谷物非淀粉多糖特性、制備及分析方法研究進(jìn)展

尚加英，鄭學(xué)玲*，趙波，李利民

1(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州， 450052)2(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，北京，100089)

非淀粉多糖(non-starch polysaccharides NSP)被定義為除淀粉以外的復(fù)合多糖，是一種細(xì)胞壁多糖。NSP主要存在于植物細(xì)胞壁中，是由若干單糖通過(guò)糖苷鍵連接成的多聚體，主要包含纖維素、半纖維素、果膠等，而果聚糖、甘露聚糖和半乳甘露聚糖含量相對(duì)較少[1]。根據(jù)NSP在水中的溶解度不同，將其分為水溶性NSP和水不溶性NSP。纖維素、木質(zhì)素、木聚糖和半乳甘露聚糖等被稱為水不溶性NSP，而果膠、阿拉伯木聚糖、阿拉伯半乳聚糖和β-葡聚糖被稱為水溶性NSP。谷物中含有多種NSP，主要由戊聚糖(阿拉伯木聚糖)、葡聚糖和纖維素組成。谷物的主要組分是淀粉(70%～80%)和蛋白質(zhì)(10%～15%)，細(xì)胞壁中NSP約占3%～8%。戊聚糖(阿拉伯木聚糖)和β-葡聚糖是許多谷物(如小麥、燕麥、大麥和黑麥)細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，它們的含量因物種和生長(zhǎng)環(huán)境的不同而不同，小麥籽粒NSP含量(11.4%)低于黑麥(13.2%)和大麥(16.7%)。戊聚糖是小麥(6%～8%)和黑麥(8.9%)中主要的NSP，而β-葡聚糖是大麥(7.6%)和燕麥(9.4%)中主要的NSP。在谷物非淀粉多糖中，戊聚糖和β-葡聚糖是最重要的多糖，由于其功能性和營(yíng)養(yǎng)性日益增強(qiáng)而備受人們的關(guān)注。

NSP是谷物細(xì)胞壁主要的生物活性成分，其功能和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值備受全球關(guān)注。NSP包括一系列具有不同理化性質(zhì)的化合物，它們對(duì)動(dòng)物和人類的營(yíng)養(yǎng)作用取決于這些性質(zhì)。這些特性包括黏度特性、持水性和發(fā)酵性等。從有益健康的方面來(lái)說(shuō)，NSP作為益生元，具有重要作用，例如免疫調(diào)節(jié)劑、抗氧化劑、預(yù)防糖尿病和心臟保護(hù)劑。在食品工業(yè)中，NSP被用作功能性成分，尤其是在烘焙產(chǎn)品中，其可以改善流變特性和面團(tuán)吸水特性，增大面包體積。本文主要介紹了戊聚糖和β-葡聚糖的特性、制備及分析鑒定方法，綜述了各提取方法的提取效果及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其含量、分子質(zhì)量及結(jié)構(gòu)測(cè)定等分析鑒定方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，以期為谷物非淀粉多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用及進(jìn)一步的深入研究提供參考。

1 谷物非淀粉多糖特性

1.1 NSP理化特性

1.1.1 戊聚糖

戊聚糖(pentosan)也稱為阿拉伯木聚糖 (arabinoxylan)，主要由阿拉伯糖(arabinose)和木糖(xylose)組成，還含有一定量的己糖、雜多糖和酚類物質(zhì)等，是谷物中NSP的主要成分。根據(jù)溶解性不同，分為水溶性和水不溶性戊聚糖，二者的結(jié)構(gòu)基本相似，不同的是后者的分支程度(阿拉伯糖與木糖的比例較高)。研究表明，戊聚糖具有高黏度、高持水力、氧化交聯(lián)和酶解等顯著的功能特性，雖然其在谷物中的含量很少, 但卻是影響谷物加工過(guò)程及其產(chǎn)品質(zhì)量的重要功能性成分。

(1)結(jié)構(gòu)特征和相對(duì)分子質(zhì)量

戊聚糖主要由阿拉伯糖和木糖組成，其分子結(jié)構(gòu)包括線性β-(1-4)-木聚糖主鏈、阿魏酸以及沿著主鏈的阿拉伯糖取代物，取代基通過(guò)木糖基殘基的O2和O3原子連接到該主鏈上。盡管不同谷類的戊聚糖具有相同的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)，但它們?cè)诎⒗?Ara)殘基替代木糖(Xyl)骨架的方式上(2種糖比例、鍵的相對(duì)比例和順序、其他取代基的存在)有所不同，這種差異性將影響戊聚糖的相互作用及其與細(xì)胞壁其他組分相互作用的能力，從而改變這些大分子的理化和功能性質(zhì)。大多數(shù)阿拉伯糖殘基作為單一取代基附著，然而，有報(bào)道表明在小麥和黑麥的戊聚糖中存在少量低聚物側(cè)鏈，這些側(cè)鏈含有通過(guò)1-2、1-3和1-5鍵連接的2個(gè)或多個(gè)阿拉伯糖殘基。雖然阿拉伯糖是最常見(jiàn)的取代基，但在木聚糖骨架上也發(fā)現(xiàn)了其他單糖殘基。其中包括D-葡萄糖醛酸及其4-O-甲基醚、木糖和半乳糖殘基等。

