葛根纤维的提取、特性表征及应用研究进展

苏福联，郑 敏，黄东海，李 宇，廖璐婧，罗 凯，何美军

（1.湖北民族大学生物科学与技术学院，湖北恩施 445000；2.湖北省农业科学院中药材研究所，湖北恩施 445000；3.农业农村部中药材生物学与栽培重点实验室，武汉 430000；4.湖北省中药材研发中心，武汉 430000）

葛根是豆科植物葛［Pueraria montana（Loureiro）Merrill］的根［1］，块根硕大，含有丰富的化学成分，素有“亚洲人参”的美誉，在中国具有悠久的历史。葛根在中国生长总面积达40 万hm2，年产量在150 万t 以上［2］。在葛根的生产加工中会产生大量的葛渣废弃物，纤维含量高达59 %左右［3］。纤维素在人体健康中具有维持肠道菌群平衡、调节血脂、预防传染病和呼吸系统疾病［4］等作用，同时其在材料［5］、锂电池［6］、医药卫生［7］和纺织等方面的应用也较为广泛，对葛根纤维进行开发应用有很大的潜在价值。在葛根的研究中不乏与葛根纤维相关的研究成果，但还没有系统的报道葛根纤维研究状况的文献。本研究介绍葛根纤维的提取、特性表征及应用的研究进展，为推动葛根纤维的开发应用奠定基础。

1 葛根纤维的提取

提取的葛根纤维主要有粗纤维［8］、膳食纤维［9］和纳米纤维，粗纤维是包含膳食纤维和纳米纤维的混合纤维，膳食纤维则可分为可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF），纳米纤维直径可达纳米级。葛根纤维提取方法有化学提取法、生物提取法［10］和联合提取法等，化学提取法更加普遍，生物提取法在环境保护中更具优势，而联合提取是采用微波、超声和高压等新兴技术辅助提取［11］，以提高纤维得率达到更好的提取效果。要充分发挥葛根纤维的潜在价值，后续在提取技术上还需进一步深入研究。

1.1 粗纤维提取

1.1.1 化学提取法 彭大钊［12］以葛渣为原料，采用NaClO2和NaOH 联合提取葛根粗纤维，将葛渣依次经质量分数4%NaClO2（100 ℃）、质量分数15%NaOH（80 ℃）冷凝回流2 次，每次回流2 h，葛根粗纤维得率为59%。张如全等［12］采用NaOH 与H2O2混合脱胶提取葛根粗纤维，将预处理后的葛渣在95 ℃下与质量分数6%NaOH 和质量分数3%H2O2混合，浴比1∶50，煮练3 h，残胶率降至8.47%。化学提取法主要是以碱法为主，在此基础上加入其他化学试剂进行提取。化学提取法产生的废液对环境污染大，治理废水的经济成本高，且提取物可能会有化学试剂的残留，但该方法可以提高葛根粗纤维得率和降低残胶率，且试剂成本低，操作步骤简单，综合考量化学提取法适合经济效益高的工业作业。

1.1.2 物理化学联合提取法 Zhang 等［13］采用超声辅助碱氧化工艺提取，将葛渣与质量分数5%NaOH和质量分数4%H2O2混合，浴比1∶15，煮练0.5 h，95 ℃，再进行超声2.5 h，残胶率为10.47%；Song等［14］以葛根皮为原料，采用蒸汽爆炸与化学脱胶法提取粗纤维，将葛根皮在1.0 MPa 的蒸汽发生器中，保留10 min，将产生爆炸效果的葛根皮在100 ℃10 g/L NaOH 溶液下处理4 h，每2 h 更新1 次碱液，残胶率为3.34%。以纤维残胶率为提取指标，添加氧化剂H2O2提取的纤维残胶率比不添加的残胶率高，可能是H2O2在高温条件下部分分解成水和氧气，不仅使自身浓度降低，还导致NaOH 浓度降低，使纤维表皮的胶质去除不充分，也可能是高压条件下更有利于纤维表皮胶质的炸裂去除。刘洋洋等［15］采用硫酸和超声波联合提取，将葛渣在1 g/L 的硫酸溶液中浸泡1 h，再经超声波脱胶，之后进行酸洗、水洗、脱水和自然风干，粗纤维得率为40.78%。将物理与化学的方法联合，扩展了葛根纤维提取方法的途径，且将高压引入葛根纤维提取，能够显著降低残胶率，在工业应用中有巨大的潜力。

