不同类型芝麻茎秆化学成分分析及评价

苏小雨，王东伟，魏利斌，高桐梅，王东勇，李 丰，田 媛，卫双玲

(1.河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002；2.青岛农业大学，山东 青岛 266109)

芝麻(SesamumindicumL)属胡麻科(Pedaliaceae)芝麻属(Sesamum)，是我国重要的特色油料作物，具有较高的营养价值[1-2]。随着社会的发展以及人民生活水平不断提高，国内芝麻需求量逐年上升。据统计，2013—2017年我国作为世界四大芝麻主产国之一，年均种植面积达到26.71万hm2，年均总产达40.74万t[3]。然而，茎秆作为芝麻的主要副产品之一，秸秆资源丰富，但利用效率较低，除少部分用作菌类培养的营养基质外，大部分被弃置或烧掉，不仅造成秸秆资源浪费，也带来了严重的环境污染。因此，如何经济环保地利用丰富的芝麻秸秆资源，研发有效的秸秆消化与利用措施，变废为宝，对促进农业发展、避免环境污染、减少资源浪费以及增加芝麻的经济附加值具有重大意义。而探究芝麻茎秆营养成分是提高茎秆资源附加值需面对的首要问题。

关于作物茎秆的研究，国内外诸多学者已在小麦、玉米、水稻、油菜、木薯等作物上进行了相关报道[4-8]，研究表明，作物茎秆成分主要是纤维素、半纤维素和木质素等天然高分子物质(约占70%)，糖、蛋白质和无机元素等含量丰富。目前，大作物(如玉米)的茎秆已用于造纸、家畜饲料、板材加工和能源合成等方面，并取得了初步成效[9]，部分用作肥料和食用菌培养基等产品的原料。

关于芝麻营养成分的研究，目前主要集中于其可食用部分，如芝麻叶和芝麻籽粒[10]，而对于芝麻茎秆所含营养成分的研究报道则较少，且芝麻茎秆利用方面的研究尚未见报道，严重制约着芝麻茎秆经济价值的开发利用。鉴于此，对白芝麻、黑芝麻、金芝麻3种不同类型芝麻品种的茎秆化学成分进行测定和分析，全面了解其营养成分，为芝麻茎秆资源的研究、开发和利用提供可靠的技术支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

白芝麻品种郑太芝1号、黑芝麻品种郑黑芝1号和金芝麻品种SP55，均由河南省农业科学院芝麻研究中心提供。试验用芝麻2019年6月6日种植于河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地，以品种为处理，采取随机区组设计，3次重复，行距40 cm、株距13 cm，小区面积20 m2，四周设保护行，其他管理同一般大田。于芝麻成熟期后分别收取芝麻茎秆，选取个体长势一致、生长正常的芝麻植株5株，将茎秆按照下、中、上分三等份截开，分别代表基部、中部和稍部。置于自然条件下通风阴干，将茎秆截成细片，用粉碎机加工成粉末，过0.425 mm孔径筛网，收集置于具有磨砂玻璃塞的广口瓶中放于-40 ℃冰柜中保存备用。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 基本化学成分 纤维素、半纤维素、木质素含量测定参考王金主等[11]的方法。总糖含量测定采用蒽酮法[12]。蛋白质含量测定参照GB/T 14771—1993进行。脂肪含量测定参照GB/T 14772—2008进行，灰分含量测定参照GB/T 742—2008进行。

1.2.2 氨基酸和脂肪酸含量 参考GB/T 14965—1994，采用氨基酸分析仪测定氨基酸含量；参考GB/T 17377—2008，采用气质联用法测定脂肪酸含量。

1.2.3 无机元素含量 采用原子吸收分光光度法测定无机元素含量。

1.3 数据处理与分析

应用Microsoft Excel 2013和DPS 6.0对数据进行整理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同类型芝麻茎秆化学成分分析

由表1可知，纤维素、木质素和糖是芝麻茎秆的主要组成成分。不同类型芝麻茎秆中的纤维素含量为38.02%～48.21%，木质素含量为15.39%～26.19%，总糖含量为26.06%～35.94%，但这些物质含量在不同品种和同一品种的不同部位间均存在差异。白芝麻、金芝麻、黑芝麻的粗纤维(包括纤维素、半纤维素和木质素)含量分别为78.73%、74.25%、73.06%，均值为75.35%，且白芝麻茎秆基部粗纤维含量高于中部和稍部。此外，白芝麻茎秆的纤维素含量最高，均值为43.44%，且中部>稍部>基部。金芝麻茎秆木质素含量最高，均值为21.87%，且中部>基部>稍部。黑芝麻茎秆总糖含量最高，均值为32.87%，且稍部>中部>基部。此外，各种芝麻茎秆均含有半纤维素、灰分、粗脂肪和粗蛋白，其中，3种类型芝麻茎秆中半纤维素含量为10.14%～14.84%，白芝麻茎秆半纤维素较高，均值为14.16%；灰分含量为3.35%～6.67%，金芝麻茎秆灰分较高，均值为6.47%；粗脂肪含量为0.47%～0.95%，黑芝麻茎秆粗脂肪较高，均值为0.86%；粗蛋白含量为3.76%～8.94%，黑芝麻茎秆粗蛋白较高，均值为6.98%。