戊聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量與谷類品種、基因型和生長(zhǎng)環(huán)境以及處理和測(cè)定方法等有關(guān)。沉降法測(cè)得的水溶性戊聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量為65×103～66×103，而用凝膠過(guò)濾色譜測(cè)得的相對(duì)分子質(zhì)量為8×105～5×106。水不溶性戊聚糖的平均相對(duì)分子質(zhì)量為8.5×105，而凝膠過(guò)濾色譜的測(cè)定結(jié)果為2.18×105～2.55×105。

(2)黏度特性

戊聚糖是一種具有高黏度特性的非淀粉多糖，其構(gòu)型、聚合度、阿拉伯糖排序以及阿魏酸含量和分布等均會(huì)影響其黏度特性。研究表明，戊聚糖是引起面粉水提物的固有黏度的主要原因，其固有黏度是水溶性蛋白質(zhì)的15～20倍，而且具有較高Ara/Xyl比值和阿魏酸含量的戊聚糖，其固有黏度越高。BENDER等[2]研究表明水溶性阿拉伯木聚糖對(duì)面包的烘焙性能有顯著影響，尤其是在面團(tuán)的發(fā)展過(guò)程中，因?yàn)樗鼈兙哂休^高的水結(jié)合能力，能夠提高面團(tuán)的黏度。

(3)氧化交聯(lián)特性

谷類戊聚糖具有在聚合物鏈之間形成共價(jià)鍵的獨(dú)特能力。在自由基生成劑(例如，H2O2/過(guò)氧化物酶、氯化鐵、過(guò)硫酸銨或漆酶)的存在下，阿魏酸殘基的氧化偶聯(lián)發(fā)生，引起多糖分子的交聯(lián)。由于這種反應(yīng)，戊聚糖能夠形成非常黏稠的溶液，甚至凝膠，這取決于聚合物的濃度。戊聚糖的結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量對(duì)其凝膠化能力有顯著影響，隨著阿魏酸殘基含量的增加、分子質(zhì)量的增加和天然多糖分支度的降低，交聯(lián)戊聚糖凝膠的硬度增加。BUKSA等[3]研究發(fā)現(xiàn)，戊聚糖是黑麥粉水提液中交聯(lián)反應(yīng)的主要對(duì)象。

(4)吸水性和持氣性

戊聚糖在面粉中的含量雖然很少，但其在吸水量和面團(tuán)水分分布上起著重要的調(diào)節(jié)作用。ARIF等[4]研究發(fā)現(xiàn)，戊聚糖可增加面粉的吸水能力(3%～10%)，水溶性戊聚糖可大大提高面粉的吸水率(59.5%～68.8%)。面團(tuán)發(fā)酵過(guò)程中氣體保持能力對(duì)面團(tuán)流變學(xué)特性及最終產(chǎn)品質(zhì)有重要影響。BENDER等[5]研究表明，添加水提戊聚糖制作的面包有更大體積，水提戊聚糖較堿提取戊聚糖對(duì)無(wú)面筋面包品質(zhì)具有更大的改善功能。

(5)酶解特性

在酶的作用下，戊聚糖可發(fā)生水解和降解，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化。夏潔人等[6]利用木聚糖酶酶解小麥麩皮，將酶解液濃縮后加入面粉，發(fā)現(xiàn)酶解戊聚糖能較好地改善面團(tuán)的流變特性和面包烘焙品質(zhì)。李文多[7]研究了黑小麥戊聚糖酶對(duì)水提和堿提戊聚糖的降解程度，后者的降解程度大于前者。BUKSA等[8]對(duì)可溶性戊聚糖通過(guò)酶水解、交聯(lián)處理以及兩者的結(jié)合進(jìn)行改性以制備適用于不同品質(zhì)的面包制作的改良劑。另外，在小麥淀粉和谷朊粉生產(chǎn)中，加入戊聚糖酶系可以有效地使淀粉和蛋白質(zhì)分離，從而提高淀粉和谷朊粉的得率。

