《食品科学》：上海理工大学曹洪伟副教授等：微波超声联用处理对青稞β-葡聚糖理化性质及结构特性的影响

青稞是一种营养价值较高的谷物，具有三高两低，即高蛋白、高纤维、高维生素、低脂肪、低糖的成分结构特性。β-葡聚糖是一种重要的谷物膳食纤维组分。青稞中的β-葡聚糖主要存在于麸皮中，根据谷物品种、产地和环境的不同，其含量会有一定差距。青稞麸皮是青稞加工过程中最主要的副产物，常作为农作物残渣、加工废料或饲料，未经综合利用就被丢弃，只有少部分被加工成烘焙食品等高纤维食品。因此，若采用青稞麸皮制取β-葡聚糖，不仅可以避免资源浪费，还能将增加农牧民收入。

目前，关于青稞β-葡聚糖的研究多集中在提高提取率上，而忽略了青稞β-葡聚糖的理化性质及结构特性。因此，上海理工大学健康科学与工程学院的于丽雅、石梦梦、曹洪伟*等以青稞麸皮为原料，采用微波超声联用提取青稞β-葡聚糖。研究了微波时间对α-淀粉酶活性及超声功率对青稞β-葡聚糖提取效果的影响，并对不同超声处理时间下提取的青稞β-葡聚糖溶解特性、乳化性、起泡性和流变学特性进行研究，通过动态光散射仪测定其粒径大小及分布情况，采用傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜对其结构进行表征，以期对青稞资源开发和利用提供理论和应用基础。

01.微波超声联用条件的确定

谷物β-葡聚糖的提取多以酶解方式进行处理，α-淀粉酶作为提取β-葡聚糖时常用的酶，其相对活力至关重要。如图1A所示，在温度为60 ℃附近时，α-淀粉酶的温度趋于稳定；随着加热时间的延长，α-淀粉酶相对活力呈现先升高后降低的趋势，并且在30 min时达到最高值，与传统的水浴加热相比，微波处理α-淀粉酶的相对活力高于水浴加热。然而，当微波处理时间继续延长时，α-淀粉酶的相对活力逐渐降低，可能是因为α-淀粉酶达到临界点，导致酶活性下降。因此，选择微波参数为60 ℃处理30 min作为提取青稞β-葡聚糖的条件。

超声功率控制空化强度，有助于从基质中释放被包埋的β-葡聚糖。因此，超声功率是影响提取效率的重要因素。图1B显示了超声功率对β-葡聚糖得率的影响。随着超声功率的增加，β-葡聚糖得率增加，当超声功率达到600 W时得率最高。在高于600 W的超声功率下，β-葡聚糖得率缓慢下降。因此，选择超声功率600 W作为后续实验的超声功率。

02. 超声处理时间对β-葡聚糖提取效果和溶解特性的影响

如图2A所示，不同超声处理时间对青稞β-葡聚糖的得率和纯度均有影响。经过微波处理提取的青稞β-葡聚糖得率和纯度分别为（4.10±0.13）%和（70.42±0.63）%。但随着超声处理时间的延长以及微波热效应的影响下，青稞β-葡聚糖的得率和纯度显著增加；超声处理时间为30 min时，β-葡聚糖的得率和纯度最高，分别为（6.30±0.38）%和（83.53±0.13）%。这是因为超声和微波处理破坏了青稞麸皮细胞壁，细胞溶胀后β-葡聚糖扩散溢出需要时间。当超声处理时间为40 min时，β-葡聚糖得率降低。这是因为超声处理时间过长会使提取液局部温度过高，导致β-葡聚糖发生降解，从而导致β-葡聚糖得率下降。与此同时，在超声处理过程中，杂质也不断被提取出来，杂质的增加也会在一定程度上影响β-葡聚糖的溶出。

如图2B所示，随着超声处理时间的延长以及在微波热效应的影响下，β-葡聚糖溶液浊度显著降低，溶解度显著升高。未经超声处理时，多聚物处于聚集状态，β-葡聚糖分子链之间相互交联、缠绕在一起，因此浊度较高。并且β-葡聚糖分子中存在较多羟基，亲水基团的存在使得β-葡聚糖本身就对水分子有较强的亲和力。由于超声波产生的空化作用和微波的热效应，使β-葡聚糖分子内积蓄热量，导致β-葡聚糖的空间结构变得更加疏松，从而增强了β-葡聚糖的溶解特性。

03. 超声时间对β-葡聚糖乳化性和起泡性的影响

乳化性和起泡性作为食品体系中两个重要的基本功能特性，在食品加工中也是必不可少的一部分。当β-葡聚糖作为稳定剂、新型食品开发以及食品品质调控等使用时，其乳化性和起泡性是非常重要的因素。因此，本实验研究了不同超声处理时间对青稞β-葡聚糖溶解性和起泡性的影响。

