葛根纖維的提取、特性表征及應(yīng)用研究進(jìn)展

蘇福聯(lián)，鄭 敏，黃東海，李 宇，廖璐婧，羅 凱，何美軍

（1.湖北民族大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北恩施 445000；2.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所，湖北恩施 445000；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部中藥材生物學(xué)與栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430000；4.湖北省中藥材研發(fā)中心，武漢 430000）

葛根是豆科植物葛［Pueraria montana（Loureiro）Merrill］的根［1］，塊根碩大，含有豐富的化學(xué)成分，素有“亞洲人參”的美譽(yù)，在中國(guó)具有悠久的歷史。葛根在中國(guó)生長(zhǎng)總面積達(dá)40 萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量在150 萬(wàn)t 以上［2］。在葛根的生產(chǎn)加工中會(huì)產(chǎn)生大量的葛渣廢棄物，纖維含量高達(dá)59 %左右［3］。纖維素在人體健康中具有維持腸道菌群平衡、調(diào)節(jié)血脂、預(yù)防傳染病和呼吸系統(tǒng)疾?。?］等作用，同時(shí)其在材料［5］、鋰電池［6］、醫(yī)藥衛(wèi)生［7］和紡織等方面的應(yīng)用也較為廣泛，對(duì)葛根纖維進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用有很大的潛在價(jià)值。在葛根的研究中不乏與葛根纖維相關(guān)的研究成果，但還沒(méi)有系統(tǒng)的報(bào)道葛根纖維研究狀況的文獻(xiàn)。本研究介紹葛根纖維的提取、特性表征及應(yīng)用的研究進(jìn)展，為推動(dòng)葛根纖維的開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 葛根纖維的提取

提取的葛根纖維主要有粗纖維［8］、膳食纖維［9］和納米纖維，粗纖維是包含膳食纖維和納米纖維的混合纖維，膳食纖維則可分為可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF），納米纖維直徑可達(dá)納米級(jí)。葛根纖維提取方法有化學(xué)提取法、生物提取法［10］和聯(lián)合提取法等，化學(xué)提取法更加普遍，生物提取法在環(huán)境保護(hù)中更具優(yōu)勢(shì)，而聯(lián)合提取是采用微波、超聲和高壓等新興技術(shù)輔助提取［11］，以提高纖維得率達(dá)到更好的提取效果。要充分發(fā)揮葛根纖維的潛在價(jià)值，后續(xù)在提取技術(shù)上還需進(jìn)一步深入研究。

1.1 粗纖維提取

1.1.1 化學(xué)提取法 彭大釗［12］以葛渣為原料，采用NaClO2和NaOH 聯(lián)合提取葛根粗纖維，將葛渣依次經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%NaClO2（100 ℃）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NaOH（80 ℃）冷凝回流2 次，每次回流2 h，葛根粗纖維得率為59%。張如全等［12］采用NaOH 與H2O2混合脫膠提取葛根粗纖維，將預(yù)處理后的葛渣在95 ℃下與質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%NaOH 和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%H2O2混合，浴比1∶50，煮練3 h，殘膠率降至8.47%?；瘜W(xué)提取法主要是以堿法為主，在此基礎(chǔ)上加入其他化學(xué)試劑進(jìn)行提取?；瘜W(xué)提取法產(chǎn)生的廢液對(duì)環(huán)境污染大，治理廢水的經(jīng)濟(jì)成本高，且提取物可能會(huì)有化學(xué)試劑的殘留，但該方法可以提高葛根粗纖維得率和降低殘膠率，且試劑成本低，操作步驟簡(jiǎn)單，綜合考量化學(xué)提取法適合經(jīng)濟(jì)效益高的工業(yè)作業(yè)。

