葛根纖維的提取、特性表征及應用研究進展

蘇福聯，鄭 敏，黃東海，李 宇，廖璐婧，羅 凱，何美軍

（1.湖北民族大學生物科學與技術學院，湖北恩施 445000；2.湖北省農業科學院中藥材研究所，湖北恩施 445000；3.農業農村部中藥材生物學與栽培重點實驗室，武漢 430000；4.湖北省中藥材研發中心，武漢 430000）

葛根是豆科植物葛［Pueraria montana（Loureiro）Merrill］的根［1］，塊根碩大，含有豐富的化學成分，素有“亞洲人參”的美譽，在中國具有悠久的歷史。葛根在中國生長總面積達40 萬hm2，年產量在150 萬t 以上［2］。在葛根的生產加工中會產生大量的葛渣廢棄物，纖維含量高達59 %左右［3］。纖維素在人體健康中具有維持腸道菌群平衡、調節血脂、預防傳染病和呼吸系統疾病［4］等作用，同時其在材料［5］、鋰電池［6］、醫藥衛生［7］和紡織等方面的應用也較為廣泛，對葛根纖維進行開發應用有很大的潛在價值。在葛根的研究中不乏與葛根纖維相關的研究成果，但還沒有系統的報道葛根纖維研究狀況的文獻。本研究介紹葛根纖維的提取、特性表征及應用的研究進展，為推動葛根纖維的開發應用奠定基礎。

1 葛根纖維的提取

提取的葛根纖維主要有粗纖維［8］、膳食纖維［9］和納米纖維，粗纖維是包含膳食纖維和納米纖維的混合纖維，膳食纖維則可分為可溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF），納米纖維直徑可達納米級。葛根纖維提取方法有化學提取法、生物提取法［10］和聯合提取法等，化學提取法更加普遍，生物提取法在環境保護中更具優勢，而聯合提取是采用微波、超聲和高壓等新興技術輔助提?。?1］，以提高纖維得率達到更好的提取效果。要充分發揮葛根纖維的潛在價值，后續在提取技術上還需進一步深入研究。

1.1 粗纖維提取

1.1.1 化學提取法 彭大釗［12］以葛渣為原料，采用NaClO2和NaOH 聯合提取葛根粗纖維，將葛渣依次經質量分數4%NaClO2（100 ℃）、質量分數15%NaOH（80 ℃）冷凝回流2 次，每次回流2 h，葛根粗纖維得率為59%。張如全等［12］采用NaOH 與H2O2混合脫膠提取葛根粗纖維，將預處理后的葛渣在95 ℃下與質量分數6%NaOH 和質量分數3%H2O2混合，浴比1∶50，煮練3 h，殘膠率降至8.47%?；瘜W提取法主要是以堿法為主，在此基礎上加入其他化學試劑進行提取?；瘜W提取法產生的廢液對環境污染大，治理廢水的經濟成本高，且提取物可能會有化學試劑的殘留，但該方法可以提高葛根粗纖維得率和降低殘膠率，且試劑成本低，操作步驟簡單，綜合考量化學提取法適合經濟效益高的工業作業。

1.1.2 物理化學聯合提取法 Zhang 等［13］采用超聲輔助堿氧化工藝提取，將葛渣與質量分數5%NaOH和質量分數4%H2O2混合，浴比1∶15，煮練0.5 h，95 ℃，再進行超聲2.5 h，殘膠率為10.47%；Song等［14］以葛根皮為原料，采用蒸汽爆炸與化學脫膠法提取粗纖維，將葛根皮在1.0 MPa 的蒸汽發生器中，保留10 min，將產生爆炸效果的葛根皮在100 ℃10 g/L NaOH 溶液下處理4 h，每2 h 更新1 次堿液，殘膠率為3.34%。以纖維殘膠率為提取指標，添加氧化劑H2O2提取的纖維殘膠率比不添加的殘膠率高，可能是H2O2在高溫條件下部分分解成水和氧氣，不僅使自身濃度降低，還導致NaOH 濃度降低，使纖維表皮的膠質去除不充分，也可能是高壓條件下更有利于纖維表皮膠質的炸裂去除。劉洋洋等［15］采用硫酸和超聲波聯合提取，將葛渣在1 g/L 的硫酸溶液中浸泡1 h，再經超聲波脫膠，之后進行酸洗、水洗、脫水和自然風干，粗纖維得率為40.78%。將物理與化學的方法聯合，擴展了葛根纖維提取方法的途徑，且將高壓引入葛根纖維提取，能夠顯著降低殘膠率，在工業應用中有巨大的潛力。

