基于碳中和的葛根生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化與利用

柴 雄，柴哲明

（1.保齡寶生物股份有限公司，山東 德州 251200；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

0 引言

葛根是豆科蝶形花亞科葛屬（PuerariaDC.）植物肥壯的根部或塊狀莖[1]。據(jù)調(diào)查，葛屬多年生藤本植物在全世界分布約20 種，主要集中于亞洲東南部，在我國的分布約有9 種和2 個(gè)變種，我國除西藏自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)外，其他省份均有分布，其多樣性尤以云、貴、川最為豐富[2-3]。葛的根系發(fā)達(dá)，多生長在山地荒灘，生長快，易栽培，具有抗寒、抗旱、耐瘠薄等生物學(xué)特性，在我國具有悠久的人工栽培歷史，主要栽培區(qū)域分布在湖南省、江西省、廣西壯族自治區(qū)、廣東省和安徽省等，其中廣西壯族自治區(qū)的人工葛種植面積達(dá)680.07 hm2（10 201 畝）[4-5]。作為聯(lián)合國糧農(nóng)組織預(yù)言的21 世紀(jì)第6 大主食，葛根生物質(zhì)資源具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

葛根被國家衛(wèi)生健康委員會(huì)認(rèn)定為藥食同源植物，素有“北參南葛”之美稱，其含有豐富的淀粉和葛根異黃酮類化合物，如湖南省農(nóng)科院培育出的脫毒葛根品種“湘葛1 號(hào)”至“湘葛5 號(hào)”，其淀粉含量達(dá)到18.5%～26.5%，葛根異黃酮含量達(dá)到2.5%～6.0%[6-9]。葛根異黃酮類化合物主要生物活性成分為葛根素（Puerarin）、大 豆 甙（Daidzin ）、大 豆 甙 元（Daidzein）、和3'- 甲 氧 基 葛 根 素（3'-Methoxy Puerarin）等30 多種異黃酮類化合物[10]。葛根素具有改善心腦血管微循環(huán)、降低“三高”、保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞的功效，廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)臨床治療冠心病、糖尿病及帕金森癥；而大豆甙類化合物是天然的雌激素，對女性養(yǎng)顏具有一定的功效[11-13]。葛根保健食品、美容產(chǎn)品一直以來都深受日本以及東南亞地區(qū)消費(fèi)者的青睞。

現(xiàn)階段我國的葛根產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直不溫不火，制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題主要集中在3 個(gè)方面。①加工工藝技術(shù)路線落后，未能形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。如大部分企業(yè)從干葛根中提取異黃酮類物質(zhì)時(shí)，放棄淀粉的提取，而從鮮葛根中提取淀粉時(shí)又未考慮清液中的異黃酮類物質(zhì)及過濾出的葛根纖維，導(dǎo)致葛根生物質(zhì)資源利用率低。②提取純化技術(shù)落后，葛根產(chǎn)品的開發(fā)仍處于低端水平，生產(chǎn)的主要是葛根初級(jí)產(chǎn)品，精深加工能力不足。各企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品大同小異，主要集中于從葛根中提取淀粉，或者提取葛根異黃酮類粗品混合物，鮮有涉足藥品、保健品、化妝品等精加工產(chǎn)品。③產(chǎn)品及工藝技術(shù)缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，沒有形成完善的產(chǎn)業(yè)規(guī)范，葛根生物質(zhì)資源綜合利用率低，產(chǎn)品附加值低。葛根的飼用價(jià)值、生態(tài)價(jià)值、能源價(jià)值的綜合開發(fā)利用尚未得到足夠的關(guān)注和重視[14]。