1.1.2 物理化學(xué)聯(lián)合提取法 Zhang 等［13］采用超聲輔助堿氧化工藝提取，將葛渣與質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaOH和質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%H2O2混合，浴比1∶15，煮練0.5 h，95 ℃，再進(jìn)行超聲2.5 h，殘膠率為10.47%；Song等［14］以葛根皮為原料，采用蒸汽爆炸與化學(xué)脫膠法提取粗纖維，將葛根皮在1.0 MPa 的蒸汽發(fā)生器中，保留10 min，將產(chǎn)生爆炸效果的葛根皮在100 ℃10 g/L NaOH 溶液下處理4 h，每2 h 更新1 次堿液，殘膠率為3.34%。以纖維殘膠率為提取指標(biāo)，添加氧化劑H2O2提取的纖維殘膠率比不添加的殘膠率高，可能是H2O2在高溫條件下部分分解成水和氧氣，不僅使自身濃度降低，還導(dǎo)致NaOH 濃度降低，使纖維表皮的膠質(zhì)去除不充分，也可能是高壓條件下更有利于纖維表皮膠質(zhì)的炸裂去除。劉洋洋等［15］采用硫酸和超聲波聯(lián)合提取，將葛渣在1 g/L 的硫酸溶液中浸泡1 h，再經(jīng)超聲波脫膠，之后進(jìn)行酸洗、水洗、脫水和自然風(fēng)干，粗纖維得率為40.78%。將物理與化學(xué)的方法聯(lián)合，擴(kuò)展了葛根纖維提取方法的途徑，且將高壓引入葛根纖維提取，能夠顯著降低殘膠率，在工業(yè)應(yīng)用中有巨大的潛力。

1.1.3 物理生物聯(lián)合提取法 Li 等［16］以葛根皮為原料，采用蒸汽爆炸和漆酶介質(zhì)體系提取，將浸泡過(guò)的葛根皮，在飽和蒸氣壓加熱到180 ℃以下，保留10 min，再由漆酶介質(zhì)體系以50 ℃、130 r/min 的搖瓶中反應(yīng)18 h，粗纖維得率為69.27%，該工藝粗纖維得率較高，但消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際生產(chǎn)中可行性較低，要想增加此工藝的可行性就要探究新的方法，達(dá)到縮短時(shí)間的同時(shí)還不減少纖維得率的目的。物理生物聯(lián)合法為葛根纖維提取方法打開新思路的同時(shí)，也為其他植物纖維的酶法提取提供新的參考方向。

1.2 膳食纖維提取

1.2.1 氧化提取法 梅新等［17］采用H2O2法對(duì)葛渣進(jìn)行提取，提高了SDF 的得率，爭(zhēng)強(qiáng)了IDF 的膨脹力。在該方法中H2O2作氧化劑可能對(duì)葛根膳食纖維分子中的基團(tuán)進(jìn)行了修飾，使IDF 的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致IDF 膨脹力增強(qiáng)，此方法可推動(dòng)膳食纖維定向提取的發(fā)展進(jìn)程。

1.2.2 酶法提取 蔡沙等［18］以葛渣為原料，先后加入耐熱型α-淀粉酶、蛋白酶溶液和糖化酶，分別反應(yīng)30 min，調(diào)節(jié)pH 至適當(dāng)值，制得膳食纖維得率為39.54 %，SDF 得率為15.6%；鐘海雁等［19］以岳陽(yáng)野葛、張家界野葛等為原料，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%混合的α-淀粉酶與糖化酶（1∶2），反應(yīng)80 min，水洗滌至中性，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的蛋白酶，反應(yīng)60 min，2 種野葛膳食纖維得率分別是78.41%和76.34%。雖然都采用酶法制備膳食纖維，但是選擇的原料、試驗(yàn)流程和反應(yīng)時(shí)間等條件都不同，導(dǎo)致膳食纖維的得率相差較大?；旌厦傅奈侥芰Ρ葐蚊傅膹?qiáng)［20］，使纖維表面大部分的淀粉、多糖和膠質(zhì)等物質(zhì)被吸附除去，膳食纖維暴露面增大，得率也隨之增大。龍偉［21］將葛渣經(jīng)纖維素酶-超聲處理，增強(qiáng)了膳食纖維的持水性、持油性、膨脹性和陽(yáng)離子交換能力。酶法制備膳食纖維對(duì)環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)單，但酶的價(jià)格偏高，增加了工藝成本，在此基礎(chǔ)上深入探究降低成本的酶法制備膳食纖維的工藝，還可深入專研超聲增強(qiáng)膳食纖維物理特性的基理。

