一年生葛茎的化学成分与纤维特性研究

高晓路，唐汉军*，梁洁，陶湘林，魏颖娟，吴跃辉，陈志辉

一年生葛茎的化学成分与纤维特性研究

高晓路1,2，唐汉军1,2*，梁洁2，陶湘林2，魏颖娟2，吴跃辉2，陈志辉3

(1.湖南大学隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省农业科学院农产品加工研究所，湖南 长沙 410125；3.湖南省农业科学院作物研究所，湖南 长沙 410125)

为充分利用葛麻纤维，采用化学法分析湖南和江西不同地区一年生野葛茎和人工栽培粉葛茎及葛麻的化学成分，探讨制麻技术对纤维性能的影响，并通过电镜扫描、显微镜观察等对葛麻表面形态结构、单纤维特性进行表征。结果表明：野生鲜葛茎的干物质总含量高于粉葛的，且干物质总量、不溶性纤维含量均随生长期延长而增加，粉葛的各项指标在地域和品种间均存在差异，在12月采收的3个粉葛中，太空粉葛茎的粗脂肪、粗蛋白、灰分和可溶性纤维的质量分数均较高，江西粉葛的均较低；碱处理法所得葛麻的残胶率明显小于自然发酵法的残胶率，其断裂强度较大，且葛麻表面的纤维结构较清晰；碱处理法所得不同原料葛麻的理化特性和化学成分在地域间、品种间均表现出明显差异，总体上野葛麻的断裂强度较高，野葛和粉葛均有随生长期延长而断裂强度增加的趋势，胶质等非纤维成分达17.5%~33.3%；野葛的纤维素含量均达80%以上，且不同生长期间的纤维素含量没有明显差异，粉葛的纤维素含量低于野葛的，且12月采收的样品纤维素含量显著低于9月采收样品的；葛麻单纤维的公制支数为3 098.2~3 866.7 m/g，单纤维线密度为2.6~3.2 dtex，野葛麻的平均直径和公制支数优于粉葛麻的；葛麻的纤维素含量、半纤维素含量与葛麻单纤维的理化特性具有密切关联。

葛茎；野葛麻；粉葛麻；化学成分；纤维特性

葛()是多年生豆科藤本药食两用植物，主要分布在热带和温带地区，目前在世界范围已有35种被确认[1]，其中野葛((Wild) Ohwi)分布最为广泛，其次是粉葛(Benth)，均是加工葛根淀粉[2–4]和中药材[5–8]的主要原料来源。近年，中国在葛新品种的培育、栽培、加工技术和产品研发等方面取得了巨大的进步，在华南、华东、华中、西南等地均形成一定的产业规模，每年可食部的葛根产量达150万t以上。葛根的种植和初加工已成为“三区”脱贫致富的一个重要产业。但目前对葛的研究大部分集中于对葛根的研究分析，葛叶茎[9]等地上部分几乎没有得到有效利用。由于葛茎韧皮纤维(麻)的优良特性及富含异黄酮等活性成分，加上现代科技的融入，葛麻制品[10–13]成为了高端纺织品。目前，对葛麻的研究报道较少，系统的研究开发应用几乎是空白。

本研究中，系统分析湖南及江西地区的野葛和栽培粉葛一年生茎的基本营养成分，比较自然发酵法和碱处理法得到的一年生葛茎的出麻率及其理化特性，旨在为开发高附加值葛麻提供依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料

一年生葛茎的种类、产地和采收时间如表1所示。

表1　供试材料

1.2　指标检测方法

1) 鲜葛茎的水分含量分析。随机选取一年生鲜葛茎3~5支，清水洗净，取中段5 cm，切成长约5 mm小段，采用AOAC法[14]分析样品的水分含量，计算鲜葛茎的干物质质量百分比。

2) 葛茎基本营养成分含量分析。随机选取一年生鲜葛茎3~5支，清水洗净，切成厚约2 mm薄片，在105 °C下杀青15 min，70 °C下常压烘干，用小型粉碎机粉碎至直径小于0.2 mm粉末作为分析样品。采用AOAC法[14]分析样品的基本营养成分(水分、干物质、粗脂肪、粗蛋白、总纤维、总糖、灰分)的含量，并通过分析样品的水分含量值修正各成分数据，作为各营养成分的干基含量值，并计算其总糖含量。

3) 原麻的形态观察。采用SEM扫描电子显微电镜(EVO–LS10)观察原麻的形态。

4) 自然发酵法葛麻提取工艺。取鲜茎样品10~20支，剪去叶片，清水洗去泥沙等杂质，用蒸汽处理30 min杀青，常温下自然发酵7 d后，剥取韧皮组织，清除表皮等杂质，漂洗干净，70 ℃常压烘干，作为原麻样品。根据鲜茎干物质含量及原麻含水量计算出粗麻率。

