat bran arabinoxylans (WBAX, W9023, W58, W27s) from different wheat cultivars (Zhengmai 9023, Aizhang 58 and Zhoumai 27) were studied. W9023 and W58 gels (Q9023, Q58) were prepared by oxidative crosslinking with laccase at a substrate concentration of 3 g/100 mL. The gelation time of Q9023 and Q58 were 9 and 19 min, respectively. WBAXs presented typical Fourier transform infrared (FT-IR) spectra of arabinoxylans. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that Q9023 presented a smooth surface topography, while Q58 presented a ridge structure. According to these results, Q9023 showed the most stable structure and good controlled release capability as well as a light color. The study can provide a reference for the modification of arabinoxylan hydrogel in the future.

Key words:wheat bran arabinoxylans; hydrogel; rheological properties; microstructure

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201713007

中图分类号:TS201.7

文献标志码:A

文章编号:1002-6630(2017)13-0041-06

引文格式:

王立博, 陈复生, 殷丽君, 等. 小麦阿拉伯木聚糖水凝胶结构及流变特性[J]. 食品科学, 2017, 38(13): 41-46.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201713007. http://www.spkx.net.cn

WANG Libo, CHEN Fusheng, YIN Lijun, et al. Structure and rheological properties of wheat bran arabinoxylan hydrogel[J]. Food Science, 2017, 38(13): 41-46. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201713007. http://www.spkx.net.cn

收稿日期:2016-05-31

基金项目:国家自然科学基金面上项目(21576072;21376064);国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA102208);“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD04B10)

作者简介:王立博(1988—),男,硕士研究生,研究方向为蛋白质资源开发与利用。E-mail:lbwang0728@163.com

*通信作者:陈复生(1963—),男,教授,博士,研究方向为食品资源开发与利用。E-mail:fushengc@haut.edu.cn殷丽君(1971—),女,教授,博士,研究方向为食品材料的微细化加工及相关评价技术。E-mail:ljyin@cau.edu.cn