人參膳食纖維的營養(yǎng)成分和多糖結構及熱穩(wěn)定性研究

華梅，李珊珊，曲迪，陳建波，李志滿，孫印石

（中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，吉林 長春 130112）

膳食纖維（dietary fiber，DF），被譽為能夠平衡人體營養(yǎng)狀況的“第 7 類營養(yǎng)素”[1]。世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）將膳食纖維定義為：在小腸內(nèi)不能消化吸收，聚合度≥10 的碳水化合物聚合物，由食物中固有的可食性碳水化合物聚合物或者食品原料中以酶、物理、化學方法測得的或人工合成的碳水化合物組成[2]。根據(jù)水溶性可將其分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和非水溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類。SDF 是一類植物細胞內(nèi)的果膠、部分半纖維素等親水性膠體，它參與了人體的各種生理代謝活動；IDF一般包括纖維素、木質(zhì)素以及部分半纖維素等成分，它在腸道內(nèi)起到機械蠕動的作用，兩者按照一定比例在人體腸道中共同發(fā)揮作用，促進人體健康[3]。

人參（Panax ginseng C.A.Meyer）是我國傳統(tǒng)名貴中藥材，也是藥食同源的滋補佳品。2012 年，人參被認定為“新資源食品”，其功能性食品的開發(fā)也隨之成為研究熱點。人參藥渣是人參原料的主要部分，不僅含有大量的膳食纖維、淀粉、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分，還含有未被提取到的人參皂苷、多糖和氨基酸等有益成分，作為食品原料具有極高的利用價值[4-5]，其營養(yǎng)價值和加工性質(zhì)對于功能性食品開發(fā)具有重要的研究價值。人參藥渣目前普遍被作為工業(yè)垃圾處理，主要的再利用方式局限于飼料研制或對人參皂苷等微量成分的再提取[6]。人參藥渣中蘊含的豐富膳食纖維亟待深入研究。

本研究參照國標GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》方法，對人參藥渣中的水溶性膳食纖維（GSDF）和非水溶性膳食纖維（G-IDF）成分進行提取，并對所得產(chǎn)物進行了較為系統(tǒng)的營養(yǎng)組成、結構和熱穩(wěn)定性研究，為人參膳食纖維在功能性食品領域中的開發(fā)應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

人參購自吉林省撫松縣，經(jīng)中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所許世泉研究員鑒定為五加科植物人參干燥根；熱穩(wěn)定-淀粉酶、堿性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶（Macklin公司）；單糖標準品（Sigma-Aldrich公司）；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設備

TG16-WS臺式高速離心機（湖南湘儀實驗儀器開發(fā)有限公司）；FD-1A-50 低溫冷凍干燥機（北京博醫(yī)康技術有限公司）；SHZ-CA 恒溫水浴震蕩器（常州諾基儀器有限公司）；QD8J/BL 單煎機（青島達爾電子機械銷售有限公司）；高效液相色譜儀、SPD-M20A 紫外檢測器、LC-16 溶劑輸送泵、CTO-16 柱溫箱（日本島津儀器有限公司）；XL-30 ESEM FEG 掃描電子顯微鏡（美國 FEI 公司）；VERTEX 70 FT-IR 紅外光譜儀（德國Bruker Optics 公司）；Pyris Diamond TGA/DTG 熱重分析儀（美國PerkinElmer公司）；自動檢測氨基酸分析儀（日本日立公司）。

1.3 方法

1.3.1 提取工藝 酶解按照國標GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測定》方法進行。

1.3.2 營養(yǎng)成分、糖及氨基酸的測定方法

1.3.2.1 營養(yǎng)成分測定方法 水分含量參考 GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》測定；蛋白質(zhì)含量參考GB 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測定》中的凱氏定氮法測定；脂肪含量參考GB 5009.6-2016《食品中脂肪的測定》中的索氏抽提法測定；淀粉含量參考GB 5009.9-2016《食品中淀粉的測定》中的方法測定；灰分含量參考GB 5009.4-2016《食品中灰分的測定》中的方法測定。

1.3.2.2 糖的測定方法 苯酚―硫酸法測定總糖含量[7]；間羥基聯(lián)苯法測定糖醛酸含量[8]；參考Xu等[9]方法測定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。

單糖組成采用PMP 衍生高效液相色譜法[10]。色譜條件：ODS Hypersil 色譜柱，250 mm 4.6 mm，粒徑5m；流動相A：82%磷酸鈉緩沖液（0.1 mol/L，pH 值7.0）；流動相B：18%乙腈，等梯度洗脫；檢測波長：245 nm；柱溫：35 ℃；流速：1.0 mL/min；進樣量：20L。