1.2.3 真菌發(fā)酵提取法 王巖巖等［22］以葛渣為原料，選取8 種藥用真菌對(duì)葛渣進(jìn)行發(fā)酵降解，在葛渣固體培養(yǎng)基中，藥用真菌接種量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，25 ℃發(fā)酵7 d，其中DS1（裂摺菌）的降解效果最好，IDF 得率為71.3%，SDF 得率為2.1%，可能是真菌發(fā)酵能夠降解木質(zhì)素和半纖維素［23］使SDF 得率降低，而IDF 得率較高。王宏勛等［24］選取藥用真菌B 對(duì)葛渣進(jìn)行發(fā)酵降解，結(jié)果顯示降解后葛渣中SDF 含量增加1 倍，達(dá)到13.6%、膨脹力增加10.5 倍，達(dá)到4.2 mL/g、持水力增加1.7 倍，達(dá)到2.80 g/g。真菌發(fā)酵法操作簡(jiǎn)單，且產(chǎn)物天然無(wú)污染，但真菌發(fā)酵降解的產(chǎn)物不明確且菌種的選擇相對(duì)單一，可深入探究具有發(fā)酵制備葛根纖維能力的菌株，優(yōu)化發(fā)酵降解工藝，使葛根真菌發(fā)酵提取法多元化。

1.3 納米纖維提取

彭大釗［3］采用草酸、磷酸-草酸混合酸分別制備草酸納米纖維晶（Oxalate Cellulose Nanocrystalline，O-CNC）和磷酸納米纖維晶（Phosphate-Oxalate Cellulose Nanocrystalline，PO-CNC），結(jié)果表明在草酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%，磷酸-草酸-水（30 mL∶40 g∶15 mL）的條件下，O-CNC 的產(chǎn)率為30%，PO-CNC 產(chǎn)率為67%。O-CNC 的產(chǎn)率最低而PO-CNC 產(chǎn)率最高，原因可能是質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的草酸酸性強(qiáng)度還不能使大部分纖維素鏈上的羥基與草酸的羧基發(fā)生羧化反應(yīng)［25］，導(dǎo)致水解不足，產(chǎn)率低；磷酸-草酸混合酸因加入了磷酸，溶液酸性增強(qiáng)，羧化反應(yīng)也更加劇烈，水解充分，產(chǎn)率也更高，且PO-CNC 長(zhǎng)度更加均勻。

2 葛根纖維的特性表征

葛根纖維屬于天然植物纖維，其特性研究與其他植物纖維的特性研究有一定的共性，由于葛根纖維的研究處于初級(jí)階段，其特性表征主要從顯微結(jié)構(gòu)特征、主要官能團(tuán)、物理特性和功能特性等方面開展相關(guān)研究?？梢赃\(yùn)用多種分析方法，如光學(xué)顯微觀察（Optical microscopy，OM）、電鏡分析（Scanning electron microscope，SEM）、傅里葉紅外光譜分析（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR）、X 射線衍射分析（X-ray diffraction analysis，XRD）、熱重分析（Thermo gravimetric，TG）、差熱重量分析（Differential thermal gravimetric，DTG）等［26-28］，使葛根纖維以不同的角度展現(xiàn)。

2.1 顯微結(jié)構(gòu)特征

葛根纖維的顯微結(jié)構(gòu)特征通常采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡和原子力顯微鏡等儀器進(jìn)行掃描。通過(guò)電鏡直接掃描葛根纖維的顯微結(jié)構(gòu)特征，將其以圖像的形式展現(xiàn)出來(lái)，直觀顯示出葛根纖維是典型的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)，表面平整且線條流暢，大量的纖維黏結(jié)在一起成束狀，整體呈現(xiàn)長(zhǎng)直條形態(tài)，排列均勻，在其表面還有淀粉、蛋白質(zhì)等其他大分子物質(zhì)成不規(guī)則塊狀（圖1）。在葛根纖維的研究過(guò)程中，電鏡掃描的方法是表征其顯微結(jié)構(gòu)特征的手段，將透射電鏡和原子力顯微鏡等應(yīng)用到葛根纖維的顯微結(jié)構(gòu)表征中，能夠進(jìn)一步認(rèn)識(shí)葛根纖維的表皮和內(nèi)部的形貌特征［13］。

2.2 主要官能團(tuán)