葛根可大規(guī)模林間套種栽培，是云、貴山區(qū)石漠化治理成功的范例，如何實(shí)現(xiàn)林業(yè)“地下反哺地上”“藏糧于地”“藏糧于技”，在守好綠水青山的同時(shí)，把金山銀山做得更大，是值得思考和解決的問題。“小葛根、大產(chǎn)業(yè)”，對葛根生物質(zhì)資源的高效轉(zhuǎn)化和利用的研究，是在我國產(chǎn)業(yè)格局全面升級(jí)背景下，突破固有粗放的發(fā)展思路，追求高效綠色發(fā)展的應(yīng)有之義，也是響應(yīng)“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略的應(yīng)時(shí)之舉。本研究基于碳中和背景，對葛根主要組分轉(zhuǎn)化和利用進(jìn)行理論研究和工藝優(yōu)化。

1 材料與方法

本研究借鑒傳統(tǒng)淀粉“逆流洗滌濕磨”加工工藝、白酒釀造工藝和高效色譜分離（HPLC）工藝技術(shù)，對浸泡、分離、沉淀和提純工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，提出葛根生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化和利用的工藝技術(shù)路線[15]。該路線設(shè)計(jì)力求在貼近生產(chǎn)實(shí)際的情況下，實(shí)現(xiàn)模塊化、高標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，助力“零排放”“碳中和”，做到可復(fù)制、可拓展。

1.1 原料

葛根原料分別選擇生長于陜西省秦嶺多年生野生葛根、江西省橫峰縣兩年生“橫葛2 號(hào)”、湖南省懷化市兩年生“湘葛1 號(hào)”。在葛根特性研究方面，分別對以上3 種葛根原料進(jìn)行切片觀察和組分分析；在生產(chǎn)工藝驗(yàn)證方面，選擇“橫葛2 號(hào)”作為原料。

1.2 儀器與設(shè)備

①葛根浸泡罐。罐體材質(zhì)為不銹鋼或者玻璃鋼，浸泡罐現(xiàn)場自制，罐體高徑比為1.0∶（1.8～2.5）。②破碎設(shè)備。DPS5076 型錘片式破碎機(jī)，鄭州精華實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，一破網(wǎng)板孔徑為0.71 mm，二破網(wǎng)板孔徑為0.38 mm。③離心篩。DLS100 型自卸料式臥螺離心篩，鄭州精華實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，篩板規(guī)格為40 目。④主分離機(jī)。DPF800 型淀粉分離機(jī)，邁安德公司生產(chǎn)，分離因數(shù)≥5 000，噴嘴直徑1.2 mm。⑤澄清離心機(jī)。DH500 型澄清離心機(jī)，瑞典阿法拉伐公司生產(chǎn)，主軸轉(zhuǎn)速≥3 000 r/min，噴嘴直徑0.8 mm。⑥濃縮設(shè)備。MVR-5-10 型低溫五效降膜蒸發(fā)器，邁安德公司生產(chǎn)，蒸發(fā)溫度≤65 °C，蒸發(fā)量10 t/h。⑦干燥設(shè)備。MYZQ6型負(fù)壓氣流干燥機(jī)，邁安德公司生產(chǎn)，進(jìn)風(fēng)初、中效凈化。⑧色譜分離。SSMB 型連續(xù)高效液相色譜儀，上海兆光生物工程設(shè)計(jì)研究院生產(chǎn)。⑨物理變性。DGT1200型不銹鋼單滾筒預(yù)糊化機(jī)，東臺(tái)市食品機(jī)械有限公司生產(chǎn)，蒸汽內(nèi)熱式溫控。⑩淀粉糊化特性測定。Brabender Viscogr-aph-E 型黏度計(jì)，德國Brabender 公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)速0～150 r/min，測量范圍0～700 cmg。

1.3 工藝路線與方法

工藝路線如圖1 所示，具體方法分6 個(gè)步驟。

圖1 葛根生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化利用工藝流程Fig.1 Efficient conversion and utilization process of Pueraria lobata biomass resources

（1）一般選擇生長期2 年的鮮葛根（或者葛根干片），清洗祛除泥沙雜質(zhì)，切片，切片厚度以0.5～1.0 cm 為宜，在32 °C 的3% 稀堿液中浸泡，調(diào)整pH值為8.0～8.5，浸泡24～36 h。依次通過一、二級(jí)錘片式破碎機(jī)破碎，使淀粉、粗纖維、蛋白質(zhì)及異黃酮類物質(zhì)充分游離。