1.1.3 物理生物聯合提取法 Li 等［16］以葛根皮為原料，采用蒸汽爆炸和漆酶介質體系提取，將浸泡過的葛根皮，在飽和蒸氣壓加熱到180 ℃以下，保留10 min，再由漆酶介質體系以50 ℃、130 r/min 的搖瓶中反應18 h，粗纖維得率為69.27%，該工藝粗纖維得率較高，但消耗的時間較長，在實際生產中可行性較低，要想增加此工藝的可行性就要探究新的方法，達到縮短時間的同時還不減少纖維得率的目的。物理生物聯合法為葛根纖維提取方法打開新思路的同時，也為其他植物纖維的酶法提取提供新的參考方向。

1.2 膳食纖維提取

1.2.1 氧化提取法 梅新等［17］采用H2O2法對葛渣進行提取，提高了SDF 的得率，爭強了IDF 的膨脹力。在該方法中H2O2作氧化劑可能對葛根膳食纖維分子中的基團進行了修飾，使IDF 的分子結構發生變化，從而導致IDF 膨脹力增強，此方法可推動膳食纖維定向提取的發展進程。

1.2.2 酶法提取 蔡沙等［18］以葛渣為原料，先后加入耐熱型α-淀粉酶、蛋白酶溶液和糖化酶，分別反應30 min，調節pH 至適當值，制得膳食纖維得率為39.54 %，SDF 得率為15.6%；鐘海雁等［19］以岳陽野葛、張家界野葛等為原料，加入質量分數0.2%混合的α-淀粉酶與糖化酶（1∶2），反應80 min，水洗滌至中性，加入質量分數0.4%的蛋白酶，反應60 min，2 種野葛膳食纖維得率分別是78.41%和76.34%。雖然都采用酶法制備膳食纖維，但是選擇的原料、試驗流程和反應時間等條件都不同，導致膳食纖維的得率相差較大?；旌厦傅奈侥芰Ρ葐蚊傅膹姡?0］，使纖維表面大部分的淀粉、多糖和膠質等物質被吸附除去，膳食纖維暴露面增大，得率也隨之增大。龍偉［21］將葛渣經纖維素酶-超聲處理，增強了膳食纖維的持水性、持油性、膨脹性和陽離子交換能力。酶法制備膳食纖維對環境友好、操作簡單，但酶的價格偏高，增加了工藝成本，在此基礎上深入探究降低成本的酶法制備膳食纖維的工藝，還可深入專研超聲增強膳食纖維物理特性的基理。

1.2.3 真菌發酵提取法 王巖巖等［22］以葛渣為原料，選取8 種藥用真菌對葛渣進行發酵降解，在葛渣固體培養基中，藥用真菌接種量為質量分數10%，25 ℃發酵7 d，其中DS1（裂摺菌）的降解效果最好，IDF 得率為71.3%，SDF 得率為2.1%，可能是真菌發酵能夠降解木質素和半纖維素［23］使SDF 得率降低，而IDF 得率較高。王宏勛等［24］選取藥用真菌B 對葛渣進行發酵降解，結果顯示降解后葛渣中SDF 含量增加1 倍，達到13.6%、膨脹力增加10.5 倍，達到4.2 mL/g、持水力增加1.7 倍，達到2.80 g/g。真菌發酵法操作簡單，且產物天然無污染，但真菌發酵降解的產物不明確且菌種的選擇相對單一，可深入探究具有發酵制備葛根纖維能力的菌株，優化發酵降解工藝，使葛根真菌發酵提取法多元化。

1.3 納米纖維提取

彭大釗［3］采用草酸、磷酸-草酸混合酸分別制備草酸納米纖維晶（Oxalate Cellulose Nanocrystalline，O-CNC）和磷酸納米纖維晶（Phosphate-Oxalate Cellulose Nanocrystalline，PO-CNC），結果表明在草酸質量分數60%，磷酸-草酸-水（30 mL∶40 g∶15 mL）的條件下，O-CNC 的產率為30%，PO-CNC 產率為67%。O-CNC 的產率最低而PO-CNC 產率最高，原因可能是質量分數60%的草酸酸性強度還不能使大部分纖維素鏈上的羥基與草酸的羧基發生羧化反應［25］，導致水解不足，產率低；磷酸-草酸混合酸因加入了磷酸，溶液酸性增強，羧化反應也更加劇烈，水解充分，產率也更高，且PO-CNC 長度更加均勻。

