牛樟芝不溶性膳食纖維吸附特性及結(jié)構(gòu)表征研究

孟 鵬, 劉曉鳳, 衣振偉, 謝 凡, 王光強(qiáng), 熊智強(qiáng), 張 匯, 宋 馨, 艾連中, 夏永軍

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海食品微生物工程技術(shù)研究中心，上海 200093

膳食纖維(Dietary fiber)是一類(lèi)在人體腸道內(nèi)難以被酶解消化的碳水化合物及其類(lèi)似物的總稱(chēng)，被譽(yù)為第七營(yíng)養(yǎng)素，其主要化學(xué)成分為半纖維素、纖維素、木質(zhì)素、樹(shù)脂、果膠及木質(zhì)素[1]。大量研究表明，DF在防治血管系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、 泌尿系統(tǒng)的疾病及維持正常的血糖水平、體重控制等方面具有重要作用[2]。大多數(shù)的膳食纖維對(duì)脂肪、膽固醇、膽酸 鈉等都有一定的吸附作用[3],按其溶解性可分為水不溶性膳食纖維(IDF)和水溶性膳食纖維(SDF)，其中不溶性膳食纖維具有促進(jìn)腸道蠕動(dòng)，降血糖、降血脂、調(diào)節(jié)血壓以及預(yù)防腸胃疾病和心血管疾病等生理功能[4]，對(duì)人體健康起著積極的作用，是一種比較理想的功能性食品原料。

牛樟芝(Antrodiacamphorata)，又名樟芝、樟菇、牛樟菇，屬于真菌界，由于其豐富的生物活性，被美譽(yù)為“靈芝之王”、“森林中的紅寶石”等[5]。目前已從牛樟芝中分離得到的化學(xué)成分超過(guò)三百種，其中三萜類(lèi)物質(zhì)、腺苷、樟芝多糖為其主要活性成分[6]。大量文獻(xiàn)研究表明，牛樟芝具有保肝、降血壓、降膽固醇、免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤等生物活性[7,8]可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥，食品,日化領(lǐng)域。目前大多數(shù)研究主要集中在水溶性多糖發(fā)酵、提取以及功能評(píng)價(jià)方面[9]。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，牛樟芝子實(shí)體或是菌絲體在經(jīng)過(guò)乙醇、水提取之后，主要提取其醇溶性化合物和水溶性多糖，但是殘?jiān)泻写罅克蝗苄陨攀忱w維未被充分利用。本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)牛樟芝椴木栽培和皿式培養(yǎng)兩種牛樟芝培養(yǎng)物殘?jiān)蠭DF的化學(xué)組成、初步結(jié)構(gòu)以及理化性質(zhì)(持水性、持油性、膨脹力、膽固醇和膽酸鈉吸附性)等方面進(jìn)行分析和研究，為提高牛樟芝不溶性膳食纖維的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

牛樟芝椴木栽培和皿式培養(yǎng)原料是經(jīng)過(guò)乙醇和熱水浸提過(guò)后的，由睿森生物科技有限公司贈(zèng)送；乙酸、NaOH、二甲基亞砜(DMSO)，無(wú)水氯化鋰(LiCl、牛血清白蛋白(BSA)、葡萄糖、膽固醇、脫氧膽酸鈉、鄰苯二甲醛、糠醛，乙酸、NaOH、濃硫酸、單糖標(biāo)準(zhǔn)品為生化分析試劑，購(gòu)買(mǎi)與國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電熱恒溫水浴鍋(HWS26)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(RE-2000A)，循環(huán)水真空泵(SHZ-III)立式離心機(jī)(LXJ-IIB)，電子天平(ML104/02)，超純水系統(tǒng)(Q-POD)，pH計(jì)(PHS-3C)，紫外分光光度計(jì)(UV2600),離子色譜儀(Dionex ICS-3000)，高效液相(HPLC ODS-2), 凍干燥機(jī)(FD-1)，X射線衍射儀(MiniFlex600)，傅里葉變換紅外光譜儀(IRAfinity-1S)壓片機(jī)(DF-4B)，掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1牛樟芝殘?jiān)麵DF的制備

將牛樟芝殘?jiān)?jīng)過(guò)干燥、超微粉碎后備用，以0.5 mol/L NaOH和0.01 M NaBH4溶液對(duì)超微粉碎后的牛樟芝殘?jiān)勰┙醿纱?，浸提溫? ℃，浸提時(shí)間12 h，料液比為1∶10(m/v)，合并浸提液加入適量冰醋酸進(jìn)行中和，靜置2 h后離心收集沉淀；將沉淀用超純水洗滌三次后用0.25 M LiCl-DMSO溶液進(jìn)行溶解，將不溶于LiCl-DMSO溶液的沉淀物透析3 d，冷凍干燥后即為牛樟芝IDF，將從椴木栽培子實(shí)體和皿式培養(yǎng)菌絲體提取出的IDF分別命名為ACA-NK和ACA-NF。