1.1.2 β-葡聚糖

大部分谷物都含有β-葡聚糖，其中大麥(2.5%～11.3%)和燕麥(2.2%～7.8%)中含量相對(duì)較高，主要存在于亞糊粉層與胚乳層。β-葡聚糖分為水溶性和水不溶性，其溶解度差異主要在于分子中β-(1→3)和β-(1→4)2種糖苷鍵的比例不同。據(jù)報(bào)道，大麥β-葡聚糖中β-(1→3)鍵β-(1→4)鍵的比例約1∶2.3，燕麥中的β-葡聚糖β-(1→3)和β-(1→4)2種糖苷鍵的比例約1∶2.1。β-葡聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量會(huì)影響其溶解性、黏度和流變學(xué)特性及其在水溶液中的存在狀態(tài)，進(jìn)而影響到β-葡聚糖生理功能(降血脂、降血糖、抗癌、通便及免疫調(diào)節(jié)功能)的發(fā)揮。

(1)結(jié)構(gòu)特征和相對(duì)分子質(zhì)量

谷物β-葡聚糖是由D-吡喃葡萄糖殘基通過(guò)β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的葡萄糖聚合物，其結(jié)構(gòu)主要由58%～72%的β-(1→3)鍵連接的纖維三糖基和20%～34%的纖維四糖單位組成，還含有少量的葡糖基和纖維素糊精。β-葡聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量與谷物的來(lái)源和品種不同有關(guān)，也受不同提取和分離方法方法的影響。相對(duì)分子質(zhì)量分布是β-葡聚糖的一個(gè)重要特性，β-葡聚糖的相對(duì)分子質(zhì)量為103～107。研究表明，燕麥、大麥和小麥的β-葡聚糖相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍分別為 65×103～31×105、80×103～27×105、21×103～11×105。

(2)溶液流變特性

β-葡聚糖流變特性與β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)和分子質(zhì)量密切相關(guān)，另外，外界因素如溶液濃度、溫度、pH、鹽類濃度等因素也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。β-葡聚糖在食品中的應(yīng)用主要基于它的黏度特性。β-葡聚糖溶液的表觀黏度是聚合物濃度、分子質(zhì)量、鏈構(gòu)象和分子間相互作用的函數(shù)。β-葡聚糖溶液在低剪切速率下表現(xiàn)出高的表觀黏度，在高剪切速率下表現(xiàn)出剪切稀化流，這是黏彈性流體的典型行為。對(duì)燕麥β-葡聚糖溶液流動(dòng)特性的研究已經(jīng)證明了它們具有剪切稀化行為和對(duì)抗酸堿和熱處理的相對(duì)穩(wěn)定性。另外，黏度特性還與纖維三糖和四糖比值、纖維素樣碎片、分子質(zhì)量分布和谷物β-葡聚糖分子大小有關(guān)。

β-葡聚糖具有凝膠特性。谷物β-葡聚糖的剪切稀化行為在低濃度下也表現(xiàn)出來(lái)，但在高濃度下，它們往往形成凝膠，其凝膠特性受分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)的影響。高分子質(zhì)量(2.39×105)β-葡聚糖凝膠即使在200 h貯藏后也沒(méi)有表現(xiàn)出凝膠化的趨勢(shì)，而低分子質(zhì)量的短鏈分子表現(xiàn)出較高的流動(dòng)性，這些具有低分子質(zhì)量β-葡聚糖結(jié)構(gòu)的短鏈更容易擴(kuò)散，因此更易于聚集而形成凝膠化。

(3)乳化穩(wěn)定性

研究發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖具有提高泡沫質(zhì)量和增強(qiáng)乳化穩(wěn)定性的能力。低分子質(zhì)量β-葡聚糖分子鏈向水相中伸展，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生空間位阻和靜電排斥等作用，抑制了微粒的聚集，而高分子質(zhì)量β-葡聚糖通過(guò)提高水相黏度表現(xiàn)出較好的乳化穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，燕麥β-葡聚糖在高濃度、低溫和中性pH值條件下，其乳化性較好，乳化穩(wěn)定性也越高。

戊聚糖和β-葡聚糖的理化特性對(duì)食品加工性能的影響研究見(jiàn)表1。

表1 谷物非淀粉多糖理化特性對(duì)食品加工性能的影響Table 1 The effect of the physicochemical properties of non-starch polysaccharides on food processing performance

1.2 NSP營(yíng)養(yǎng)特性

NSP對(duì)動(dòng)物和人類的營(yíng)養(yǎng)作用取決于一系列具有不同理化性質(zhì)的化合物，這些特性包括黏度、保水性和發(fā)酵性等。人體的消化酶只能分解α-(1,4)糖苷鍵，因此，NSP不能在小腸內(nèi)消化。NSP對(duì)單胃動(dòng)物具有一定的抗?fàn)I養(yǎng)作用，但其對(duì)人體健康有很大益處，是一種很好的功能性保健食品。戊聚糖是谷物中的一類膳食纖維成分，其特殊的健康益處與其分子精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。β-葡聚糖也是一種非常有價(jià)值的功能成分，其營(yíng)養(yǎng)潛力在很大程度上取決于其結(jié)構(gòu)、大小，黏度、提取技術(shù)、質(zhì)量、流變特性、分子質(zhì)量等。戊聚糖和β-葡聚糖的營(yíng)養(yǎng)特性主要包括抗?fàn)I養(yǎng)特性、免疫調(diào)節(jié)特性、抗氧化特性、抗糖尿病作用以及預(yù)防心血管疾病等[18]。

