川穹顆粒的功能性質(zhì)研究及應(yīng)用

黃正虹，陳勤怡

1. 貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心（貴陽(yáng) 550000）；2. 貴州大學(xué)釀酒與食品工程學(xué)院（貴陽(yáng) 550005）

川芎（學(xué)名Ligusticum chuanxiongHort）主產(chǎn)于亞洲，我國(guó)的四川、云南、貴州等地均有廣泛種植，它被認(rèn)為是一種傳統(tǒng)中草藥，被用作活血行氣劑、祛風(fēng)止痛劑。事實(shí)上，從川芎中檢測(cè)到并分離出各種化合物，如葉黃素、香豆素和黃酮等，此外，川芎還富含纖維、維生素和礦物質(zhì)等[1-2]。川芎的鮮葉和莖在日本通常作為蔬菜食用[3]，但在中國(guó)，莖、葉和根通常在茶袋、膠囊和藥酒中商業(yè)化。

纖維是非淀粉多糖，是碳水化合物家族的一部分，此外，纖維還具有水化特性（WHC）、持油能力（OHC）、溶脹能力（SC）、乳化活性（EA）和泡沫穩(wěn)定性等物理化學(xué)功能。這些理化功能在煙草和食品等行業(yè)中至關(guān)重要，主要用于改善顏色、質(zhì)地、持水能力（WHC）和新型煙草的煙草顆粒、水果、谷類(lèi)和肉質(zhì)品的凝膠能力[4-5]。

關(guān)于川芎纖維的研究報(bào)告較少。因此，試驗(yàn)從川芎的根、莖、葉中用酶法提取纖維。測(cè)定它們的功能和熱學(xué)性能及化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征，旨在全面研究川芎中的纖維，并以感官評(píng)價(jià)的方法確定其在新型煙草的顆粒嘴棒中潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 材料和方法

1.1 樣品和試劑

新鮮川芎（云南省玉溪市甘莊農(nóng)場(chǎng)農(nóng)場(chǎng)）。根、莖和葉被分離，用自來(lái)水沖洗幾次。將清洗后的根、莖、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）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、蛋白酶和淀粉苷酶（美國(guó)Sigma-Aldrich公司）；所有化學(xué)品（色譜或分析純，國(guó)藥試劑公司）。

1.2 樣品制備

按照AOAC 991.43的方法并做了修正。采用酶法（AOAC 1996）從川芎中提取纖維[6]。在燒杯中稱(chēng)取1.0 g的川芎粉末，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)物的調(diào)整到pH 4.5。在60 ℃下，在120 r/min的恒定攪拌下，加入300 μL的淀粉糖苷酶進(jìn)一步水解30 min。將水解液在10 000 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。將濃縮上清液與乙醇混合至100 mL，在4 ℃下放置24 h，并以10 000 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、葉中得到的纖維粉末分別命名為L(zhǎng)RF、LSF和LLF。

1.3 川穹纖維的功能特性測(cè)定

1.3.1 持水能力（WHC）、持油能力（OHC）、溶脹能力（SC）測(cè)定

將0.05 g川穹纖維與10 mL的蒸餾水混合在一個(gè)試管中，在室溫下振蕩24 h。將混合物在4 200 r/min下離心10 min，收集沉淀物并稱(chēng)重。按式（1）計(jì)算WHC。

式中：W2和W分別為吸水質(zhì)量和纖維質(zhì)量，g。

將0.05 g川穹纖維與5 mL的葵花籽油在4 ℃下混合1 h，將混合物在4 200 r/min下離心10 min，收集沉淀物并稱(chēng)重。按式（2）計(jì)算OHC。

式中：V為吸附油體積，mL；W為川穹纖維質(zhì)量，g。

將0.1 g川穹纖維加入刻度管中，與10 mL蒸餾水混合?；旌衔镌? ℃水解18 h。記錄水合川穹纖維的體積，按式（3）計(jì)算SC。

式中：V為水合川穹纖維體積，mL；W為川穹纖維質(zhì)量，g。

1.3.2 乳化活性（EA）和乳液穩(wěn)定性（ES）測(cè)定

將20 mL蒸餾水與0.1 g川穹纖維在刻度離心管中混合。直至川穹纖維完全溶解，加入20 mL葵花籽油，均質(zhì)5 min。將混合物以1 200 r/min離心10 min，評(píng)估乳液體積。按式（4）計(jì)算EA。