葛根纖維的分子構(gòu)成測(cè)定可參考其他原料纖維的結(jié)構(gòu)測(cè)定，由其固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的形式可選擇不同的分析方法，如傅里葉變換紅外光譜法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)T-IR）、高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、UV 分光光度計(jì)（Ultraviolet，UV）、氣相色譜-質(zhì)譜（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GCMS 和IR（Infrared Rays，IR）等方法進(jìn)行科學(xué)分析。葛根粗纖維分子構(gòu)成測(cè)定主要是采用固態(tài)樣品進(jìn)行FT-IR 分析測(cè)定。高曉路［29］以超聲輔助堿法脫膠制得葛根纖維，采用FT-IR 分析，發(fā)現(xiàn)葛根纖維主要官能團(tuán)有糖苷鍵、羰基、亞甲基、甲基和羥基，且脫膠前后的紅外圖譜中主要特征吸收峰基本相符，表明該方法脫膠處理并沒(méi)有破壞主要官能團(tuán)。彭大釗等［32］將未經(jīng)處理的葛渣、經(jīng)NaClO2處理的葛渣和經(jīng)NaClO2-NaOH處理的葛渣進(jìn)行FT-IR對(duì)比分析測(cè)定，發(fā)現(xiàn)所有樣品的透射峰主要出現(xiàn)在700～1 800 cm-1和2 700～3 500 cm-1，且葛渣和經(jīng)NaClO2處理的葛渣還存在大量半纖維素和木質(zhì)素，但經(jīng)NaClO2-NaOH處理的葛渣，其半纖維素和木質(zhì)素得到有效去除。原因可能是NaOH 通過(guò)降解纖維中的酯類和糖苷的側(cè)鏈，引起木質(zhì)素結(jié)構(gòu)變化、半纖維素溶解、纖維素膨脹和脫結(jié)晶，纖維中的壓力迅速下降［31］，半纖維素和木質(zhì)素得以去除；NaClO2在氧化過(guò)程中主要是破壞原纖維中木質(zhì)素和其他膠質(zhì)成分，對(duì)纖維的破壞程度不大，半纖維素和木質(zhì)素去除不充分。葛根纖維主要官能團(tuán)已測(cè)定清除，但是葛根纖維分子間的鏈接方式、空間結(jié)構(gòu)等尚不明了，今后可進(jìn)行相關(guān)研究，從而完善葛根纖維分子的構(gòu)成。

2.3 物理特性

因葛根纖維有良好的加工特性，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的物理特性分析，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中具有重要的研究意義。已測(cè)定的葛根纖維物理特性見表1。將葛根纖維與棉花纖維的物理特性進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)葛根纖維長(zhǎng)度比棉花纖維長(zhǎng)0.17 mm［32］，其他特性優(yōu)勢(shì)不明顯。膨脹力是判定膳食纖維質(zhì)量的關(guān)鍵性指標(biāo)，因膳食纖維經(jīng)口腔進(jìn)入胃的過(guò)程中會(huì)吸收大量的水分使其膨脹，能有效減少食欲，促進(jìn)腸胃的蠕動(dòng)。李夢(mèng)楚等［33］考查了復(fù)合酶添加比例、復(fù)合酶添加總量、酶解時(shí)間和酶解溫度對(duì)葛根膳食纖維膨脹力的影響，其中復(fù)合酶添加總量對(duì)膨脹力的影響較大。在葛根纖維物理特性研究中還可以進(jìn)行纖維細(xì)度、成熟度、色度、黏結(jié)力和毛粒等性能測(cè)定，為葛根纖維的開發(fā)應(yīng)用建立基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上可探究出環(huán)保、低能且高效的方法增強(qiáng)其物理特性，以拓寬市場(chǎng)。

2.4 功能特性

纖維低聚糖具有良好的活性功能，由2～10 個(gè)葡萄糖分子構(gòu)成線性寡糖，對(duì)人體健康具有較高的效益，能降低泌尿生殖系統(tǒng)感染的風(fēng)險(xiǎn)，緩解便秘，減少腹瀉，促進(jìn)鐵、鈣和鎂的吸收，對(duì)肥胖癥和腫瘤具有抗性作用［38］。王朋凱等［39］建立了HPLC-ELSD法檢測(cè)葛根纖維低聚糖，濃度在0.07～0.70 mg/mL 內(nèi)出峰。劉勝男等［40］用酶法提取的葛渣膳食纖維，經(jīng)HPAEC-PAD 測(cè)得低聚糖主要包含葡萄糖、纖維二糖和纖維三糖。Heinritz 等［41］以纖維二糖作為豬糞便微生物生長(zhǎng)中的碳源，增加了微生物的氣體產(chǎn)量即代謝活性增強(qiáng)，同時(shí)降低了氨、胺和酰胺等有害物質(zhì)的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了從蛋白質(zhì)發(fā)酵到碳水化合物發(fā)酵的理想轉(zhuǎn)變。Suzuki等［42］添加纖維素三糖培養(yǎng)黃孢子菌，增加了菌中幾個(gè)纖維素降解基因的轉(zhuǎn)錄水平，且不同的纖維素降解基因?qū)@些低聚糖的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)不同。纖維低聚糖有巨大的應(yīng)用價(jià)值，能將葛根纖維應(yīng)用與低聚糖的開發(fā)，不僅擴(kuò)大了葛根市場(chǎng)，還促進(jìn)了葛根纖維的發(fā)展。