1.3.2.3 氨基酸的測定方法 氨基酸組成采用Mokhtar等[11]方法，使用配有4.6 mm（ID）60 mm 離子交換柱的L-8900 自動檢測氨基酸分析儀進行檢測。

1.3.3 理化性質(zhì)

1.3.3.1 持水性 參照Mokhtar 等[11]方法，稱取0.50 g樣品（m0）與10 mL蒸餾水于50 mL 離心管（空管質(zhì)量為m1）充分混勻，室溫下密封24 h，4 000 r/min 離心15 min，棄上清，稱量含樣品離心管的質(zhì)量（m2）。持水性按公式（1）計算：

1.3.3.2 持油性 參照Mokhtar 等[11]方法，稱取0.50 g樣品（m0）與20mL玉米油于50mL離心管（空管質(zhì)量為m1）充分混勻，室溫下密封 24h，4000r/min離心 15min，棄上清，稱量含樣品離心管的質(zhì)量（m2）。持油性按公式（2）計算：

1.3.3.3 溶脹性 參照Mokhtar等[11]報道的方法，稱取0.25g干燥樣品（m）于10 mL量筒中，記錄體積（V1），加入5 mL 蒸餾水并充分攪拌、振蕩除氣泡，室溫靜置24 h，記錄吸水膨脹后樣品的體積（V2）。溶脹性按公式（3）計算：

1.3.3.4 水溶性 參照劉銳雯[12]報道的方法，稱取0.50 g樣品（m0），加入5 mL蒸餾水中并充分攪拌，室溫靜置24 h，冷凍干燥后稱質(zhì)量（m）。水溶性按公式（4）計算：

1.3.3.5 堆積密度 參考Mokhtar 等[11]方法，稱取0.50 g樣品（m）于10 mL 量筒中，輕擊量筒外壁至樣品不再下沉，記錄此時樣品體積（V）。堆積密度按公式（5）計算：

1.3.4 掃描電子顯微鏡分析 參照Kahwa 等[13]的方法，將樣品干燥至恒質(zhì)量，取適量進行黏臺、鍍金，對樣品進行不同倍數(shù)微觀結構觀察并拍照。

1.3.5 傅里葉紅外光譜分析 參照楊夏等[14]的方法，稱取樣品10 mg 與KBr 粉末200 mg 于研缽中，充分混勻，研磨，制片。波數(shù)為圍400～4 000 cm1，升溫速度10 ℃/min，進行紅外光譜掃描。

1.3.6 熱重分析 參照佘志剛等[15]方法，溫度為40～600 ℃，升溫速度20 ℃/min，氮氣保護下進行熱重分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個樣品設3 次平行，測定結果以平均值±標準差表示，使用SPSS 18.0 軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 營養(yǎng)成分

由表1 可見，人參藥渣（ginseng medicine residue，GMR）含有豐富的營養(yǎng)成分，蛋白質(zhì)含量為14.24%，總糖含量為26.56%，總膳食纖維含量達70.01%，其中G-SDF含量達到10.24%，是理想的膳食纖維提取來源。G-SDF中的膳食纖維由水溶性糖類（51.36%），糖醛酸（18.04%）和半纖維素（9.86%）組成，該糖醛酸含量接近精制紅參多糖的水平（23.9%）[16]。糖醛酸中的伯羥基可氧化成為羧基，從而使多糖表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，總糖及糖醛酸含量與膳食纖維的抗氧化活性呈正相關性[11,14,17]。G-IDF是人參膳食纖維的主要成分，人參藥渣中的G-IDF含量達到60.77%。G-IDF的膳食纖維中纖維素含量最高（34.26%），另外還有一定量的半纖維素（18.13%），這暗示著通過酸堿處理或者生物酶解，還能夠將這部分半纖維素水解，以提高水溶性膳食纖維的含量。G-IDF 中還保留了部分糖類（15.21%）和糖醛酸（4.26%）。此外，G-SDF和G-IDF中均含較豐富的蛋白質(zhì)和微量淀粉，且未檢出脂肪成分，暗示其可以作為高營養(yǎng)低熱量食品原料。

表1 人參藥渣及人參膳食纖維的營養(yǎng)成分含量Table 1 Nutritional ingredient of ginseng medicine residue and ginseng dietary fiber （%）

由表2 可見，人參膳食纖維中含有極為豐富的氨基酸成分，其中包括9 種人體必需氨基酸和8 種非必需氨基酸，必需氨基酸占總氨基酸比例接近50%，是木瓜皮膳食纖維氨基酸含量的3 倍以上（15.68%）[3]，也遠高于海帶不溶性膳食纖維（36.2%）[18]和酸漿果渣的氨基酸含量（30.79%）[11]。FAO/WHO 將必需氨基酸含量占總氨基酸含量40%的蛋白質(zhì)定義為理想蛋白，這表明人參膳食纖維具有成為優(yōu)質(zhì)蛋白補充劑的潛力[19]。

