葛根渣中資源性化學(xué)成分分析及膳食纖維提取工藝研究*

曾慧婷 鄭亞倩 戴迪 何小群 陳超 王小青，5 虞金寶，4 李晶#

（1 江西省中醫(yī)藥研究院 南昌 330046；2 江西中醫(yī)藥大學(xué) 南昌 330004；3 江西省中藥資源保護(hù)與開發(fā)利用工程研究中心 南昌 330046；4 江西省中藥原料質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)中心 南昌 330046；5 中藥材種質(zhì)選育繁育重點(diǎn)研究室 江西南昌 330046）

膳食纖維（Dietary Fiber,DF）為來源于植物細(xì)胞壁中不易被消化的食物營養(yǎng)素，被譽(yù)為人體健康所必需的“第七大營養(yǎng)素”，其主要成分包括了所有不可消化的多糖，如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、樹脂、低聚糖及果膠等[1]。已有研究表明，膳食纖維具有輔助降低罹患肥胖癥、糖尿病、高脂血癥、冠心病及胃腸道等疾病風(fēng)險(xiǎn)的功效。天然膳食纖維根據(jù)其來源可分為蔬菜纖維、水果纖維、谷物類纖維、豆類纖維等；根據(jù)其溶解性可分為可溶性膳食纖維（SDF）和不可溶性膳食纖維（IDF）兩類，SDF 可溶于水且能被大腸中微生物發(fā)酵分解，具有抗氧化、調(diào)節(jié)糖脂代謝和腸道微生態(tài)平衡等生物學(xué)功能；IDF 不溶于水且不能被大腸微生物分解，具有降低膽固醇、預(yù)防便秘、降低血糖及吸附金屬離子等功能特性[2～4]。

粉葛為豆科植物甘葛藤（Pueraria thomsoniiBenth.）的干燥根，具有解肌退熱、生津止渴、透疹、升陽止瀉、通經(jīng)活絡(luò)、解酒毒等功效[5]。粉葛具有良好的食用價(jià)值，于2018 年被國家衛(wèi)生健康委員會(huì)列為藥食同源品種，每年產(chǎn)量巨大，江西為粉葛主產(chǎn)區(qū)之一，年產(chǎn)量約達(dá)一萬噸[6]。古代關(guān)于葛及粉葛的應(yīng)用記載主要集中在紡織和傳統(tǒng)醫(yī)藥方面，隨著粉葛在保健養(yǎng)生應(yīng)用中的提升及種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其產(chǎn)業(yè)化過程中產(chǎn)生的廢棄物葛渣主要以粗放低值化利用方式如肥料化、栽培基質(zhì)、飼料化等為主，或未得到有效利用而廢棄，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境污染。前期研究表明，廢棄的葛根渣尚含有豐富的黃酮類成分，主要為葛根素、大豆苷和大豆苷元[7～8]，此外，還含有生物堿類、甾體類、糖類以及氨基酸類等多種資源性化學(xué)成分。近年來研究報(bào)道，葛根渣中含有70%以上的總膳食纖維，是良好的天然膳食纖維來源[9～10]。本研究以江西省橫峰縣所產(chǎn)粉葛提取葛粉后的廢棄葛渣為研究對(duì)象，采用苯酚-硫酸法、酸堿處理對(duì)葛根渣中的多糖和粗纖維含量進(jìn)行測(cè)定，并采用酶法制備膳食纖維，確定其最佳提取工藝參數(shù)，為葛根渣資源價(jià)值發(fā)現(xiàn)及資源利用效率提升提供科學(xué)依據(jù)?，F(xiàn)報(bào)道如下：

1 材料

1.1 儀器 UA-2600i 可見紫外分光光度計(jì)（島津）；CXC-06 粗纖維測(cè)定儀（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）；TSF-50A-1 水分快速測(cè)定儀（上海佑科儀器儀表有限公司）；LD4-2A 型低速離心機(jī)（北京京立離心機(jī)有限公司）；Direct-Q8 UV 超純水制備系統(tǒng)（廈門精藝興業(yè)科技有限公司）；SX-4-10 箱式電阻爐（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；BGZ-70 電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司）；KQ-250DB 型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）；AG-135 型電子天平[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司] ；XMTD-7000 電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司）；BC3-1 超微粉碎機(jī)（河北本辰科技有限公司）；YF-1000 型高速中藥粉碎機(jī)（浙江瑞安市永歷制藥機(jī)械有限公司）。