式中：V1和V分別為乳化層的體積和總體積，mL。

將制備的乳液在80 ℃下加熱30 min，在1 200 r/min下離心5 min，直到乳液冷卻至室溫。按式（5）計(jì)算ES。

式中：V1和V分別為加熱后乳化層和加熱前乳化層的體積，mL。

在50 mL刻度燒杯中，將0.1 g川穹纖維分別溶于20 mL蒸餾水、1.0%蔗糖溶液和1.0% NaCl溶液中。用磁力攪拌器將混合物以200 r/min強(qiáng)力攪拌10 min。用在不同時(shí)間（0，0.5和1.0 h）下的泡沫體積來(lái)評(píng)價(jià)泡沫穩(wěn)定性。

1.4 單糖分析

根據(jù)Ajila等[7]報(bào)道的改進(jìn)方法，對(duì)川穹纖維的單糖組成進(jìn)行分析。在100 ℃，2 mol/L TFA中水解5 mg川穹纖維，水解時(shí)間為3 h，用乙酸酐和吡啶將水解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為醛糖醇乙酸酯。在Agilent 7890-5875氣相色譜質(zhì)譜儀中進(jìn)行定量?；衔镌贒B-5MS毛細(xì)管柱上分離（30 m×0.25 mm，0.25 μm）。柱溫為100 ℃（5 min），20 ℃/min至190 ℃，3 ℃/min至260 ℃，10 ℃/min至300 ℃（10 min）。傳輸線路溫度250 ℃；質(zhì)量檢測(cè)器條件：電子沖擊（EI）模式在70 eV；源溫度230 ℃；質(zhì)量采集范圍30～500；1.0 mL/min氮?dú)鉃檩d氣。通過(guò)將保留時(shí)間和質(zhì)譜分析結(jié)果與真實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及NIST 11質(zhì)譜庫(kù)中的質(zhì)譜進(jìn)行比較，對(duì)化合物進(jìn)行鑒定。

1.5 傅里葉變換紅外光譜

在VERTEX-70FTIR（BrukerCo.，Karlsruhe，德國(guó)）上獲得川穹纖維的傅里葉變換紅外光譜（FTIR），并且在室溫下進(jìn)行記錄，傳輸模式4 000～600 cm-1，分辨率為0.44 cm-1。樣品用KBr水溶液（1∶100，V/V）稀釋預(yù)處理。

1.6 熱分析

采用同步DSC-TGA（Q600，美國(guó)TA儀器），同步進(jìn)行熱分析（TG熱重法和DSC差示掃描量熱法）分析樣品熱變化情況。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），取5～10 mg樣品，以空白坩堝作為參照。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)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。

1.8 川穹顆粒的制備

將2 g川穹纖維、100 g空白煙粉和70 mL蒸餾水原料于燒杯中，加入5 g膠水、5 g丙二醇和25 g甘油的混合液，使固液均勻混合，揉搓制成濕料；投入至0.850 mm篩網(wǎng)的搖擺式制粒機(jī)中造粒；將濕粒置于105 ℃烘箱中烘至水分2%～5%取出篩選0.425～1.7 mm的顆粒樣品密封待用。

2 結(jié)果和討論

2.1 水和油的保持和膨脹能力

從川芎不同部位（根、莖、葉）纖維的WHC、OHC和SC結(jié)果如表1所示。LRF表現(xiàn)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也表現(xiàn)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，川芎不同部位纖維的SC值差異顯著（p＜0.05），LRF、LSF和LLF的水化體積分別為35.0，19.8和13.1 mL/g。LRF的WHC、OHC和SC高于普通蔬菜，包括胡蘿卜（其值分別為17.1 g/g，5.4 mL/g和19.2 mL/g）和洋蔥（其值分別為2.7～6.5 g/g，2.3～4.5 mL/g和3.8～21.6 mL/g[8]。這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明川芎可能是新型煙草的顆粒嘴棒中更好的來(lái)源。

WHC、OHC和SCs與親水位點(diǎn)的數(shù)量和化學(xué)性質(zhì)及纖維的結(jié)構(gòu)和密度有關(guān)[4]。水分子一般插入纖維的空隙和親水位置。因此，川穹纖維表現(xiàn)出不同的WHC、OHC和SC值，這可能是由于不同的表面積和結(jié)構(gòu)、極性基團(tuán)的可用性或其他水結(jié)合位點(diǎn)的存在所致。

