華梅，李珊珊，曲迪，陳建波，李志滿，孫印石

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130112）

膳食纖維（dietary fiber，DF），被譽(yù)為能夠平衡人體營(yíng)養(yǎng)狀況的“第 7 類營(yíng)養(yǎng)素”[1]。世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）將膳食纖維定義為：在小腸內(nèi)不能消化吸收，聚合度≥10 的碳水化合物聚合物，由食物中固有的可食性碳水化合物聚合物或者食品原料中以酶、物理、化學(xué)方法測(cè)得的或人工合成的碳水化合物組成[2]。根據(jù)水溶性可將其分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和非水溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）兩大類。SDF 是一類植物細(xì)胞內(nèi)的果膠、部分半纖維素等親水性膠體，它參與了人體的各種生理代謝活動(dòng)；IDF一般包括纖維素、木質(zhì)素以及部分半纖維素等成分，它在腸道內(nèi)起到機(jī)械蠕動(dòng)的作用，兩者按照一定比例在人體腸道中共同發(fā)揮作用，促進(jìn)人體健康[3]。

人參（Panax ginseng C.A.Meyer）是我國(guó)傳統(tǒng)名貴中藥材，也是藥食同源的滋補(bǔ)佳品。2012 年，人參被認(rèn)定為“新資源食品”，其功能性食品的開(kāi)發(fā)也隨之成為研究熱點(diǎn)。人參藥渣是人參原料的主要部分，不僅含有大量的膳食纖維、淀粉、蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分，還含有未被提取到的人參皂苷、多糖和氨基酸等有益成分，作為食品原料具有極高的利用價(jià)值[4-5]，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和加工性質(zhì)對(duì)于功能性食品開(kāi)發(fā)具有重要的研究?jī)r(jià)值。人參藥渣目前普遍被作為工業(yè)垃圾處理，主要的再利用方式局限于飼料研制或?qū)θ藚⒃碥盏任⒘砍煞值脑偬崛6]。人參藥渣中蘊(yùn)含的豐富膳食纖維亟待深入研究。

本研究參照國(guó)標(biāo)GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測(cè)定》方法，對(duì)人參藥渣中的水溶性膳食纖維（GSDF）和非水溶性膳食纖維（G-IDF）成分進(jìn)行提取，并對(duì)所得產(chǎn)物進(jìn)行了較為系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)組成、結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性研究，為人參膳食纖維在功能性食品領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

人參購(gòu)自吉林省撫松縣，經(jīng)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所許世泉研究員鑒定為五加科植物人參干燥根；熱穩(wěn)定-淀粉酶、堿性蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶（Macklin公司）；單糖標(biāo)準(zhǔn)品（Sigma-Aldrich公司）；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TG16-WS臺(tái)式高速離心機(jī)（湖南湘儀實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)發(fā)有限公司）；FD-1A-50 低溫冷凍干燥機(jī)（北京博醫(yī)康技術(shù)有限公司）；SHZ-CA 恒溫水浴震蕩器（常州諾基儀器有限公司）；QD8J/BL 單煎機(jī)（青島達(dá)爾電子機(jī)械銷售有限公司）；高效液相色譜儀、SPD-M20A 紫外檢測(cè)器、LC-16 溶劑輸送泵、CTO-16 柱溫箱（日本島津儀器有限公司）；XL-30 ESEM FEG 掃描電子顯微鏡（美國(guó) FEI 公司）；VERTEX 70 FT-IR 紅外光譜儀（德國(guó)Bruker Optics 公司）；Pyris Diamond TGA/DTG 熱重分析儀（美國(guó)PerkinElmer公司）；自動(dòng)檢測(cè)氨基酸分析儀（日本日立公司）。

