白芍可溶性膳食纤维研究及其在再造烟叶中的应用

黄正虹，刘剑

贵州中烟工业有限责任公司技术中心（贵阳 550000）

白芍为毛茛科植物芍药Paeonia lactifloraPall的干燥根，主产于亚洲，我国的四川、云南、贵州等地均有广泛种植，被认为具有养血调经、敛阴止汗、柔肝止痛、平抑肝阳之功效[1-2]。白芍的鲜叶和茎还富含膳食纤维、维生素和矿物质等营养物质[3-4]。

根据在水中的溶解度，膳食纤维可分为可溶性膳食纤维（SDF）或不溶性膳食纤维。膳食纤维是非淀粉多糖，是碳水化合物家族的一部分，具有较高的实际应用价值。再造烟叶在实际生产过程中，通常加入一定比例的外加纤维以满足再造烟叶的物理性能、抄造性能来保证生产运行稳定性和提高内在质量品质。再造烟叶中添加的纤维主要是木浆和麻浆纤维，这2种纤维的添加会导致再造烟叶的香气量减少、刺激增强[5]。国内外对再造烟叶中的纤维研究主要是甘草、甘蔗和壳聚糖等植物纤维[6-9]。因此需寻找对再造烟叶适合的外加纤维来保障其内在品质。

对白芍的研究主要集中在检测到并分离各类化合物，如香豆素和黄酮等，很少有关于其可溶性膳食纤维功能特性的信息。试验报道白芍可溶性膳食纤维的毒性离子吸附能力和形态特征，并应用于再造烟叶中，通过感官质量评价验证其应用效果，为再造烟叶行业外加纤维的功能成分及应用价值提供新来源。

1 材料和方法

1.1 试剂与仪器

新鲜白芍，四川省乐山市峨眉山市白芍农场获得，根、茎和叶被分离，用自来水冲洗几次，将清洗后的白芍根，茎和叶切成小块，在40 ℃烘箱中干燥24 h，将干燥后的产品磨成粉末，通过0.250 mm（60目）孔径筛，用85%乙醇对粉末进行脱色3次；将脱色后的粉末干燥后储存在干燥器中，室温下进一步利用；耐热α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉苷酶，美国Sigma-Aldrich公司。所有化学品，均为色谱或分析纯，国药试剂公司（上海市）。

UV-2802S分光度计，Unico公司；DSC-TGA，Q600，美国TA仪器；高分辨率场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）Nova Nanosem230，荷兰FEI公司；原子力显微镜，AFM。

1.2 样品制备

按照AOAC 991.43的方法并做修正，采用酶法（AOAC 1996）从白芍中提取SDF[10]。在烧杯中称取2.0 g白芍粉末，加入40 mL MES-Tris缓冲液（pH 8.2）进行分散溶解。加入50 μL耐热α-淀粉酶在95 ℃下水解35 min，恒搅拌120 r/min。待水解液温度冷却至60℃后，加入100 μL蛋白酶（50 mg/mL），在120 r/min的搅拌下进一步水解30 min。用0.56 mol/L HCl将水解产物的pH调整至4.5。在60 ℃，120 r/min的恒定搅拌下，加入300 μL的淀粉糖苷酶再次水解30 min。用离心机在10000 r/min下离心分离10 min，收集上清液，在真空旋转蒸发系统中浓缩至5 mL。取浓缩上清液与乙醇混合至100 mL，在4 ℃下放置24 h，并以10000 r/min离心10 min。残渣用95%（V/V）乙醇洗涤2次，冷冻干燥24 h，从根、茎、叶中得到的粉末分别命名为PRSDF、PSSDF和PLSDF。

1.3 有毒离子、胆汁酸盐和脂肪的吸附能力

通过测定Pb和As的质量分数来评价SDF对有毒离子的吸附能力。在10 mL 10 mmol/L的Pb(NO3)2溶液和NaAsO2溶液中加入0.1 g SDF，调整至pH 7.0。在37 ℃水浴储存3 h，用离心机在4200 r/min离心10 min。收集2 mL上清液，与8 mL的乙醇溶液混合，沉淀SDF[11]，离心后取上清液用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICPAES）分析Pb和As的浓度。

胆汁酸是由胆固醇在肝脏中生物合成的，其在血液中过量会导致心血管疾病。同时，通过与胆汁酸盐结合消除胆汁酸导致胆固醇进一步降解，从而降低血液中的胆固醇水平[11]。胆汁酸盐和脂肪吸附容量是按照现有方法进行测定的[12-13]。将0.1 g SDF与10 mL 2.0 g/L含有胆酸钠、甘胆酸钠和牛磺胆酸钠的溶液混合，调整至pH 7.0，将混合物在37 ℃水浴中储存3 h，按4200 r/min离心10 min，收集上清液；取2 mL上清液，与8 mL乙醇混合沉淀SDF。离心后收集上清液；取1 mL上清液加入9 mL 45%（V/V）的硫酸，在70 ℃水浴中反应20 min后冰浴5 min。用分光度计在387 nm处测定混合物的吸光度。