1.1.3 物理生物联合提取法 Li 等［16］以葛根皮为原料，采用蒸汽爆炸和漆酶介质体系提取，将浸泡过的葛根皮，在饱和蒸气压加热到180 ℃以下，保留10 min，再由漆酶介质体系以50 ℃、130 r/min 的摇瓶中反应18 h，粗纤维得率为69.27%，该工艺粗纤维得率较高，但消耗的时间较长，在实际生产中可行性较低，要想增加此工艺的可行性就要探究新的方法，达到缩短时间的同时还不减少纤维得率的目的。物理生物联合法为葛根纤维提取方法打开新思路的同时，也为其他植物纤维的酶法提取提供新的参考方向。

1.2 膳食纤维提取

1.2.1 氧化提取法 梅新等［17］采用H2O2法对葛渣进行提取，提高了SDF 的得率，争强了IDF 的膨胀力。在该方法中H2O2作氧化剂可能对葛根膳食纤维分子中的基团进行了修饰，使IDF 的分子结构发生变化，从而导致IDF 膨胀力增强，此方法可推动膳食纤维定向提取的发展进程。

1.2.2 酶法提取 蔡沙等［18］以葛渣为原料，先后加入耐热型α-淀粉酶、蛋白酶溶液和糖化酶，分别反应30 min，调节pH 至适当值，制得膳食纤维得率为39.54 %，SDF 得率为15.6%；钟海雁等［19］以岳阳野葛、张家界野葛等为原料，加入质量分数0.2%混合的α-淀粉酶与糖化酶（1∶2），反应80 min，水洗涤至中性，加入质量分数0.4%的蛋白酶，反应60 min，2 种野葛膳食纤维得率分别是78.41%和76.34%。虽然都采用酶法制备膳食纤维，但是选择的原料、试验流程和反应时间等条件都不同，导致膳食纤维的得率相差较大。混合酶的吸附能力比单酶的强［20］，使纤维表面大部分的淀粉、多糖和胶质等物质被吸附除去，膳食纤维暴露面增大，得率也随之增大。龙伟［21］将葛渣经纤维素酶-超声处理，增强了膳食纤维的持水性、持油性、膨胀性和阳离子交换能力。酶法制备膳食纤维对环境友好、操作简单，但酶的价格偏高，增加了工艺成本，在此基础上深入探究降低成本的酶法制备膳食纤维的工艺，还可深入专研超声增强膳食纤维物理特性的基理。

1.2.3 真菌发酵提取法 王岩岩等［22］以葛渣为原料，选取8 种药用真菌对葛渣进行发酵降解，在葛渣固体培养基中，药用真菌接种量为质量分数10%，25 ℃发酵7 d，其中DS1（裂摺菌）的降解效果最好，IDF 得率为71.3%，SDF 得率为2.1%，可能是真菌发酵能够降解木质素和半纤维素［23］使SDF 得率降低，而IDF 得率较高。王宏勋等［24］选取药用真菌B 对葛渣进行发酵降解，结果显示降解后葛渣中SDF 含量增加1 倍，达到13.6%、膨胀力增加10.5 倍，达到4.2 mL/g、持水力增加1.7 倍，达到2.80 g/g。真菌发酵法操作简单，且产物天然无污染，但真菌发酵降解的产物不明确且菌种的选择相对单一，可深入探究具有发酵制备葛根纤维能力的菌株，优化发酵降解工艺，使葛根真菌发酵提取法多元化。

1.3 纳米纤维提取

彭大钊［3］采用草酸、磷酸-草酸混合酸分别制备草酸纳米纤维晶（Oxalate Cellulose Nanocrystalline，O-CNC）和磷酸纳米纤维晶（Phosphate-Oxalate Cellulose Nanocrystalline，PO-CNC），结果表明在草酸质量分数60%，磷酸-草酸-水（30 mL∶40 g∶15 mL）的条件下，O-CNC 的产率为30%，PO-CNC 产率为67%。O-CNC 的产率最低而PO-CNC 产率最高，原因可能是质量分数60%的草酸酸性强度还不能使大部分纤维素链上的羟基与草酸的羧基发生羧化反应［25］，导致水解不足，产率低；磷酸-草酸混合酸因加入了磷酸，溶液酸性增强，羧化反应也更加剧烈，水解充分，产率也更高，且PO-CNC 长度更加均匀。

