亚麻籽胶超声辅助提取条件优化及其热稳定性研究

任雪娇

1.锦州医科大学食品与健康学院（锦州 121000）；2.沈阳农业大学食品学院（沈阳 110866）

近年来，食物中的水溶性胶体尤其是植物中的多糖受到食品和药物科学家的关注[1]。亚麻籽胶作为亚麻籽油生产的副产品，主要存在于亚麻籽的最外层，浸泡在水中很容易被溶解[2]，占种子干重的2%～10%[3]，是从完全干燥的亚麻籽种子中提取的多糖黏液。亚麻籽胶是一种异质多糖，由75%的中性阿拉伯木聚糖和25%的鼠李糖半乳糖醛酸组成。亚麻籽胶水溶液因其功能性质而倍受关注[4]，在食品工业中可作为增稠剂、稳定剂和乳化剂，同时亚麻籽胶还具备良好的保水保油、流变特性和凝胶性。

目前，主要的多糖提取工艺有热水浸提、微波辅助提取[5]、超声辅助提取[6]以及酶辅助提取[7]。除此之外，人们又开发了多种新工艺，包括超临界提取[8]、离子液体提取[9]、超高压提取[10]、快速溶剂萃取和亚临界水提取[8]等。不同的提取方法会影响多糖的提取率，甚至会影响多糖的结构以及功能性质。其中，热水浸提是多糖提取中的一种传统提取方法，具有设备简单、操作容易、成本较低等优点，但同时也有诸多弊端，如提取时间长、温度高、效率低等。超声辅助提取主要是利用超声波的空化作用，由于机械和热效应进而破坏植物细胞壁，从而促进多糖的溶出和扩散，提高多糖提取率，也是目前在多糖提取中应用较为广泛的一种工艺。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

亚麻籽胶（内蒙古乌兰察布兴和县）；95%乙醇（国药集团化学试剂有限公司）；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’-连氮基-双-（3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；过硫酸钾（国药集团化学试剂有限公司）；6-羟基-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 仪器与设备

KQ-300GDV超声波清洗器（昆山市超声波仪器厂）；MCR92流变仪（奥地利安东帕有限公司）；BRT-11J烘烤箱（广州展桌商用设备制造有限公司）；101-E型电热鼓风干燥箱（北京市永光明医疗仪器厂）；TA-XT Plus型物性测试仪（英国Stable Micro System公司）；DH3600Ⅱ型电热恒温培养箱（天津市泰斯特仪器有限公司）；N-1001型旋转蒸发仪（上海爱朗仪器有限公司）；Zeiss Sigma 500场发射扫描电子显微镜（德国蔡司公司）；Nicolet iS5 FT-IR傅里叶红外光谱仪（赛默飞世尔科技公司）；D8Advance XRD衍射仪（德国布鲁克光谱仪器公司）；STA409PC热分析仪、DSC404F3差示热量扫描仪（德国耐驰仪器制造有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 热水浸提亚麻籽胶的提取

称取100 g完整的亚麻籽于烧杯中，按料液比1∶15（g/mL）加入蒸馏水，在80 ℃的水浴中连续搅拌2 h，溶液以5 000 r/min离心15 min，在上清液中加入3倍体积95%的乙醇，浸泡过夜，离心（5 000 r/min，15 min）所得沉淀在50 ℃烘干，记为HWE[11]。

1.3.2 超声波辅助提取亚麻籽胶条件优化

1.3.2.1 单因素试验

考察超声温度（40，50，60，70和80 ℃）、超声时间（20，30，40，50和60 min）和超声功率（180，210，240，270和300 W）对亚麻籽胶提取率的影响。单因素试验时，其他因素水平选择：超声温度60 ℃、超声时间20 min、超声功率240 W。称取100 g完整的亚麻籽于烧杯中，按料液比1∶15（g/mL）加入蒸馏水，在60 ℃的超声波清洗器中，以240 W连续处理30 min，溶液以5 000 r/min离心15 min，在上清液中加入3倍体积95%的乙醇，浸泡过夜，离心（5 000 r/min，15 min）所得沉淀在50 ℃烘干，记为UAE。

1.3.2.2 响应面试验设计

在单因素试验结果，对超声温度、超声时间和超声功率各选取三个水平，应用Design Expert软件，以UAE提取率为响应值，利用响应面分析法，得到UAE提取的最佳工艺参数。其水平因素表如表1所示。试验共17组，中心点有5次重复试验。

