葛根渣中资源性化学成分分析及膳食纤维提取工艺研究*

曾慧婷 郑亚倩 戴迪 何小群 陈超 王小青，5 虞金宝，4 李晶#

（1 江西省中医药研究院 南昌 330046；2 江西中医药大学 南昌 330004；3 江西省中药资源保护与开发利用工程研究中心 南昌 330046；4 江西省中药原料质量监测技术服务中心 南昌 330046；5 中药材种质选育繁育重点研究室 江西南昌 330046）

膳食纤维（Dietary Fiber,DF）为来源于植物细胞壁中不易被消化的食物营养素，被誉为人体健康所必需的“第七大营养素”，其主要成分包括了所有不可消化的多糖，如纤维素、半纤维素、木质素、树脂、低聚糖及果胶等[1]。已有研究表明，膳食纤维具有辅助降低罹患肥胖症、糖尿病、高脂血症、冠心病及胃肠道等疾病风险的功效。天然膳食纤维根据其来源可分为蔬菜纤维、水果纤维、谷物类纤维、豆类纤维等；根据其溶解性可分为可溶性膳食纤维（SDF）和不可溶性膳食纤维（IDF）两类，SDF 可溶于水且能被大肠中微生物发酵分解，具有抗氧化、调节糖脂代谢和肠道微生态平衡等生物学功能；IDF 不溶于水且不能被大肠微生物分解，具有降低胆固醇、预防便秘、降低血糖及吸附金属离子等功能特性[2～4]。

粉葛为豆科植物甘葛藤（Pueraria thomsoniiBenth.）的干燥根，具有解肌退热、生津止渴、透疹、升阳止泻、通经活络、解酒毒等功效[5]。粉葛具有良好的食用价值，于2018 年被国家卫生健康委员会列为药食同源品种，每年产量巨大，江西为粉葛主产区之一，年产量约达一万吨[6]。古代关于葛及粉葛的应用记载主要集中在纺织和传统医药方面，随着粉葛在保健养生应用中的提升及种植规模的不断扩大，其产业化过程中产生的废弃物葛渣主要以粗放低值化利用方式如肥料化、栽培基质、饲料化等为主，或未得到有效利用而废弃，造成严重的资源浪费和生态环境污染。前期研究表明，废弃的葛根渣尚含有丰富的黄酮类成分，主要为葛根素、大豆苷和大豆苷元[7～8]，此外，还含有生物碱类、甾体类、糖类以及氨基酸类等多种资源性化学成分。近年来研究报道，葛根渣中含有70%以上的总膳食纤维，是良好的天然膳食纤维来源[9～10]。本研究以江西省横峰县所产粉葛提取葛粉后的废弃葛渣为研究对象，采用苯酚-硫酸法、酸碱处理对葛根渣中的多糖和粗纤维含量进行测定，并采用酶法制备膳食纤维，确定其最佳提取工艺参数，为葛根渣资源价值发现及资源利用效率提升提供科学依据。现报道如下：

1 材料

1.1 仪器 UA-2600i 可见紫外分光光度计（岛津）；CXC-06 粗纤维测定仪（浙江托普云农科技股份有限公司）；TSF-50A-1 水分快速测定仪（上海佑科仪器仪表有限公司）；LD4-2A 型低速离心机（北京京立离心机有限公司）；Direct-Q8 UV 超纯水制备系统（厦门精艺兴业科技有限公司）；SX-4-10 箱式电阻炉（北京市永光明医疗仪器有限公司）；BGZ-70 电热鼓风干燥箱（上海博迅医疗生物仪器股份有限公司）；KQ-250DB 型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；AG-135 型电子天平[梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司] ；XMTD-7000 电热恒温水浴锅（北京市永光明医疗仪器有限公司）；BC3-1 超微粉碎机（河北本辰科技有限公司）；YF-1000 型高速中药粉碎机（浙江瑞安市永历制药机械有限公司）。

