白芍可溶性膳食纖維研究及其在再造煙葉中的應(yīng)用

黃正虹，劉劍

貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心（貴陽(yáng) 550000）

白芍為毛茛科植物芍藥Paeonia lactifloraPall的干燥根，主產(chǎn)于亞洲，我國(guó)的四川、云南、貴州等地均有廣泛種植，被認(rèn)為具有養(yǎng)血調(diào)經(jīng)、斂陰止汗、柔肝止痛、平抑肝陽(yáng)之功效[1-2]。白芍的鮮葉和莖還富含膳食纖維、維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3-4]。

根據(jù)在水中的溶解度，膳食纖維可分為可溶性膳食纖維（SDF）或不溶性膳食纖維。膳食纖維是非淀粉多糖，是碳水化合物家族的一部分，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。再造煙葉在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通常加入一定比例的外加纖維以滿足再造煙葉的物理性能、抄造性能來(lái)保證生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性和提高內(nèi)在質(zhì)量品質(zhì)。再造煙葉中添加的纖維主要是木漿和麻漿纖維，這2種纖維的添加會(huì)導(dǎo)致再造煙葉的香氣量減少、刺激增強(qiáng)[5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)再造煙葉中的纖維研究主要是甘草、甘蔗和殼聚糖等植物纖維[6-9]。因此需尋找對(duì)再造煙葉適合的外加纖維來(lái)保障其內(nèi)在品質(zhì)。

對(duì)白芍的研究主要集中在檢測(cè)到并分離各類(lèi)化合物，如香豆素和黃酮等，很少有關(guān)于其可溶性膳食纖維功能特性的信息。試驗(yàn)報(bào)道白芍可溶性膳食纖維的毒性離子吸附能力和形態(tài)特征，并應(yīng)用于再造煙葉中，通過(guò)感官質(zhì)量評(píng)價(jià)驗(yàn)證其應(yīng)用效果，為再造煙葉行業(yè)外加纖維的功能成分及應(yīng)用價(jià)值提供新來(lái)源。

1 材料和方法

1.1 試劑與儀器

新鮮白芍，四川省樂(lè)山市峨眉山市白芍農(nóng)場(chǎng)獲得，根、莖和葉被分離，用自來(lái)水沖洗幾次，將清洗后的白芍根，莖和葉切成小塊，在40 ℃烘箱中干燥24 h，將干燥后的產(chǎn)品磨成粉末，通過(guò)0.250 mm（60目）孔徑篩，用85%乙醇對(duì)粉末進(jìn)行脫色3次；將脫色后的粉末干燥后儲(chǔ)存在干燥器中，室溫下進(jìn)一步利用；耐熱α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉苷酶，美國(guó)Sigma-Aldrich公司。所有化學(xué)品，均為色譜或分析純，國(guó)藥試劑公司（上海市）。

UV-2802S分光度計(jì)，Unico公司；DSC-TGA，Q600，美國(guó)TA儀器；高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）Nova Nanosem230，荷蘭FEI公司；原子力顯微鏡，AFM。

1.2 樣品制備

按照AOAC 991.43的方法并做修正，采用酶法（AOAC 1996）從白芍中提取SDF[10]。在燒杯中稱(chēng)取2.0 g白芍粉末，加入40 mL MES-Tris緩沖液（pH 8.2）進(jìn)行分散溶解。加入50 μL耐熱α-淀粉酶在95 ℃下水解35 min，恒攪拌120 r/min。待水解液溫度冷卻至60℃后，加入100 μL蛋白酶（50 mg/mL），在120 r/min的攪拌下進(jìn)一步水解30 min。用0.56 mol/L HCl將水解產(chǎn)物的pH調(diào)整至4.5。在60 ℃，120 r/min的恒定攪拌下，加入300 μL的淀粉糖苷酶再次水解30 min。用離心機(jī)在10000 r/min下離心分離10 min，收集上清液，在真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)系統(tǒng)中濃縮至5 mL。取濃縮上清液與乙醇混合至100 mL，在4 ℃下放置24 h，并以10000 r/min離心10 min。殘?jiān)?5%（V/V）乙醇洗滌2次，冷凍干燥24 h，從根、莖、葉中得到的粉末分別命名為PRSDF、PSSDF和PLSDF。

