基于碳中和的葛根生物质资源高效转化与利用

柴 雄，柴哲明

（1.保龄宝生物股份有限公司，山东 德州 251200；2.中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）

0 引言

葛根是豆科蝶形花亚科葛属（PuerariaDC.）植物肥壮的根部或块状茎[1]。据调查，葛属多年生藤本植物在全世界分布约20 种，主要集中于亚洲东南部，在我国的分布约有9 种和2 个变种，我国除西藏自治区和新疆维吾尔自治区外，其他省份均有分布，其多样性尤以云、贵、川最为丰富[2-3]。葛的根系发达，多生长在山地荒滩，生长快，易栽培，具有抗寒、抗旱、耐瘠薄等生物学特性，在我国具有悠久的人工栽培历史，主要栽培区域分布在湖南省、江西省、广西壮族自治区、广东省和安徽省等，其中广西壮族自治区的人工葛种植面积达680.07 hm2（10 201 亩）[4-5]。作为联合国粮农组织预言的21 世纪第6 大主食，葛根生物质资源具有极大的发展潜力。

葛根被国家卫生健康委员会认定为药食同源植物，素有“北参南葛”之美称，其含有丰富的淀粉和葛根异黄酮类化合物，如湖南省农科院培育出的脱毒葛根品种“湘葛1 号”至“湘葛5 号”，其淀粉含量达到18.5%～26.5%，葛根异黄酮含量达到2.5%～6.0%[6-9]。葛根异黄酮类化合物主要生物活性成分为葛根素（Puerarin）、大 豆 甙（Daidzin ）、大 豆 甙 元（Daidzein）、和3'- 甲 氧 基 葛 根 素（3'-Methoxy Puerarin）等30 多种异黄酮类化合物[10]。葛根素具有改善心脑血管微循环、降低“三高”、保护神经细胞的功效，广泛应用在医学临床治疗冠心病、糖尿病及帕金森症；而大豆甙类化合物是天然的雌激素，对女性养颜具有一定的功效[11-13]。葛根保健食品、美容产品一直以来都深受日本以及东南亚地区消费者的青睐。

现阶段我国的葛根产业发展一直不温不火，制约产业发展的问题主要集中在3 个方面。①加工工艺技术路线落后，未能形成完整的产业链。如大部分企业从干葛根中提取异黄酮类物质时，放弃淀粉的提取，而从鲜葛根中提取淀粉时又未考虑清液中的异黄酮类物质及过滤出的葛根纤维，导致葛根生物质资源利用率低。②提取纯化技术落后，葛根产品的开发仍处于低端水平，生产的主要是葛根初级产品，精深加工能力不足。各企业开发的产品大同小异，主要集中于从葛根中提取淀粉，或者提取葛根异黄酮类粗品混合物，鲜有涉足药品、保健品、化妆品等精加工产品。③产品及工艺技术缺乏相应标准，没有形成完善的产业规范，葛根生物质资源综合利用率低，产品附加值低。葛根的饲用价值、生态价值、能源价值的综合开发利用尚未得到足够的关注和重视[14]。

葛根可大规模林间套种栽培，是云、贵山区石漠化治理成功的范例，如何实现林业“地下反哺地上”“藏粮于地”“藏粮于技”，在守好绿水青山的同时，把金山银山做得更大，是值得思考和解决的问题。“小葛根、大产业”，对葛根生物质资源的高效转化和利用的研究，是在我国产业格局全面升级背景下，突破固有粗放的发展思路，追求高效绿色发展的应有之义，也是响应“碳达峰”和“碳中和”战略的应时之举。本研究基于碳中和背景，对葛根主要组分转化和利用进行理论研究和工艺优化。

1 材料与方法

本研究借鉴传统淀粉“逆流洗涤湿磨”加工工艺、白酒酿造工艺和高效色谱分离（HPLC）工艺技术，对浸泡、分离、沉淀和提纯工艺条件进行优化，提出葛根生物质资源高效转化和利用的工艺技术路线[15]。该路线设计力求在贴近生产实际的情况下，实现模块化、高标准生产，助力“零排放”“碳中和”，做到可复制、可拓展。