2.2 乳化活性（EA）和乳化穩(wěn)定性（ES）

EA是溶解或分散2種不混溶液的能力，ES是指保持乳狀液的能力。表1列出纖維的EA和ES。在LLF中EA值最高（為64.9 mL/g），其次是LSF（58.7 mL/g）和LRF（56.2 mL/g）。與此相反，LRF的ES優(yōu)于LLF。加熱后，乳化層體積分別減少4.4 mL/100 mL（LRF）、9.9 mL/100 mL（LSF）和15.2 mL/100 mL（LLF）。EA值比桔皮中纖維（55.8 mL/100 mL）高，表明川芎中的纖維可能是良好的乳化劑。乳化活性是纖維的一種功能特性，因?yàn)樗馕吨泳從懼嵩谛∧c中吸附的能力，從而導(dǎo)致肝臟膽固醇的降解，并進(jìn)一步降低其在血液中的水平。因此，來(lái)自川芎中的纖維對(duì)人體健康可能更好。

表1 川穹纖維的理化性質(zhì)

2.3 泡沫穩(wěn)定性

泡沫穩(wěn)定性是纖維的重要功能特性，因此在不同溶液中對(duì)川芎中的纖維進(jìn)行評(píng)價(jià)。在0，0.5和1 h時(shí)，川穹纖維在水、1.0% NaCl和1.0%蔗糖溶液中的泡沫體積如表2所示。對(duì)于水溶液，LRF、LSF和LLF在0 h時(shí)的泡沫體積分別為19.7，19.1和18.3 mL；0.5 h后的泡沫體積體積分別降至18.5，19.2和11.9 mL；1 h后，體積分別降至18.3，18.1和10.9 mL。

表2 纖維泡沫穩(wěn)定性

對(duì)于1.0%的NaCl溶液，LRF、LSF和LLF在0 h的泡沫體積分別為21.8，12.9和21.3 mL；0.5 h后，體積分別下降到19.3，13.1和15.3 mL；1 h后，體積分別下降到18.9，10.5和12.5 mL。

對(duì)于1.0%蔗糖溶液，LRF、LSF和LLF在0 h的泡沫體積分別為13.3，16.9和16.9 mL；0.5 h后，體積分別減少到9.3，14.9和15.9 mL；1 h后，體積分別減少到7.6，12.3和11.9 mL。

在水和1.0% NaCl溶液中觀察到相同的趨勢(shì)，LRF和LSF的泡沫穩(wěn)定性?xún)?yōu)于LLF。食品泡沫的微觀結(jié)構(gòu)、氣泡尺寸分布和界面性能影響泡沫的穩(wěn)定性[9]，從而影響食品加工、儲(chǔ)存和產(chǎn)品處理。因此，川芎根莖中的纖維復(fù)合物可能有利于食品泡沫的穩(wěn)定性。

2.4 單糖組成分析結(jié)果

表3列出川芎根、莖、葉中纖維的單糖組成。川芎中的纖維主要由鼠李糖、阿拉伯糖、木糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖組成。在LRF中，葡萄糖（31.2%）和甘露糖（31.9%）是主要成分，占總糖的60%以上，表明在LRF中存在葡甘聚糖，它也是芭蕉芋纖維的主要成分[9]。半乳糖與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，這表明半乳糖甘露聚糖可能是LSF和LLF的主要成分。只有在LLF的情況下才檢測(cè)到阿拉伯糖。這些結(jié)果與先前的報(bào)告一致，即葡萄糖和半乳糖是蔬菜和水果纖維中的主要單糖，來(lái)源于纖維素和半纖維素[8]。結(jié)果表明，從根、莖和葉中觀察到纖維的單糖組成不同，這可以解釋從川芎的根、莖和葉中觀察到纖維在功能性質(zhì)上的差異。