SDF对于脂肪的吸附可以有效预防由于食物烹饪带来的肥胖及减少消化系统对于多余脂肪的吸收[14]。将称取0.1 g SDF与10 mL的葵花籽油混合后在室温下放置24 h，离心10 min收集沉积物并称其质量。脂肪吸附能力（FAC）按式（1）计算。

式中：mr是残留油质量，g；md是SDF质量，g。

1.4 热分析

取5～10 mg SDF样品，采用DSC-TGA进行热分析（TG热重法和DSC差示扫描量热法）[15]。条件：内衬加热速率10 ℃/min，加热范围20～600 ℃，动态惰性氮气气氛（75 mL/min），空白坩埚作为参照。

1.5 扫描电子显微镜

将SDF样品固定在试样支架上，并涂上金粉，用高分辨率场发射扫描电子显微镜放大10000倍和20000倍，观察SDF的微观结构。

1.6 原子力显微镜

将质量浓度均为0.5 mg/mL的PRSDF、PSSDF和PLSDF溶液滴在玻璃样品载体表面，干燥后用原子力显微镜在攻丝模式下使用Si3N4探针对SDF样品进行观测。弹力的常数是设定为0.12 N/m。

1.7 统计分析

所有试验平行做3次。数据采用方差分析和SPSS软件（SPSS 16.0）进行分析。

2 结果和讨论

2.1 有毒离子、胆汁酸盐和脂肪的吸收

小肠是人体吸收的主要部位，不仅吸收营养物质，也包含毒素[16]。因此采用模拟小肠环境在体外测定白芍根、茎、叶中SDF对有毒离子、胆汁酸盐和脂肪的吸收能力（表1）。

由表1得出，对于Pb的吸附，PSSDF显示了最高值（1.25 mg/g），其次是PLSDF（1.05 mg/g）和PRSDF（1.03 mg/g）。对于As吸附，PSSDF也显示出最高值（3.37 mg/g），其次是PRSDF（2.12 mg/g）和PLSDF（1.61 mg/g）。SDF与有毒离子的结合能力取决于化学（酚基和羧基）、物理（范德华力）和机械吸附（SDF的孔隙率和空间结构）[17]。因此，白芍中的SDF在化学、物理和结构性质上的差异导致对有毒离子有不同吸附能力。

表1 SDF生物活性测定结果

白芍SDF对胆酸钠的吸附量范围为33.4～73.1 mg/g；甘胆酸钠的吸附量为30.1～78.0 mg/g；牛磺胆酸钠的吸附量为64.2～126.2 mg/g。PSSDF对胆汁酸盐吸附值最高，其次是PRSDF和PLSDF。此外，在3 h吸附过程中，SDF的吸附值依次为牛磺胆酸钠＞糖胆酸钠＞胆酸钠。采用SPSS软件进行方差分析得出PRSDF、PSSDF和PLSDF对胆汁酸盐的吸附有显著性差异（p＜0.05）。

从SDF的脂肪吸附值数据中得出，PRSDF具有最高的脂肪吸附值（5.71 g/g），其次为PLSDF（4.77 g/g）和PSSDF（4.02 g/g）。总体白芍SDF脂肪吸附值高于商业豌豆纤维中的含量（1.22～1.34 g）[11]。

总之，白芍对有毒离子、胆汁酸盐和脂肪有较强的吸附能力。PSSDF对有毒离子和胆汁酸盐的吸收优于PRSDF和PLSDF，但对脂肪的吸收能力较弱。

2.2 SDF的热力学性能

在吸热或放热过程中，TG和DSC有助于提供材料的热力学信息，包括温度、焓和质量变化[17]。从图1得出，PRSDF的TG曲线与PSSDF相似。在曲线中可以观察到2个降解峰为水释放过程（60～120 ℃）和SDF降解过程（200～350 ℃）。除了水释放和SDF降解峰外，在PLSDF（350～500 ℃）的TG曲线中也观察到第3个峰。在释水过程中，PLSDF中的SDF含水量从8.2%变化到10.5%，得到最大的释水率和降解率（vmax）。它说明PLSDF中的水更容易被释放，其原因可能是少许PLSDF与水的化学结合。DSC曲线中PLSDF，PRSDF和PSSDF的温度峰值分别为104.9，86.3和91.2℃。DSC温度峰值表明，从PRSDF中释放水需要更多的能量[17]。

图1 白芍的根、茎和叶SDF热力学分析图

此外，SDF的主要失重发生在SDF降解过程中。PLSDF，PRSDF和PSSDF的变化质量分数分别为52.8%，55.9%和34.1%，SDF降解率vmax的值分别是7.8，9.7和5.6%/min。结果表明，PRSDF和PSSDF之间的热性能相似，但与PLSDF不同，后者并不相对很容易被降解。除了PLSDF中存在叶绿素外，其原因还可通过SDF的单糖组成不同来解释[14,18]。