如图3A所示，随着超声处理时间的延长以及微波热效应的影响下，β-葡聚糖溶液的乳化能力和乳化稳定性逐渐降低。β-葡聚糖相对分子质量越大，乳化稳定性越高。同时，β-葡聚糖溶液的黏度也与乳化稳定性有着密切关系。溶液黏度越大，乳化液中液滴的运动速度越慢。黏度大的β-葡聚糖溶液可以形成黏弹性较高的界面膜，这也是提高乳化稳定性的重要因素。因此，超声处理时间越长，β-葡聚糖相对分子质量越低，溶液黏度越小，乳化性和乳化稳定性越差。

如图3B所示，随着超声处理时间的延长以及微波热效应的影响下，β-葡聚糖溶液的起泡能力显著增加，而泡沫稳定性显著降低。β-葡聚糖的起泡能力与其凝胶特性有关，而泡沫稳定性与其表观黏度有关。与此同时，随着超声处理时间的延长，β-葡聚糖的表观黏度、储能模量和损耗模量均呈现下降趋势，导致β-葡聚糖溶液黏弹性降低，有利于泡沫的形成，但不利于泡沫的稳定。

04. 超声时间对β-葡聚糖流变学特性的影响

如图4A所示，在0.1～100 s -1 剪切速率范围内，不同超声处理时间下β-葡聚糖溶液的表观黏度（tan δ）均随剪切速率的增大而减小，β-葡聚糖溶液呈现典型的非牛顿流体性质和假塑性流体特性，出现剪切稀化行为。但随着剪切速率的增大，β-葡聚糖分子形成外膜，流动阻力减弱，导致黏度降低。同时，随着超声处理时间的延长，β-葡聚糖分子间的糖苷键和分子内糖苷键断裂，导致其相对分子质量减少，表观黏度降低。

图4B～D表示超声处理时间对青稞β-葡聚糖黏弹性的影响。不同超声处理时间提取的β-葡聚糖溶液储能模量（G’）和损耗模量（G”）均随着振荡频率的增加而增加；损耗因子（tan δ）随着振荡频率的增加而降低，在1.2 Hz附近出现波动。随着超声处理时间的延长，G’、G”和tan δ大体均呈下降趋势。当超声处理时间为40 min时，振荡频率约在0.11～0.12 Hz区域时，G”与G’出现交叉点，即tan δ＝1，β-葡聚糖溶液黏性行为与弹性行为相当；当振荡频率在0.01～0.11 Hz区域（tan δ＞1）时，β-葡聚糖溶液G’＜G”，β-葡聚糖分子链间解缠结，排列逐渐趋于规则，表现出稀溶液的性质；当振荡频率大于0.12 Hz（tan δ＜1）时，β-葡聚糖溶液G’＞G”，此时β-葡聚糖溶液弹性行为大于其黏性行为，并呈现出类似固体的特征。

05. 超声处理时间对β-葡聚糖粒径的影响

如图5所示，所有处理条件下提取的β-葡聚糖都在100～10 000 nm间出现峰值，经过微波处理而未经超声处理的β-葡聚糖在7 654 nm左右出现一个峰，表明β-葡聚糖中存在大颗粒或聚集体，出现的第2个峰可能是微波的热效应导致的。与未经超声处理的β-葡聚糖相比，超声处理10、20、30 min和40 min的β-葡聚糖出现两个峰，并且峰值逐渐左移，粒径变小。大颗粒的出现表明小颗粒的再团聚，在持续超声处理以及微波加热的作用下，热效应和空化效应导致小颗粒在超声作用下重新团聚。

06.超声时间对β-葡聚糖红外光谱的影响

如图6所示，在不同超声处理时间以及微波热效应的影响下，提取的青稞β-葡聚糖红外光谱图峰型基本吻合，基本官能团没有发生变化，并未出现新的吸收峰。其中，3 405 cm -1 处的吸收峰可能是由多糖链中糖苷键间/内的相互作用导致的O—H收缩振动引起的；2 931 cm -1 处的吸收峰是糖类的特征峰，可能是由于饱和碳上的C—H的收缩振动引起的；1 630 cm -1 处的吸收峰为糖的水化物的吸收峰，即与水结合的O-H键弯曲形成的，或是β-葡聚糖中残留的少量蛋白质中的N-H基团吸收峰；1 390 cm -1 处的吸收峰则是C—H面内弯曲振动和变角振动产生的；1 074 cm -1 处的吸收峰可能是由β-(1→4)和β-(1→3)连接的C—O—C振动产生；而897 cm -1 处微小的吸收峰为β-D-葡萄吡喃糖的特征吸收峰。表明不同超声处理时间提取的青稞β-葡聚糖的基本结构是β-D-吡喃型葡萄糖，且超声提取β-葡聚糖不会造成基本官能团发生改变。与此同时，随着超声处理时间的延长，红外光谱峰面积逐渐减小，这表示各个官能团的含量减少，所提取的β-葡聚糖相对分子质量逐渐减小，该结果与粒径分布结果一致。