（2）物料進(jìn)入臥螺離心篩，分離出葛根粗纖維渣，葛渣經(jīng)螺旋擠干機(jī)脫去游離水分干燥（含水率≤38%）。將高粱、酒曲等其他輔料粉碎至20 目以下，并將濕葛渣與輔料充分拌合、蒸料、攤涼，后入池發(fā)酵。成熟后的酒醅上甑，“混蒸串燒”蒸餾出酒，再經(jīng)過老熟、勾兌后為葛酒。酒糟復(fù)配制成飼料，飼喂豬、牛等家畜，葛根粗纖維“吃干榨盡”后“過腹還田”，實(shí)現(xiàn)“碳中和”。

（3）去除粗纖維的葛根原漿進(jìn)入主分離機(jī)，逐步調(diào)整主分離機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 200 r/min，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后調(diào)整進(jìn)料噴嘴閥，檢測細(xì)纖維及蛋白質(zhì)的分離效果。物料經(jīng)過離心分離后淀粉進(jìn)入重相，而少量細(xì)纖維、蛋白質(zhì)及葛根異黃酮類物質(zhì)則留在輕相中。葛根淀粉精乳經(jīng)過多級(jí)旋流器逆流洗滌，脫水為濕淀粉（含水率36%～40%），濕淀粉送入負(fù)壓氣流干燥系統(tǒng)，在150 °C 熱風(fēng)輸送過程中，含水率在28 s 內(nèi)降低至≤14%，最大限度地保存葛根異黃酮類物質(zhì)活性。由于葛根淀粉不溶于水，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了諸多不便，因此考慮對其進(jìn)行改性，選擇對葛根淀粉進(jìn)行物理改性，即對葛根淀粉的α-化，采用滾筒預(yù)糊化技術(shù)，制成可溶性葛粉[16]。

（4）輕相物料加入5%稀醋酸，調(diào)整pH 值為6.8，并將物料送至澄清離心機(jī)，繼續(xù)分離出葛根細(xì)小的纖維及蛋白質(zhì)，脫水、干燥后制成活性膳食纖維，工藝水則進(jìn)入后工序。

（5）葛根異黃酮類物質(zhì)主要留在工藝水中，工藝水中葛根異黃酮總含量<1.0%，需要濃縮，采用五效降膜蒸發(fā)器（MVR），在低溫條件下蒸發(fā)濃縮工藝水，至其中的葛根異黃酮類物質(zhì)總含量≥5.0%，蒸發(fā)濃縮過程保持溫度≤50 °C。然后，向濃縮液中加入乙醇，葛根異黃酮類物質(zhì)從濃縮液中沉淀，從而得到葛根異黃酮粗品，將粗品過濾洗滌、脫色后，二次溶解，進(jìn)入全自動(dòng)連續(xù)高效液相色譜儀（HPLC），依次分離出葛根素，以及其他組分。

（6）針對葛根淀粉糊化流變特性的研究，采用Brabender 黏度曲線法，設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為75 r/min，具體測定流程如圖2 所示。

圖2 葛根淀粉糊化流變特性測定流程Fig.2 Determination process of gelatinization rheological properties of Pueraria lobata starch

2 結(jié)果與分析

2.1 葛根組分分析

切片觀察野生葛木質(zhì)化程度明顯高于“湘葛1 號(hào)”和“橫葛2 號(hào)”，而且葛根次生結(jié)構(gòu)木栓層發(fā)達(dá)，淀粉主要分布在周皮以下、纖維素之間，黃酮類物質(zhì)主要貯存在木栓內(nèi)層薄壁組織中。對3 個(gè)葛根原料分別測定其淀粉、粗纖維、蛋白質(zhì)及總黃酮類物質(zhì)，結(jié)果如表1 所示。野生葛根的總黃酮類物質(zhì)含最高，是“湘葛1 號(hào)”的1.7 倍、“橫葛2 號(hào)”的2.2 倍，其粗纖維含量也最高。而人工培育栽培品種的淀粉平均含量達(dá)到24%，總黃酮類物質(zhì)含量與野生葛相比略低，測定得到結(jié)果與葛根切片觀察得到的纖維分布情況保持一致。

