川穹顆粒的功能性質研究及應用

黃正虹，陳勤怡

1. 貴州中煙工業有限責任公司技術中心（貴陽 550000）；2. 貴州大學釀酒與食品工程學院（貴陽 550005）

川芎（學名Ligusticum chuanxiongHort）主產于亞洲，我國的四川、云南、貴州等地均有廣泛種植，它被認為是一種傳統中草藥，被用作活血行氣劑、祛風止痛劑。事實上，從川芎中檢測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，莖、葉和根通常在茶袋、膠囊和藥酒中商業化。

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）和泡沫穩定性等物理化學功能。這些理化功能在煙草和食品等行業中至關重要，主要用于改善顏色、質地、持水能力（WHC）和新型煙草的煙草顆粒、水果、谷類和肉質品的凝膠能力[4-5]。

關于川芎纖維的研究報告較少。因此，試驗從川芎的根、莖、葉中用酶法提取纖維。測定它們的功能和熱學性能及化學成分和結構特征，旨在全面研究川芎中的纖維，并以感官評價的方法確定其在新型煙草的顆粒嘴棒中潛在應用價值。

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場農場）。根、莖和葉被分離，用自來水沖洗幾次。將清洗后的根、莖、葉切成小塊，在40 ℃烘箱中干燥24 h，將干燥后的產品磨成粉末，通過0.250 mm（60目）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、蛋白酶和淀粉苷酶（美國Sigma-Aldrich公司）；所有化學品（色譜或分析純，國藥試劑公司）。

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]。在燒杯中稱取1.0 g的川芎粉末，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將水解產物的調整到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，在真空旋轉蒸發系統中濃縮至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、葉中得到的纖維粉末分別命名為LRF、LSF和LLF。

1.3 川穹纖維的功能特性測定

1.3.1 持水能力（WHC）、持油能力（OHC）、溶脹能力（SC）測定

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

式中：W2和W分別為吸水質量和纖維質量，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，收集沉淀物并稱重。按式（2）計算OHC。

式中：V為吸附油體積，mL；W為川穹纖維質量，g。

將0.1 g川穹纖維加入刻度管中，與10 mL蒸餾水混合。混合物在4 ℃水解18 h。記錄水合川穹纖維的體積，按式（3）計算SC。

式中：V為水合川穹纖維體積，mL；W為川穹纖維質量，g。

1.3.2 乳化活性（EA）和乳液穩定性（ES）測定

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5 min。將混合物以1 200 r/min離心10 min，評估乳液體積。按式（4）計算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強力攪拌10 min。用在不同時間（0，0.5和1.0 h）下的泡沫體積來評價泡沫穩定性。

1.4 單糖分析

根據Ajila等[7]報道的改進方法，對川穹纖維的單糖組成進行分析。在100 ℃，2 mol/L TFA中水解5 mg川穹纖維，水解時間為3 h，用乙酸酐和吡啶將水解產物轉化為醛糖醇乙酸酯。在Agilent 7890-5875氣相色譜質譜儀中進行定量。化合物在DB-5MS毛細管柱上分離（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 ℃；質量檢測器條件：電子沖擊（EI）模式在70 eV；源溫度230 ℃；質量采集范圍30～500；1.0 mL/min氮氣為載氣。通過將保留時間和質譜分析結果與真實標準及NIST 11質譜庫中的質譜進行比較，對化合物進行鑒定。

1.5 傅里葉變換紅外光譜

在VERTEX-70FTIR（BrukerCo.，Karlsruhe，德國）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）稀釋預處理。

1.6 熱分析

采用同步DSC-TGA（Q600，美國TA儀器），同步進行熱分析（TG熱重法和DSC差示掃描量熱法）分析樣品熱變化情況。條件：內襯加熱速率10 ℃/min，加熱范圍20～600 ℃，動態惰性氮氣氣氛（75 mL/min），取5～10 mg樣品，以空白坩堝作為參照。

1.7 統計分析

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

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篩網的搖擺式制粒機中造粒；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結果如表1所示。LRF表現出最好的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]。這些發現說明川芎可能是新型煙草的顆粒嘴棒中更好的來源。

