川穹颗粒的功能性质研究及应用

黄正虹，陈勤怡

1. 贵州中烟工业有限责任公司技术中心（贵阳 550000）；2. 贵州大学酿酒与食品工程学院（贵阳 550005）

川芎（学名Ligusticum chuanxiongHort）主产于亚洲，我国的四川、云南、贵州等地均有广泛种植，它被认为是一种传统中草药，被用作活血行气剂、祛风止痛剂。事实上，从川芎中检测到并分离出各种化合物，如叶黄素、香豆素和黄酮等，此外，川芎还富含纤维、维生素和矿物质等[1-2]。川芎的鲜叶和茎在日本通常作为蔬菜食用[3]，但在中国，茎、叶和根通常在茶袋、胶囊和药酒中商业化。

纤维是非淀粉多糖，是碳水化合物家族的一部分，此外，纤维还具有水化特性（WHC）、持油能力（OHC）、溶胀能力（SC）、乳化活性（EA）和泡沫稳定性等物理化学功能。这些理化功能在烟草和食品等行业中至关重要，主要用于改善颜色、质地、持水能力（WHC）和新型烟草的烟草颗粒、水果、谷类和肉质品的凝胶能力[4-5]。

关于川芎纤维的研究报告较少。因此，试验从川芎的根、茎、叶中用酶法提取纤维。测定它们的功能和热学性能及化学成分和结构特征，旨在全面研究川芎中的纤维，并以感官评价的方法确定其在新型烟草的颗粒嘴棒中潜在应用价值。

1 材料和方法

1.1 样品和试剂

新鲜川芎（云南省玉溪市甘庄农场农场）。根、茎和叶被分离，用自来水冲洗几次。将清洗后的根、茎、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）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、蛋白酶和淀粉苷酶（美国Sigma-Aldrich公司）；所有化学品（色谱或分析纯，国药试剂公司）。

1.2 样品制备

按照AOAC 991.43的方法并做了修正。采用酶法（AOAC 1996）从川芎中提取纤维[6]。在烧杯中称取1.0 g的川芎粉末，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将水解产物的调整到pH 4.5。在60 ℃下，在120 r/min的恒定搅拌下，加入300 μL的淀粉糖苷酶进一步水解30 min。将水解液在10 000 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。将浓缩上清液与乙醇混合至100 mL，在4 ℃下放置24 h，并以10 000 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、叶中得到的纤维粉末分别命名为LRF、LSF和LLF。

1.3 川穹纤维的功能特性测定

1.3.1 持水能力（WHC）、持油能力（OHC）、溶胀能力（SC）测定

将0.05 g川穹纤维与10 mL的蒸馏水混合在一个试管中，在室温下振荡24 h。将混合物在4 200 r/min下离心10 min，收集沉淀物并称重。按式（1）计算WHC。

式中：W2和W分别为吸水质量和纤维质量，g。

将0.05 g川穹纤维与5 mL的葵花籽油在4 ℃下混合1 h，将混合物在4 200 r/min下离心10 min，收集沉淀物并称重。按式（2）计算OHC。

式中：V为吸附油体积，mL；W为川穹纤维质量，g。

将0.1 g川穹纤维加入刻度管中，与10 mL蒸馏水混合。混合物在4 ℃水解18 h。记录水合川穹纤维的体积，按式（3）计算SC。

式中：V为水合川穹纤维体积，mL；W为川穹纤维质量，g。

1.3.2 乳化活性（EA）和乳液稳定性（ES）测定

将20 mL蒸馏水与0.1 g川穹纤维在刻度离心管中混合。直至川穹纤维完全溶解，加入20 mL葵花籽油，均质5 min。将混合物以1 200 r/min离心10 min，评估乳液体积。按式（4）计算EA。

式中：V1和V分别为乳化层的体积和总体积，mL。

将制备的乳液在80 ℃下加热30 min，在1 200 r/min下离心5 min，直到乳液冷却至室温。按式（5）计算ES。

式中：V1和V分别为加热后乳化层和加热前乳化层的体积，mL。

在50 mL刻度烧杯中，将0.1 g川穹纤维分别溶于20 mL蒸馏水、1.0%蔗糖溶液和1.0% NaCl溶液中。用磁力搅拌器将混合物以200 r/min强力搅拌10 min。用在不同时间（0，0.5和1.0 h）下的泡沫体积来评价泡沫稳定性。