1.2 試劑與樣品 無水葡萄糖（Glc，批號(hào)：110833-202109） 購于中國食品藥品檢定研究院；α-淀粉酶（枯草桿菌）50 U/mg、糖化酶100 U/mg、木瓜蛋白酶800 U/mg 均購于上海源葉生物科技有限公司；蒸餾水（Direct-Q8 UV 超純水制備系統(tǒng)自制）；乙醇、丙酮、硫酸等試劑均為分析純。葛根渣樣品為粉葛（P.thomsoniiBenth.）經(jīng)渣漿分離機(jī)提取葛粉后所得的固體廢棄物，由橫峰縣葛峰葛業(yè)種植專業(yè)合作社提供。葛根渣處理：將基地收集的葛根渣樣品水洗、除雜，于50℃鼓風(fēng)干燥后，經(jīng)超微粉碎機(jī)粉碎成纖維狀粗粉，不過篩。

2 試驗(yàn)方法

2.1 葛根渣中多糖含量測(cè)定

2.1.1 對(duì)照品溶液制備 取無水葡萄糖對(duì)照品適量，精密稱定，加水制成每1 mL 含100 μg 的溶液，即得。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備 精密量取對(duì)照品溶液0.2 mL、0.4 mL、0.6 mL、0.8 mL、1.0 mL，分別置于10 mL 具塞試管中，各加水補(bǔ)至1.0 mL，精密加入5%苯酚溶液1 mL（臨用配制），搖勻，再精密加硫酸5 mL，搖勻，置沸水浴中加熱20 min，取出，置冰浴中冷卻5 min，以相應(yīng)試劑為空白，照紫外-可見分光光度法（2020 年版《中華人民共和國藥典》四部通則0401），在488 nm 波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度值。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（X），吸光度值為縱坐標(biāo)（Y），繪制葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線，得線性方程Y=0.008 1X+0.015 2，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 5。表明葡萄糖濃度在20.08～100.40 μg/mL 范圍內(nèi)與吸光度線性關(guān)系良好。

2.1.3 供試品溶液的制備 精密稱取葛根渣樣品1 g，精密稱定，加水200 mL，加熱回流2 h，放冷，轉(zhuǎn)移至250 mL 量瓶中，用少量水分次洗滌容器，洗液并入同一量瓶中，加水至刻度，搖勻，濾過，精密量取續(xù)濾液2 mL，置50 mL 離心管中，精密加入無水乙醇10 mL，搖勻，冷藏1 h，取出，離心（轉(zhuǎn)速為6 500 r/min）20 min，棄去上清液（必要時(shí)濾過），沉淀加80%乙醇洗滌2 次，每次8 mL，離心，棄去上清液，沉淀加熱水溶解，轉(zhuǎn)移至25 mL 量瓶中，放冷，加水至刻度，搖勻，即得。

2.1.4 多糖含量測(cè)定 精密吸取上述供試品溶液1 mL，置10 mL 具塞試管中，照“2.1.2”項(xiàng)方法，自“精密加入5%苯酚溶液1 mL”起，依法測(cè)定吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上讀出供試品溶液中無水葡萄糖的量，以干基計(jì)算，即得。

2.2 葛根渣中粗纖維含量測(cè)定 采用《植物類食品中粗纖維的測(cè)定》[11]法，并應(yīng)用CXC-06 粗纖維測(cè)定儀測(cè)定粗纖維含量（以干基計(jì)）。

2.3 葛根渣中膳食纖維提取工藝研究 單因素試驗(yàn)各參數(shù)參考相關(guān)研究報(bào)道[12]。

2.3.1 不溶性膳食纖維的制備 稱取10 g 烘干粉碎的葛根渣樣品，以20 倍水溶解，加入α-淀粉酶和糖化酶的混合酶在60℃條件下酶解一定時(shí)間，煮沸滅酶后過濾，棄去濾液，保留濾渣。再加入中性蛋白酶在55℃條件下酶解一定時(shí)間，煮沸滅酶后過濾，并用蒸餾水洗滌濾渣，然后再將濾渣用乙醇和丙酮洗滌，除去脂肪，清洗、烘干、粉碎過60 目篩，即得葛根渣不溶性膳食纖維。

2.3.2 膳食纖維膨脹力的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取葛根渣膳食纖維0.3 g，置于量筒中，加入10 mL 蒸餾水，振蕩均勻后室溫放置24 h，讀取液體中膳食纖維的體積，計(jì)算膨脹力。葛根渣膳食纖維提取以總膳食纖維（TDF）得率（%）和膨脹力為指標(biāo)，考察酶解工藝參數(shù)。TDF 提取率%=干燥后TDF 的質(zhì)量÷干燥原料質(zhì)量×100%。膨脹力=[膨脹后纖維體積（mL）－干品體積（mL）] ÷樣品干質(zhì)量（g）。