1.1 原料

葛根原料分别选择生长于陕西省秦岭多年生野生葛根、江西省横峰县两年生“横葛2 号”、湖南省怀化市两年生“湘葛1 号”。在葛根特性研究方面，分别对以上3 种葛根原料进行切片观察和组分分析；在生产工艺验证方面，选择“横葛2 号”作为原料。

1.2 仪器与设备

①葛根浸泡罐。罐体材质为不锈钢或者玻璃钢，浸泡罐现场自制，罐体高径比为1.0∶（1.8～2.5）。②破碎设备。DPS5076 型锤片式破碎机，郑州精华实业有限公司生产，一破网板孔径为0.71 mm，二破网板孔径为0.38 mm。③离心筛。DLS100 型自卸料式卧螺离心筛，郑州精华实业有限公司生产，筛板规格为40 目。④主分离机。DPF800 型淀粉分离机，迈安德公司生产，分离因数≥5 000，喷嘴直径1.2 mm。⑤澄清离心机。DH500 型澄清离心机，瑞典阿法拉伐公司生产，主轴转速≥3 000 r/min，喷嘴直径0.8 mm。⑥浓缩设备。MVR-5-10 型低温五效降膜蒸发器，迈安德公司生产，蒸发温度≤65 °C，蒸发量10 t/h。⑦干燥设备。MYZQ6型负压气流干燥机，迈安德公司生产，进风初、中效净化。⑧色谱分离。SSMB 型连续高效液相色谱仪，上海兆光生物工程设计研究院生产。⑨物理变性。DGT1200型不锈钢单滚筒预糊化机，东台市食品机械有限公司生产，蒸汽内热式温控。⑩淀粉糊化特性测定。Brabender Viscogr-aph-E 型黏度计，德国Brabender 公司生产，转速0～150 r/min，测量范围0～700 cmg。

1.3 工艺路线与方法

工艺路线如图1 所示，具体方法分6 个步骤。

图1 葛根生物质资源高效转化利用工艺流程Fig.1 Efficient conversion and utilization process of Pueraria lobata biomass resources

（1）一般选择生长期2 年的鲜葛根（或者葛根干片），清洗祛除泥沙杂质，切片，切片厚度以0.5～1.0 cm 为宜，在32 °C 的3% 稀碱液中浸泡，调整pH值为8.0～8.5，浸泡24～36 h。依次通过一、二级锤片式破碎机破碎，使淀粉、粗纤维、蛋白质及异黄酮类物质充分游离。

（2）物料进入卧螺离心筛，分离出葛根粗纤维渣，葛渣经螺旋挤干机脱去游离水分干燥（含水率≤38%）。将高粱、酒曲等其他辅料粉碎至20 目以下，并将湿葛渣与辅料充分拌合、蒸料、摊凉，后入池发酵。成熟后的酒醅上甑，“混蒸串烧”蒸馏出酒，再经过老熟、勾兑后为葛酒。酒糟复配制成饲料，饲喂猪、牛等家畜，葛根粗纤维“吃干榨尽”后“过腹还田”，实现“碳中和”。

（3）去除粗纤维的葛根原浆进入主分离机，逐步调整主分离机转速达到3 200 r/min，转速稳定后调整进料喷嘴阀，检测细纤维及蛋白质的分离效果。物料经过离心分离后淀粉进入重相，而少量细纤维、蛋白质及葛根异黄酮类物质则留在轻相中。葛根淀粉精乳经过多级旋流器逆流洗涤，脱水为湿淀粉（含水率36%～40%），湿淀粉送入负压气流干燥系统，在150 °C 热风输送过程中，含水率在28 s 内降低至≤14%，最大限度地保存葛根异黄酮类物质活性。由于葛根淀粉不溶于水，这给实际应用带来了诸多不便，因此考虑对其进行改性，选择对葛根淀粉进行物理改性，即对葛根淀粉的α-化，采用滚筒预糊化技术，制成可溶性葛粉[16]。