1.3.2牛樟芝殘?jiān)麵DF中膳食纖維含量、單糖組成的測(cè)定

根據(jù)GB 5009.88-2014測(cè)定其牛樟芝殘?jiān)麵DF含量。采用離子色譜儀(Dionex ICS-3000)測(cè)定牛樟芝IDF的單糖組成[10]。具體方法如下:將100 μL 5 mg/mL的多糖樣品放入水解管中，加入4 mol/L的三氟乙酸于水解管中。將試管抽真空，110 ℃水解2 h，然后用氮?dú)庠?5 ℃的水浴中干燥。然后加入1 mL的超純水清洗、吹干。加水溶解后，用0.45 μL微孔膜過(guò)濾，然后用超純水調(diào)至25 mL。色譜條件：流動(dòng)相為 10 mmol/L NaOH,流速為 0.9 mL/min，柱溫為 30 ℃，進(jìn)樣量為 20 μL通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)單糖和樣品的保留時(shí)間，測(cè)定樣品中的單糖種類(lèi)。根據(jù)峰積計(jì)算單糖的百分比。

1.3.3牛樟芝水不溶性膳食纖維的結(jié)構(gòu)表征

(1) 掃描電子顯微鏡觀察(SEM)

利用掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800)對(duì)牛樟芝IDF樣品表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察[11]。將冷凍干燥后的樣品固定在雙面導(dǎo)電透明膠帶上，并涂以10 nm金層。隨后。掃描圖像是在加速電壓為25 kv，放大倍數(shù)為500的情況下拍攝的。

(2) 傅立葉紅外光譜分析(FT-IR)

將樣品置于烘箱中烘干至恒重后，以1∶100(w/w)比例與溴化鉀(KBr)混合，研磨均勻后進(jìn)行壓片處理[11]，采用傅立葉紅外光譜儀(IRAfinity-1S)進(jìn)行分析，掃描波長(zhǎng)為4 000 cm-1～500 cm-1。

(3) X-射線衍射掃描(XRD)

采用X射線衍射儀(MiniFlex600)觀察三種膳食纖維的晶區(qū)[12]。采用Cu-K α輻射源(λ=1.542)，運(yùn)行電壓為40 kv，電流為40 mA，衍射強(qiáng)度掃描范圍為4°到70°，角度步長(zhǎng)為0.02°。樣品的結(jié)晶度由MDI Jade 6.5軟件從曲線下的峰面積計(jì)算，公式如下:

(1)

其中，I002表示X-射線圖譜中結(jié)晶區(qū)的面積，I001表示X-射線圖譜中無(wú)定型區(qū)的面積。

1.3.4牛樟芝IDF樣品吸附特性研究

(1) 持水力的測(cè)定[13]

將離心管(50 mL)進(jìn)行干燥至恒重，然后準(zhǔn)確稱(chēng)取各膳食纖維樣品0.5 g(m0)于離心管中，進(jìn)行稱(chēng)量，此為m1(管重+樣品重)，然后再加入10 mL蒸餾水，充分搖勻，室溫下浸泡2 h，然后15 000r/min離心15 min，小心棄去上清液再進(jìn)行稱(chēng)量，此為m2。按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(2) 持油力的測(cè)定[13]

將離心管(50 mL)進(jìn)行干燥至恒重，準(zhǔn)確稱(chēng)取各膳食纖維樣品0.5 g(M0)于離心管中，進(jìn)行稱(chēng)量，此為M1(管重+樣品重)，然后再加入大豆油10 mL，分別在25 ℃和37 ℃條件下靜置1 h，然后在8 000 r/min條件下離心20 min，小心棄去上層油，可以用濾紙小心擦拭吸干游離的油，進(jìn)行稱(chēng)量，此為M2。按以下公式計(jì)算：

(3)

(3) 膨脹力的測(cè)定[13]

準(zhǔn)確稱(chēng)取各膳食纖維樣品0.5 g(M0)置于25 mL量筒中，再加入20 mL的蒸餾水，混勻，靜置幾分鐘后記錄此時(shí)膨脹前的體積V1，然后在室溫下靜置24 h，記錄膨脹后的體積V2。按以下公式計(jì)算：

