白芍可溶性膳食纖維研究及其在再造煙葉中的應用

黃正虹，劉劍

貴州中煙工業有限責任公司技術中心（貴陽 550000）

白芍為毛茛科植物芍藥Paeonia lactifloraPall的干燥根，主產于亞洲，我國的四川、云南、貴州等地均有廣泛種植，被認為具有養血調經、斂陰止汗、柔肝止痛、平抑肝陽之功效[1-2]。白芍的鮮葉和莖還富含膳食纖維、維生素和礦物質等營養物質[3-4]。

根據在水中的溶解度，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，具有較高的實際應用價值。再造煙葉在實際生產過程中，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、抄造性能來保證生產運行穩定性和提高內在質量品質。再造煙葉中添加的纖維主要是木漿和麻漿纖維，這2種纖維的添加會導致再造煙葉的香氣量減少、刺激增強[5]。國內外對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]。因此需尋找對再造煙葉適合的外加纖維來保障其內在品質。

對白芍的研究主要集中在檢測到并分離各類化合物，如香豆素和黃酮等，很少有關于其可溶性膳食纖維功能特性的信息。試驗報道白芍可溶性膳食纖維的毒性離子吸附能力和形態特征，并應用于再造煙葉中，通過感官質量評價驗證其應用效果，為再造煙葉行業外加纖維的功能成分及應用價值提供新來源。

1 材料和方法

1.1 試劑與儀器

新鮮白芍，四川省樂山市峨眉山市白芍農場獲得，根、莖和葉被分離，用自來水沖洗幾次，將清洗后的白芍根，莖和葉切成小塊，在40 ℃烘箱中干燥24 h，將干燥后的產品磨成粉末，通過0.250 mm（60目）孔徑篩，用85%乙醇對粉末進行脫色3次；將脫色后的粉末干燥后儲存在干燥器中，室溫下進一步利用；耐熱α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉苷酶，美國Sigma-Aldrich公司。所有化學品，均為色譜或分析純，國藥試劑公司（上海市）。

UV-2802S分光度計，Unico公司；DSC-TGA，Q600，美國TA儀器；高分辨率場發射掃描電子顯微鏡（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]。在燒杯中稱取2.0 g白芍粉末，加入40 mL MES-Tris緩沖液（pH 8.2）進行分散溶解。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的攪拌下進一步水解30 min。用0.56 mol/L HCl將水解產物的pH調整至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。用離心機在10000 r/min下離心分離10 min，收集上清液，在真空旋轉蒸發系統中濃縮至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。殘渣用95%（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

通過測定Pb和As的質量分數來評價SDF對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，調整至pH 7.0。在37 ℃水浴儲存3 h，用離心機在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，其在血液中過量會導致心血管疾病。同時，通過與膽汁酸鹽結合消除膽汁酸導致膽固醇進一步降解，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有方法進行測定的[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，調整至pH 7.0，將混合物在37 ℃水浴中儲存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20 min后冰浴5 min。用分光度計在387 nm處測定混合物的吸光度。

SDF對于脂肪的吸附可以有效預防由于食物烹飪帶來的肥胖及減少消化系統對于多余脂肪的吸收[14]。將稱取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收集沉積物并稱其質量。脂肪吸附能力（FAC）按式（1）計算。

式中：mr是殘留油質量，g；md是SDF質量，g。

1.4 熱分析

取5～10 mg SDF樣品，采用DSC-TGA進行熱分析（TG熱重法和DSC差示掃描量熱法）[15]。條件：內襯加熱速率10 ℃/min，加熱范圍20～600 ℃，動態惰性氮氣氣氛（75 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，用高分辨率場發射掃描電子顯微鏡放大10000倍和20000倍，觀察SDF的微觀結構。

1.6 原子力顯微鏡

將質量濃度均為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SDF樣品進行觀測。彈力的常數是設定為0.12 N/m。

1.7 統計分析

所有試驗平行做3次。數據采用方差分析和SPSS軟件（SPSS 16.0）進行分析。

2 結果和討論

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，不僅吸收營養物質，也包含毒素[16]。因此采用模擬小腸環境在體外測定白芍根、莖、葉中SDF對有毒離子、膽汁酸鹽和脂肪的吸收能力（表1）。

由表1得出，對于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與有毒離子的結合能力取決于化學（酚基和羧基）、物理（范德華力）和機械吸附（SDF的孔隙率和空間結構）[17]。因此，白芍中的SDF在化學、物理和結構性質上的差異導致對有毒離子有不同吸附能力。