表1 超声波提取法Box-Behnken试验因素水平表

1.3.3 UAE提取率计算

UAE的提取率按照式（1）计算[12]。

式中：Wg为提取获得UAE的质量，g；Ws为用于提取的亚麻籽的质量，g。

1.3.4 热力学特性分析

取5.0 mg亚麻籽胶样品，使用热重分析仪在氮气环境中进行TG测量，其中加热速率为10 ℃/min，温度范围为30～800 ℃。在铝样品盘中称取5.0 mg亚麻籽胶，使用差示扫描热量仪进行DSC测量，用空铝盘作参考。所有DSC测量均以10 ℃/min的加热速率，使用以流速50 mL/min的氮气作为吹入气体进行，在30～400 ℃的范围内分析不同样品的热流变化[13]。

1.3.5 数据分析

采用SPSS 23.0数据分析软件进行变化显著性分析，使用Origin软件对数据进行统计分析并绘制图表，使用Design Expert 8.0.6进行响应面分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

2.1.1 超声温度对UAE提取率的影响

超声温度对UAE提取率的影响如图1所示。从40℃升温到60 ℃的过程中，随着温度的增加，UAE的提取率显著增加（P＜0.05），并在60 ℃达到最大值。分析其原因，主要是随着温度的升高，细胞破坏程度加大，亚麻籽中组织结构变疏松，有利于亲水性UAE的溶解和释放。但当温度高于60 ℃时，UAE的提取率随温度升高反而出现缓慢下降的趋势，其原因主要是在温度较高的条件下多糖会发生降解，影响了UAE的提取率。

图1 超声温度对UAE提取率的影响

2.1.2 超声时间对UAE提取率的影响

超声时间对UAE提取率的影响如图2所示。随着超声时间从10 min增加到30 min，UAE提取率从6.74%显著上升到9.12%（P＜0.05），并且在超声时间30 min时，达到最大值，之后随着时间的延长，提取率呈现缓慢下降趋势。分析其原因，可能是时间短，超声波对细胞壁的破坏较小，亚麻籽胶释放得少，随着时间的延长，超声波产生的空化作用增强，促进了物质的释放。然而过长时间的提取，反而造成提取率下降，一方面是由于随着时间的增长，遭到破坏的细胞壁等不溶性物质悬浮在水中，使溶剂的渗透性下降，另一方面是由于超声波的机械作用使UAE中的多糖部分降解。

图2 提取时间对亚麻籽胶提取率的影响

2.1.3 超声功率对UAE提取率的影响

超声功率对UAE提取率的影响如图3所示。超声功率从180 W到240 W的过程中，提取率从6.24%增加到9.18%（P＜0.05），在240 W时达到最大值。当超声功率超过240 W时，提取率反而呈下降趋势。分析其原因，可能是超声波功率过高，会产生较大的空化作用，对UAE的结构造成破坏，导致大部分多糖降解，提取率下降。

图3 超声功率对亚麻籽胶提取率的影响

2.2 超声波辅助提取法响应面优化

2.2.1 回归模型的建立

利用Design Expert软件对表1中的数据进行多元回归拟合，得到UAE提取率和提取时间（A）、超声功率（B）和提取温度（C）的二次多项回归方程：Y=9.15+0.14A+0.28B+0.16C+0.082AB-0.085AC-0.18BC-0.26A2-0.77B2-0.32C2。

2.2.2 模型拟合和试验数据分析不同参数下UAE的提取率见表2。UAE的提取率在7.42%～9.23%范围内。试验数据符合基于方差分析的二元模型，响应面的方差分析见表3。模型F值为111.99，P值＜0.000 1，表明该模型具有显著性差异。失拟项F值为0.27，P值为0.843 4＞0.05，表现为不显著，说明该模型合适。模型的相关系数R2为0.993 1，修正系数Radj2为0.984 2，表明该试验过程中仅有不到1.58%的变化不能用该拟合模型来解释。两个值均接近1，说明试验值与预测值有高度相关性。P值可以检测每个因素对响应值影响的显著性。试验中，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）对UAE提取率额影响均为极显著（P＜0.01），AB（P=0.044 8）、AC（P=0.040 2）对UAE提取率的影响为显著（P＜0.05）。在3个因素对UAE提取率的影响中，超声功率的影响是最大的，其次是超声温度，超声时间的影响最小。由此可见，该模型能较好地描述各因素之间的关系，也能优化UAE的提取工艺。