1.3 有毒離子、膽汁酸鹽和脂肪的吸附能力

通過(guò)測(cè)定Pb和As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)評(píng)價(jià)SDF對(duì)有毒離子的吸附能力。在10 mL 10 mmol/L的Pb(NO3)2溶液和NaAsO2溶液中加入0.1 g SDF，調(diào)整至pH 7.0。在37 ℃水浴儲(chǔ)存3 h，用離心機(jī)在4200 r/min離心10 min。收集2 mL上清液，與8 mL的乙醇溶液混合，沉淀SDF[11]，離心后取上清液用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICPAES）分析Pb和As的濃度。

膽汁酸是由膽固醇在肝臟中生物合成的，其在血液中過(guò)量會(huì)導(dǎo)致心血管疾病。同時(shí)，通過(guò)與膽汁酸鹽結(jié)合消除膽汁酸導(dǎo)致膽固醇進(jìn)一步降解，從而降低血液中的膽固醇水平[11]。膽汁酸鹽和脂肪吸附容量是按照現(xiàn)有方法進(jìn)行測(cè)定的[12-13]。將0.1 g SDF與10 mL 2.0 g/L含有膽酸鈉、甘膽酸鈉和牛磺膽酸鈉的溶液混合，調(diào)整至pH 7.0，將混合物在37 ℃水浴中儲(chǔ)存3 h，按4200 r/min離心10 min，收集上清液；取2 mL上清液，與8 mL乙醇混合沉淀SDF。離心后收集上清液；取1 mL上清液加入9 mL 45%（V/V）的硫酸，在70 ℃水浴中反應(yīng)20 min后冰浴5 min。用分光度計(jì)在387 nm處測(cè)定混合物的吸光度。

SDF對(duì)于脂肪的吸附可以有效預(yù)防由于食物烹飪帶來(lái)的肥胖及減少消化系統(tǒng)對(duì)于多余脂肪的吸收[14]。將稱(chēng)取0.1 g SDF與10 mL的葵花籽油混合后在室溫下放置24 h，離心10 min收集沉積物并稱(chēng)其質(zhì)量。脂肪吸附能力（FAC）按式（1）計(jì)算。

式中：mr是殘留油質(zhì)量，g；md是SDF質(zhì)量，g。

1.4 熱分析

取5～10 mg SDF樣品，采用DSC-TGA進(jìn)行熱分析（TG熱重法和DSC差示掃描量熱法）[15]。條件：內(nèi)襯加熱速率10 ℃/min，加熱范圍20～600 ℃，動(dòng)態(tài)惰性氮?dú)鈿夥眨?5 mL/min），空白坩堝作為參照。

1.5 掃描電子顯微鏡

將SDF樣品固定在試樣支架上，并涂上金粉，用高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡放大10000倍和20000倍，觀察SDF的微觀結(jié)構(gòu)。

1.6 原子力顯微鏡

將質(zhì)量濃度均為0.5 mg/mL的PRSDF、PSSDF和PLSDF溶液滴在玻璃樣品載體表面，干燥后用原子力顯微鏡在攻絲模式下使用Si3N4探針對(duì)SDF樣品進(jìn)行觀測(cè)。彈力的常數(shù)是設(shè)定為0.12 N/m。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)平行做3次。數(shù)據(jù)采用方差分析和SPSS軟件（SPSS 16.0）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 有毒離子、膽汁酸鹽和脂肪的吸收

小腸是人體吸收的主要部位，不僅吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也包含毒素[16]。因此采用模擬小腸環(huán)境在體外測(cè)定白芍根、莖、葉中SDF對(duì)有毒離子、膽汁酸鹽和脂肪的吸收能力（表1）。

由表1得出，對(duì)于Pb的吸附，PSSDF顯示了最高值（1.25 mg/g），其次是PLSDF（1.05 mg/g）和PRSDF（1.03 mg/g）。對(duì)于As吸附，PSSDF也顯示出最高值（3.37 mg/g），其次是PRSDF（2.12 mg/g）和PLSDF（1.61 mg/g）。SDF與有毒離子的結(jié)合能力取決于化學(xué)（酚基和羧基）、物理（范德華力）和機(jī)械吸附（SDF的孔隙率和空間結(jié)構(gòu)）[17]。因此，白芍中的SDF在化學(xué)、物理和結(jié)構(gòu)性質(zhì)上的差異導(dǎo)致對(duì)有毒離子有不同吸附能力。