5) 碱处理法葛麻提取工艺。取鲜茎样品10~20支，剪去叶片，清水洗去泥沙等杂质，在2%的NaOH溶液中煮沸60 min，剥取韧皮组织，清除表皮等杂质，漂洗至中性，70 °C常压烘干，作为原麻样品。根据鲜茎干物质含量及原麻含水量计算出粗麻率。

6) 原麻的厚度分析。参照ULUDAG等[15]的方法测定单片麻厚度。

7) 原麻的断裂强度分析。原麻样品放置于20 °C的硝酸镁饱和溶液恒湿器中24 h以上，采用质构仪(TPA–CP3)进行质构分析。分析条件：探头TA7，探头速度0.5 mm/s，触发点负载4.5 g，探头推进距离10 mm，单片麻样品宽度3 mm，隔距18.5 mm。

8) 原麻的单点回潮率分析。准确称取105 °C烘干的样品约0.5 g()，放入已知质量(1)的干燥皿，在相对湿度55.87%的硝酸镁饱和溶液恒湿器中放置7 d，称量干燥皿总质量(2)。回潮率=(2–1)/× 100%。

9) 原麻的残胶率及化学成分分析。按照GB/T 5889—1986苎麻化学成分定量分析方法[16]测量原麻成分。

10) 原麻的单纤维特性分析。随机抽取葛麻扎紧，用刀片切成厚约0.3 mm的断片，在研钵中适当研磨混匀，在105 °C下烘干，称取50.00 mg粉末样品(3次)，加入5%NaOH溶液2 mL，并在沸水浴中煮沸3 h以上，然后用超声波细胞破碎机进一步处理2 h，充分分散，将该处理液定容至25 mL，作为单纤维分析样品。该处理液经过3次离心–漂洗操作后，收集沉淀并在105 °C下烘至恒重，作为单纤维断片总质量。单纤维分析样品摇匀后，每次精确取10 μL于载玻片上，参照冷娟等[17]的方法，在金相显微镜(250A–BA310)下计量10 μL样品(6次)中单纤维断片的总数、平均长度和平均直径。25 mL样品中单纤维的总长度和单纤维断片的平均直径作为葛麻单纤维特性评判依据，参照GB/T 5884—1986苎麻纤维支数试验方法[18]计算葛麻的公制支数、葛麻的单纤维线密度。

上述测得的所有数据均采用Excel 2007和SPSS 7.0统计处理。

2　结果与分析

2.1　葛茎的水分含量及基本营养成分

如表2所示，一年生葛茎的水分含量为68.3%～78.0%，干物质含量为22.0%～31.7%；野葛的干物质总量高于栽培粉葛；粉葛在地域以及品种间有明显的差异，其中太空粉葛的干物质含量最低。随着生长时间的延长，野葛的粗脂肪、粗蛋白、总糖、灰分和可溶性纤维的质量分数有减少的趋势，而不溶性纤维质量分数明显增加。粉葛的各项指标在地域和品种间均存在差异，与湖南12月采收的粉葛比较，湖南9月采收粉葛的粗脂肪、粗蛋白和灰分的质量分数较低，而总纤维、总糖的质量分数略高；在12月采收的3个粉葛中，太空粉葛茎的粗脂肪、粗蛋白、灰分和可溶性纤维的质量分数均较高，江西粉葛的均较低。

表2　一年生葛鲜茎的水分和干物质含量及干基葛茎的基本营养成分

2.2　不同方法提取的原麻形态

运用扫描型电子显微镜对野葛茎原麻(KS3)的表面特征进行观察，结果(图1)显示，自然发酵法原麻表面比碱处理法原麻表面明显覆盖着更多的果胶等杂质，碱处理法原麻展现了更清晰的纤维结构。

图1　野葛原麻(KS3)的形态观察结果

2.3　不同方法提取的原麻的理化特性

从表3可以看出，自然发酵法原麻(KS3)的粗麻率和回潮率比碱处理法的略高，而单片麻厚度和残胶率(以干基计)显著高于碱处理法原麻，并表现较小的断裂强度。这些结果表明，碱处理法不仅大幅缩短了前处理时间，同时获得的原麻质量较好，相比自然发酵法有很大的工艺优势。

表3　不同方法提取的原麻(KS3)的理化特性

同列不同字母示处理方法间差异显著(<0.05)。

2.4　不同原料的原麻的理化特性

采用碱处理法提取7个样品的原麻，它们的理化指标如表4所示。干基粗麻率6.5%～11.9%，原麻的回潮率4.7%～5.6%，断裂强度453.6～572.0 MPa，地域间以及品种间均表现出明显的差异。总体上野葛的断裂强度较高，野葛和粉葛均有随生长期延长断裂强度增加的趋势。