(1)抗?fàn)I養(yǎng)特性

已經(jīng)證明在豬和家禽等單胃動(dòng)物的飲食中添加谷物NSP具有抗?fàn)I養(yǎng)作用，其會(huì)影響動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收。NSP對(duì)單胃動(dòng)物的不良影響歸因于腸道內(nèi)容物的粘度增加。一般來(lái)說(shuō)，腸道高黏度會(huì)減緩基質(zhì)和消化酶的擴(kuò)散速度，并阻礙它們?cè)陴つけ砻娴挠行嗷プ饔?。此外，NSP與腸壁邊界相互作用，增厚了黏膜的限速未固定水層，從而降低了通過(guò)腸壁的營(yíng)養(yǎng)吸收效率。此外，高消化黏度延遲胃排空和飼料轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，從而降低血糖和刺激腸道微生物生長(zhǎng)。這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致生長(zhǎng)速度減慢，并最終降低家禽和豬的性能。因此，NSP引起的消化液黏度是動(dòng)物飼料行業(yè)最為關(guān)注的問(wèn)題。相反，由于腸道高黏度而導(dǎo)致的胃排空延遲通常被認(rèn)為是有益于人類健康的。較慢的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間增加了可用于吸水的時(shí)間，并允許更多時(shí)間由內(nèi)源性腸道微生物群落降解，分解產(chǎn)物主要是短鏈脂肪酸。

戊聚糖通過(guò)選擇性刺激有益的腸道微生物群在人類和動(dòng)物的結(jié)腸中發(fā)揮益生元作用。長(zhǎng)鏈可提取戊聚糖的特定濃縮物通過(guò)選擇性刺激對(duì)宿主有益的一面(例如丙酸鹽的生產(chǎn))來(lái)刺激人類和動(dòng)物中特定腸道微生物(如長(zhǎng)雙歧桿菌)并啟動(dòng)特定的發(fā)酵模式。β-葡聚糖通過(guò)產(chǎn)生短鏈脂肪酸有利于有益腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)。β-葡聚糖在大腸中分解。隨著微生物細(xì)胞數(shù)量的增加，結(jié)腸干重增加。微生物細(xì)胞材料的保水能力大于不溶性纖維，增加了不溶性纖維的膨脹效應(yīng)。

(2)免疫調(diào)節(jié)特性

戊聚糖的免疫調(diào)節(jié)特性取決于其結(jié)構(gòu)特征，已經(jīng)證明其可以影響不同的免疫細(xì)胞，從而增強(qiáng)動(dòng)物和人類體內(nèi)和體外的廣泛免疫反應(yīng)。β-葡聚糖被稱為生物反應(yīng)調(diào)節(jié)劑，其通過(guò)激活補(bǔ)體系統(tǒng)、增強(qiáng)巨噬細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞功能來(lái)增強(qiáng)宿主免疫防御。此外，β-葡聚糖可以通過(guò)激活單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞和增加免疫球蛋白、NK細(xì)胞、殺傷性T細(xì)胞等的數(shù)量來(lái)刺激免疫功能，從而提高對(duì)癌癥、傳染病和寄生蟲(chóng)病的抵抗力，并增加生物療法及其預(yù)防能力。

(3)抗氧化性能

戊聚糖由于其分子結(jié)構(gòu)中存在酚類基團(tuán)而具有一定的抗氧化性能。戊聚糖能夠在氧化還原反應(yīng)過(guò)程中同時(shí)提供電子和氫原子。阿魏酸含量、木糖替代程度、膳食來(lái)源和代謝方式對(duì)其抗氧化潛力有很大影響。酯化阿魏酸含量較高、取代度較高的阿拉伯木聚糖寡糖是較好的抗氧化劑。由于這種抗氧化潛力，阿拉伯木聚糖降低了結(jié)直腸癌和糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)。其發(fā)揮這些保健作用可能需要2個(gè)步驟：(1)可水提取的戊聚糖在通過(guò)胃腸道時(shí)提供電子或氫原子，以中和飲食中的自由基(與慢性疾病的發(fā)生和/或發(fā)展有關(guān))；(2)戊聚糖非競(jìng)爭(zhēng)性地抑制腸道α-葡萄糖苷酶和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，從而降低餐后血糖水平。阿魏酸和阿魏?；⒗揪厶菃?寡糖有可能用于糖尿病的治療。添加到小麥面包中的戊聚糖可以對(duì)II型糖尿病的血糖控制產(chǎn)生有益的影響。β-葡聚糖的抗氧化能力表現(xiàn)在其參與了葡萄糖調(diào)節(jié)，從而降低了人類的血清膽固醇水平。