1.4 单糖分析

根据Ajila等[7]报道的改进方法，对川穹纤维的单糖组成进行分析。在100 ℃，2 mol/L TFA中水解5 mg川穹纤维，水解时间为3 h，用乙酸酐和吡啶将水解产物转化为醛糖醇乙酸酯。在Agilent 7890-5875气相色谱质谱仪中进行定量。化合物在DB-5MS毛细管柱上分离（30 m×0.25 mm，0.25 μm）。柱温为100 ℃（5 min），20 ℃/min至190 ℃，3 ℃/min至260 ℃，10 ℃/min至300 ℃（10 min）。传输线路温度250 ℃；质量检测器条件：电子冲击（EI）模式在70 eV；源温度230 ℃；质量采集范围30～500；1.0 mL/min氮气为载气。通过将保留时间和质谱分析结果与真实标准及NIST 11质谱库中的质谱进行比较，对化合物进行鉴定。

1.5 傅里叶变换红外光谱

在VERTEX-70FTIR（BrukerCo.，Karlsruhe，德国）上获得川穹纤维的傅里叶变换红外光谱（FTIR），并且在室温下进行记录，传输模式4 000～600 cm-1，分辨率为0.44 cm-1。样品用KBr水溶液（1∶100，V/V）稀释预处理。

1.6 热分析

采用同步DSC-TGA（Q600，美国TA仪器），同步进行热分析（TG热重法和DSC差示扫描量热法）分析样品热变化情况。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），取5～10 mg样品，以空白坩埚作为参照。

1.7 统计分析

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

1.8 川穹颗粒的制备

将2 g川穹纤维、100 g空白烟粉和70 mL蒸馏水原料于烧杯中，加入5 g胶水、5 g丙二醇和25 g甘油的混合液，使固液均匀混合，揉搓制成湿料；投入至0.850 mm筛网的摇摆式制粒机中造粒；将湿粒置于105 ℃烘箱中烘至水分2%～5%取出筛选0.425～1.7 mm的颗粒样品密封待用。

2 结果和讨论

2.1 水和油的保持和膨胀能力

从川芎不同部位（根、茎、叶）纤维的WHC、OHC和SC结果如表1所示。LRF表现出最好的WHC（21.4 g/g），其次是LSF（9.8 g/g）和LLF（6.86 g/g）。而且，LRF也表现出最佳的OHC（6.17 m/g），其次是LLF（5.07 m/g）和LSF（4.36 mL/g）。此外，川芎不同部位纤维的SC值差异显著（p＜0.05），LRF、LSF和LLF的水化体积分别为35.0，19.8和13.1 mL/g。LRF的WHC、OHC和SC高于普通蔬菜，包括胡萝卜（其值分别为17.1 g/g，5.4 mL/g和19.2 mL/g）和洋葱（其值分别为2.7～6.5 g/g，2.3～4.5 mL/g和3.8～21.6 mL/g[8]。这些发现说明川芎可能是新型烟草的颗粒嘴棒中更好的来源。

WHC、OHC和SCs与亲水位点的数量和化学性质及纤维的结构和密度有关[4]。水分子一般插入纤维的空隙和亲水位置。因此，川穹纤维表现出不同的WHC、OHC和SC值，这可能是由于不同的表面积和结构、极性基团的可用性或其他水结合位点的存在所致。

2.2 乳化活性（EA）和乳化稳定性（ES）

EA是溶解或分散2种不混溶液的能力，ES是指保持乳状液的能力。表1列出纤维的EA和ES。在LLF中EA值最高（为64.9 mL/g），其次是LSF（58.7 mL/g）和LRF（56.2 mL/g）。与此相反，LRF的ES优于LLF。加热后，乳化层体积分别减少4.4 mL/100 mL（LRF）、9.9 mL/100 mL（LSF）和15.2 mL/100 mL（LLF）。EA值比桔皮中纤维（55.8 mL/100 mL）高，表明川芎中的纤维可能是良好的乳化剂。乳化活性是纤维的一种功能特性，因为它意味着延缓胆汁酸在小肠中吸附的能力，从而导致肝脏胆固醇的降解，并进一步降低其在血液中的水平。因此，来自川芎中的纤维对人体健康可能更好。

表1 川穹纤维的理化性质

2.3 泡沫稳定性

泡沫稳定性是纤维的重要功能特性，因此在不同溶液中对川芎中的纤维进行评价。在0，0.5和1 h时，川穹纤维在水、1.0% NaCl和1.0%蔗糖溶液中的泡沫体积如表2所示。对于水溶液，LRF、LSF和LLF在0 h时的泡沫体积分别为19.7，19.1和18.3 mL；0.5 h后的泡沫体积体积分别降至18.5，19.2和11.9 mL；1 h后，体积分别降至18.3，18.1和10.9 mL。

表2 纤维泡沫稳定性

对于1.0%的NaCl溶液，LRF、LSF和LLF在0 h的泡沫体积分别为21.8，12.9和21.3 mL；0.5 h后，体积分别下降到19.3，13.1和15.3 mL；1 h后，体积分别下降到18.9，10.5和12.5 mL。

对于1.0%蔗糖溶液，LRF、LSF和LLF在0 h的泡沫体积分别为13.3，16.9和16.9 mL；0.5 h后，体积分别减少到9.3，14.9和15.9 mL；1 h后，体积分别减少到7.6，12.3和11.9 mL。