2 葛根纤维的特性表征

葛根纤维属于天然植物纤维，其特性研究与其他植物纤维的特性研究有一定的共性，由于葛根纤维的研究处于初级阶段，其特性表征主要从显微结构特征、主要官能团、物理特性和功能特性等方面开展相关研究。可以运用多种分析方法，如光学显微观察（Optical microscopy，OM）、电镜分析（Scanning electron microscope，SEM）、傅里叶红外光谱分析（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR）、X 射线衍射分析（X-ray diffraction analysis，XRD）、热重分析（Thermo gravimetric，TG）、差热重量分析（Differential thermal gravimetric，DTG）等［26-28］，使葛根纤维以不同的角度展现。

2.1 显微结构特征

葛根纤维的显微结构特征通常采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜和原子力显微镜等仪器进行扫描。通过电镜直接扫描葛根纤维的显微结构特征，将其以图像的形式展现出来，直观显示出葛根纤维是典型的木质纤维结构，表面平整且线条流畅，大量的纤维黏结在一起成束状，整体呈现长直条形态，排列均匀，在其表面还有淀粉、蛋白质等其他大分子物质成不规则块状（图1）。在葛根纤维的研究过程中，电镜扫描的方法是表征其显微结构特征的手段，将透射电镜和原子力显微镜等应用到葛根纤维的显微结构表征中，能够进一步认识葛根纤维的表皮和内部的形貌特征［13］。

2.2 主要官能团

葛根纤维的分子构成测定可参考其他原料纤维的结构测定，由其固态、液态或气态的形式可选择不同的分析方法，如傅里叶变换红外光谱法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FT-IR）、高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、UV 分光光度计（Ultraviolet，UV）、气相色谱-质谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometer，GCMS 和IR（Infrared Rays，IR）等方法进行科学分析。葛根粗纤维分子构成测定主要是采用固态样品进行FT-IR 分析测定。高晓路［29］以超声辅助碱法脱胶制得葛根纤维，采用FT-IR 分析，发现葛根纤维主要官能团有糖苷键、羰基、亚甲基、甲基和羟基，且脱胶前后的红外图谱中主要特征吸收峰基本相符，表明该方法脱胶处理并没有破坏主要官能团。彭大钊等［32］将未经处理的葛渣、经NaClO2处理的葛渣和经NaClO2-NaOH处理的葛渣进行FT-IR对比分析测定，发现所有样品的透射峰主要出现在700～1 800 cm-1和2 700～3 500 cm-1，且葛渣和经NaClO2处理的葛渣还存在大量半纤维素和木质素，但经NaClO2-NaOH处理的葛渣，其半纤维素和木质素得到有效去除。原因可能是NaOH 通过降解纤维中的酯类和糖苷的侧链，引起木质素结构变化、半纤维素溶解、纤维素膨胀和脱结晶，纤维中的压力迅速下降［31］，半纤维素和木质素得以去除；NaClO2在氧化过程中主要是破坏原纤维中木质素和其他胶质成分，对纤维的破坏程度不大，半纤维素和木质素去除不充分。葛根纤维主要官能团已测定清除，但是葛根纤维分子间的链接方式、空间结构等尚不明了，今后可进行相关研究，从而完善葛根纤维分子的构成。

2.3 物理特性

因葛根纤维有良好的加工特性，对其进行科学的物理特性分析，在实际生产应用中具有重要的研究意义。已测定的葛根纤维物理特性见表1。将葛根纤维与棉花纤维的物理特性进行对比分析，发现葛根纤维长度比棉花纤维长0.17 mm［32］，其他特性优势不明显。膨胀力是判定膳食纤维质量的关键性指标，因膳食纤维经口腔进入胃的过程中会吸收大量的水分使其膨胀，能有效减少食欲，促进肠胃的蠕动。李梦楚等［33］考查了复合酶添加比例、复合酶添加总量、酶解时间和酶解温度对葛根膳食纤维膨胀力的影响，其中复合酶添加总量对膨胀力的影响较大。在葛根纤维物理特性研究中还可以进行纤维细度、成熟度、色度、黏结力和毛粒等性能测定，为葛根纤维的开发应用建立基础，在此基础上可探究出环保、低能且高效的方法增强其物理特性，以拓宽市场。