表3 單糖組成表（以干基計(jì)） 單位：%

2.5 川穹纖維的FTIR分析

紅外光譜在分子水平上被廣泛應(yīng)用于化合物的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)的檢測(cè)。圖1給出川芎根、莖和葉纖維的FTIR光譜。FTIR分析主要用于提供有機(jī)分子的結(jié)構(gòu)信息，如化學(xué)鍵和基團(tuán)。LRF的FTIR光譜與LSF相似，但與LLF的紅外光譜不同，說(shuō)明它們之間化學(xué)成分的相似性和差異。在LRF和LSF的FTIR光譜中，由于O—H鍵的振動(dòng)，在3 669 cm-1和3 689 cm-1處出現(xiàn)峰值；LLF的峰值很弱。因于C—H和H—C—H鍵的拉伸振動(dòng)，在約2 900 cm-1處出現(xiàn)寬的強(qiáng)峰值。在LLF光譜中，一個(gè)廣闊的和強(qiáng)壯峰值在1 589 cm-1處出現(xiàn)，歸因于N—H鍵的彎曲振動(dòng)，這可能是由于LLF中的葉綠素殘留。在1 624～1 735 cm-1范圍內(nèi)的峰值，歸因于C＝O鍵的拉伸振動(dòng)。與此同時(shí)，LRF在1 071 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)峰，而LSF出現(xiàn)在1 057 cm-1處，其原因是纖維的C—O拉伸振動(dòng)[10]。

圖1 川芎的根、莖和葉纖維紅外光譜圖

研究結(jié)果顯示與來(lái)自芭蕉芋和燕麥麩纖維中相類(lèi)似的化學(xué)基團(tuán)[9,11]。此外，化學(xué)成分與功能性質(zhì)有關(guān)，可用于解釋川穹纖維之間的不同功能性質(zhì)。

2.6 川穹纖維在新型煙草的顆粒嘴棒中感官評(píng)價(jià)

2.6.1 川穹顆粒在新型煙草的顆粒嘴棒中發(fā)煙劑的研究

加熱卷煙是一種新型煙草制品。它是基于加熱蒸餾技術(shù)，而不是直接燃燒煙草物質(zhì)，故需加入發(fā)煙劑來(lái)使用低溫的方式釋放煙草香味物質(zhì)。常用的發(fā)煙劑主要有丙二醇和甘油等多元醇，故選擇合適的發(fā)煙劑種類(lèi)和用量直接影響加熱卷煙的品質(zhì)特征。研究結(jié)果表明（見(jiàn)表4），從煙氣量和濃度、香氣、勁頭等感官指標(biāo)綜合考慮，選用復(fù)合結(jié)構(gòu)，在甘油20%+丙二醇5%用量煙氣量大，煙霧量大，煙氣濃度高，香氣量充足，充盈感強(qiáng)和勁頭大等感官指標(biāo)效果好。

表4 發(fā)煙劑種類(lèi)和用量對(duì)加熱卷煙品質(zhì)特征的影響

2.6.2 川穹纖維顆粒在新型煙草的顆粒嘴棒中應(yīng)用研究

將川芎纖維顆粒再造煙葉樣品制作成顆粒加熱卷煙（HNB），對(duì)其在新型煙草的顆粒嘴棒作用進(jìn)行感官評(píng)價(jià)，評(píng)吸結(jié)果見(jiàn)表5。評(píng)吸結(jié)果表明，在新型煙草顆粒中添加川穹顆粒后，煙氣質(zhì)感提升，充盈感和滿(mǎn)足感加強(qiáng)。特別是LRF在新型煙草的顆粒嘴棒中表現(xiàn)最好，效果最明顯。

表5 川穹纖維顆粒再造煙葉評(píng)吸結(jié)果

3 結(jié)論

川芎的根、莖和葉部分的纖維具有相關(guān)的功能特性。LRF具有較好的理化功能（WS、WHC、OHC、SC、ES）。此外，川穹纖維的功能性質(zhì)的差異可以通過(guò)不同的化學(xué)鍵和基團(tuán)以及形態(tài)特征來(lái)解釋。結(jié)果表明，LRF和LSF中的親水基團(tuán)（—OH）與不規(guī)則、粗糙和多孔的表面耦合，改善川芎纖維的功能性能。在煙草顆粒中的應(yīng)用，有提升煙氣質(zhì)感，加強(qiáng)充盈感和滿(mǎn)足感等功效。因此，試驗(yàn)結(jié)果有助于更好地了解川芎纖維，并為新型煙草的顆粒嘴棒提供富含纖維的功能成分。