在水和1.0% NaCl溶液中观察到相同的趋势，LRF和LSF的泡沫稳定性优于LLF。食品泡沫的微观结构、气泡尺寸分布和界面性能影响泡沫的稳定性[9]，从而影响食品加工、储存和产品处理。因此，川芎根茎中的纤维复合物可能有利于食品泡沫的稳定性。

2.4 单糖组成分析结果

表3列出川芎根、茎、叶中纤维的单糖组成。川芎中的纤维主要由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖组成。在LRF中，葡萄糖（31.2%）和甘露糖（31.9%）是主要成分，占总糖的60%以上，表明在LRF中存在葡甘聚糖，它也是芭蕉芋纤维的主要成分[9]。半乳糖与葡萄糖和甘露糖一起，也是LSF（24.1%）和LLF（28.2%）的主要成分之一，这表明半乳糖甘露聚糖可能是LSF和LLF的主要成分。只有在LLF的情况下才检测到阿拉伯糖。这些结果与先前的报告一致，即葡萄糖和半乳糖是蔬菜和水果纤维中的主要单糖，来源于纤维素和半纤维素[8]。结果表明，从根、茎和叶中观察到纤维的单糖组成不同，这可以解释从川芎的根、茎和叶中观察到纤维在功能性质上的差异。

表3 单糖组成表（以干基计） 单位：%

2.5 川穹纤维的FTIR分析

红外光谱在分子水平上被广泛应用于化合物的结构和官能团的检测。图1给出川芎根、茎和叶纤维的FTIR光谱。FTIR分析主要用于提供有机分子的结构信息，如化学键和基团。LRF的FTIR光谱与LSF相似，但与LLF的红外光谱不同，说明它们之间化学成分的相似性和差异。在LRF和LSF的FTIR光谱中，由于O—H键的振动，在3 669 cm-1和3 689 cm-1处出现峰值；LLF的峰值很弱。因于C—H和H—C—H键的拉伸振动，在约2 900 cm-1处出现宽的强峰值。在LLF光谱中，一个广阔的和强壮峰值在1 589 cm-1处出现，归因于N—H键的弯曲振动，这可能是由于LLF中的叶绿素残留。在1 624～1 735 cm-1范围内的峰值，归因于C＝O键的拉伸振动。与此同时，LRF在1 071 cm-1处出现强峰，而LSF出现在1 057 cm-1处，其原因是纤维的C—O拉伸振动[10]。

图1 川芎的根、茎和叶纤维红外光谱图

研究结果显示与来自芭蕉芋和燕麦麸纤维中相类似的化学基团[9,11]。此外，化学成分与功能性质有关，可用于解释川穹纤维之间的不同功能性质。

2.6 川穹纤维在新型烟草的颗粒嘴棒中感官评价

2.6.1 川穹颗粒在新型烟草的颗粒嘴棒中发烟剂的研究

加热卷烟是一种新型烟草制品。它是基于加热蒸馏技术，而不是直接燃烧烟草物质，故需加入发烟剂来使用低温的方式释放烟草香味物质。常用的发烟剂主要有丙二醇和甘油等多元醇，故选择合适的发烟剂种类和用量直接影响加热卷烟的品质特征。研究结果表明（见表4），从烟气量和浓度、香气、劲头等感官指标综合考虑，选用复合结构，在甘油20%+丙二醇5%用量烟气量大，烟雾量大，烟气浓度高，香气量充足，充盈感强和劲头大等感官指标效果好。

表4 发烟剂种类和用量对加热卷烟品质特征的影响

2.6.2 川穹纤维颗粒在新型烟草的颗粒嘴棒中应用研究

将川芎纤维颗粒再造烟叶样品制作成颗粒加热卷烟（HNB），对其在新型烟草的颗粒嘴棒作用进行感官评价，评吸结果见表5。评吸结果表明，在新型烟草颗粒中添加川穹颗粒后，烟气质感提升，充盈感和满足感加强。特别是LRF在新型烟草的颗粒嘴棒中表现最好，效果最明显。

表5 川穹纤维颗粒再造烟叶评吸结果

3 结论

川芎的根、茎和叶部分的纤维具有相关的功能特性。LRF具有较好的理化功能（WS、WHC、OHC、SC、ES）。此外，川穹纤维的功能性质的差异可以通过不同的化学键和基团以及形态特征来解释。结果表明，LRF和LSF中的亲水基团（—OH）与不规则、粗糙和多孔的表面耦合，改善川芎纤维的功能性能。在烟草颗粒中的应用，有提升烟气质感，加强充盈感和满足感等功效。因此，试验结果有助于更好地了解川芎纤维，并为新型烟草的颗粒嘴棒提供富含纤维的功能成分。