表2 人參膳食纖維提取物的氨基酸組成分析Table 2 Amino acid composition analysis of ginseng dietary fiber （g/100g）

2.2 單糖組成

由表3 可見，G-SDF 和G-IDF 的單糖組成均以中性糖為主，但具體組成不同；酸性糖則均為半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）。G-SDF 中葡萄糖（glucose，Glc，54.85%）的含量超過總量的50%，表明其中可能含有大量葡聚糖結構。另外G-SDF 中還含有少量GIDF中未見的阿拉伯糖（arabinose，Ara，8.43%）和鼠李糖（rhamnose，Rha，1.20%）；G-IDF中出現(xiàn)G-SDF中未見的木糖（xylose，Xyl，19.10%）和巖藻糖（fucose，F(xiàn)uc，15.21%），這與其含有一定量的半纖維素（如木葡聚糖）有關[20]。

表3 人參膳食纖維的單糖組成Table 3 Monosaccharide composition of ginseng-SDF and ginseng-IDF （%）

2.3 理化性質(zhì)

由表4 可見，人參膳食纖維具有較好的理化性質(zhì)。G-SDF因具有較高的水溶性（96.21%），故未檢測到溶脹性。G-SDF 具有較好的持油性（2.37 g/g），遠高于米糠水溶性膳食纖維（0.99 g/g）[21]和花生殼膳食纖維（1.12/2.03 g/g）[22]。G-IDF 的持油性（7.37 g/g）明顯高于 G-SDF；持水性（8.68 g/g）和溶脹性（12.14 mL/g）也遠高于脫脂椰蓉膳食纖維[10]。高持水性和高持油性的膳食纖維可以應用于焙烤、肉類和油炸食品中，以提供水合保鮮作用，改善口感，增加原料粘度和高脂肪食物的穩(wěn)定性[23]。

表4 人參膳食纖維的理化性質(zhì)Table 4 Physicochemical properties of ginseng dietary fiber

2.4 掃描電鏡分析

由圖1 可見，酶解導致G-SDF 表面出現(xiàn)明顯空洞，呈類似蜂窩狀結構，其100 和10m標尺電鏡圖分別見圖1a 和圖1b，這一結構可以增加G-SDF 的比表面積，促進其對水分的吸收，增加機體飽腹感，提高GSDF 的水合作用和吸附能力[24]。G-IDF 表面呈淺層空穴結構，其100 和20m標尺電鏡圖分別見圖1c和圖1d。這一結構同樣增加了G-IDF 的比表面積，同時提高了其對水、油、金屬離子的吸收能力[25]。

圖1 人參膳食纖維的SEM 電鏡圖Fig.1 SEM photographs of ginseng dietary fiber

2.5 紅外光譜分析

由圖2 可見，G-SDF 和G-IDF 的主要多糖基團組成基本一致。在3 413.77 和3 415.49 cm 1 處出現(xiàn)的大吸收峰，由羥基O-H 伸縮振動引起，表明人參膳食纖維中存在著較多的羥基及結合水分子[23]。在2933.48 和2 927.64 cm 1 處的尖銳吸收峰，由果膠和半纖維素中-CH3、= CH2等的C-H 伸縮振動引起。它們連同1 419.35 和1 422.85 cm 1 處由O-H 的明顯吸收峰一同代表了典型的碳水化合物骨架結構[26]；在1 200～1 800 cm1，尤其是 1 616～1 634 cm 1 處的吸收峰，如圖2 中的1 628.36 和1 629.98 cm 1 處，常被認為是來自果膠和半纖維素的糖醛酸酯化和離子化羧基C=O的特征吸收峰[3]。在1 200～1 350 cm 1 的吸收峰，是多糖的特征吸收峰[23]。900～1 200 cm1的吸收峰，包括1 074.97 和1 029.79 cm 1 處的吸收峰，是由木質(zhì)素C-O-C 糖環(huán)醚鍵的C-O 基伸縮振動和半纖維素中?；鶈卧?CO-OR 的伸縮振動引起的[27]。619.59 和623.37 cm 1 處的吸收峰被認為是碳水化合物的指紋骨架結構[26]。G-SDF 和 G-IDF 在 1 740 cm 1 附近均沒有酯化羧基引起的吸收峰，表明其含有的果膠為低甲氧基果膠，這種果膠可在較低糖濃度甚至無糖條件下形成優(yōu)質(zhì)凝膠，制成低熱量食品以滿足肥胖和糖尿病人群的需要[23,28]。以上結果表明G-SDF 和G-IDF 適合應用到低糖、低熱量、高營養(yǎng)、高纖維的加工食品中。