表1 SDF生物活性測(cè)定結(jié)果

白芍SDF對(duì)膽酸鈉的吸附量范圍為33.4～73.1 mg/g；甘膽酸鈉的吸附量為30.1～78.0 mg/g；?；悄懰徕c的吸附量為64.2～126.2 mg/g。PSSDF對(duì)膽汁酸鹽吸附值最高，其次是PRSDF和PLSDF。此外，在3 h吸附過(guò)程中，SDF的吸附值依次為?；悄懰徕c＞糖膽酸鈉＞膽酸鈉。采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析得出PRSDF、PSSDF和PLSDF對(duì)膽汁酸鹽的吸附有顯著性差異（p＜0.05）。

從SDF的脂肪吸附值數(shù)據(jù)中得出，PRSDF具有最高的脂肪吸附值（5.71 g/g），其次為PLSDF（4.77 g/g）和PSSDF（4.02 g/g）?？傮w白芍SDF脂肪吸附值高于商業(yè)豌豆纖維中的含量（1.22～1.34 g）[11]。

總之，白芍對(duì)有毒離子、膽汁酸鹽和脂肪有較強(qiáng)的吸附能力。PSSDF對(duì)有毒離子和膽汁酸鹽的吸收優(yōu)于PRSDF和PLSDF，但對(duì)脂肪的吸收能力較弱。

2.2 SDF的熱力學(xué)性能

在吸熱或放熱過(guò)程中，TG和DSC有助于提供材料的熱力學(xué)信息，包括溫度、焓和質(zhì)量變化[17]。從圖1得出，PRSDF的TG曲線與PSSDF相似。在曲線中可以觀察到2個(gè)降解峰為水釋放過(guò)程（60～120 ℃）和SDF降解過(guò)程（200～350 ℃）。除了水釋放和SDF降解峰外，在PLSDF（350～500 ℃）的TG曲線中也觀察到第3個(gè)峰。在釋水過(guò)程中，PLSDF中的SDF含水量從8.2%變化到10.5%，得到最大的釋水率和降解率（vmax）。它說(shuō)明PLSDF中的水更容易被釋放，其原因可能是少許PLSDF與水的化學(xué)結(jié)合。DSC曲線中PLSDF，PRSDF和PSSDF的溫度峰值分別為104.9，86.3和91.2℃。DSC溫度峰值表明，從PRSDF中釋放水需要更多的能量[17]。

圖1 白芍的根、莖和葉SDF熱力學(xué)分析圖

此外，SDF的主要失重發(fā)生在SDF降解過(guò)程中。PLSDF，PRSDF和PSSDF的變化質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為52.8%，55.9%和34.1%，SDF降解率vmax的值分別是7.8，9.7和5.6%/min。結(jié)果表明，PRSDF和PSSDF之間的熱性能相似，但與PLSDF不同，后者并不相對(duì)很容易被降解。除了PLSDF中存在葉綠素外，其原因還可通過(guò)SDF的單糖組成不同來(lái)解釋[14,18]。

2.3 掃描電子顯微鏡

采用掃描電鏡觀察SDF的顆粒形貌，如圖2所示，SDF類(lèi)似于纏繞的線頭，相互連接。PLSDF鏈接緊密，表面緊湊且比較完整，但PRSDF和PSSDF多孔有分裂，還有不規(guī)則表面。不規(guī)則的、可膨脹的和多孔的形態(tài)可以解釋SDF水、有毒離子、脂肪和膽汁酸鹽的吸附等功能特性[15-16]，因此可推測(cè)PRSDF和PSSDF的不規(guī)則結(jié)構(gòu)可能更有助于結(jié)合這些有毒化合物。

圖2 白芍的根、莖和葉SDF掃描電鏡圖

2.4 原子力顯微鏡

AFM是材料分析中一個(gè)非常強(qiáng)大的微觀觀察工具。氣體、液體和固體樣品的表面結(jié)構(gòu)都可以用AFM表征，并被用于分析膳食纖維的分子結(jié)構(gòu)[16]。由圖3白芍SDF的AFM圖像和三維（3D）圖像得出，從波動(dòng)、小溝槽和駝峰的角度出發(fā)，PRSDF與PSSDF表面相似，但PSSDF的波動(dòng)大，溝槽深和駝峰尖銳。反觀PLSDF表面較光滑。三維圖像中PLSDF的高度變化最大（-259.0～578.9 nm），其次是PRSDF（-217.3～203.9 nm）和PSSDF（-189.4～213.3 nm）。PLSDF的波動(dòng)量大于PRSDF和PSSDF。不同尺寸和表面之間的SDF可能導(dǎo)致膳食纖維功能特性的差異[14-15]，結(jié)合2.1的試驗(yàn)結(jié)果得出PSSDF粗糙的表面相對(duì)容易與水、脂肪、有毒離子和膽汁酸鹽結(jié)合。