(4)

(4) 吸附膽固醇能力測(cè)定[14，15]

膽固醇標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:吸取膽固醇標(biāo)準(zhǔn)工作液0. 0 mL、0. 1 mL、0. 2 mL、0. 3 mL和0. 4 mL分別置于10 mL試管中，在各管內(nèi)加入醋酸使總體積達(dá)0.4 mL。分別依次 加入0.2 mL鄰苯二甲醛試劑、0.01 mL蒸餾水，沿管壁加入4.0 mL混合酸，混勻，10 min后在550 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度。以膽固醇標(biāo)準(zhǔn)濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

膳食纖維對(duì)膽固醇吸附能力的測(cè)定:稱(chēng)取2個(gè)新鮮蛋黃，加入其9倍質(zhì)量的蒸餾水，充分?jǐn)嚢璧玫包S稀釋液。分別稱(chēng)取兩種IDF樣品1.0 g于250 mL錐形瓶中，分別加入50 mL蛋黃稀釋液，調(diào)節(jié)體系為2.0和7.0。置于恒溫水浴振蕩器中，37 ℃的條件下振蕩2 h。離心混合液，吸取上清液0.5 mL，試驗(yàn)步驟同標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定吸光度值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得上清液中膽固醇的含量，計(jì)算膳食纖維對(duì)膽固醇吸附率。根據(jù)以下公式計(jì)算：

(5)

其中，C0為稱(chēng)取的樣品質(zhì)量/g；C1為吸附前蛋黃液中膽固醇含量/mg；C2為吸附后上清液中的膽固醇含量/mg。

(5) 吸附膽酸鹽能力測(cè)定[14，15]

膽酸鈉標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：膽酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液(1.0 mg/mL)，取糠醛試劑0.3%，45%硫酸振蕩混勻，然后將各管置65 ℃水浴30 min，自然冷卻至室溫，在620 nm波長(zhǎng)下進(jìn)行比色，記錄結(jié)果，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得膽酸鈉濃度(X，mg/mL)與吸光度(Y)之間的直線方程。

樣品對(duì)膽酸鈉吸附量的測(cè)定：取4個(gè)250 mL的錐形瓶，分別加入含0.2 g膽酸鈉的0.15 mol/L的NaCl溶液100 mL，分別稱(chēng)取4種膳食纖維樣品各0.125 g，加入到錐形瓶中，充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后用PBS溶液調(diào)節(jié)體系pH為7.0。把錐形瓶放于37 ℃搖床中振搖2 h，然后于8 000 r/min條件下離心20 min，準(zhǔn)確吸取1 mL上清液，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線方法測(cè)定其吸光值。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到的線性方程，來(lái)計(jì)算上清液中剩余膽酸鈉的量，結(jié)果計(jì)算公式：

(6)

其中，S1為吸附前溶液中膽酸鈉含量/mg，S2為吸附后上清液中剩余的膽酸鈉含量/mg，S0為稱(chēng)取的樣品質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

以上所有測(cè)定項(xiàng)目每個(gè)重復(fù)測(cè)試3次，試驗(yàn)數(shù)值以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析和t檢驗(yàn)。P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛樟芝殘?jiān)麵DF含量與單糖組成

2.1.1牛樟芝殘?jiān)麵DF含量測(cè)定

通過(guò)GB 5009.88—2014方法測(cè)定ACA-NK和ACA-NF的膳食纖維含量分別為87.0%和85.3%，高于之前報(bào)道過(guò)的谷類(lèi)及水果副產(chǎn)品[16，17](蘋(píng)果0.2%、米糠61.7%) 的含量，也表明提取到的膳食纖維的純度較高可作為高膳食纖維功能性食品原料的來(lái)源。

2.1.2牛樟芝殘?jiān)麵DF單糖組成分析

單糖標(biāo)準(zhǔn)品和牛樟芝殘?jiān)袃煞NIDF的離子色譜如圖1所示，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品圖譜和牛樟芝殘?jiān)麵DF的圖譜各個(gè)單糖出峰的保留時(shí)間比較可知，ACA-NK和ACA-NF兩種IDF單糖組成的種類(lèi)相同，都是由巖藻糖、半乳糖、葡萄糖、木糖、甘露糖和果糖這六種單糖組成。其中，葡萄糖、木糖和甘露糖是其主要組成成分，達(dá)到了94.02%。

(a)標(biāo)準(zhǔn)曲線單糖、氨基葡萄糖和氨基半乳糖;(b)ACA-NK的單糖組成;(c)ACA-NF的單糖組成圖1 ACA-NK和ACA-NF的單糖組成和分子量