圖2 G-SDF（a）和 G-IDF（b）人參膳食纖維的傅里葉紅外光譜檢測Fig.2 FT-IR spectrum of G-SDF（a）and G-IDF（b）ginseng dietary fiber

2.6 熱穩(wěn)定性分析

如圖3 所示，G-SDF 和G-IDF 的熱解過程大致可分為3 個質(zhì)量變化階段：①初始溫度-200 ℃，樣品表面結合水脫水階段。這一階段質(zhì)量損失為10%～20%，在171 ℃出現(xiàn)分別為3.890%/min 和3.396%/min 的最大失重速率，這部分損失重量與樣品水合性質(zhì)呈正相關性[23]。②200～300 ℃，樣品受熱分解階段。這一階段中樣品質(zhì)量損失最多，約為30%。在274 ℃出現(xiàn)分別為7.593%/min和6.527%/min的最大失重速率。這一階段的明顯失重可歸因于G-SDF 和G-IDF 中果膠和可溶性半纖維素的受熱分解，也可認為是G-IDF 中纖維素成分的預碳化過程[3]。③300～600 ℃，樣品受熱分解碳化階段。這一階段質(zhì)量損失在20%左右，最高溫度600 ℃下樣品剩余質(zhì)量均在30%以上。在325 和336 ℃分別出現(xiàn)5.845%/min和7.093%/min的最大失重速率。G-SDF 在此時進入燃燒階段，質(zhì)量物質(zhì)主要為碳和灰分。G-IDF 在該階段中的明顯失重可以歸因為其纖維素和木質(zhì)素成分的碳化過程[3]。這些成分因含有致密有序的骨架結構（如纖維素），故受熱分解緩慢。因此觀察到的曲線下降趨勢明顯減緩，表現(xiàn)出一定的熱穩(wěn)定性。比較而言，G-SDF 的熱解主要發(fā)生在200～300 ℃階段，是多糖類物質(zhì)的常見熱解溫度[29]；而G-IDF 的熱解貫穿了200～600 ℃，這與其含有熱解溫度廣、熱解抗性高的木質(zhì)素有關[30]。G-SDF和G-IDF的熱重曲線與鮑魚多糖和石榴皮渣膳食纖維熱重曲線相近，都是一個分解吸熱的過程，可概況為3 個熱解階段：表面失水階段、熱分解階段和熱穩(wěn)定階段[15,23]。在200℃之前，G-SDF 和G-IDF 失重較少，能保持較好的熱穩(wěn)定性，表明人參膳食纖維適合應用在200 ℃以下的食品熱加工中。

圖3 G-SDF（a）和 G-IDF（b）人參膳食纖維的熱重曲線Fig.3 Thermogravimetric curves of G-SDF（a）and G-IDF（b）ginseng dietary fiber

3 結論與討論

本研究利用人參藥渣成功制備了人參水溶性膳食纖維（G-SDF）和非水溶性膳食纖維（G-IDF）。人參藥渣中總膳食纖維含量達70%，G-SDF含量在10%左右，G-IDF 含量達60%。G-SDF 和G-IDF 中均含有豐富的營養(yǎng)成分，包括糖類、糖醛酸、蛋白質(zhì)、多種單糖和微量淀粉，可以作為高營養(yǎng)低熱量的食品原料。此外，GSDF 和G-IDF 中還含有豐富的人體必需氨基酸，具有成為優(yōu)質(zhì)蛋白補充劑的潛力。G-SDF 和G-IDF 具有較好的持水性和持油性等理化性質(zhì)，具有典型的碳水化合物熱解特征，能夠耐受200 ℃以下的熱加工處理。G-SDF 和G-IDF 還具有典型的疏松孔洞結構，利于對水分和油脂等物質(zhì)的吸附；具有特征性多糖官能基團，這些官能團與其多糖和纖維素等組成性質(zhì)相符，是其具有理想理化性質(zhì)的結構基礎。以上研究結果揭示了人參膳食纖維的營養(yǎng)價值、多糖結構和熱加工穩(wěn)定性，為其成為功能性食品原料提供了必要的理論依據(jù)。

由于人參等藥食同源中藥材在食品、保健品和農(nóng)林日化產(chǎn)品等領域的廣泛應用，伴隨產(chǎn)生的藥渣利用問題成為人們關注的焦點。在當前大力倡導綠色發(fā)展的背景下，對人參藥渣的新用途和新價值進行深度挖掘，對于提高資源產(chǎn)品的價值和產(chǎn)業(yè)化效益、延伸和拓展人參食藥兩用資源產(chǎn)業(yè)鏈同樣具有深遠意義。