1.3 方法

1.3.1 提取工藝 酶解按照國(guó)標(biāo)GB 5009.88-2014《食品中膳食纖維的測(cè)定》方法進(jìn)行。

1.3.2 營(yíng)養(yǎng)成分、糖及氨基酸的測(cè)定方法

1.3.2.1 營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定方法 水分含量參考 GB 5009.3-2016《食品中水分的測(cè)定》測(cè)定；蛋白質(zhì)含量參考GB 5009.5-2016《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》中的凱氏定氮法測(cè)定；脂肪含量參考GB 5009.6-2016《食品中脂肪的測(cè)定》中的索氏抽提法測(cè)定；淀粉含量參考GB 5009.9-2016《食品中淀粉的測(cè)定》中的方法測(cè)定；灰分含量參考GB 5009.4-2016《食品中灰分的測(cè)定》中的方法測(cè)定。

1.3.2.2 糖的測(cè)定方法 苯酚―硫酸法測(cè)定總糖含量[7]；間羥基聯(lián)苯法測(cè)定糖醛酸含量[8]；參考Xu等[9]方法測(cè)定纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量。

單糖組成采用PMP 衍生高效液相色譜法[10]。色譜條件：ODS Hypersil 色譜柱，250 mm 4.6 mm，粒徑5m；流動(dòng)相A：82%磷酸鈉緩沖液（0.1 mol/L，pH 值7.0）；流動(dòng)相B：18%乙腈，等梯度洗脫；檢測(cè)波長(zhǎng)：245 nm；柱溫：35 ℃；流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：20L。

1.3.2.3 氨基酸的測(cè)定方法 氨基酸組成采用Mokhtar等[11]方法，使用配有4.6 mm（ID）60 mm 離子交換柱的L-8900 自動(dòng)檢測(cè)氨基酸分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.3 理化性質(zhì)

1.3.3.1 持水性 參照Mokhtar 等[11]方法，稱取0.50 g樣品（m0）與10 mL蒸餾水于50 mL 離心管（空管質(zhì)量為m1）充分混勻，室溫下密封24 h，4 000 r/min 離心15 min，棄上清，稱量含樣品離心管的質(zhì)量（m2）。持水性按公式（1）計(jì)算：

1.3.3.2 持油性 參照Mokhtar 等[11]方法，稱取0.50 g樣品（m0）與20mL玉米油于50mL離心管（空管質(zhì)量為m1）充分混勻，室溫下密封 24h，4000r/min離心 15min，棄上清，稱量含樣品離心管的質(zhì)量（m2）。持油性按公式（2）計(jì)算：

1.3.3.3 溶脹性 參照Mokhtar等[11]報(bào)道的方法，稱取0.25g干燥樣品（m）于10 mL量筒中，記錄體積（V1），加入5 mL 蒸餾水并充分?jǐn)嚢?、振蕩除氣泡，室溫靜置24 h，記錄吸水膨脹后樣品的體積（V2）。溶脹性按公式（3）計(jì)算：

1.3.3.4 水溶性 參照劉銳雯[12]報(bào)道的方法，稱取0.50 g樣品（m0），加入5 mL蒸餾水中并充分?jǐn)嚢?，室溫靜置24 h，冷凍干燥后稱質(zhì)量（m）。水溶性按公式（4）計(jì)算：

1.3.3.5 堆積密度 參考Mokhtar 等[11]方法，稱取0.50 g樣品（m）于10 mL 量筒中，輕擊量筒外壁至樣品不再下沉，記錄此時(shí)樣品體積（V）。堆積密度按公式（5）計(jì)算：

1.3.4 掃描電子顯微鏡分析 參照Kahwa 等[13]的方法，將樣品干燥至恒質(zhì)量，取適量進(jìn)行黏臺(tái)、鍍金，對(duì)樣品進(jìn)行不同倍數(shù)微觀結(jié)構(gòu)觀察并拍照。

1.3.5 傅里葉紅外光譜分析 參照楊夏等[14]的方法，稱取樣品10 mg 與KBr 粉末200 mg 于研缽中，充分混勻，研磨，制片。波數(shù)為圍400～4 000 cm1，升溫速度10 ℃/min，進(jìn)行紅外光譜掃描。

1.3.6 熱重分析 參照佘志剛等[15]方法，溫度為40～600 ℃，升溫速度20 ℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行熱重分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)樣品設(shè)3 次平行，測(cè)定結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 營(yíng)養(yǎng)成分