2.3.3 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) （1）復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例考察。稱取10g 葛根渣樣品共7 份，α-淀粉酶與糖化酶的比例分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7，總添加量為3%，加20 倍水；在60℃的條件下恒溫水浴60 min，煮沸滅酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的條件下恒溫水浴60 min；煮沸滅酶后過濾，然后再將濾渣分別用乙醇和丙酮洗滌，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，過60 目篩，測(cè)定膨脹力。（2）復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加總量考察。稱取10 g 葛根渣樣品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例為1∶4，總添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%，加20 倍水；在60℃的條件下恒溫水浴60 min，煮沸滅酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的條件下恒溫水浴60 min；煮沸滅酶后過濾，然后再將濾渣分別用乙醇和丙酮洗滌，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，過60 目篩，測(cè)定膨脹力。（3）復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解時(shí)間考察。稱取10 g 葛根渣樣品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例為1∶4，總添加量為3%，加20 倍水；在60℃的條件下分別恒溫水浴30、45、60、75、90、105、120 min，煮沸滅酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的條件下恒溫水浴60 min；煮沸滅酶后過濾，然后再將濾渣分別用乙醇和丙酮洗滌，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，過60 目篩，測(cè)定膨脹力。（4）復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解溫度考察。稱取10 g 葛根渣樣品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例為1∶4，總添加量為3%，加20 倍水；分別在45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃的條件下恒溫水浴60 min，煮沸滅酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的條件下恒溫水浴60min；煮沸滅酶后過濾，然后再將濾渣分別用乙醇和丙酮洗滌，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，過60 目篩，測(cè)定膨脹力。（5）蛋白酶用量的考察。稱取10 g葛根渣樣品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例為1∶4，總添加量為3%，加20 倍水；在60℃的條件下恒溫水浴60 min，煮沸滅酶，分別加入0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%木瓜蛋白酶；在55℃的條件下恒溫水浴60 min；煮沸滅酶后過濾，然后再將濾渣分別用乙醇和丙酮洗滌，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，過60 目篩，測(cè)定膨脹力。

3 結(jié)果與分析

3.1 葛根渣中多糖和粗纖維含量測(cè)定 葛根渣中多糖和粗纖維含量測(cè)定結(jié)果。見表1。根據(jù)干物質(zhì)計(jì)算，葛根渣中多糖含量為10.30%，粗纖維含量為15.58%。

表1 葛根渣中多糖和粗纖維含量測(cè)定（%）

3.2 葛根渣膳食纖維提取工藝研究

3.2.1 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例考察復(fù)合酶添加比例對(duì)葛根渣中膳食纖維提取率及膨脹力的影響。見圖1。結(jié)果顯示，隨著復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）添加比例升高，TDF 得率呈先升后降的趨勢(shì)，二者比例在1∶3 時(shí)TDF 得率最高，為71.79%，且膨脹力最大（7.87）。因此，復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例以1∶3 最佳。

圖1 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例考察

3.2.2 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加總量考察復(fù)合酶添加總量對(duì)葛根渣中膳食纖維提取率及膨脹力的影響如圖2 所示。由圖可知，隨著復(fù)合酶添加總量的增大，TDF 得率分別為69.35%、69.23%、68.23%、69.37%、70.14%、68.22%、67.19%，總體變化趨勢(shì)不明顯，添加總量在5%時(shí)得率最高（70.14%）。不同復(fù)合酶添加總量條件下所得到的膳食纖維膨脹力呈先升后降的趨勢(shì)，以復(fù)合酶添加總量為4%時(shí)膨脹力最大，基于獲取高品質(zhì)膳食纖維以及經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的角度，綜合考量下選擇復(fù)合酶添加總量4%。

圖2 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加總量考察

3.2.3 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解時(shí)間考察復(fù)合酶酶解時(shí)間對(duì)葛根渣中膳食纖維提取率及膨脹力的影響如圖3 所示。結(jié)果顯示，不同酶解溫度下TDF 得率分別71.16%、71.51%、71.79%、72.76%、71.20%、71.50%、71.50%，總體變化趨勢(shì)差異較小，以酶解時(shí)間為75 min 時(shí)的TDF 得率最高（72.76%），且膨脹力最大（8.20），選擇酶解時(shí)間為75 min。

圖3 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解時(shí)間考察

3.2.4 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解溫度考察溫度對(duì)酶活性影響具有雙重性，本研究分梯度考察不同酶解溫度下對(duì)復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）活性的影響。隨著酶解溫度的升高，TDF 得率和膨脹力總體趨勢(shì)先升后降，在酶解溫度為65℃時(shí)最大，TDF 得率為72.26%，膨脹力為9.18，酶活力隨著溫度升高而增大，達(dá)到最適溫度后隨溫度升高酶活力逐漸降低。復(fù)合酶酶解溫度對(duì)葛根渣中膳食纖維提取率及膨脹力的影響如圖4 所示。