1.2 试剂与样品 无水葡萄糖（Glc，批号：110833-202109） 购于中国食品药品检定研究院；α-淀粉酶（枯草杆菌）50 U/mg、糖化酶100 U/mg、木瓜蛋白酶800 U/mg 均购于上海源叶生物科技有限公司；蒸馏水（Direct-Q8 UV 超纯水制备系统自制）；乙醇、丙酮、硫酸等试剂均为分析纯。葛根渣样品为粉葛（P.thomsoniiBenth.）经渣浆分离机提取葛粉后所得的固体废弃物，由横峰县葛峰葛业种植专业合作社提供。葛根渣处理：将基地收集的葛根渣样品水洗、除杂，于50℃鼓风干燥后，经超微粉碎机粉碎成纤维状粗粉，不过筛。

2 试验方法

2.1 葛根渣中多糖含量测定

2.1.1 对照品溶液制备 取无水葡萄糖对照品适量，精密称定，加水制成每1 mL 含100 μg 的溶液，即得。

2.1.2 标准曲线的制备 精密量取对照品溶液0.2 mL、0.4 mL、0.6 mL、0.8 mL、1.0 mL，分别置于10 mL 具塞试管中，各加水补至1.0 mL，精密加入5%苯酚溶液1 mL（临用配制），摇匀，再精密加硫酸5 mL，摇匀，置沸水浴中加热20 min，取出，置冰浴中冷却5 min，以相应试剂为空白，照紫外-可见分光光度法（2020 年版《中华人民共和国药典》四部通则0401），在488 nm 波长处测定吸光度值。以质量浓度为横坐标（X），吸光度值为纵坐标（Y），绘制葡萄糖标准曲线，得线性方程Y=0.008 1X+0.015 2，相关系数R2=0.999 5。表明葡萄糖浓度在20.08～100.40 μg/mL 范围内与吸光度线性关系良好。

2.1.3 供试品溶液的制备 精密称取葛根渣样品1 g，精密称定，加水200 mL，加热回流2 h，放冷，转移至250 mL 量瓶中，用少量水分次洗涤容器，洗液并入同一量瓶中，加水至刻度，摇匀，滤过，精密量取续滤液2 mL，置50 mL 离心管中，精密加入无水乙醇10 mL，摇匀，冷藏1 h，取出，离心（转速为6 500 r/min）20 min，弃去上清液（必要时滤过），沉淀加80%乙醇洗涤2 次，每次8 mL，离心，弃去上清液，沉淀加热水溶解，转移至25 mL 量瓶中，放冷，加水至刻度，摇匀，即得。

2.1.4 多糖含量测定 精密吸取上述供试品溶液1 mL，置10 mL 具塞试管中，照“2.1.2”项方法，自“精密加入5%苯酚溶液1 mL”起，依法测定吸光度，从标准曲线上读出供试品溶液中无水葡萄糖的量，以干基计算，即得。

2.2 葛根渣中粗纤维含量测定 采用《植物类食品中粗纤维的测定》[11]法，并应用CXC-06 粗纤维测定仪测定粗纤维含量（以干基计）。

2.3 葛根渣中膳食纤维提取工艺研究 单因素试验各参数参考相关研究报道[12]。

2.3.1 不溶性膳食纤维的制备 称取10 g 烘干粉碎的葛根渣样品，以20 倍水溶解，加入α-淀粉酶和糖化酶的混合酶在60℃条件下酶解一定时间，煮沸灭酶后过滤，弃去滤液，保留滤渣。再加入中性蛋白酶在55℃条件下酶解一定时间，煮沸灭酶后过滤，并用蒸馏水洗涤滤渣，然后再将滤渣用乙醇和丙酮洗涤，除去脂肪，清洗、烘干、粉碎过60 目筛，即得葛根渣不溶性膳食纤维。

2.3.2 膳食纤维膨胀力的测定 准确称取葛根渣膳食纤维0.3 g，置于量筒中，加入10 mL 蒸馏水，振荡均匀后室温放置24 h，读取液体中膳食纤维的体积，计算膨胀力。葛根渣膳食纤维提取以总膳食纤维（TDF）得率（%）和膨胀力为指标，考察酶解工艺参数。TDF 提取率%=干燥后TDF 的质量÷干燥原料质量×100%。膨胀力=[膨胀后纤维体积（mL）－干品体积（mL）] ÷样品干质量（g）。