(4)抗糖尿病作用

戊聚糖對(duì)人體FDA中膽固醇水平和血糖指數(shù)有顯著影響，但其作用方式尚不清楚。這可能是由于其良好的流變特性，即高黏度和可溶性。此外，黏性物質(zhì)會(huì)減慢胃排空速度，降低小腸運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致葡萄糖吸收延遲。谷類β-葡聚糖通過(guò)降低血糖和胰島素水平，在預(yù)防、治療和控制糖尿病方面有效，其降低血糖、胰島素水平的能力與谷類β-葡聚糖產(chǎn)生的黏度呈線性關(guān)系。

(5)預(yù)防心血管疾病

研究表明，戊聚糖具有心臟保護(hù)作用，它降低了心血管疾病、癌癥、糖尿病、呼吸系統(tǒng)疾病和感染的發(fā)生率和死亡率。β-葡聚糖通過(guò)降低血液膽固醇達(dá)到降低冠心病、結(jié)直腸癌和肥胖的風(fēng)險(xiǎn)?？偰懝檀己偷兔芏戎鞍啄懝檀妓缴弑徽J(rèn)為是心血管疾病的主要危險(xiǎn)因素。β-葡聚糖具有降低總膽固醇、低密度脂蛋白膽固醇、改善高密度脂蛋白膽固醇和血脂水平以及保持體重的能力。這反過(guò)來(lái)又降低了心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

2 谷物非淀粉多糖的提取和分離純化

2.1 NSP提取方法

目前，谷物中非淀粉多糖的提取方法主要有水提法、堿提法、酶法提取等，微波和超聲等輔助提取法及超臨界流體萃取法等是近些年新興起來(lái)的一些提取方法。各種提取方法及提取效果的研究見(jiàn)表2。

水提法是提取NSP普遍使用的一種方法，用水來(lái)提取NSP時(shí)，可以用熱水也可用冷水浸提，然后將提取液濃縮后，再在濃縮液中加乙醇，利用其不溶于乙醇的性質(zhì)，使其沉淀出來(lái)。熱水提取NSP的原理是其在熱水中的溶解度更大。NSP在熱水中是穩(wěn)定的，通常的做法是用熱水提取2～6 h。此法應(yīng)用廣泛、易操作，但比較耗時(shí)，而且一些多糖不溶于熱水。

堿提法一般與水提法結(jié)合使用。一些酸性或高分子質(zhì)量NSP不易溶于熱水而易溶于稀堿溶液。因此，常用一定濃度的NaON溶液或Na2CO3液代替熱水進(jìn)行NSP提取。谷物中的大多數(shù)NSP一般是首先用熱水提取，然后用稀堿溶液提取殘?jiān)械氖Ｓ郚SP。該法優(yōu)點(diǎn)是可以提取一些酸性多糖，但提取溫度應(yīng)保持在10 ℃以下。

酶法提取是在比較溫和的條件下分解植物組織，加速NSP的釋放。常用的酶有蛋白酶，果膠酶和纖維素酶等。谷物原料粉碎后懸浮在水中，根據(jù)復(fù)合酶的最佳反應(yīng)條件，設(shè)定最佳溫度和酸堿度，反應(yīng)一段時(shí)間。一般常用酶-水相結(jié)合的方法，這樣可以大幅度提高NSP的產(chǎn)量。此法優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)條件溫和，但很少單獨(dú)使用，通常與其他提取方法結(jié)合。

微波提取的原理是微射線輻射于溶劑并透過(guò)細(xì)胞壁到達(dá)細(xì)胞內(nèi)部，溶劑和細(xì)胞液吸收微波能，使細(xì)胞內(nèi)部溫度升高，壓力增大，當(dāng)壓力超過(guò)細(xì)胞壁承受能力時(shí)，細(xì)胞壁會(huì)破裂，位于細(xì)胞內(nèi)的有效成份釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)移到溶劑周圍被其溶解。此法選擇性好、提取時(shí)間短、節(jié)省能源和溶劑，但是不利于工業(yè)化大生產(chǎn)。

超聲波和超臨界流體提取是一種新興的分離技術(shù)，還未大規(guī)模使用。除此之外，還有一些方法由于成本高、產(chǎn)量低而不常被采用。例如，堿性金屬鹽的一些有機(jī)溶劑、2-甲氧基乙醇-氯化鋰或酸性水溶液等也曾用來(lái)提取谷物非淀粉多糖。超聲波提取效率高、時(shí)間短、耗能低，但需要控制超聲波的功率和時(shí)間，這樣可以降低對(duì)多糖分子結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2 NSP純化分級(jí)