2.4 功能特性

纤维低聚糖具有良好的活性功能，由2～10 个葡萄糖分子构成线性寡糖，对人体健康具有较高的效益，能降低泌尿生殖系统感染的风险，缓解便秘，减少腹泻，促进铁、钙和镁的吸收，对肥胖症和肿瘤具有抗性作用［38］。王朋凯等［39］建立了HPLC-ELSD法检测葛根纤维低聚糖，浓度在0.07～0.70 mg/mL 内出峰。刘胜男等［40］用酶法提取的葛渣膳食纤维，经HPAEC-PAD 测得低聚糖主要包含葡萄糖、纤维二糖和纤维三糖。Heinritz 等［41］以纤维二糖作为猪粪便微生物生长中的碳源，增加了微生物的气体产量即代谢活性增强，同时降低了氨、胺和酰胺等有害物质的产生，实现了从蛋白质发酵到碳水化合物发酵的理想转变。Suzuki等［42］添加纤维素三糖培养黄孢子菌，增加了菌中几个纤维素降解基因的转录水平，且不同的纤维素降解基因对这些低聚糖的转录反应不同。纤维低聚糖有巨大的应用价值，能将葛根纤维应用与低聚糖的开发，不仅扩大了葛根市场，还促进了葛根纤维的发展。

3 葛根纤维的应用

葛根纤维资源丰富，具有良好的物理性能和功能特性，在材料、造纸和食品等方面都有巨大的应用价值。

3.1 材料领域的应用

Luo 等［43］将葛根纤维应用在聚丙烯复合材料中，增强复合材料的力学性能，以马来酸酐接枝聚丙烯（Maleic anhydride polypropylene，MAPP）增强葛根纤维与聚丙烯基体间的黏附性，使葛根纤维-聚丙烯复合材料的抗拉模量和抗拉强度分别增加了24%和54%。纳米纤维直径小，密度大，纤维的机械强度显著提高［44］；Bangar 等［45］添加5%葛根纳米纤维，使淀粉基生物纳米复合膜张立强度从3.25 MPa 提高到13.2 MPa，显著增强淀粉基生物纳米复合膜强度；王占红等［46］为增加聚乳酸全降解塑料薄膜的强度，以葛根纳米纤维作增强材料，成功研制出葛根纳米纤维素纤维-聚乳酸塑料薄膜，拉伸强度可达70 MPa。宋娜等［47］将葛根纤维与纳米银结合，成功制作出具有良好止血、抗菌等性能的纳米银-葛根纤维辅料，可能是纳米银与纤维形成氢键，对细菌的细胞膜造成损伤，使细胞塌陷［48］，从而起到良好的抑菌作用；杨宁等［49］对葛渣的纺织材料进行了分析，结果表明葛渣的纤维素脂蜡质含量较高，手感柔软，是良好的纺织材料。

3.2 造纸领域的应用

葛根纤维因有直径长、抗拉强度大的细纤维，是一种比普通的木浆更有价值、更便宜的造纸原料［50］。Lee 等［51］将葛根纤维浆添加到造纸原料中，可以加速牛皮纸的褪色，可以成为生产具有特殊功能纸张的次要资源。

3.3 食品领域的应用

葛根纤维表面富含蛋白质、淀粉和多糖等物质，营养丰富。刘胜男［52］在制作葛根全粉时，添加经过酶解的葛根纤维，丰富了葛根全粉中的低聚糖含量，增加了其营养价值，也更易被人体吸收。保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌和青春双歧杆菌对酸奶起到丰富有益菌和增加发酵风味物质的作用，其培养条件也一直在优化中。张雁等［53］用葛根膳食纤维酶解的低聚糖作为培养保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌及青春双歧杆菌的培养基碳源，使保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌及青春双歧杆菌活菌数较常规培养基分别提高123%、124%和146%。

4 小结

葛根是重要的药用和食用植物，在经济社会发展中具有重要价值，也一直是研究热点，如葛根粗纤维的提取分离工艺、结构的表征；葛根膳食纤维的制备、特性研究和酶法制备低聚糖；葛根纳米纤维的特性研究等都取得了较大的进展。但对整个葛根纤维体系的研究尚处在基础阶段，还存在许多亟待探索的问题。今后葛根纤维探究方向包括建立绿色提取分离工艺、活性探究；葛根膳食纤维的食品研发和对肠道菌群的影响；葛根纳米纤维的新型制备方法、改性、表征及新型材料的应用等方面开展深入研究。