2.3.3 单因素试验设计 （1）复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例考察。称取10g 葛根渣样品共7 份，α-淀粉酶与糖化酶的比例分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7，总添加量为3%，加20 倍水；在60℃的条件下恒温水浴60 min，煮沸灭酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的条件下恒温水浴60 min；煮沸灭酶后过滤，然后再将滤渣分别用乙醇和丙酮洗涤，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，过60 目筛，测定膨胀力。（2）复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加总量考察。称取10 g 葛根渣样品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例为1∶4，总添加量分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%，加20 倍水；在60℃的条件下恒温水浴60 min，煮沸灭酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的条件下恒温水浴60 min；煮沸灭酶后过滤，然后再将滤渣分别用乙醇和丙酮洗涤，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，过60 目筛，测定膨胀力。（3）复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解时间考察。称取10 g 葛根渣样品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例为1∶4，总添加量为3%，加20 倍水；在60℃的条件下分别恒温水浴30、45、60、75、90、105、120 min，煮沸灭酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的条件下恒温水浴60 min；煮沸灭酶后过滤，然后再将滤渣分别用乙醇和丙酮洗涤，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，过60 目筛，测定膨胀力。（4）复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解温度考察。称取10 g 葛根渣样品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例为1∶4，总添加量为3%，加20 倍水；分别在45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃的条件下恒温水浴60 min，煮沸灭酶，加入0.15%木瓜蛋白酶；在55℃的条件下恒温水浴60min；煮沸灭酶后过滤，然后再将滤渣分别用乙醇和丙酮洗涤，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，过60 目筛，测定膨胀力。（5）蛋白酶用量的考察。称取10 g葛根渣样品共7 份，α-淀粉酶、糖化酶的比例为1∶4，总添加量为3%，加20 倍水；在60℃的条件下恒温水浴60 min，煮沸灭酶，分别加入0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%木瓜蛋白酶；在55℃的条件下恒温水浴60 min；煮沸灭酶后过滤，然后再将滤渣分别用乙醇和丙酮洗涤，除去脂肪，清洗、烘干。取出后粉碎，过60 目筛，测定膨胀力。

3 结果与分析

3.1 葛根渣中多糖和粗纤维含量测定 葛根渣中多糖和粗纤维含量测定结果。见表1。根据干物质计算，葛根渣中多糖含量为10.30%，粗纤维含量为15.58%。

表1 葛根渣中多糖和粗纤维含量测定（%）

3.2 葛根渣膳食纤维提取工艺研究

3.2.1 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例考察复合酶添加比例对葛根渣中膳食纤维提取率及膨胀力的影响。见图1。结果显示，随着复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）添加比例升高，TDF 得率呈先升后降的趋势，二者比例在1∶3 时TDF 得率最高，为71.79%，且膨胀力最大（7.87）。因此，复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例以1∶3 最佳。

图1 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加比例考察

3.2.2 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加总量考察复合酶添加总量对葛根渣中膳食纤维提取率及膨胀力的影响如图2 所示。由图可知，随着复合酶添加总量的增大，TDF 得率分别为69.35%、69.23%、68.23%、69.37%、70.14%、68.22%、67.19%，总体变化趋势不明显，添加总量在5%时得率最高（70.14%）。不同复合酶添加总量条件下所得到的膳食纤维膨胀力呈先升后降的趋势，以复合酶添加总量为4%时膨胀力最大，基于获取高品质膳食纤维以及经济最优的角度，综合考量下选择复合酶添加总量4%。

图2 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的添加总量考察

3.2.3 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解时间考察复合酶酶解时间对葛根渣中膳食纤维提取率及膨胀力的影响如图3 所示。结果显示，不同酶解温度下TDF 得率分别71.16%、71.51%、71.79%、72.76%、71.20%、71.50%、71.50%，总体变化趋势差异较小，以酶解时间为75 min 时的TDF 得率最高（72.76%），且膨胀力最大（8.20），选择酶解时间为75 min。