表4　碱处理法提取的不同原料的原麻理化特性

同列不同字母示样品间差异显著(<0.05)。

2.5　不同葛麻原麻的化学成分

7个样品的原麻化学成分如表5所示。胶质等非纤维成分达到17.5%～33.3%。野葛的纤维素含量均达80%以上，不同时期样品的纤维素含量间的差异无统计学意义；9月以前采收的样品，野葛与栽培粉葛的纤维素含量间差异无统计学意义；12月采收的粉葛样品，在地域间有明显差异。木质素在生长期间有所增加，9月以前采收的样品木质素均未被检出，而12月采收的样品木质素含量约为10%，且脂蜡质含量有增加的趋势。综合这些理化特性可认为，作为葛麻的提取原料，野葛茎优于粉葛茎，同时均在9月前采收比较理想。

表5　不同葛麻原麻的化学成分

同列不同字母示样品间差异显著(<0.05)。

2.6　葛麻的单纤维特性

葛麻的纤维形态如图2所示。葛麻单纤维的直径约3～12 μm，绝大多数在10 μm以下，平均直径6.3～7.2 μm；公制支数3 098.2～3 866.7 m/g；单纤维线密度2.6～3.2 dtex，在品种间、地域间均表现出明显差异，总体上野葛优于栽培粉葛(表6)。与其他植物纤维比较，这些指标也远优于苎麻纤维(21.6 μm)[19]和桑蚕丝(9.6 μm)[20]。这些结果预示葛茎韧皮纤维是一种优异的纺织纤维，具有巨大的开发潜力和经济价值。

图2　葛麻的纤维形态观察结果

表6　葛麻的单纤维特性

同列不同字母示样品间差异显著(<0.05)。

2.7　葛麻的品质特性与单纤维理化特性的相关性分析

从表7可以看出，半纤维素含量与葛麻单纤维的平均直径呈极显著正相关；半纤维素含量与葛麻单纤维的线密度呈显著正相关；半纤维素含量与葛麻单纤维的公制支数呈极显著负相关；纤维素含量与葛麻单纤维的平均直径呈显著负相关；纤维含量与葛麻单纤维的公制支数呈显著正相关；水溶物含量与所测的葛麻其他特性间均无相关性，纤维素含量与葛麻单纤维的线密度无相关性。总体来看，葛麻的纤维素含量、半纤维素含量与葛麻单纤维的理化特性具有密切关联。

表7　葛麻的品质特性及葛麻单纤维理化特性的相关性分析结果

“*”示显著相关(<0.05)；“**”示极显著相关(<0.01)。

3　结论与讨论

本研究中，对湖南和江西不同地区，以及夏冬两季的一年生野葛和栽培粉葛共计7个样品的葛茎成分及其韧皮纤维的制麻特性进行了比较。葛茎的干物质总量为22.0%～31.7%，野葛的高于栽培粉葛，且生长时间越长，野葛干物质总量有增加的趋势，而脂肪、蛋白、总糖、灰分和可溶性纤维等营养成分的相对比例减少，不溶性纤维含量增加。总之，葛茎的营养成分因品种、地域和生长时间存在明显的差异，与已报道的[21]基本一致。可以这样认为，以提取葛麻为目的时，充分生长的葛茎比较理想，但不可忽略品种和地域的差异。

因自然发酵法提取葛麻，有成本低、污染小等优势，但碱处理法提取葛麻效率高，可将7 d的自然发酵期缩短至几小时，且获得的原麻残胶率显著降低，断裂强度显著增大，原麻质量明显提高。7个葛茎样品，干基粗麻率为6.5%～11.9%，其纤维素含量为66.7%～82.5%，7月至9月的野葛原麻的纤维素含量均达到80%以上，断裂强度总体上高于粉葛。野葛和粉葛均随生长期延长而断裂强度呈增加趋势，但是12月粉葛茎的原麻的木质素含量高达10%左右，且脂蜡质含量有增加的趋势，而9月的原麻几乎不含木质素(未检出)。综合考虑，作为葛麻的提取原料，野葛茎优于粉葛茎，同时均在9月前采收比较好。

本研究中，将原麻进一步切细碾磨均匀，然后采用高温碱煮结合超声波处理分散，用5%NaOH溶液煮沸比预试验用3%NaOH的分散效果好，几乎达到了完全分散的目的，获得了较好的单纤维断片分散液。该液体调整到适当浓度(300根/10 μL)后，通过金相显微镜摄像系统[17,19]，测量了单位质量的单纤维断片的数量、长度和直径等数据，获得了较好的公制支数、单纤维线密度等重要指标。但从显微观察结果分析，部分纤维(特别是切口部位)有被碱水解的迹象。基于这些观察推断，比较小的纤维断片有可能被水解掉，使公制支数的数据偏小，今后高温碱煮的处理条件需要进一步确认和完善。