表1 葛根組分測定結(jié)果Tab.1 Determination results of Pueraria lobata components

對不同生長年限的葛根組分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其淀粉含量在第2 年達(dá)到峰值，以后隨著生長期的延長，其淀粉含量略有下降，粗纖維和葛根總黃酮類物質(zhì)則隨著生長期的延長增加?？紤]葛根種植的綜合成本效益，認(rèn)為在生長期的第2 年進(jìn)行采收，其加工效益較高。

2.2 葛根淀粉糊化特性分析

對葛根淀粉糊化特性進(jìn)行Brabender 黏度測定，測定結(jié)果如表2 和圖3 所示。對Brabender 黏度曲線分析，得到曲線峰值黏度為510 BU，糊化溫度為59.6 °C，尖峰表明淀粉顆粒晶態(tài)結(jié)構(gòu)完整。在92 及30 °C 保持段，黏度曲線平坦，起伏變化很小，表明葛根粉的熱糊及冷糊穩(wěn)定性均比較好，葛根淀粉的老化返生不明顯。該特性決定了葛根淀粉可塑性強(qiáng)，二次開發(fā)利用空間廣闊。葛粉中葛根素含量高達(dá)55 mg/kg，高于葛根粉GB/T 30637?2014 優(yōu)級(jí)品葛根素含量（≥40 mg/kg）指標(biāo)。高品質(zhì)的葛根淀粉是開發(fā)高檔飲品、休閑食品及保健食品的前提和基礎(chǔ)。

表2 葛根淀粉糊化黏度參數(shù)測定結(jié)果Tab.2 Determination results of gelatinization viscosity parameters of Pueraria lobata starch

圖3 葛根淀粉糊化黏度曲線（Viscograph-E）Fig.3 Gelatinization viscosity curve of Pueraria lobata starch（Viscograph-E）

3 工藝特色

葛根生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化利用工藝設(shè)計(jì)，是集傳統(tǒng)的淀粉提取工藝、釀酒工藝與現(xiàn)代高效的分離、濃縮、純化設(shè)備相結(jié)合，融合目前先進(jìn)的全自動(dòng)連續(xù)高效液相色譜（HPLC）技術(shù)，進(jìn)行的二次開發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，對浸泡工藝參數(shù)如浸泡時(shí)間、浸泡pH 值、浸泡溫度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在保證葛根淀粉、粗纖維、蛋白質(zhì)、葛根異黃酮類物質(zhì)充分游離的同時(shí)，兼顧了后續(xù)分離提取的負(fù)荷。另外，采取兩級(jí)破碎工藝，控制適度的破碎粒度（0.5±0.15）mm，在實(shí)現(xiàn)淀粉提取的同時(shí)，不至于產(chǎn)生過多的細(xì)纖維，進(jìn)而增加葛根異黃酮的提純壓力。