2 葛根纖維的特性表征

葛根纖維屬于天然植物纖維，其特性研究與其他植物纖維的特性研究有一定的共性，由于葛根纖維的研究處于初級階段，其特性表征主要從顯微結構特征、主要官能團、物理特性和功能特性等方面開展相關研究。可以運用多種分析方法，如光學顯微觀察（Optical microscopy，OM）、電鏡分析（Scanning electron microscope，SEM）、傅里葉紅外光譜分析（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）、X 射線衍射分析（X-ray diffraction analysis，XRD）、熱重分析（Thermo gravimetric，TG）、差熱重量分析（Differential thermal gravimetric，DTG）等［26-28］，使葛根纖維以不同的角度展現。

2.1 顯微結構特征

葛根纖維的顯微結構特征通常采用光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡和原子力顯微鏡等儀器進行掃描。通過電鏡直接掃描葛根纖維的顯微結構特征，將其以圖像的形式展現出來，直觀顯示出葛根纖維是典型的木質纖維結構，表面平整且線條流暢，大量的纖維黏結在一起成束狀，整體呈現長直條形態，排列均勻，在其表面還有淀粉、蛋白質等其他大分子物質成不規則塊狀（圖1）。在葛根纖維的研究過程中，電鏡掃描的方法是表征其顯微結構特征的手段，將透射電鏡和原子力顯微鏡等應用到葛根纖維的顯微結構表征中，能夠進一步認識葛根纖維的表皮和內部的形貌特征［13］。

2.2 主要官能團

葛根纖維的分子構成測定可參考其他原料纖維的結構測定，由其固態、液態或氣態的形式可選擇不同的分析方法，如傅里葉變換紅外光譜法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FT-IR）、高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、UV 分光光度計（Ultraviolet，UV）、氣相色譜-質譜（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GCMS 和IR（Infrared Rays，IR）等方法進行科學分析。葛根粗纖維分子構成測定主要是采用固態樣品進行FT-IR 分析測定。高曉路［29］以超聲輔助堿法脫膠制得葛根纖維，采用FT-IR 分析，發現葛根纖維主要官能團有糖苷鍵、羰基、亞甲基、甲基和羥基，且脫膠前后的紅外圖譜中主要特征吸收峰基本相符，表明該方法脫膠處理并沒有破壞主要官能團。彭大釗等［32］將未經處理的葛渣、經NaClO2處理的葛渣和經NaClO2-NaOH處理的葛渣進行FT-IR對比分析測定，發現所有樣品的透射峰主要出現在700～1 800 cm-1和2 700～3 500 cm-1，且葛渣和經NaClO2處理的葛渣還存在大量半纖維素和木質素，但經NaClO2-NaOH處理的葛渣，其半纖維素和木質素得到有效去除。原因可能是NaOH 通過降解纖維中的酯類和糖苷的側鏈，引起木質素結構變化、半纖維素溶解、纖維素膨脹和脫結晶，纖維中的壓力迅速下降［31］，半纖維素和木質素得以去除；NaClO2在氧化過程中主要是破壞原纖維中木質素和其他膠質成分，對纖維的破壞程度不大，半纖維素和木質素去除不充分。葛根纖維主要官能團已測定清除，但是葛根纖維分子間的鏈接方式、空間結構等尚不明了，今后可進行相關研究，從而完善葛根纖維分子的構成。

2.3 物理特性

因葛根纖維有良好的加工特性，對其進行科學的物理特性分析，在實際生產應用中具有重要的研究意義。已測定的葛根纖維物理特性見表1。將葛根纖維與棉花纖維的物理特性進行對比分析，發現葛根纖維長度比棉花纖維長0.17 mm［32］，其他特性優勢不明顯。膨脹力是判定膳食纖維質量的關鍵性指標，因膳食纖維經口腔進入胃的過程中會吸收大量的水分使其膨脹，能有效減少食欲，促進腸胃的蠕動。李夢楚等［33］考查了復合酶添加比例、復合酶添加總量、酶解時間和酶解溫度對葛根膳食纖維膨脹力的影響，其中復合酶添加總量對膨脹力的影響較大。在葛根纖維物理特性研究中還可以進行纖維細度、成熟度、色度、黏結力和毛粒等性能測定，為葛根纖維的開發應用建立基礎，在此基礎上可探究出環保、低能且高效的方法增強其物理特性，以拓寬市場。