表2 试验设计及结果

表3 方差分析和参数显著性检验

2.2.3 响应曲线和等高线分析

超声时间、超声温度和超声功率对亚麻籽胶提取率的二维等高线（图4 a，c和e）以及三维响应面图形（图4 b，d和f）表明3个因素对亚麻籽胶的提取率的影响存在交互作用，且影响均显著（P＜0.05）。随着超声时间的延长、超声功率的增大和超声温度的升高，亚麻籽胶的提取率会逐渐增加，达到最高值后缓慢下降，可能是由于较长的时间以及较高的温度会引起多糖的降解，另外较高的超声功率会引起空化效应，破坏细胞壁结构，加速多糖的降解。

2.2.4 提取参数优化及模型验证

通过模型预测的最佳提取条件为超声时间32.68 min、超声功率245.29 W、超声温度61.59 ℃，在此条件下，预测的亚麻籽胶最大提取率为9.21%。实际提取条件为超声时间32 min、超声功率245 W、超声温度62 ℃。经过3次平行试验，亚麻籽胶的平均提取率为9.18%±0.12，达到预测值的99.57%，表明利用该模型来优化亚麻籽胶的提取率是可行的。这一提取率要高于预试验利用热水浸提方式制备的亚麻籽胶（7.30%±0.18）。Safdar等[12]在功率500 W、频率22 kHz、振幅50%的条件下，使用直径为13 mm的探针在不同时间间隔（10，15，10，25，20和30 min）进行超声处理，得到结论：随着超声时间的增加，提取率从5.41%增加到7.84%，且在30 min达到最大值，与此次试验的结论相一致，但此次试验对于亚麻籽胶的提取率要高于Safdar等[12]，说明在前人试验基础上，该方法可以有效提高亚麻籽胶的提取率，是一种高效的提取方法。

2.3 热力学特性分析

热重分析法（TG）和差示扫描量热法（DSC）是对不同生物聚合物，尤其是多糖的热稳定性进行的两种常见分析方法[14-15]。亚麻籽胶的TG分析如图5所示。在低于100 ℃的温度下，亚麻胶中约有10%的质量损失，这可能是由于亚麻籽胶是亲水性胶体，而胶体中游离水在此温度蒸发，Alpizar-Reyes等[16]在罗望子胶种子粉末的研究中已得到相似的结论。可以看出，UAE的水分含量略低于HWE。在200 ℃的温度范围内，观察到亚麻籽胶质量缓慢而稳定地下降，超过此温度，亚麻籽胶的质量急剧下降至400 ℃，由于亚麻籽胶受热分解导致质量的快速损失，热降解首先发生在半乳糖醛酸链，糖苷键断裂，随后羧酸基团在环上发生脱羧反应，同时生物聚合物大分子序列分解也会导致亚麻籽胶的分解。当温度高于400 ℃时，质量损失缓慢，可能是随着温度的升高，含脂肪基和酮基的固体炭接枝多环芳香烃的结构会被破坏并紧密堆积[17]。

差示扫描量热法（DSC）用于测量亚麻籽胶随温度升高发生的吸热或放热转变，结果如图5所示。不同提取方式HWE和UAE所得的亚麻籽胶均既有吸热的转变，也有放热的转变。可以观察到HWE和UAE各有一个吸热峰值出现在119.96 ℃和109.14 ℃，这一峰值的出现主要与亚麻籽胶中存在的自由水蒸发有关。HWE和UAE的放热峰值分别出现在279.52 ℃和284.36℃，这一温度对应亚麻籽胶的分解。观察到的结果与Rashid等[18]在64.7 ℃和279 ℃观察到亚麻籽胶有两个峰值的结果略有差异，可能与亚麻籽胶的来源不同有关。两种样品的放热温度UAE略高于HWE，说明UAE要比HWE更稳定。Ezzati等[19]报道过，超声波辅助提取可以提高向日葵果胶的稳定性。亚麻胶的热性能表明，生物高聚物具有很高的热稳定性，在微胶囊、乳液、悬浮液、面包制作等涉及高温的工业应用中是一个很好的选择。在此研究中，通过热力学分析可知，UAE比HWE具有更高的热稳定性。

3 结论

试验研究了亚麻籽胶的超声辅助提取工艺，并对其热稳定性进行了分析。在单因素条件的基础上，采用响应面法对超声温度、超声时间、超声功率三因素进行优化，得到亚麻籽胶的最佳提取参数：超声时间32 min、超声功率245 W、超声温度62 ℃，在此条件下亚麻籽胶的提取率能够达到9.18%。超声辅助提取的亚麻籽胶比热水浸提的亚麻籽胶具有更好的热稳定性，为其在食品中的应用提供良好的理论基础。