本研究获得的葛纤维公制支数达3 098.2～3 866.7 m/g，单纤维的平均直径6.3～7.2 μm，单纤维线密度为2.6～3.2 dtex，这些数据完全优于同类型的苎麻纤维[19]。虽然葛麻纤维的品质存在品种、地域和季节上的差异，但在天然纤维中是一种高品质纤维，具有巨大的开发潜力和经济价值。本研究中，葛茎原麻提取率为6.5%～11.9%，理论上可年产原麻672.6～1 457.3 kg/hm2，葛茎原麻的最高产量与江西的苎麻产量(1 500 kg/hm2)相近，如果年收割3次，产量有望进一步提高。基于葛麻的纤维品质远高于苎麻，单位面积的产值更高。

葛麻是一种优良的天然植物纤维，综合品质比苎麻的高；从单纤维线密度指标评价，甚至比桑蚕丝优良，具有很大的开发潜力和经济价值。品种上，野葛的纤维优于粉葛；季节上，生长期长的优于生长期短的，但生长期过长，木质化程度增加，葛麻的产量和质量均会有所降低。葛麻的提取工艺有待进一步研究。

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Characterization of the chemical components and fiber characteristics of the annualstem

GAO Xiaolu1,2, TANG Hanjun1,2*, LIANG Jie2, TAO Xianglin2, WEI Yingjuan2, WU Yuehui2, CHEN Zhihui3

(1.Longping Branch Graduate School, Hunan University, Changsha, Hunan 410125, China; 2.Institute of Agricultural Products Processing, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha, Hunan 410125, China; 3.Crop Research Institute of Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha, Hunan 410125, China)

In order to characterize thefiber, we used chemical method to investigate the chemical composition of annual(wild) Ohio stem and cultivatedBenthand P.in Hunan and Jiangxi, and the influence offiber making technology on fiber performance was discussed. The surface morphology and single fiber characteristics offiber were characterized using scanning electron microscope and microscope observation. The results showed that the total dry matter content of(wild) Ohio stem was higher than that ofBenth, and the total dry matter content and insoluble fiber content increased with the long-term growth. The indexes ofBenth varied in the sample collected from different regions and varieties. Among the threeBenth collected in December, the contents of crude fat, crude protein, ash and soluble fiber of spaceBenth were the highest and those of Jiangxiwere the lowest. The residual gum rate offiber by alkali treatment was significantly lower than that by natural fermentation, and its breaking strength was larger, and the fiber structure on the surface offiber was clear; the physical and chemical properties offiber by alkali treatment showed obvious differences among regions and varieties, and the breaking strength of(wild) Ohio by alkali treatment was higher in general, and(wild) fiber andBenth were have the trend of increasing with the growth of long-term, and the non fiber components such as colloid was 17.5%-33.3%. The fiber content of(wild) Ohio was more than 80%, and there was no significant difference in the cellulose content of(wild) Ohio during different growth periods. The cellulose content ofBenth was lower than that of(wild)Ohio, and the cellulose content of the samples collected in December was significantly lower than that of the samples collected in September. The metric number of single fibers ofwere 3 098.2-3 866.7 m/g, the linear density of single fibers were 2.6-3.2 dtex, and the average diameter and metric number of(wild)Ohio were better than those ofBenth; the cellulose content and hemicellulose content offiber were closely related to the physical and chemical properties of single fiber offiber.

stem;(wild) Ohio fiber;Benth fiber; chemical composition; fiber characteristics

10.13,331/j.cnki.jhau.2020.01.011

S567.23+9；TS102.2

A

1007-1032(2020)01-0070-07

2019–04–17

2019–07–08

湖南省科技创新引导计划(S2017SFXYZY0084)；湖南省农业创新联盟协同创新计划(2017LM0404)；湖南省农业科学院作物淀粉化学与代谢组学创新团队平台建设项目(2014TD06)

高晓路(1991—)，女，河南平顶山人，硕士研究生，主要从事食品营养与安全研究，2646251687@qq.com；

，唐汉军，博士，研究员，主要从事作物淀粉化学研究，tanghanjun@yeah.net

高晓路，唐汉军，梁洁，陶湘林，魏颖娟，吴跃辉，陈志辉．一年生葛茎的化学成分与纤维特性研究[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2020，46(1)：70–76．

GAO X L, TANG H J, LIANG J, TAO X L, WEI Y J, WU Y H, CHEN Z H. Characterization of the chemical components and fiber characteristics of the annualstem[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences), 2020, 46(1): 70–76.

http://xb.hunau.edu.cn

责任编辑：邹慧玲

英文编辑：柳正