3 葛根纖維的應(yīng)用

葛根纖維資源豐富，具有良好的物理性能和功能特性，在材料、造紙和食品等方面都有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 材料領(lǐng)域的應(yīng)用

Luo 等［43］將葛根纖維應(yīng)用在聚丙烯復(fù)合材料中，增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能，以馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯（Maleic anhydride polypropylene，MAPP）增強(qiáng)葛根纖維與聚丙烯基體間的黏附性，使葛根纖維-聚丙烯復(fù)合材料的抗拉模量和抗拉強(qiáng)度分別增加了24%和54%。納米纖維直徑小，密度大，纖維的機(jī)械強(qiáng)度顯著提高［44］；Bangar 等［45］添加5%葛根納米纖維，使淀粉基生物納米復(fù)合膜張立強(qiáng)度從3.25 MPa 提高到13.2 MPa，顯著增強(qiáng)淀粉基生物納米復(fù)合膜強(qiáng)度；王占紅等［46］為增加聚乳酸全降解塑料薄膜的強(qiáng)度，以葛根納米纖維作增強(qiáng)材料，成功研制出葛根納米纖維素纖維-聚乳酸塑料薄膜，拉伸強(qiáng)度可達(dá)70 MPa。宋娜等［47］將葛根纖維與納米銀結(jié)合，成功制作出具有良好止血、抗菌等性能的納米銀-葛根纖維輔料，可能是納米銀與纖維形成氫鍵，對(duì)細(xì)菌的細(xì)胞膜造成損傷，使細(xì)胞塌陷［48］，從而起到良好的抑菌作用；楊寧等［49］對(duì)葛渣的紡織材料進(jìn)行了分析，結(jié)果表明葛渣的纖維素脂蠟質(zhì)含量較高，手感柔軟，是良好的紡織材料。

3.2 造紙領(lǐng)域的應(yīng)用

葛根纖維因有直徑長(zhǎng)、抗拉強(qiáng)度大的細(xì)纖維，是一種比普通的木漿更有價(jià)值、更便宜的造紙?jiān)希?0］。Lee 等［51］將葛根纖維漿添加到造紙?jiān)现校梢约铀倥Ｆぜ埖耐噬?，可以成為生產(chǎn)具有特殊功能紙張的次要資源。

3.3 食品領(lǐng)域的應(yīng)用

葛根纖維表面富含蛋白質(zhì)、淀粉和多糖等物質(zhì)，營(yíng)養(yǎng)豐富。劉勝男［52］在制作葛根全粉時(shí)，添加經(jīng)過(guò)酶解的葛根纖維，豐富了葛根全粉中的低聚糖含量，增加了其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，也更易被人體吸收。保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌和青春雙歧桿菌對(duì)酸奶起到豐富有益菌和增加發(fā)酵風(fēng)味物質(zhì)的作用，其培養(yǎng)條件也一直在優(yōu)化中。張雁等［53］用葛根膳食纖維酶解的低聚糖作為培養(yǎng)保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌及青春雙歧桿菌的培養(yǎng)基碳源，使保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌及青春雙歧桿菌活菌數(shù)較常規(guī)培養(yǎng)基分別提高123%、124%和146%。

4 小結(jié)

葛根是重要的藥用和食用植物，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要價(jià)值，也一直是研究熱點(diǎn)，如葛根粗纖維的提取分離工藝、結(jié)構(gòu)的表征；葛根膳食纖維的制備、特性研究和酶法制備低聚糖；葛根納米纖維的特性研究等都取得了較大的進(jìn)展。但對(duì)整個(gè)葛根纖維體系的研究尚處在基礎(chǔ)階段，還存在許多亟待探索的問(wèn)題。今后葛根纖維探究方向包括建立綠色提取分離工藝、活性探究；葛根膳食纖維的食品研發(fā)和對(duì)腸道菌群的影響；葛根納米纖維的新型制備方法、改性、表征及新型材料的應(yīng)用等方面開展深入研究。