图3 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解时间考察

3.2.4 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解温度考察温度对酶活性影响具有双重性，本研究分梯度考察不同酶解温度下对复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）活性的影响。随着酶解温度的升高，TDF 得率和膨胀力总体趋势先升后降，在酶解温度为65℃时最大，TDF 得率为72.26%，膨胀力为9.18，酶活力随着温度升高而增大，达到最适温度后随温度升高酶活力逐渐降低。复合酶酶解温度对葛根渣中膳食纤维提取率及膨胀力的影响如图4 所示。

图4 复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）的酶解温度考察

3.2.5 蛋白酶用量的考察 本研究以木瓜蛋白酶作为酶制剂，通过考察木瓜蛋白酶添加总量，结果显示，木瓜蛋白酶不同添加总量条件下TDF 得率分别为 71.67% 、70.15% 、72.75% 、72.30% 、72.09% 、73.18%、72.23%，膨胀力分别为5.57、5.25、5.90、5.25、5.25、6.89、5.90。蛋白酶添加总量为0.3%时膳食纤维提取率及膨胀力最大，故确定蛋白酶添加总量为0.3%。蛋白酶用量对葛根渣中膳食纤维提取率及膨胀力的影响如图5 所示。

图5 蛋白酶用量的考察

4 讨论

多糖具有增强免疫力、降血糖、抗肿瘤、抗氧化等多种生物学功能，葛根渣本身为粉葛根提取葛粉后的残渣，尚存有一定量的多糖成分[12～13]。粗纤维是膳食纤维的一部分，主要指植物组织用一定浓度的酸、碱、醇和醚等试剂，在一定温度条件下，经过一定时间的处理后所剩下的残留物，其主要成分是纤维素和木质素。研究表明，葛根渣中果胶和木质素含量较高，葛根渣纤维在强力、吸水性和染色性方面不及苎麻和亚麻纤维，但手感较它们柔软[14]。本研究中分别采用通过苯酚-硫酸法、酸碱消煮法对葛根渣中的多糖和粗纤维含量进行测定，得到葛根渣中多糖含量为10.30%，粗纤维含量为15.58%，表明废弃的葛根渣中多糖和粗纤维含量丰富，结果可为后续葛根渣的资源循环利用途径提供了数据支撑。此外，关于葛根渣中膳食纤维的报道亦较多，主要围绕葛根渣中膳食纤维制备工艺研究、葛根渣膳食纤维降血糖、增强免疫等药理活性研究以及采用发酵法应用于食品开发等方面。本研究通过传统复合酶法制备总膳食纤维，得到酶法制备葛根渣中总膳食纤维的最佳工艺条件为：复合酶（α-淀粉酶、糖化酶）添加比例1∶3、添加总量4%、酶解时间75 min、酶解温度65℃，蛋白酶添加总量为0.3%，该工艺参数的确定可为后期葛根渣膳食纤维的转化增效及精细高值化利用提供参考。

本研究前期围绕粉葛资源产业化过程中所产生的非药用部位（茎、叶和花）、工业废水、固体废弃物（须根、葛根头、葛渣）等，对其黄酮类资源性化学成分进行分析，结果显示，除葛花外，粉葛废弃物（葛根渣、葛茎、根皮、须根、葛根头和废水）中黄酮类成分种类基本一致，主要为葛根素、大豆苷、染料木苷、大豆苷元[7]。葛根渣作为具有一定资源化潜力的药食两用药渣，可基于转化增效资源化利用模式，采用提取富集、生物转化、发酵转化等技术，提升其资源性物质的利用效率，以获得如蛋白饲料、有机肥料、生物能源等高附加值产品。基于精细高值资源化利用模式，通过提取富集、糖化处理等方法和技术，从葛根渣中获得具有潜在利用价值的资源性化学成分，进一步开发成各类精细高值化产品如医药中间体、保健产品、化工产品、香精香料等，并实现产业化[15]。作者常年致力于中药资源化学与资源循环利用研究，后期将针对葛根渣中的黄酮类资源性化学成分进行提取富集研究，以期使葛根渣的资源循环利用进一步综合化、合理化、高值化，对延伸粉葛资源产业链和绿色发展具有重要意义。