本研究著眼全流程工藝優(yōu)化，力求實(shí)現(xiàn)各組分在主副產(chǎn)品中的合理分布和流程負(fù)荷的均衡配置。如在葛根淀粉提取環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的“精磨”工藝能實(shí)現(xiàn)淀粉的一次提取率達(dá)到其含粉量的90% 以上，葛渣淀粉含量<5%，但該工藝會(huì)造成葛根渣粗纖維中可發(fā)酵降解的碳水化合物含量偏低，導(dǎo)致在釀酒過程需要額外補(bǔ)充碳水化合物。優(yōu)化后的淀粉提取工藝，對淀粉的一次提取率控制在75%，葛渣淀粉含量控制在8.5%～9.5%，淀粉的質(zhì)量指標(biāo)明顯提升，同時(shí)葛根渣滿足發(fā)酵釀酒工藝要求。從輕相中分離提取葛根膳食纖維是本研究提出的工藝創(chuàng)新點(diǎn)，這不僅降低了輕相中固形物的含量，減輕了異黃酮分離純化的負(fù)荷，而且將傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中丟棄的葛根膳食纖維“變廢為寶”充分利用，進(jìn)一步豐富了產(chǎn)品線，整個(gè)工藝流程設(shè)計(jì)提高了葛根原料的綜合利用率和產(chǎn)品附加值。生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，部分工藝最優(yōu)參數(shù)：浸泡pH 值為8.0～8.5，浸泡時(shí)間為（28±2）h，浸泡溫度為32 °C，一破顆粒度為0.65 mm，二破顆粒度為0.35 mm，葛根渣淀粉含量為9%±1%，主分離機(jī)出料比重相為15%、輕相為85%，葛根淀粉干燥減量≤14%，可溶性葛粉干燥減量≤9%，MVR 濃縮溫度≤50 °C。

葛根生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化利用工藝設(shè)計(jì)，使葛根產(chǎn)品的總收率達(dá)到98.5%，異黃酮提取率達(dá)到85%以上，葛根素（8-β-D-葡萄吡喃糖-4',7-二羥基異黃酮）純度達(dá)到96.0%，葛根粉質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到食用葛根粉（GB/T 30637?2014）優(yōu)級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)。由于葛根粉不溶于水，無法滿足很多應(yīng)用場景，同時(shí)也考慮食品安全問題，本研究提出采用物理熱處理改性的方法，使葛根淀粉α-化，制成冷水可溶性葛粉，以滿足葛粉產(chǎn)品研發(fā)的各種應(yīng)用場景。

作為副產(chǎn)物的葛酒，色澤微黃、酒體豐滿，葛根素含量≥100 μg/mL，具有較高的市場接受度[17]。經(jīng)測算，本工藝每加工7.5 t 葛根，可產(chǎn)出1 t（50%vol）葛酒，年可產(chǎn)葛酒20 萬t。據(jù)中國酒業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2020 年全國白酒消費(fèi)約741 萬t，葛酒每年可節(jié)約白酒發(fā)酵2.7%的糧食消耗，約節(jié)省商品糧70 萬t，這對我國的糧食安全具有十分重要的意義。

4 結(jié)束語

本研究就葛根主要組分轉(zhuǎn)化和利用進(jìn)行了理論研究和工藝優(yōu)化，但僅有部分內(nèi)容得到應(yīng)用實(shí)證，仍需在豐富的應(yīng)用場景中不斷優(yōu)化、完善。葛根異黃酮類物質(zhì)種類有30 余種，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對其性質(zhì)及用途的認(rèn)知還十分有限，目前能夠?qū)崿F(xiàn)HPLC 分離提純的葛根異黃酮類物質(zhì)也僅有十幾種，還需要科研工作者進(jìn)行長期的攻關(guān)與努力。

目前，進(jìn)行葛根加工的企業(yè)普遍規(guī)模較小，工藝設(shè)備落后，而且加工分散、技術(shù)力量薄弱，缺乏相應(yīng)的龍頭企業(yè)引領(lǐng)。同時(shí)，葛酒及可溶性葛粉等產(chǎn)品缺乏相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工藝、設(shè)備、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化仍有較長的路要走。

隨著人們生活水平的不斷提高，多元化、個(gè)性化需求成為主流，人們追求健康、高品質(zhì)生活的訴求將極大推動(dòng)葛根產(chǎn)品精深加工技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，伴隨著葛根異黃酮類化合物分析、提純和功能研究不斷深入，以及超臨界萃取（SFE）技術(shù)、高效色譜分離（HPLC）技術(shù)在農(nóng)林產(chǎn)品深加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，葛根深加工產(chǎn)業(yè)將在破除技術(shù)瓶頸的同時(shí)迎來全新的發(fā)展機(jī)遇期。