圖4 復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解溫度考察

3.2.5 蛋白酶用量的考察 本研究以木瓜蛋白酶作為酶制劑，通過考察木瓜蛋白酶添加總量，結(jié)果顯示，木瓜蛋白酶不同添加總量條件下TDF 得率分別為 71.67% 、70.15% 、72.75% 、72.30% 、72.09% 、73.18%、72.23%，膨脹力分別為5.57、5.25、5.90、5.25、5.25、6.89、5.90。蛋白酶添加總量為0.3%時(shí)膳食纖維提取率及膨脹力最大，故確定蛋白酶添加總量為0.3%。蛋白酶用量對(duì)葛根渣中膳食纖維提取率及膨脹力的影響如圖5 所示。

圖5 蛋白酶用量的考察

4 討論

多糖具有增強(qiáng)免疫力、降血糖、抗腫瘤、抗氧化等多種生物學(xué)功能，葛根渣本身為粉葛根提取葛粉后的殘?jiān)?，尚存有一定量的多糖成分[12～13]。粗纖維是膳食纖維的一部分，主要指植物組織用一定濃度的酸、堿、醇和醚等試劑，在一定溫度條件下，經(jīng)過一定時(shí)間的處理后所剩下的殘留物，其主要成分是纖維素和木質(zhì)素。研究表明，葛根渣中果膠和木質(zhì)素含量較高，葛根渣纖維在強(qiáng)力、吸水性和染色性方面不及苧麻和亞麻纖維，但手感較它們?nèi)彳沎14]。本研究中分別采用通過苯酚-硫酸法、酸堿消煮法對(duì)葛根渣中的多糖和粗纖維含量進(jìn)行測(cè)定，得到葛根渣中多糖含量為10.30%，粗纖維含量為15.58%，表明廢棄的葛根渣中多糖和粗纖維含量豐富，結(jié)果可為后續(xù)葛根渣的資源循環(huán)利用途徑提供了數(shù)據(jù)支撐。此外，關(guān)于葛根渣中膳食纖維的報(bào)道亦較多，主要圍繞葛根渣中膳食纖維制備工藝研究、葛根渣膳食纖維降血糖、增強(qiáng)免疫等藥理活性研究以及采用發(fā)酵法應(yīng)用于食品開發(fā)等方面。本研究通過傳統(tǒng)復(fù)合酶法制備總膳食纖維，得到酶法制備葛根渣中總膳食纖維的最佳工藝條件為：復(fù)合酶（α-淀粉酶、糖化酶）添加比例1∶3、添加總量4%、酶解時(shí)間75 min、酶解溫度65℃，蛋白酶添加總量為0.3%，該工藝參數(shù)的確定可為后期葛根渣膳食纖維的轉(zhuǎn)化增效及精細(xì)高值化利用提供參考。

本研究前期圍繞粉葛資源產(chǎn)業(yè)化過程中所產(chǎn)生的非藥用部位（莖、葉和花）、工業(yè)廢水、固體廢棄物（須根、葛根頭、葛渣）等，對(duì)其黃酮類資源性化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，除葛花外，粉葛廢棄物（葛根渣、葛莖、根皮、須根、葛根頭和廢水）中黃酮類成分種類基本一致，主要為葛根素、大豆苷、染料木苷、大豆苷元[7]。葛根渣作為具有一定資源化潛力的藥食兩用藥渣，可基于轉(zhuǎn)化增效資源化利用模式，采用提取富集、生物轉(zhuǎn)化、發(fā)酵轉(zhuǎn)化等技術(shù)，提升其資源性物質(zhì)的利用效率，以獲得如蛋白飼料、有機(jī)肥料、生物能源等高附加值產(chǎn)品?；诰?xì)高值資源化利用模式，通過提取富集、糖化處理等方法和技術(shù)，從葛根渣中獲得具有潛在利用價(jià)值的資源性化學(xué)成分，進(jìn)一步開發(fā)成各類精細(xì)高值化產(chǎn)品如醫(yī)藥中間體、保健產(chǎn)品、化工產(chǎn)品、香精香料等，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[15]。作者常年致力于中藥資源化學(xué)與資源循環(huán)利用研究，后期將針對(duì)葛根渣中的黃酮類資源性化學(xué)成分進(jìn)行提取富集研究，以期使葛根渣的資源循環(huán)利用進(jìn)一步綜合化、合理化、高值化，對(duì)延伸粉葛資源產(chǎn)業(yè)鏈和綠色發(fā)展具有重要意義。