07. 超声时间对β-葡聚糖扫描电子显微镜结果的影响

在不同超声处理时间以及微波热效应的影响下提取的青稞β-葡聚糖微观结构如图7所示，超声处理时间对青稞β-葡聚糖的形态和结构存在显著差异。未经超声处理的青稞β-葡聚糖表面结构主要以致密聚集片段的形式存在（图7A）；随着超声处理时间的延长，青稞β-葡聚糖表面出现细小空洞，呈现出多孔、疏松的聚集体状态（图7B～E）。这是由于超声处理产生的空化效应和机械振动以及微波的热效应导致青稞β-葡聚糖的分子间氢键被破坏，使得大分子质量的β-葡聚糖分子链之间解离，从而形成多孔海绵状或蓬松的外观。因此，青稞β-葡聚糖结构松散，片段变小。

08. 结论

超声的空化效应可以产生的极高压力并且提高局部温度，从而破坏细胞壁，使得细胞中的有效成分能够快速的释放到溶剂中。微波处理可以破坏植物细胞壁及外膜，使胞内成分流出，同时，微波还可以通过偶极子旋转对分子产生直接的内部加热作用。和传统的水浴相比，微波增强了α-淀粉酶活性，有助于增强青稞麸皮粉的酶解效果，为酶解奠定基础；在微波超声联用处理的最佳提取条件下，料液比1∶20（g/mL）、超声功率600 W提取30 min、微波加热60 ℃提取30 min，青稞β-葡聚糖的得率最高，可达（6.30±0.38）%。同时，微波超声联用不仅增强了青稞β-葡聚糖的提取效果，并且改变了其功能特性。随着超声处理时间的延长，在超声空化以及微波热效应的影响下，青稞β-葡聚糖浊度、乳化性和泡沫稳定性降低，溶解度和起泡能力增加；这是由于超声空化效应和机械振动使β-葡聚糖由较大的聚集体解聚成较小的聚集体，导致其表观黏度降低，交联现象变弱，而微波的热效应破坏了β-葡聚糖分子间（内）的糖苷键，从而使β-葡聚糖相对分子质量和粒径减小。同时，微波超声联用也使青稞β-葡聚糖微观结构发生改变。扫描电子显微镜结果显示，随着超声处理时间的延长，青稞β-葡聚糖结构逐渐松散，片段变小。本研究为青稞资源开发利用以及青稞β-葡聚糖新食品类型开发提供一定的理论依据。

通信作者：

曹洪伟副教授

上海理工大学健康科学与工程学院

曹洪伟，1990 年出生，博士，副教授，上海理工大学健康科学与工程学院硕士生导师。 中国科学技术协会“青年托举人才”，上海市“扬帆计划”、“春蕾计划”青年科技英才，全谷物食品产学研联盟理事会理事，上海市食品学会青年工作委员会委员。主要从事谷物加工新技术开发和谷物制品精深加工及提质增效，瞄准粮油食品、特色农副产品等精深加工关键技术瓶颈，以优化食品加工体系、实现食品资源提质增效利用为目的，实现食品加工体系的绿色节能、产品品质特性与营养健康效应的科学平衡。先后主持了国家自然基金委青年项目，中国科协青年人才托举工程项目，上海市科委国内合作项目，上海市科委扬帆计划项目，2项横向项目，以及参与多项科技成果转化重大项目和企业委托服务项目。发表一区TOP期刊论文30余篇；获授权专利8项；相关科研成果已转化落地，研发的具有自主知识产权并处于国际先进水平的新技术已在国内多家企业得到推广应用，对促进我国粮油产业科技进步和高质量发展提供有力的科技支撑。

第一作者：

于丽雅硕士研究生

上海理工大学健康科学与工程学院

于丽雅，1998年出生，上海理工大学健康科学与工程学院食品工程专业，全日制硕士研究生。现于国家粮食和物资储备局科学研究院联合培养，主要研究方向为转基因粮油快速检测方法开发及粮油标准物质研制。

本文《微波超声联用处理对青稞β-葡聚糖理化性质及结构特性的影响》来源于《食品科学》2024年45卷8期185-192页。作者：于丽雅，石梦梦，王月琴，周明，曹洪伟，张春红，宋洪东，管骁。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230404-028。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网