（4）轻相物料加入5%稀醋酸，调整pH 值为6.8，并将物料送至澄清离心机，继续分离出葛根细小的纤维及蛋白质，脱水、干燥后制成活性膳食纤维，工艺水则进入后工序。

（5）葛根异黄酮类物质主要留在工艺水中，工艺水中葛根异黄酮总含量<1.0%，需要浓缩，采用五效降膜蒸发器（MVR），在低温条件下蒸发浓缩工艺水，至其中的葛根异黄酮类物质总含量≥5.0%，蒸发浓缩过程保持温度≤50 °C。然后，向浓缩液中加入乙醇，葛根异黄酮类物质从浓缩液中沉淀，从而得到葛根异黄酮粗品，将粗品过滤洗涤、脱色后，二次溶解，进入全自动连续高效液相色谱仪（HPLC），依次分离出葛根素，以及其他组分。

（6）针对葛根淀粉糊化流变特性的研究，采用Brabender 黏度曲线法，设置转子转速为75 r/min，具体测定流程如图2 所示。

图2 葛根淀粉糊化流变特性测定流程Fig.2 Determination process of gelatinization rheological properties of Pueraria lobata starch

2 结果与分析

2.1 葛根组分分析

切片观察野生葛木质化程度明显高于“湘葛1 号”和“横葛2 号”，而且葛根次生结构木栓层发达，淀粉主要分布在周皮以下、纤维素之间，黄酮类物质主要贮存在木栓内层薄壁组织中。对3 个葛根原料分别测定其淀粉、粗纤维、蛋白质及总黄酮类物质，结果如表1 所示。野生葛根的总黄酮类物质含最高，是“湘葛1 号”的1.7 倍、“横葛2 号”的2.2 倍，其粗纤维含量也最高。而人工培育栽培品种的淀粉平均含量达到24%，总黄酮类物质含量与野生葛相比略低，测定得到结果与葛根切片观察得到的纤维分布情况保持一致。

表1 葛根组分测定结果Tab.1 Determination results of Pueraria lobata components

对不同生长年限的葛根组分进行分析，发现其淀粉含量在第2 年达到峰值，以后随着生长期的延长，其淀粉含量略有下降，粗纤维和葛根总黄酮类物质则随着生长期的延长增加。考虑葛根种植的综合成本效益，认为在生长期的第2 年进行采收，其加工效益较高。

2.2 葛根淀粉糊化特性分析

对葛根淀粉糊化特性进行Brabender 黏度测定，测定结果如表2 和图3 所示。对Brabender 黏度曲线分析，得到曲线峰值黏度为510 BU，糊化温度为59.6 °C，尖峰表明淀粉颗粒晶态结构完整。在92 及30 °C 保持段，黏度曲线平坦，起伏变化很小，表明葛根粉的热糊及冷糊稳定性均比较好，葛根淀粉的老化返生不明显。该特性决定了葛根淀粉可塑性强，二次开发利用空间广阔。葛粉中葛根素含量高达55 mg/kg，高于葛根粉GB/T 30637−2014 优级品葛根素含量（≥40 mg/kg）指标。高品质的葛根淀粉是开发高档饮品、休闲食品及保健食品的前提和基础。

表2 葛根淀粉糊化黏度参数测定结果Tab.2 Determination results of gelatinization viscosity parameters of Pueraria lobata starch

图3 葛根淀粉糊化黏度曲线（Viscograph-E）Fig.3 Gelatinization viscosity curve of Pueraria lobata starch（Viscograph-E）

3 工艺特色

葛根生物质资源高效转化利用工艺设计，是集传统的淀粉提取工艺、酿酒工艺与现代高效的分离、浓缩、纯化设备相结合，融合目前先进的全自动连续高效液相色谱（HPLC）技术，进行的二次开发设计。在设计中，对浸泡工艺参数如浸泡时间、浸泡pH 值、浸泡温度等参数进行了优化，在保证葛根淀粉、粗纤维、蛋白质、葛根异黄酮类物质充分游离的同时，兼顾了后续分离提取的负荷。另外，采取两级破碎工艺，控制适度的破碎粒度（0.5±0.15）mm，在实现淀粉提取的同时，不至于产生过多的细纤维，进而增加葛根异黄酮的提纯压力。