谷物非淀粉多糖經(jīng)初步提取后得到的是多糖粗提物，其中的蛋白質(zhì)、淀粉、脂質(zhì)和色素等雜質(zhì)可能會(huì)干擾多糖成分和結(jié)構(gòu)分析，因此，在進(jìn)行NSP的特性研究之前應(yīng)先純化其粗提物。在大多數(shù)情況下，純化步驟通常涉及淀粉水解和脫蛋白以提高提取的NSP的純度。常用Sevage法、三氯乙酸法、等電點(diǎn)法、鹽酸法、生物酶法等去除蛋白質(zhì)；α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的酶水解去除淀粉；用吸附劑(硅藻土、纖維素、活性炭等)、氧化劑(H2O2)和離子交換柱[二乙胺乙基-纖維素(diethylaminoethyl-纖維素，DEAE-纖維素)]等脫除色素。不同來(lái)源多糖純化方法見(jiàn)表3。

NSP的分離和純化很難完全分開(kāi)進(jìn)行，因?yàn)橛袝r(shí)分離方法中已經(jīng)包含了純化，有時(shí)純化也包含分離。NSP純化分級(jí)方法主要有沉淀法、透析法、膜分離法、柱層析法和電滲析法等，目前多采用 DEAE-凝膠或其他不同類型的凝膠柱層析，或者離子交換色譜法。

表2 谷物非淀粉多糖的提取方法及提取效果Table 2 Extraction methods and effects of non-starch polysaccharides

表3 不同來(lái)源多糖純化方法Table 3 Purification methods of polysaccharides from different sources

2.2.1 沉淀法

沉淀法包括分級(jí)沉淀法、季銨鹽沉淀法和金屬鹽沉淀法等。

分級(jí)沉淀法的原理是NSP在不同濃度乙醇和丙酮中的溶解性不同，通過(guò)改變乙醇或丙酮的濃度使不同分子質(zhì)量的NSP組分分級(jí)沉淀。謝昊宇等[38]采用堿提醇沉法提取青稞麩皮β-葡聚糖，再通過(guò)硫酸銨沉淀、陰離子交換和凝膠層析法對(duì)其逐步純化， 得到94.91%的總糖含量和96.88%的β-葡聚糖含量。分級(jí)沉淀法是常用的多糖純化方法，此法操作簡(jiǎn)單，但不易獲得均勻組分的多糖。

季胺鹽法的原理是是根據(jù)長(zhǎng)鏈季胺鹽與酸性多糖成不溶性鹽而沉淀出來(lái)。常用季銨鹽有十六烷基三甲基季銨鹽的氫氧化物、溴化物以及十六烷基吡啶。此法選擇性好，常用于純化酸性多糖和中性高分子質(zhì)量多糖，但需要精確調(diào)節(jié)和控制溶液的離子強(qiáng)度和pH值。

金屬鹽沉淀法的原理是根據(jù)不同NSP組分在一定濃度的鹽溶液中具有不同的溶解性，通過(guò)離心沉淀將不同多糖組分分開(kāi)以達(dá)到純化分離的目的。該方法成本低，效率低，易形成共沉淀。常用的鹽析劑有氯化鈉、氯化鉀和硫酸銨等，其中硫酸銨的應(yīng)用最為廣泛。袁建等[39]采用硫酸銨沉淀法、陰離子交換柱層析法和凝膠過(guò)濾層析法對(duì)小麥麩皮β-葡聚糖的粗提物進(jìn)行純化，得到純度高于97%的組分。

2.2.2 柱層析法

柱層析法主要有凝膠柱層析和離子交換柱層析。前者是利用不同濃度的鹽溶液和緩沖液作洗脫劑將不同分子質(zhì)量的多糖分開(kāi)。后者是根據(jù)多糖分子的電離性質(zhì)和電荷密度不同，與交換介質(zhì)的親和力也不同，從而使多糖得到分離。常用的離子交換劑有纖維素類、樹(shù)脂類和葡聚糖類。張峰[40]對(duì)提取的青稞β-葡聚糖先進(jìn)行硫酸銨分級(jí)沉淀,后進(jìn)行乙醇醇析,得到純度為88.7%的β-葡聚糖,再經(jīng)DEAE-52纖維素柱層析和葡聚糖凝膠G-100凝膠柱層析得到1種均一分子質(zhì)量的β-葡聚糖。SAVITHA PRASHANTH等[41]采用 DEAE-纖維素離子交換層析柱純化提取的小米糠中阿拉伯木聚糖組分，用碳酸銨洗脫，再經(jīng)凝膠過(guò)濾層析得到不同組分。