2.2 牛樟芝殘?jiān)麵DF的結(jié)構(gòu)表征

2.2.1SEM分析

通過(guò)SEM觀察牛樟芝殘?jiān)麵DF的表觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。ACA-NK和ACA-NF表觀構(gòu)象相似。ACA-NK和 ACA-NF表面幾乎沒(méi)有球狀淀粉或蛋白顆粒。兩種不溶性膳食纖維表現(xiàn)為不規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有斷裂的痕跡?？赡苁菈A液提取過(guò)程導(dǎo)致纖維基質(zhì)表面的破壞和纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的暴露。這些松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與它們的物理化學(xué)性質(zhì)有很大的關(guān)系，如促進(jìn)水分子的吸附和保留，從而增加持水和持油能力。然而，在低倍放大時(shí)可以發(fā)現(xiàn)一些不規(guī)則的塊狀小結(jié)構(gòu)，在高倍放大時(shí)表面并不光滑，這些結(jié)果也證實(shí)了牛樟殘?jiān)麵DF 較為疏松，具有良好吸附性能。

2.2.2FT-IR分析

由圖3可知，樣品在3 434.40 cm-1處的吸收峰是由一些游離的OH基團(tuán)與氫鍵締合形成的伸縮振動(dòng)峰，為纖維素所具有的特征吸收峰；2 929.85 cm-1處有較強(qiáng)的吸收峰，可推測(cè)此處有C—H基團(tuán)[18]；1 642.72 cm-1處是由C—O基團(tuán)伸縮振動(dòng)引起的說(shuō)明樣品中可能含有聚木糖[19]；1 642.72 cm-1和1 637.41 cm-1處的吸收可能是糖分子中C=O峰基團(tuán)的伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生,樣品中可能含有木質(zhì)素[19]。1 149.59 cm-1和1 127.31 cm-1處吸收峰是由纖維素及半纖維素中的C—O—C 基團(tuán)的伸縮振動(dòng)而產(chǎn)生的[20]；1 033.78 cm-1和1 033.21 cm-1處是半纖維素、纖維素及木質(zhì)素中C=O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)[20]。

圖3 牛樟芝殘?jiān)蝗苄陨攀忱w維的傅里葉變換紅外光譜圖

2.2.3XRD分析

由圖4可知， 在掃描角度2θ為 17.7° 和 20.9° 處有強(qiáng)衍射峰，掃描角度27.70°和34.09° 處有弱衍射峰。由非線性多峰擬合函數(shù)被用于評(píng)估樣品的結(jié)晶度指數(shù)[21]。結(jié)果表明牛樟芝殘?jiān)鼉煞NIDF結(jié)晶度沒(méi)有顯著性差異，其結(jié)晶度分為31.64%和30.92%，結(jié)晶度較低的原因可能是因?yàn)閴A溶液破壞了纖維素的結(jié)構(gòu)，使其結(jié)晶區(qū)部分轉(zhuǎn)化為無(wú)定型區(qū)。

圖4 牛樟芝不溶性膳食纖維的X射線衍射圖譜

2.3 牛樟芝殘?jiān)麵DF 持水力、持油力、膨脹力的比較

膳食纖維的水合作用主要取決于其表面親水基團(tuán)和結(jié)構(gòu)中的松散空腔，因而表現(xiàn)出良好的持水力[22]。ACA-NK與ACA-NF的膨脹力見(jiàn)圖5a,從圖中可以看出，ACA-NK和ACA-NF的膨脹力都比較小，分別是(0.05±0.02) mL/g，(0.06±0.11) mL/g。持水力和持油力如圖5b所示，ACA-NK和ACA-NF的持水力分別是(7.43±0.16) g/g、(6.09±0.12) g/g，且ACA-NK略高于ACA-NF,兩者與江籬藻中IDF(6.64 g/g)比較接近，是黑糯米米糠中IDF(3.04±0.10) g/g的兩倍左右[23,24]。持油力主要表現(xiàn)在膳食纖維對(duì)油脂的吸附能力，IDF對(duì)油脂一般具有良好的吸附作用，從而減少了人體腸道對(duì)脂肪的吸收，起到了一定的減肥功效[25]。從圖5b可以看出兩者持油能力相當(dāng)，分別為(3.90±0.21) g/g、(3.81±0.17) g/g,表現(xiàn)出較高的持油能力。牛樟芝殘?jiān)麵DF具有良好的理化性質(zhì)，能夠在人體內(nèi)發(fā)揮更好的功能特性，適合加工成功能性食品。