圖3 白芍的根、莖和葉SDF原子力顯微鏡分析圖

2.5 白芍可溶性膳食纖維在再造煙葉中的應(yīng)用

加熱卷煙（HNB）是一種新型煙草制品，其特征是采用加熱不燃燒的方式進(jìn)行，加熱溫度在250～300℃，相比傳統(tǒng)卷煙，能降低煙氣中大多數(shù)有害成分。HNB煙芯材料主要有顆粒型和再造煙葉兩大類(lèi)。

2.5.1 白芍可溶性膳食纖維添加量對(duì)再造煙葉的物理性能的影響

加入適當(dāng)?shù)耐饧永w維對(duì)再造煙葉的物理性能至關(guān)重要。添加量過(guò)低時(shí)，會(huì)使再造煙葉無(wú)法完成抄造；添加量過(guò)高時(shí)，可能引入雜氣而影響再造煙葉的內(nèi)在質(zhì)量。因此，必須控制外加纖維添加量在一定范圍之內(nèi)。

從圖4得出，隨著白芍可溶性膳食纖維不斷添加，抗張指數(shù)呈增加趨勢(shì)。松厚度22%左右呈現(xiàn)最大值。因此，22%白芍可溶性膳食纖維添加量對(duì)提升再造煙葉物理質(zhì)量較為合適。

圖4 白芍可溶性膳食纖維添加量對(duì)再造煙葉物理性能的影響

2.5.2 白芍可溶性膳食纖維對(duì)再造煙葉的物理性能指標(biāo)的表征

將添加22%（按照2.5.1得出的結(jié)論）白芍可溶性膳食纖維的再造煙葉在恒溫恒濕箱（濕度60%，溫度23 ℃）平衡48 h后，采用抗張指數(shù)和松厚度表征白芍可溶性膳食纖維再造煙葉的物理性能。從表2中得出，白芍莖的可溶性膳食纖維的抗張指數(shù)和松厚度最大，白芍根次之，白芍葉最小。故白芍莖的可溶性膳食纖維的再造煙葉物理性能較好，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木漿或麻漿纖維應(yīng)用在再造煙葉中。

表2 PSDF再造煙葉物理指標(biāo)

2.5.3 白芍可溶性膳食纖維對(duì)再造煙葉的內(nèi)在品質(zhì)評(píng)價(jià)

將PSDF制成的再造煙葉樣品分別切絲，制作成加熱卷煙（HNB），對(duì)其在加熱卷煙中的作用進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，評(píng)析結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，添加白芍可溶性膳食纖維后，再造煙葉的煙氣柔和細(xì)膩，刺激性降低。白芍莖較根、葉2種可溶性膳食纖維的整體應(yīng)用效果好。白芍莖中芍藥苷和芍藥內(nèi)酯苷的含量高于根和葉[19]，增強(qiáng)煙氣的細(xì)膩柔和程度，降低刺激，降低煙氣粗糙感等功效。感官評(píng)價(jià)結(jié)果與白芍可溶性膳食纖維毒性離子吸附能力和微觀表現(xiàn)等生物活性功能研究結(jié)果基本保持一致。

表3 PSDF再造煙葉評(píng)吸結(jié)果

3 結(jié)論

白芍的根、莖和葉部分的SDF具有相關(guān)的生物活性、熱力學(xué)特性及微觀特性。PSSDF具有較好的生物活性功能（有毒離子和膽汁酸鹽吸附），SDF的功能性質(zhì)的差異可以通過(guò)不同的化學(xué)鍵和基團(tuán)及形態(tài)特征來(lái)解釋。結(jié)果表明，PRSDF和PSSDF中的親水基團(tuán)（—OH）與不規(guī)則、粗糙和多孔的表面耦合改善了白芍可溶性膳食纖維的功能性能。因此，這些發(fā)現(xiàn)幫助人們更好了解白芍中的可溶性膳食纖維，并為食品工業(yè)提供了富含纖維的功能成分。白芍莖添加量22%的可溶性膳食纖維再造煙葉物理性能較好，感官評(píng)吸再造煙葉的刺激性降低，煙氣細(xì)膩柔和程度有一定改善。試驗(yàn)結(jié)果為再造煙葉行業(yè)尋找可替代性可溶性膳食纖維提供參考意義。