2.2.3 膜分離法

膜分離是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種超濾分離技術(shù)，是用己知的超濾膜分離不同分子質(zhì)量大小的多糖組分。該方法不需要經(jīng)過(guò)加熱和化學(xué)物質(zhì)處理，不僅操作簡(jiǎn)單、能耗少、無(wú)污染，而且提取多糖的效率和含量也高，因而得到廣泛的應(yīng)用。目前所用的超濾膜有聚砜酰胺膜、醋酸纖維素膜等。RAI等[42]研究表明，超濾分離顆粒的允許粒度范圍高于多糖的粒度范圍，因此采用膜分離技術(shù)可截留不同分子質(zhì)量的β-葡聚糖。嚴(yán)汪汪等[32]用沉淀蛋白-超濾法回收小麥淀粉加工廢水中的戊聚糖，超過(guò)91.96%的戊聚糖被截留，從而達(dá)到單獨(dú)分離回收的目的。

2.2.4 其他方法

其他離純化方法，還包括制備區(qū)電泳法、親和層析法和超速離心法等。制備區(qū)電泳法是利用多糖分子質(zhì)量、形狀及電荷不同而在電場(chǎng)作用下達(dá)到分離目的的，其分離效果較好，但耗時(shí)長(zhǎng)，凈化能力小，僅用于半微量制劑。親和層析法原理是某些特定的多糖能與特定的分子可逆結(jié)合，這2個(gè)特定的分子結(jié)合后也能離解，利用這種特性，多糖可以通過(guò)結(jié)合離解過(guò)程提純。另外，在對(duì)谷物非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等研究中，也會(huì)采用離子交換、凍融分級(jí)和超速離心等方法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步純化，以得到高純度的多糖。超速離心法效果好，但對(duì)設(shè)備要求高，主要用于多糖的半微量制備。

3 NSP的分析鑒定

3.1 含量測(cè)定和純度鑒定方法

目前測(cè)定谷物中 NSP 含量的方法主要有色譜法和比色法等，戊聚糖、β-葡聚糖是研究較多的谷物非淀粉多糖，此2種多糖的含量可采用相同方法，但根據(jù)其特性不同各自具體的測(cè)定方法如下。

(1)戊聚糖的測(cè)定

測(cè)定谷物及其產(chǎn)品中戊聚糖含量的方法主要有以下幾種，見(jiàn)表4。目前，較常用的方法是地衣酚或間苯三酚比色法，此法快速方便，已被農(nóng)業(yè)部列為標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法。

表4 谷物戊聚糖含量測(cè)定方法Table 4 Method for determination of pentosan in cereals

(2)β-葡聚糖的測(cè)定

谷物中β-葡聚糖含量的測(cè)定方法有以下幾種，見(jiàn)表5[43]。另外，也有研究表明，近紅外反射光譜法有潛力作為一種快速分析谷物籽粒中重要的營(yíng)養(yǎng)多糖的方法，近紅外光譜法可用于植物育種、營(yíng)養(yǎng)和產(chǎn)品研究，以獲得簡(jiǎn)單快速的非淀粉多糖含量估計(jì)。這種分析方法快速、廉價(jià)，但是這是一種依賴于樣品光譜多元校正和精確參考分析的比較技術(shù)。

表5 谷物 β-葡聚糖含量測(cè)定方法Table 5 Method for determination of beta-glucan in cereals

谷物非淀粉多糖一般是一定分子質(zhì)量范圍的均一多糖組分。因此，如果對(duì)谷物非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定分析，具有較好的純度是結(jié)構(gòu)測(cè)定分析的必要前提。純度鑒定的常用方法主要有：超速離心法、高壓電泳法、凝膠色譜法、紙層析法、比旋光度法、光譜掃描法和高效液相色譜法等。其中，目前應(yīng)用較多也最準(zhǔn)確的方法的是高效液相色譜法和凝膠色譜法。

3.2 分子質(zhì)量和結(jié)構(gòu)分析的研究

谷物非淀粉多糖的很多活性與其分子質(zhì)量有關(guān)，因此，其分子質(zhì)量的測(cè)定對(duì)研究多糖的性質(zhì)尤為重要。

過(guò)去常用超速離心沉降法、光散射法、滲透壓法、黏度法等，這些方法操作復(fù)雜且誤差較大，現(xiàn)已較少使用?，F(xiàn)在較常用的方法有凝膠過(guò)濾法和高效凝膠色譜法，這2種方法須先用已知分子質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)多糖對(duì)照測(cè)定樣品的分子質(zhì)量。

