麦麸阿魏酰阿拉伯木聚糖的亚临界水制备及其氧化凝胶化性能的研究

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阿拉伯木聚糖(AX)是谷物中含量最为丰富的非淀粉多糖,阿魏酰基是AX重要的功能基团,与其氧化凝胶性能密切相关。然而,常规提取方法(水提法、碱提法)限制了阿魏酰AX的制备和性能。近期研究表明,亚临界水在阿魏酰AX提取上具有较大的潜力,但其对阿魏酰AX的氧化凝胶性能的作用尚不明确,这限制了阿魏酰AX的制备及其凝胶性能的发挥。因此,明确亚临界水提取阿魏酰AX的机理,阐明亚临界水条件、AX结构和氧化交联性能的内在联系具有重要意义。本文以麦麸阿魏酰AX提取为例,明确了AX在亚临界水中的迁移和结构转变规律,系统解析了亚临界水对AX结构和氧化交联行为的调控机制,在此基础上探究了阿魏酰AX水凝胶的不同制备策略及性能。阿魏酰AX亚临界水提法的建立及麦麸物质迁移规律。考察了亚临界水温度(120~180℃)、pH(4~10)、提取时间(10~180 min)、循环次数(1~3次)对提取的影响,并与水提法、碱提法对比分析。结果表明,亚临界水对麦麸不同组分选择性顺序为蛋白、AX、纤维素和木质素。在较高提取温度(180℃)、酸性条件(pH 4)或长时间提取(120min)时,AX的含量较高(50%~60%)。亚临界水提取AX的A/X值(0.5~0.6)介于水提AX(WEAX)(0.4)和碱提AX(0.7)之间。与碱提法相比,亚临界水提法能有效保留AX的阿魏酰基(13~15 mg/g AX)。与WEAX相比,亚临界水提取AX含有更高的阿魏酸二聚体(DFA),这表明它来自细胞壁交联组分。对亚临界水提法残渣的结构表征分析发现,长时间的亚临界水处理(>120 min)使残渣微观结构发生明显破坏,大量半纤维素的脱除(68%)促进其被纤维素酶水解,水解率达到90%。不同条件亚临界水对AX的提取率范围为1%~35%,而WEAX提取率为9%。对提取过程的质量衡算表明,亚临界水提法会导致一定量的木糖(<20%)、阿拉伯糖(<55%)和酚酸(30%~40%)的水解损失。综合来看,亚临界水作用机制涉及到侧链α-糖苷键和主链β-糖苷键的水解、8-5-DFA的清除、氢键的断裂多靶点共同作用,从而将细胞壁交联AX释放出来。亚临界水提取AX的结构特征与氧化交联行为分析。亚临界水可造成AX不同程度的解聚,可制备出不同分子量的AX(2~60×104 g/mol)。其中,温和的中性或弱碱性亚临界水条件(160℃,10 min,pH 7~10)得到的AX分子量(4~5×105 g/mol)超过了WEAX分子量(2×105 g/mol),仅略低于碱提AX分子量(>7.0×105 g/mol)。亚临界水提取AX的糖苷键连接模式与WEAX相似,主链以O-3和O-2,3取代为主,且O-2,3取代基对亚临界水解作用更敏感。利用漆酶/O2诱导AX氧化交联,动态流变分析显示不同亚临界水条件所得AX的氧化凝胶性能差异显著。温和条件(120~160℃,10min,pH 7~10)所得AX凝胶性能最强,其2%凝胶强度ΔG’(80~180 Pa)远大于WEAX(8 Pa)。而剧烈条件(160℃~180℃,10~120 min,pH 4~7)所得AX凝胶性能较差(2%凝胶ΔG’为0.5~7 Pa)。此外,碱提AX无法氧化交联。AX经氧化交联后,阿魏酸减少了50%~80%,并伴随着大量8-5-DFA的生成。AX氧化交联的两个必要条件是阿魏酸含量和分子量,AX氧化交联性能与其阿魏酰基含量、分子量均呈极强的正相关性(r>0.8)。当AX的阿魏酰基达到8 mg/g AX,重均分子量超过105 g/mol时可获得理想的凝胶性能(2%凝胶ΔG’>10 Pa)。亚临界水提法可制备出满足上述条件的AX,具备优异的凝胶性能。此外,亚临界水对AX分子量的可控性好,可作为凝胶结构的调控手段。不同分子量AX共混对氧化交联的影响。以160℃,10 min,pH 7和4依次从麦麸提取高分子量的HAX和低分子量的LAX,提取率分别为7.65%和16.22%,总提取率达到24%。HAX和LAX的分子量分别为2.5×105和6.2×104 g/mol。在溶液中两者均为线团球形构象,但HAX线团更松散,在无离子影响时更加伸展。对溶液流变分析显示,HAX和LAX的临界交叠浓度范围分别为1%~2%和4%~6%,两者均表现出剪切变稀行为。经过氧化交联分析可知,HAX和LAX的最低凝胶浓度分别为0.5%和4%,HAX的凝胶性能远强于LAX,但是高浓度LAX凝胶拥有更好的热稳定性(<75℃)。将两者进行共混凝胶发现,低浓度的HAX(0.5%~1%)与较高浓度的LAX(4%~8%)组合表现出协同作用,增强了凝胶强度。HAX、LAX及其混合溶液经氧化交联均形成了分子量相似的交联体(106~108 g/mol)。增大凝胶浓度和强度更容易抑制HAX的交联,表现为DFA含量降低。在交联过程中,AX线团先迅速聚集形成可溶性交联体,随着体系黏度升高,交联体之间进一步形成凝胶网络。在共混凝胶中,HAX通过增强共混交联体强度,表现出与LAX的协同作用。采用四种方法分析了HAX、LAX及其凝胶的抗氧化性能,结果显示,HAX和LAX的抗氧化性(ORAC值45和60μM TE)优于WEAX和碱提取AX(ORAC值约27μM TE)。但是氧化交联后抗氧化性下降。HAX-LAX共混凝胶的抗氧化性(23~47μM TE)比单一的HAX凝胶更好(8~15μM TE)。AX-溶菌酶共混凝胶的制备和性能表征。在pH 5.5(氧化交联pH)溶液中,HAX带负电荷(-10.35 m V),溶菌酶带正电(4.29 m V),两者之间可通过静电吸引作用结合起来。将两者共混氧化交联发现,高浓度(3%~4%)HAX中加入一定比例的溶菌酶(0.1%~1%)显著提高了共混凝胶的强度(<65%)。两者共混交联体的分子量(107 g/mol)比HAX交联体(5×106 g/mol)略大,构象更加松散。具有显著增强效应的共混凝胶中的8-5-DFA含量比同浓度的HAX单一凝胶更高,说明溶菌酶促进了HAX的交联。由此推测,溶菌酶吸附在HAX线团中,屏蔽了局部电荷并通过静电作用拉近了相邻链段的距离,从而促进了交联。溶菌酶的氧自由基吸收能力(ORAC值46μM TE)和亚铁离子螯合能力(螯合率98%)较强,与HAX结合后部分抗氧化基团被掩蔽,导致共混凝胶的ORAC值(13~20μM TE)和亚铁离子螯合率(40%~50%)比HAX单一凝胶略低。而溶菌酶在共混凝胶中能够充分发挥其活力。
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