(a)膨脹力;(b)持水力和持油力；(*)(P<0.05表示差異顯著， (**)P<0.01表示差異極顯著。圖5 牛樟芝殘?jiān)蝗苄陨攀忱w維ACA-NK和 ACA-NF的膨脹力、持水力、持油力比較

2.4 牛樟芝殘?jiān)麵DF對(duì)膽固醇和膽酸鈉的吸附作用

膳食纖維可減少血清膽固醇的含量，從而降低了發(fā)生心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。由于膳食纖維對(duì)膽固醇的吸附能力受pH影響較大，故本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了pH=2和pH=7兩個(gè)值，是分別模擬胃環(huán)境和腸道環(huán)境[26]。如圖6a所示，發(fā)現(xiàn)ACA-NK和ACA-NF在中性環(huán)境下(pH=7)對(duì)膽固醇吸附量均顯著高于其在酸性環(huán)境中(pH=2)的吸附量，這表明膳食纖維在腸道環(huán)境中膽固醇的能力更強(qiáng)。另外ACA-NF的吸附量20.19 mg/g要高于ACA-NK 17.81 mg/g這可能是因兩者的結(jié)構(gòu)和比表面積的差異引起的。但整體來(lái)說(shuō)兩種牛樟芝IDF對(duì)膽固醇都有良好的吸附作用。膳食纖維通過(guò)吸附膽汁酸抑制腸道對(duì)膽汁酸的吸收作用，降低了肝中膽汁酸的量，從而加速分解了體內(nèi)的膽固醇，有效降低人體血清和肝中膽固醇的含量。此外，通過(guò)膳食纖維的吸附作用降低了腸道內(nèi)膽汁酸濃度，可預(yù)防體內(nèi)膽結(jié)石形成[27]。從圖6b可知，ACA-NK和ACA-NF對(duì)膽酸鈉的吸附能力分別為44.91 mg/g和36.57 mg/g，與黑糯米、小麥以及大豆中的IDF(6.45 mg/g～34.56 mg/g)相比均表現(xiàn)出較高水平的吸附能力[24,28]。根據(jù)之前的報(bào)道膽酸鈉濃度對(duì)膳食纖維的吸附作用有較大的影響，在一定膽酸鈉濃度范圍內(nèi)，膳食纖維對(duì)膽酸鈉的吸附能力隨著膽酸鈉濃度的增大而增加[28]。而本實(shí)驗(yàn)選用了較低濃度的膽酸鈉溶液(2 mg/mL)牛樟芝殘?jiān)麵DF卻表現(xiàn)出了較高的吸附能力，證明了牛樟芝殘?jiān)麵DF對(duì)膽酸鈉有較為理想的吸附性能。

(a)對(duì)膽固醇的吸附；(b)對(duì)膽酸鈉的吸附；(*)(P<0.05 表示差異顯著，(**)P<0.01表示差異極顯著。圖6 牛樟芝殘?jiān)蝗苄陨攀忱w維ACA-NK和 ACA-NF對(duì)膽固醇、膽酸鈉吸附能力比較

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用堿液低溫和DMSO系統(tǒng)純化方法提取制備牛樟芝殘?jiān)麵DF。牛樟芝IDF持水力、持油力等理化性質(zhì)良好，其對(duì)對(duì)脂肪、膽固醇和膽酸鹽均有一定的吸附作用，尤其對(duì)膽固醇和膽酸鈉表現(xiàn)出了優(yōu)于一般膳食纖維的的吸附性能，具備開(kāi)發(fā)功能性食品的潛力。通過(guò)對(duì)牛樟芝殘?jiān)麵DF結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征可知，膳食纖維純度較高，含有六種單糖，主要是由葡萄糖、木糖、甘露糖組成。紅外光譜表征出現(xiàn)較少的雜峰，且具有明顯纖維結(jié)構(gòu)特征，含有大量氫鍵，通過(guò)掃描電鏡看出，總體纖維結(jié)構(gòu)呈疏松狀且纖維素有一定的螺旋與其具有良好的吸附能力有關(guān)。結(jié)果顯示，牛樟芝椴木栽培子實(shí)體和皿培菌體兩種樣品中的水不溶性膳食纖維結(jié)構(gòu)相似，在吸附性方面有一定差異。本試驗(yàn)從牛樟芝殘?jiān)兄苽涞腎DF能具有減少機(jī)體對(duì)膳食中脂肪和膽固醇的攝入的潛力，可以作為預(yù)防肥胖、高血脂等方面疾病的保健食品原料來(lái)源。