NSP結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前，對(duì)谷物非淀粉多糖結(jié)構(gòu)的研究方法主要包括化學(xué)分析法和物理分析法?；瘜W(xué)分析法包括高碘酸氧化、部分或完全酸水解、Smith降解和甲基化分析等。利用Smith降解和高碘酸氧化分析糖苷鍵位置、直鏈多糖聚合度和支鏈多糖分支數(shù)目等信息。甲基化分析法通常與質(zhì)譜分析法結(jié)合使用，分析分支鏈點(diǎn)位置、羥基被取代位置以及重復(fù)結(jié)構(gòu)中單糖數(shù)目等信息。物理分析法主要是通過(guò)精密儀器來(lái)分析多糖的結(jié)構(gòu)信息，如核磁共振儀、高效液相色譜儀、紅外光譜儀、氣相色譜儀以及氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀和質(zhì)譜儀等。核磁共振儀用來(lái)研究確定糖苷殘基的α-構(gòu)型與β-構(gòu)型殘基的比例，判斷異頭碳的構(gòu)型，推斷主鏈和支鏈連接鍵型。高效液相排阻色譜來(lái)確定單糖組分和相對(duì)分子質(zhì)量分布。用高效液相色譜法或氣相色譜法測(cè)定水解后多糖的單糖組成，來(lái)研究確定單糖的種類及摩爾比。紅外光譜來(lái)測(cè)定多糖的官能團(tuán)，研究吡喃糖環(huán)或呋喃糖環(huán)的構(gòu)象以及糖苷鍵的構(gòu)型。

不同種類谷物中非淀粉多糖的結(jié)構(gòu)類似，但其不同組分的分子質(zhì)量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定差異性。目前已證實(shí)大麥β-葡聚糖是由線性β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的，不存在連續(xù)的β-(1→3)糖苷鍵[44]。IRAKLI等[45]利用13C NMR光譜和高效陰離子交換色譜研究了青稞β-葡聚糖的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明，來(lái)自所有大麥品種的β-葡聚糖均由纖維三糖和纖維四糖單元組成，占釋放低聚物總量的90.6%～92.3%，這些單元的摩爾比例為2.31～2.77。REVANAPPA等[46]通過(guò)甲基化分析、13C-核磁共振、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析、高碘酸鹽氧化、Smith降解和旋光測(cè)量等方法相結(jié)合來(lái)闡明小麥阿拉伯木聚糖的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果表明，β-(1→4)鍵上有1個(gè)木聚糖主鏈，在O-3或O-2和O-3處被取代，另外，在阿拉伯木聚糖中還觀察到完全分枝的木糖基殘基。DE ARCANGELI等[47]將大麥β-葡聚糖分離物與地衣酶反應(yīng)，釋放的低聚物用高效陰離子交換色譜結(jié)合脈沖安培檢測(cè)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，水和堿可提取β-葡聚糖和殘基組分中的3-O-β- 纖維三糖基 -D- 葡萄糖與3-O-β-纖維四糖-D-葡萄糖的比例較高，表明該大麥的β-葡聚糖結(jié)構(gòu)更緊密。

此外，一些顯微技術(shù)包括射線衍射、掃描電鏡、原子力顯微鏡、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)激光光散射等也可用于直接觀察多糖結(jié)構(gòu)。由于每種分析方法都有其局限性，無(wú)法單獨(dú)完成多糖結(jié)構(gòu)的解析，需要采用多種方法相結(jié)合，各種方法分析結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，從而才能得到完整的谷物非淀粉多糖結(jié)構(gòu)信息。

4 結(jié)論

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，谷物非淀粉多糖具有復(fù)雜的生物學(xué)活性和多種功能，特別是對(duì)機(jī)體免疫功能有顯著的影響。NSP具有降低膽固醇，調(diào)節(jié)血糖水平，促進(jìn)腸道蠕動(dòng)等人體營(yíng)養(yǎng)保健功能，由于其重要的生理功能特性，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。目前，NSP已成為天然藥物和保健品研發(fā)的重要組成部分。

隨著NSP提取、分離純化和分析鑒定技術(shù)的飛速發(fā)展，其提取、分離純化效果日益提高，許多高級(jí)的分析手段被用于分析多糖的結(jié)構(gòu)。但非淀粉多糖的分離純化非常復(fù)雜，很難獲得均一組分的多糖組分，這是阻礙多糖研究發(fā)展的主要因素之一。分離純化多糖的方法和途徑很多，研究者必須根據(jù)所研究的多糖的特性，選擇合適的分離純化方法。另外，目前還沒(méi)有一種能夠有效分析多糖結(jié)構(gòu)的方法，應(yīng)將多種分析方法結(jié)合使用來(lái)研究多糖結(jié)構(gòu)。因此，未來(lái)的發(fā)展應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善提取和分離純化工藝，以得到較高純度的均一多糖組分，同時(shí)對(duì)谷物非淀粉多糖不同組分的分子結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行深入研究，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)谷物非淀粉多糖功能性產(chǎn)品，加大非淀粉多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論參考。