本研究着眼全流程工艺优化，力求实现各组分在主副产品中的合理分布和流程负荷的均衡配置。如在葛根淀粉提取环节，传统的“精磨”工艺能实现淀粉的一次提取率达到其含粉量的90% 以上，葛渣淀粉含量<5%，但该工艺会造成葛根渣粗纤维中可发酵降解的碳水化合物含量偏低，导致在酿酒过程需要额外补充碳水化合物。优化后的淀粉提取工艺，对淀粉的一次提取率控制在75%，葛渣淀粉含量控制在8.5%～9.5%，淀粉的质量指标明显提升，同时葛根渣满足发酵酿酒工艺要求。从轻相中分离提取葛根膳食纤维是本研究提出的工艺创新点，这不仅降低了轻相中固形物的含量，减轻了异黄酮分离纯化的负荷，而且将传统生产工艺中丢弃的葛根膳食纤维“变废为宝”充分利用，进一步丰富了产品线，整个工艺流程设计提高了葛根原料的综合利用率和产品附加值。生产试验验证表明，部分工艺最优参数：浸泡pH 值为8.0～8.5，浸泡时间为（28±2）h，浸泡温度为32 °C，一破颗粒度为0.65 mm，二破颗粒度为0.35 mm，葛根渣淀粉含量为9%±1%，主分离机出料比重相为15%、轻相为85%，葛根淀粉干燥减量≤14%，可溶性葛粉干燥减量≤9%，MVR 浓缩温度≤50 °C。

葛根生物质资源高效转化利用工艺设计，使葛根产品的总收率达到98.5%，异黄酮提取率达到85%以上，葛根素（8-β-D-葡萄吡喃糖-4',7-二羟基异黄酮）纯度达到96.0%，葛根粉质量指标达到食用葛根粉（GB/T 30637−2014）优级品标准。由于葛根粉不溶于水，无法满足很多应用场景，同时也考虑食品安全问题，本研究提出采用物理热处理改性的方法，使葛根淀粉α-化，制成冷水可溶性葛粉，以满足葛粉产品研发的各种应用场景。

作为副产物的葛酒，色泽微黄、酒体丰满，葛根素含量≥100 μg/mL，具有较高的市场接受度[17]。经测算，本工艺每加工7.5 t 葛根，可产出1 t（50%vol）葛酒，年可产葛酒20 万t。据中国酒业协会统计，2020 年全国白酒消费约741 万t，葛酒每年可节约白酒发酵2.7%的粮食消耗，约节省商品粮70 万t，这对我国的粮食安全具有十分重要的意义。

4 结束语

本研究就葛根主要组分转化和利用进行了理论研究和工艺优化，但仅有部分内容得到应用实证，仍需在丰富的应用场景中不断优化、完善。葛根异黄酮类物质种类有30 余种，结构十分复杂，对其性质及用途的认知还十分有限，目前能够实现HPLC 分离提纯的葛根异黄酮类物质也仅有十几种，还需要科研工作者进行长期的攻关与努力。

目前，进行葛根加工的企业普遍规模较小，工艺设备落后，而且加工分散、技术力量薄弱，缺乏相应的龙头企业引领。同时，葛酒及可溶性葛粉等产品缺乏相应的国家标准，实现工艺、设备、产品标准化仍有较长的路要走。

随着人们生活水平的不断提高，多元化、个性化需求成为主流，人们追求健康、高品质生活的诉求将极大推动葛根产品精深加工技术的发展。同时，伴随着葛根异黄酮类化合物分析、提纯和功能研究不断深入，以及超临界萃取（SFE）技术、高效色谱分离（HPLC）技术在农林产品深加工领域的广泛应用，葛根深加工产业将在破除技术瓶颈的同时迎来全新的发展机遇期。