由表1 可見(jiàn)，人參藥渣（ginseng medicine residue，GMR）含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，蛋白質(zhì)含量為14.24%，總糖含量為26.56%，總膳食纖維含量達(dá)70.01%，其中G-SDF含量達(dá)到10.24%，是理想的膳食纖維提取來(lái)源。G-SDF中的膳食纖維由水溶性糖類（51.36%），糖醛酸（18.04%）和半纖維素（9.86%）組成，該糖醛酸含量接近精制紅參多糖的水平（23.9%）[16]。糖醛酸中的伯羥基可氧化成為羧基，從而使多糖表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，總糖及糖醛酸含量與膳食纖維的抗氧化活性呈正相關(guān)性[11,14,17]。G-IDF是人參膳食纖維的主要成分，人參藥渣中的G-IDF含量達(dá)到60.77%。G-IDF的膳食纖維中纖維素含量最高（34.26%），另外還有一定量的半纖維素（18.13%），這暗示著通過(guò)酸堿處理或者生物酶解，還能夠?qū)⑦@部分半纖維素水解，以提高水溶性膳食纖維的含量。G-IDF 中還保留了部分糖類（15.21%）和糖醛酸（4.26%）。此外，G-SDF和G-IDF中均含較豐富的蛋白質(zhì)和微量淀粉，且未檢出脂肪成分，暗示其可以作為高營(yíng)養(yǎng)低熱量食品原料。

表1 人參藥渣及人參膳食纖維的營(yíng)養(yǎng)成分含量Table 1 Nutritional ingredient of ginseng medicine residue and ginseng dietary fiber （%）

由表2 可見(jiàn)，人參膳食纖維中含有極為豐富的氨基酸成分，其中包括9 種人體必需氨基酸和8 種非必需氨基酸，必需氨基酸占總氨基酸比例接近50%，是木瓜皮膳食纖維氨基酸含量的3 倍以上（15.68%）[3]，也遠(yuǎn)高于海帶不溶性膳食纖維（36.2%）[18]和酸漿果渣的氨基酸含量（30.79%）[11]。FAO/WHO 將必需氨基酸含量占總氨基酸含量40%的蛋白質(zhì)定義為理想蛋白，這表明人參膳食纖維具有成為優(yōu)質(zhì)蛋白補(bǔ)充劑的潛力[19]。

表2 人參膳食纖維提取物的氨基酸組成分析Table 2 Amino acid composition analysis of ginseng dietary fiber （g/100g）

2.2 單糖組成

由表3 可見(jiàn)，G-SDF 和G-IDF 的單糖組成均以中性糖為主，但具體組成不同；酸性糖則均為半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）。G-SDF 中葡萄糖（glucose，Glc，54.85%）的含量超過(guò)總量的50%，表明其中可能含有大量葡聚糖結(jié)構(gòu)。另外G-SDF 中還含有少量GIDF中未見(jiàn)的阿拉伯糖（arabinose，Ara，8.43%）和鼠李糖（rhamnose，Rha，1.20%）；G-IDF中出現(xiàn)G-SDF中未見(jiàn)的木糖（xylose，Xyl，19.10%）和巖藻糖（fucose，F(xiàn)uc，15.21%），這與其含有一定量的半纖維素（如木葡聚糖）有關(guān)[20]。

表3 人參膳食纖維的單糖組成Table 3 Monosaccharide composition of ginseng-SDF and ginseng-IDF （%）

2.3 理化性質(zhì)

由表4 可見(jiàn)，人參膳食纖維具有較好的理化性質(zhì)。G-SDF因具有較高的水溶性（96.21%），故未檢測(cè)到溶脹性。G-SDF 具有較好的持油性（2.37 g/g），遠(yuǎn)高于米糠水溶性膳食纖維（0.99 g/g）[21]和花生殼膳食纖維（1.12/2.03 g/g）[22]。G-IDF 的持油性（7.37 g/g）明顯高于 G-SDF；持水性（8.68 g/g）和溶脹性（12.14 mL/g）也遠(yuǎn)高于脫脂椰蓉膳食纖維[10]。高持水性和高持油性的膳食纖維可以應(yīng)用于焙烤、肉類和油炸食品中，以提供水合保鮮作用，改善口感，增加原料粘度和高脂肪食物的穩(wěn)定性[23]。