表1 不同类型芝麻茎秆的基本化学组成与含量

2.2 不同类型芝麻茎秆氨基酸组分与含量分析

由表2可知，通过对不同类型芝麻茎秆中17种氨基酸进行测定，共检测出15种氨基酸，其中包括6种人体必需氨基酸，不同类型芝麻茎秆且白芝麻、黑芝麻、金芝麻茎秆中15种总氨基酸含量总量均值分别为16.34、27.57、22.94 g/kg。3种类型芝麻茎秆均以谷氨酸和天冬氨酸含量较高，分别为2.28%～8.30%和2.02%～3.79%，其中黑芝麻茎秆中谷氨酸和天冬氨酸含量均最高，谷氨酸含量均值为5.71 g/kg，且基部、中部、稍部的谷氨酸含量分别为8.30、5.48、3.37 g/kg；天冬氨酸含量均值为3.26 g/kg，基部、中部、稍部的谷氨酸含量分别为3.79、3.73、2.28 g/kg。此外，就氨基酸构成而言，不同类型芝麻茎秆中同种氨基酸含量除谷氨酸、亮氨酸和天冬氨酸外，其他基本变化不大。不同类型芝麻茎秆总氨基酸含量为14.54～33.93 g/kg。

表2 不同类型芝麻茎秆的氨基酸组分与含量

2.3 不同类型芝麻茎秆脂肪酸组分与含量分析

由表3可知，通过对不同类型芝麻茎秆中35种脂肪酸进行测定，共检测出24种化合物，其中，白芝麻、黑芝麻、金芝麻的总脂肪酸含量均值分别为5 007.47、7 752.25、5 354.07 mg/kg。同时，表3 表明，3种类型芝麻茎秆中，饱和棕榈酸(C16.0)和不饱和脂肪酸亚油酸(C18.2N6C)的含量较高，白芝麻、黑芝麻、金芝麻的饱和棕榈酸(C16.0)含量分别占其脂肪酸总量的45.41%、56.31%、48.94%，不饱和脂肪酸亚油酸(C18.2N6C)的含量占比分别为27.38%、8.53%、19.92%。

表3 不同类型芝麻茎秆的脂肪酸组分与含量

2.4 不同类型芝麻茎秆无机元素含量分析

由表4 可知，芝麻茎秆中矿质元素丰富，以K含量(6.11～25.80 g/kg)最高，微量元素含量中以Fe元素最高，可高达155.50 mg/kg。不同类型芝麻茎秆中的K、Ca、Mg、P含量突出，其中白芝麻茎秆中分别为17.98、7.15、1.49、1.24 g/kg，黑芝麻茎秆中分别为6.63、5.80、2.80、0.85 g/kg，金芝麻茎秆中分别为22.87、7.57、2.29、1.73 g/kg。此外，不同类型芝麻茎秆中微量元素Fe含量较为丰富，3种类型芝麻茎秆中的Fe含量均值为79.15～127.15 mg/kg。

表4 不同类型芝麻茎秆的无机元素含量

3 结论与讨论

众所周知，植物茎秆中含有大量的粗纤维，粗纤维主要包括纤维素、半纤维素和木质素，其作为高分子有机化合物，很难降解，是制浆造纸、纺织工业和纤维化工的重要原材料[13]，同时也是有机碳源和生物质能生产的理想非粮替代材料。本研究表明，芝麻茎秆中粗纤维含量为75.34%，与玉米茎秆纤维含量(约74.07%)[11]相近，其中白芝麻茎秆粗纤维含量较高。在我国芝麻生产中，种植面积以白芝麻较大，茎秆资源丰富易得、无环境污染，是潜在的生物能源和非木纤维的重要来源。目前，许多学者对于大作物的秸秆综合利用已进行大量研究，小麦和玉米秸秆可代替木材纤维，制造造纸用的原浆、可降解包装等产品。同时，秸秆可作为清洁能源，通过厌氧发酵产生甲烷等可燃气体制作沼气、利用高压机械装备制作有机碳源燃料等[14-15]。此外，小麦秸秆可作为生产复合板材原料，用于家具制造。因此，借鉴大作物秸秆高效利用的技术和方法，有助于拓宽芝麻茎秆的综合利用途径。

本研究结果发现，芝麻茎秆中含有丰富的碳水化合物、蛋白质、氨基酸和无机元素等营养物质，可以满足家畜生长发育所需的营养物质。已有研究表明，通过利用化学方法对玉米茎秆进行处理，能够显著降低木质纤维素的含量，同时提高还原糖的含量，能够作为单胃动物饲料的原料[16]。通过粉碎加工以及化学碱化处理小麦茎秆后，其粗蛋白含量提高2倍以上，可增加牛畜的适口性，满足家畜的营养需求[15]。此外，芝麻茎秆中含有大量无机元素K、Ca、Mg、P和微量元素Fe，其茎秆废渣与微生物肥料混配可用于生产有机肥。目前，有研究表明，将处理后的香蕉茎秆与粪便通过生物发酵法可制成优质生物肥[17-18]。小麦茎秆经发酵腐熟后，可加工成营养基质[15]。芝麻茎秆是否能采用类似技术仍需进一步研究。此外，芝麻茎秆含有丰富的有机质，也可作为栽培食用菌的基础原料。

综上所述，通过对不同类型芝麻茎秆化学成分进行分析，发现芝麻茎秆的主要成分为粗纤维、糖类和蛋白质有机物，但不同芝麻类型茎秆中各化学成分含量不同，白芝麻粗纤维含量较高，是较理想的造纸原料，黑芝麻糖和粗蛋白含量高，可优先选择作为家畜饲料的辅助原料，同时，3种类型芝麻茎秆具有丰富的矿质元素和氨基酸种类，可针对性地用作肥料和食用菌培养基。该研究结果将有助于探究芝麻茎秆的综合价值及应用，提高芝麻茎秆的可利用价值，从而有效减少芝麻茎秆用于燃料造成的环境污染，同时提高芝麻的经济附加值，增加农民的经济收入。