表1 SDF生物活性測定結果

白芍SDF對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；牛磺膽酸鈉的吸附量為64.2～126.2 mg/g。PSSDF對膽汁酸鹽吸附值最高，其次是PRSDF和PLSDF。此外，在3 h吸附過程中，SDF的吸附值依次為牛磺膽酸鈉＞糖膽酸鈉＞膽酸鈉。采用SPSS軟件進行方差分析得出PRSDF、PSSDF和PLSDF對膽汁酸鹽的吸附有顯著性差異（p＜0.05）。

從SDF的脂肪吸附值數據中得出，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）。總體白芍SDF脂肪吸附值高于商業豌豆纖維中的含量（1.22～1.34 g）[11]。

總之，白芍對有毒離子、膽汁酸鹽和脂肪有較強的吸附能力。PSSDF對有毒離子和膽汁酸鹽的吸收優于PRSDF和PLSDF，但對脂肪的吸收能力較弱。

2.2 SDF的熱力學性能

在吸熱或放熱過程中，TG和DSC有助于提供材料的熱力學信息，包括溫度、焓和質量變化[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個降解峰為水釋放過程（60～120 ℃）和SDF降解過程（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個峰。在釋水過程中，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與水的化學結合。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熱力學分析圖

此外，SDF的主要失重發生在SDF降解過程中。PLSDF，PRSDF和PSSDF的變化質量分數分別為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，后者并不相對很容易被降解。除了PLSDF中存在葉綠素外，其原因還可通過SDF的單糖組成不同來解釋[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，還有不規則表面。不規則的、可膨脹的和多孔的形態可以解釋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PRSDF和PSSDF的不規則結構可能更有助于結合這些有毒化合物。

圖2 白芍的根、莖和葉SDF掃描電鏡圖

2.4 原子力顯微鏡

AFM是材料分析中一個非常強大的微觀觀察工具。氣體、液體和固體樣品的表面結構都可以用AFM表征，并被用于分析膳食纖維的分子結構[16]。由圖3白芍SDF的AFM圖像和三維（3D）圖像得出，從波動、小溝槽和駝峰的角度出發，PRSDF與PSSDF表面相似，但PSSDF的波動大，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的波動量大于PRSDF和PSSDF。不同尺寸和表面之間的SDF可能導致膳食纖維功能特性的差異[14-15]，結合2.1的試驗結果得出PSSDF粗糙的表面相對容易與水、脂肪、有毒離子和膽汁酸鹽結合。

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行，加熱溫度在250～300℃，相比傳統卷煙，能降低煙氣中大多數有害成分。HNB煙芯材料主要有顆粒型和再造煙葉兩大類。

2.5.1 白芍可溶性膳食纖維添加量對再造煙葉的物理性能的影響

加入適當的外加纖維對再造煙葉的物理性能至關重要。添加量過低時，會使再造煙葉無法完成抄造；添加量過高時，可能引入雜氣而影響再造煙葉的內在質量。因此，必須控制外加纖維添加量在一定范圍之內。

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

圖4 白芍可溶性膳食纖維添加量對再造煙葉物理性能的影響

2.5.2 白芍可溶性膳食纖維對再造煙葉的物理性能指標的表征

將添加22%（按照2.5.1得出的結論）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，可代替傳統的木漿或麻漿纖維應用在再造煙葉中。

表2 PSDF再造煙葉物理指標

2.5.3 白芍可溶性膳食纖維對再造煙葉的內在品質評價

將PSDF制成的再造煙葉樣品分別切絲，制作成加熱卷煙（HNB），對其在加熱卷煙中的作用進行感官評價，評析結果見表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用效果好。白芍莖中芍藥苷和芍藥內酯苷的含量高于根和葉[19]，增強煙氣的細膩柔和程度，降低刺激，降低煙氣粗糙感等功效。感官評價結果與白芍可溶性膳食纖維毒性離子吸附能力和微觀表現等生物活性功能研究結果基本保持一致。

表3 PSDF再造煙葉評吸結果

3 結論

白芍的根、莖和葉部分的SDF具有相關的生物活性、熱力學特性及微觀特性。PSSDF具有較好的生物活性功能（有毒離子和膽汁酸鹽吸附），SDF的功能性質的差異可以通過不同的化學鍵和基團及形態特征來解釋。結果表明，PRSDF和PSSDF中的親水基團（—OH）與不規則、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，這些發現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，感官評吸再造煙葉的刺激性降低，煙氣細膩柔和程度有一定改善。試驗結果為再造煙葉行業尋找可替代性可溶性膳食纖維提供參考意義。