表4 人參膳食纖維的理化性質(zhì)Table 4 Physicochemical properties of ginseng dietary fiber

2.4 掃描電鏡分析

由圖1 可見(jiàn)，酶解導(dǎo)致G-SDF 表面出現(xiàn)明顯空洞，呈類似蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其100 和10m標(biāo)尺電鏡圖分別見(jiàn)圖1a 和圖1b，這一結(jié)構(gòu)可以增加G-SDF 的比表面積，促進(jìn)其對(duì)水分的吸收，增加機(jī)體飽腹感，提高GSDF 的水合作用和吸附能力[24]。G-IDF 表面呈淺層空穴結(jié)構(gòu)，其100 和20m標(biāo)尺電鏡圖分別見(jiàn)圖1c和圖1d。這一結(jié)構(gòu)同樣增加了G-IDF 的比表面積，同時(shí)提高了其對(duì)水、油、金屬離子的吸收能力[25]。

圖1 人參膳食纖維的SEM 電鏡圖Fig.1 SEM photographs of ginseng dietary fiber

2.5 紅外光譜分析

由圖2 可見(jiàn)，G-SDF 和G-IDF 的主要多糖基團(tuán)組成基本一致。在3 413.77 和3 415.49 cm 1 處出現(xiàn)的大吸收峰，由羥基O-H 伸縮振動(dòng)引起，表明人參膳食纖維中存在著較多的羥基及結(jié)合水分子[23]。在2933.48 和2 927.64 cm 1 處的尖銳吸收峰，由果膠和半纖維素中-CH3、= CH2等的C-H 伸縮振動(dòng)引起。它們連同1 419.35 和1 422.85 cm 1 處由O-H 的明顯吸收峰一同代表了典型的碳水化合物骨架結(jié)構(gòu)[26]；在1 200～1 800 cm1，尤其是 1 616～1 634 cm 1 處的吸收峰，如圖2 中的1 628.36 和1 629.98 cm 1 處，常被認(rèn)為是來(lái)自果膠和半纖維素的糖醛酸酯化和離子化羧基C=O的特征吸收峰[3]。在1 200～1 350 cm 1 的吸收峰，是多糖的特征吸收峰[23]。900～1 200 cm1的吸收峰，包括1 074.97 和1 029.79 cm 1 處的吸收峰，是由木質(zhì)素C-O-C 糖環(huán)醚鍵的C-O 基伸縮振動(dòng)和半纖維素中?；鶈卧?CO-OR 的伸縮振動(dòng)引起的[27]。619.59 和623.37 cm 1 處的吸收峰被認(rèn)為是碳水化合物的指紋骨架結(jié)構(gòu)[26]。G-SDF 和 G-IDF 在 1 740 cm 1 附近均沒(méi)有酯化羧基引起的吸收峰，表明其含有的果膠為低甲氧基果膠，這種果膠可在較低糖濃度甚至無(wú)糖條件下形成優(yōu)質(zhì)凝膠，制成低熱量食品以滿足肥胖和糖尿病人群的需要[23,28]。以上結(jié)果表明G-SDF 和G-IDF 適合應(yīng)用到低糖、低熱量、高營(yíng)養(yǎng)、高纖維的加工食品中。

圖2 G-SDF（a）和 G-IDF（b）人參膳食纖維的傅里葉紅外光譜檢測(cè)Fig.2 FT-IR spectrum of G-SDF（a）and G-IDF（b）ginseng dietary fiber