2.4 功能特性

纖維低聚糖具有良好的活性功能，由2～10 個葡萄糖分子構成線性寡糖，對人體健康具有較高的效益，能降低泌尿生殖系統感染的風險，緩解便秘，減少腹瀉，促進鐵、鈣和鎂的吸收，對肥胖癥和腫瘤具有抗性作用［38］。王朋凱等［39］建立了HPLC-ELSD法檢測葛根纖維低聚糖，濃度在0.07～0.70 mg/mL 內出峰。劉勝男等［40］用酶法提取的葛渣膳食纖維，經HPAEC-PAD 測得低聚糖主要包含葡萄糖、纖維二糖和纖維三糖。Heinritz 等［41］以纖維二糖作為豬糞便微生物生長中的碳源，增加了微生物的氣體產量即代謝活性增強，同時降低了氨、胺和酰胺等有害物質的產生，實現了從蛋白質發酵到碳水化合物發酵的理想轉變。Suzuki等［42］添加纖維素三糖培養黃孢子菌，增加了菌中幾個纖維素降解基因的轉錄水平，且不同的纖維素降解基因對這些低聚糖的轉錄反應不同。纖維低聚糖有巨大的應用價值，能將葛根纖維應用與低聚糖的開發，不僅擴大了葛根市場，還促進了葛根纖維的發展。

3 葛根纖維的應用

葛根纖維資源豐富，具有良好的物理性能和功能特性，在材料、造紙和食品等方面都有巨大的應用價值。

3.1 材料領域的應用

Luo 等［43］將葛根纖維應用在聚丙烯復合材料中，增強復合材料的力學性能，以馬來酸酐接枝聚丙烯（Maleic anhydride polypropylene，MAPP）增強葛根纖維與聚丙烯基體間的黏附性，使葛根纖維-聚丙烯復合材料的抗拉模量和抗拉強度分別增加了24%和54%。納米纖維直徑小，密度大，纖維的機械強度顯著提高［44］；Bangar 等［45］添加5%葛根納米纖維，使淀粉基生物納米復合膜張立強度從3.25 MPa 提高到13.2 MPa，顯著增強淀粉基生物納米復合膜強度；王占紅等［46］為增加聚乳酸全降解塑料薄膜的強度，以葛根納米纖維作增強材料，成功研制出葛根納米纖維素纖維-聚乳酸塑料薄膜，拉伸強度可達70 MPa。宋娜等［47］將葛根纖維與納米銀結合，成功制作出具有良好止血、抗菌等性能的納米銀-葛根纖維輔料，可能是納米銀與纖維形成氫鍵，對細菌的細胞膜造成損傷，使細胞塌陷［48］，從而起到良好的抑菌作用；楊寧等［49］對葛渣的紡織材料進行了分析，結果表明葛渣的纖維素脂蠟質含量較高，手感柔軟，是良好的紡織材料。

3.2 造紙領域的應用

葛根纖維因有直徑長、抗拉強度大的細纖維，是一種比普通的木漿更有價值、更便宜的造紙原料［50］。Lee 等［51］將葛根纖維漿添加到造紙原料中，可以加速牛皮紙的褪色，可以成為生產具有特殊功能紙張的次要資源。

3.3 食品領域的應用

葛根纖維表面富含蛋白質、淀粉和多糖等物質，營養豐富。劉勝男［52］在制作葛根全粉時，添加經過酶解的葛根纖維，豐富了葛根全粉中的低聚糖含量，增加了其營養價值，也更易被人體吸收。保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌和青春雙歧桿菌對酸奶起到豐富有益菌和增加發酵風味物質的作用，其培養條件也一直在優化中。張雁等［53］用葛根膳食纖維酶解的低聚糖作為培養保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌及青春雙歧桿菌的培養基碳源，使保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌及青春雙歧桿菌活菌數較常規培養基分別提高123%、124%和146%。

4 小結

葛根是重要的藥用和食用植物，在經濟社會發展中具有重要價值，也一直是研究熱點，如葛根粗纖維的提取分離工藝、結構的表征；葛根膳食纖維的制備、特性研究和酶法制備低聚糖；葛根納米纖維的特性研究等都取得了較大的進展。但對整個葛根纖維體系的研究尚處在基礎階段，還存在許多亟待探索的問題。今后葛根纖維探究方向包括建立綠色提取分離工藝、活性探究；葛根膳食纖維的食品研發和對腸道菌群的影響；葛根納米纖維的新型制備方法、改性、表征及新型材料的應用等方面開展深入研究。