WHC、OHC和SCs與親水位點的數量和化學性質及纖維的結構和密度有關[4]。水分子一般插入纖維的空隙和親水位置。因此，川穹纖維表現出不同的WHC、OHC和SC值，這可能是由于不同的表面積和結構、極性基團的可用性或其他水結合位點的存在所致。

2.2 乳化活性（EA）和乳化穩定性（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，因為它意味著延緩膽汁酸在小腸中吸附的能力，從而導致肝臟膽固醇的降解，并進一步降低其在血液中的水平。因此，來自川芎中的纖維對人體健康可能更好。

表1 川穹纖維的理化性質

2.3 泡沫穩定性

泡沫穩定性是纖維的重要功能特性，因此在不同溶液中對川芎中的纖維進行評價。在0，0.5和1 h時，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。對于水溶液，LRF、LSF和LLF在0 h時的泡沫體積分別為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 纖維泡沫穩定性

對于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，LRF和LSF的泡沫穩定性優于LLF。食品泡沫的微觀結構、氣泡尺寸分布和界面性能影響泡沫的穩定性[9]，從而影響食品加工、儲存和產品處理。因此，川芎根莖中的纖維復合物可能有利于食品泡沫的穩定性。

2.4 單糖組成分析結果

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的情況下才檢測到阿拉伯糖。這些結果與先前的報告一致，即葡萄糖和半乳糖是蔬菜和水果纖維中的主要單糖，來源于纖維素和半纖維素[8]。結果表明，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上的差異。

表3 單糖組成表（以干基計） 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用于化合物的結構和官能團的檢測。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分子的結構信息，如化學鍵和基團。LRF的FTIR光譜與LSF相似，但與LLF的紅外光譜不同，說明它們之間化學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，在3 669 cm-1和3 689 cm-1處出現峰值；LLF的峰值很弱。因于C—H和H—C—H鍵的拉伸振動，在約2 900 cm-1處出現寬的強峰值。在LLF光譜中，一個廣闊的和強壯峰值在1 589 cm-1處出現，歸因于N—H鍵的彎曲振動，這可能是由于LLF中的葉綠素殘留。在1 624～1 735 cm-1范圍內的峰值，歸因于C＝O鍵的拉伸振動。與此同時，LRF在1 071 cm-1處出現強峰，而LSF出現在1 057 cm-1處，其原因是纖維的C—O拉伸振動[10]。

圖1 川芎的根、莖和葉纖維紅外光譜圖

研究結果顯示與來自芭蕉芋和燕麥麩纖維中相類似的化學基團[9,11]。此外，化學成分與功能性質有關，可用于解釋川穹纖維之間的不同功能性質。

2.6 川穹纖維在新型煙草的顆粒嘴棒中感官評價

2.6.1 川穹顆粒在新型煙草的顆粒嘴棒中發煙劑的研究

加熱卷煙是一種新型煙草制品。它是基于加熱蒸餾技術，而不是直接燃燒煙草物質，故需加入發煙劑來使用低溫的方式釋放煙草香味物質。常用的發煙劑主要有丙二醇和甘油等多元醇，故選擇合適的發煙劑種類和用量直接影響加熱卷煙的品質特征。研究結果表明（見表4），從煙氣量和濃度、香氣、勁頭等感官指標綜合考慮，選用復合結構，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，充盈感強和勁頭大等感官指標效果好。

表4 發煙劑種類和用量對加熱卷煙品質特征的影響

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），對其在新型煙草的顆粒嘴棒作用進行感官評價，評吸結果見表5。評吸結果表明，在新型煙草顆粒中添加川穹顆粒后，煙氣質感提升，充盈感和滿足感加強。特別是LRF在新型煙草的顆粒嘴棒中表現最好，效果最明顯。

表5 川穹纖維顆粒再造煙葉評吸結果

3 結論

川芎的根、莖和葉部分的纖維具有相關的功能特性。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的差異可以通過不同的化學鍵和基團以及形態特征來解釋。結果表明，LRF和LSF中的親水基團（—OH）與不規則、粗糙和多孔的表面耦合，改善川芎纖維的功能性能。在煙草顆粒中的應用，有提升煙氣質感，加強充盈感和滿足感等功效。因此，試驗結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。