2.6 熱穩(wěn)定性分析

如圖3 所示，G-SDF 和G-IDF 的熱解過(guò)程大致可分為3 個(gè)質(zhì)量變化階段：①初始溫度-200 ℃，樣品表面結(jié)合水脫水階段。這一階段質(zhì)量損失為10%～20%，在171 ℃出現(xiàn)分別為3.890%/min 和3.396%/min 的最大失重速率，這部分損失重量與樣品水合性質(zhì)呈正相關(guān)性[23]。②200～300 ℃，樣品受熱分解階段。這一階段中樣品質(zhì)量損失最多，約為30%。在274 ℃出現(xiàn)分別為7.593%/min和6.527%/min的最大失重速率。這一階段的明顯失重可歸因于G-SDF 和G-IDF 中果膠和可溶性半纖維素的受熱分解，也可認(rèn)為是G-IDF 中纖維素成分的預(yù)碳化過(guò)程[3]。③300～600 ℃，樣品受熱分解碳化階段。這一階段質(zhì)量損失在20%左右，最高溫度600 ℃下樣品剩余質(zhì)量均在30%以上。在325 和336 ℃分別出現(xiàn)5.845%/min和7.093%/min的最大失重速率。G-SDF 在此時(shí)進(jìn)入燃燒階段，質(zhì)量物質(zhì)主要為碳和灰分。G-IDF 在該階段中的明顯失重可以歸因?yàn)槠淅w維素和木質(zhì)素成分的碳化過(guò)程[3]。這些成分因含有致密有序的骨架結(jié)構(gòu)（如纖維素），故受熱分解緩慢。因此觀察到的曲線下降趨勢(shì)明顯減緩，表現(xiàn)出一定的熱穩(wěn)定性。比較而言，G-SDF 的熱解主要發(fā)生在200～300 ℃階段，是多糖類物質(zhì)的常見(jiàn)熱解溫度[29]；而G-IDF 的熱解貫穿了200～600 ℃，這與其含有熱解溫度廣、熱解抗性高的木質(zhì)素有關(guān)[30]。G-SDF和G-IDF的熱重曲線與鮑魚(yú)多糖和石榴皮渣膳食纖維熱重曲線相近，都是一個(gè)分解吸熱的過(guò)程，可概況為3 個(gè)熱解階段：表面失水階段、熱分解階段和熱穩(wěn)定階段[15,23]。在200℃之前，G-SDF 和G-IDF 失重較少，能保持較好的熱穩(wěn)定性，表明人參膳食纖維適合應(yīng)用在200 ℃以下的食品熱加工中。

圖3 G-SDF（a）和 G-IDF（b）人參膳食纖維的熱重曲線Fig.3 Thermogravimetric curves of G-SDF（a）and G-IDF（b）ginseng dietary fiber

3 結(jié)論與討論

本研究利用人參藥渣成功制備了人參水溶性膳食纖維（G-SDF）和非水溶性膳食纖維（G-IDF）。人參藥渣中總膳食纖維含量達(dá)70%，G-SDF含量在10%左右，G-IDF 含量達(dá)60%。G-SDF 和G-IDF 中均含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，包括糖類、糖醛酸、蛋白質(zhì)、多種單糖和微量淀粉，可以作為高營(yíng)養(yǎng)低熱量的食品原料。此外，GSDF 和G-IDF 中還含有豐富的人體必需氨基酸，具有成為優(yōu)質(zhì)蛋白補(bǔ)充劑的潛力。G-SDF 和G-IDF 具有較好的持水性和持油性等理化性質(zhì)，具有典型的碳水化合物熱解特征，能夠耐受200 ℃以下的熱加工處理。G-SDF 和G-IDF 還具有典型的疏松孔洞結(jié)構(gòu)，利于對(duì)水分和油脂等物質(zhì)的吸附；具有特征性多糖官能基團(tuán)，這些官能團(tuán)與其多糖和纖維素等組成性質(zhì)相符，是其具有理想理化性質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。以上研究結(jié)果揭示了人參膳食纖維的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、多糖結(jié)構(gòu)和熱加工穩(wěn)定性，為其成為功能性食品原料提供了必要的理論依據(jù)。

由于人參等藥食同源中藥材在食品、保健品和農(nóng)林日化產(chǎn)品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，伴隨產(chǎn)生的藥渣利用問(wèn)題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在當(dāng)前大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展的背景下，對(duì)人參藥渣的新用途和新價(jià)值進(jìn)行深度挖掘，對(duì)于提高資源產(chǎn)品的價(jià)值和產(chǎn)業(yè)化效益、延伸和拓展人參食藥兩用資源產(chǎn)業(yè)鏈同樣具有深遠(yuǎn)意義。