2.3 扫描电子显微镜

采用扫描电镜观察SDF的颗粒形貌，如图2所示，SDF类似于缠绕的线头，相互连接。PLSDF链接紧密，表面紧凑且比较完整，但PRSDF和PSSDF多孔有分裂，还有不规则表面。不规则的、可膨胀的和多孔的形态可以解释SDF水、有毒离子、脂肪和胆汁酸盐的吸附等功能特性[15-16]，因此可推测PRSDF和PSSDF的不规则结构可能更有助于结合这些有毒化合物。

图2 白芍的根、茎和叶SDF扫描电镜图

2.4 原子力显微镜

AFM是材料分析中一个非常强大的微观观察工具。气体、液体和固体样品的表面结构都可以用AFM表征，并被用于分析膳食纤维的分子结构[16]。由图3白芍SDF的AFM图像和三维（3D）图像得出，从波动、小沟槽和驼峰的角度出发，PRSDF与PSSDF表面相似，但PSSDF的波动大，沟槽深和驼峰尖锐。反观PLSDF表面较光滑。三维图像中PLSDF的高度变化最大（-259.0～578.9 nm），其次是PRSDF（-217.3～203.9 nm）和PSSDF（-189.4～213.3 nm）。PLSDF的波动量大于PRSDF和PSSDF。不同尺寸和表面之间的SDF可能导致膳食纤维功能特性的差异[14-15]，结合2.1的试验结果得出PSSDF粗糙的表面相对容易与水、脂肪、有毒离子和胆汁酸盐结合。

图3 白芍的根、茎和叶SDF原子力显微镜分析图

2.5 白芍可溶性膳食纤维在再造烟叶中的应用

加热卷烟（HNB）是一种新型烟草制品，其特征是采用加热不燃烧的方式进行，加热温度在250～300℃，相比传统卷烟，能降低烟气中大多数有害成分。HNB烟芯材料主要有颗粒型和再造烟叶两大类。

2.5.1 白芍可溶性膳食纤维添加量对再造烟叶的物理性能的影响

加入适当的外加纤维对再造烟叶的物理性能至关重要。添加量过低时，会使再造烟叶无法完成抄造；添加量过高时，可能引入杂气而影响再造烟叶的内在质量。因此，必须控制外加纤维添加量在一定范围之内。

从图4得出，随着白芍可溶性膳食纤维不断添加，抗张指数呈增加趋势。松厚度22%左右呈现最大值。因此，22%白芍可溶性膳食纤维添加量对提升再造烟叶物理质量较为合适。

图4 白芍可溶性膳食纤维添加量对再造烟叶物理性能的影响

2.5.2 白芍可溶性膳食纤维对再造烟叶的物理性能指标的表征

将添加22%（按照2.5.1得出的结论）白芍可溶性膳食纤维的再造烟叶在恒温恒湿箱（湿度60%，温度23 ℃）平衡48 h后，采用抗张指数和松厚度表征白芍可溶性膳食纤维再造烟叶的物理性能。从表2中得出，白芍茎的可溶性膳食纤维的抗张指数和松厚度最大，白芍根次之，白芍叶最小。故白芍茎的可溶性膳食纤维的再造烟叶物理性能较好，可代替传统的木浆或麻浆纤维应用在再造烟叶中。

表2 PSDF再造烟叶物理指标

2.5.3 白芍可溶性膳食纤维对再造烟叶的内在品质评价

将PSDF制成的再造烟叶样品分别切丝，制作成加热卷烟（HNB），对其在加热卷烟中的作用进行感官评价，评析结果见表3。

由表3可知，添加白芍可溶性膳食纤维后，再造烟叶的烟气柔和细腻，刺激性降低。白芍茎较根、叶2种可溶性膳食纤维的整体应用效果好。白芍茎中芍药苷和芍药内酯苷的含量高于根和叶[19]，增强烟气的细腻柔和程度，降低刺激，降低烟气粗糙感等功效。感官评价结果与白芍可溶性膳食纤维毒性离子吸附能力和微观表现等生物活性功能研究结果基本保持一致。

表3 PSDF再造烟叶评吸结果

3 结论

白芍的根、茎和叶部分的SDF具有相关的生物活性、热力学特性及微观特性。PSSDF具有较好的生物活性功能（有毒离子和胆汁酸盐吸附），SDF的功能性质的差异可以通过不同的化学键和基团及形态特征来解释。结果表明，PRSDF和PSSDF中的亲水基团（—OH）与不规则、粗糙和多孔的表面耦合改善了白芍可溶性膳食纤维的功能性能。因此，这些发现帮助人们更好了解白芍中的可溶性膳食纤维，并为食品工业提供了富含纤维的功能成分。白芍茎添加量22%的可溶性膳食纤维再造烟叶物理性能较好，感官评吸再造烟叶的刺激性降低，烟气细腻柔和程度有一定改善。试验结果为再造烟叶行业寻找可替代性可溶性膳食纤维提供参考意义。