甘薯膳食纖維的物化性質及其對體內外鉛離子清除能力的影響

張 毅，王洪云，鈕福祥，孫 健，徐 飛，朱 紅，岳瑞雪，張文婷

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所/中國農業科學院 甘薯研究所，江蘇 徐州 221131)

甘薯膳食纖維的物化性質及其對體內外鉛離子清除能力的影響

張 毅，王洪云，鈕福祥*，孫 健，徐 飛，朱 紅，岳瑞雪，張文婷

(江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所/中國農業科學院 甘薯研究所，江蘇 徐州 221131)

以徐薯32號和徐紫薯8號為材料，采用超聲輔助酶解法提取甘薯膳食纖，比較其組分、物化性質及鉛離子清除能力，為預防鉛中毒提供理論基礎和生物學證據。結果表明：徐紫薯8號膳食纖維樣品中總膳食纖維含量明顯高于徐薯32號，而前者可溶膳食纖維和不溶膳食纖維比值明顯低于后者。徐薯32號膳食纖維的持水性、持油性、膨脹性和葡萄糖吸收能力顯著高于徐紫薯8號膳食纖維。2種甘薯膳食纖維均具有較強的鉛吸收能力，并且中性條件下對鉛離子的吸附能力強于酸性條件下。徐薯32號膳食纖維具有較強的體外鉛離子的清除能力，而徐紫薯8號膳食纖維則對鉛中毒小鼠具有更強的體內鉛離子清除能力。

甘薯；膳食纖維；物化性質；鉛離子清除能力

甘薯(IpomoeabatatasLam)屬于旋花科甘薯屬，為一年生或多年生草本植物，具有高產、適應性廣、保健功能強等優點，是農業產業轉型升級、結構調整的優勢作物[1]。據聯合國糧農組織統計，我國甘薯總產量為0.71億噸，是全球最大的甘薯生產和消費國。隨著人們生活水平的不斷提高，食物攝入越來越精細化，導致肥胖癥、高血脂和糖尿病等慢性病發病率呈快速上升趨勢，其中膳食纖維的攝入量減少而導致的膳食營養不平衡是誘發這些現代文明病的主要原因[2]。甘薯營養成分豐富，薯塊一般含有8%的膳食纖維[3]，屬于高膳食纖維食物，被視為營養平衡的優質食物資源。

膳食纖維(DF)是指具有3個或以上單體鏈節的碳水化合物，主要由果膠類物質、纖維素、半纖維素和木質素組成，不能夠被人體小腸內源酶水解，但大腸中寄生的各種微生物可對其進行程度不同的分解發酵作用。DF具有多種重要的物化性質，如持水性、持油性、膨脹性、吸附性和陽離子交換能力等，此外還有諸多生理功能，如抑制肥胖、降血糖、降血脂和改善腸道菌群等，可用于預防和治療肥胖癥、糖尿病、心腦血管疾病以及腸道疾病等[4-6]，被營養學界補充認定為第七類營養素。

目前，人們的生活環境和部分食物已受到不同程度的鉛污染，鉛中毒已成為世界范圍內公害，特種行業(采礦、冶煉、蓄電池、金屬熱處理、焊接等)工作人員更是受到鉛中毒的嚴重威脅，以致成為鉛中毒職業病[7]。目前，排鉛藥物雖能起到一定治療作用，但效果不穩定、副作用明顯。DF能通過螯合、絡合或吸附作用在體內與鉛產生很強結合力，有效地阻止鉛在胃腸道的吸收，隨排泄物排出體外[8]。本研究拓寬了甘薯DF的應用范圍，為甘薯DF排鉛功能提供了一個新的試驗證據。

1 材料與方法

1.1試驗材料

以江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所的2個甘薯品種(徐薯32號和徐紫薯8號)為試驗材料，試驗場地為江蘇徐淮地區徐州農業科學研究所試驗田(117°17.48′ E， 34°16.95′ N)。收獲后的甘薯儲存于12～14 ℃的甘薯庫，1周內所有樣品同時進行DF提取。

1.2試驗動物

ICR小鼠，8周齡，每組7只，全部雄性，由徐州醫科大學實驗動物中心提供。

1.3主要試劑與儀器

α-淀粉酶購自諾維信公司，酶活90 KNU/g；纖維素酶為無錫杰能科，酶活82 GCU/g；鉛標準溶液購自國家環境標準物質中心，濃度為500 mg/L；其他試劑均為國產分析純。

UV-2450紫外分光光度計，由日本島津公司生產；Spectr AA220原子吸收光譜儀，由美國瓦里安公司生產；BSA323S電子天平，由賽多利斯科學儀器有限公司生產；Milli-Q Advantage A10超純水系統，由默克化工技術有限公司生產。

1.4甘薯DF的提取

甘薯DF的提取參考孫健等[9]的方法進行，新鮮甘薯切塊打漿，洗去淀粉后的薯渣烘干備用。薯渣按料液比1∶50加入蒸餾水，85 ℃水浴，加入α-淀粉酶去除薯渣中殘留的淀粉，酶解30 min至碘液滴定不變藍。冷卻，調pH值至4.8，按每克薯渣加入3 μL纖維素酶，于65 ℃和超聲功率400 W條件下酶解10 min。收集處理液，加入4倍體積95%乙醇，醇沉過夜，3000 r/min離心15 min，沉淀物經干燥粉碎后過200目，即為甘薯DF。

1.5甘薯DF成分的測定

蛋白質含量的測定參考AOAC 955.04；脂肪含量的測定參考AOAC 920.39；灰分含量的測定參考AOAC 942.05；總膳食纖維(TDF)、可溶性膳食纖維(SDF)、不溶性膳食纖維(IDF)含量的測定參考AOAC 991.43。

纖維素、半纖維素、木質素和果膠含量的測定參考Claye等[10]的方法改進，取純化后的徐薯32號和徐紫薯8號DF 1.0 g，與10 mL 0.25%的EDTA溶液混合，90 ℃下浸提2 h，殘渣分別用蒸餾水、甲醇和丙酮洗滌后烘干稱重，提取液經透析后凍干，稱重即為果膠含量(P1)；烘干的殘渣與20 mL含0.1%硼氫化鈉的5%氫氧化鉀溶液混合，室溫下浸提18 h，提取液經透析后凍干，稱重即為半纖維素含量(P2)；殘渣分別用蒸餾水、甲醇和丙酮洗滌后烘干得P3；P3與72%的硫酸混合，4 ℃下浸提30 h，過濾烘干得P4；其中灰分含量為P5；木質素含量為P4與P5之和；纖維素含量為P3、P4與P5之和。

1.6DF物化性質的測定

DF物化性質的測定參考梅新等[11]的方法改進，取1.0 g DF樣品，加入20 mL蒸餾水，室溫下攪打30 min后靜置24 h，5000 r/min離心10 min，棄去上清液并用濾紙吸干離心管殘留水分，稱重后計算持水性(WHC，g/g)：

WHC=(W2-W1)/W1

(1)

式(1)中：W1為樣品的干重(g)；W2為樣品的濕重(g)。

取1.0 g DF樣品，加入10 mL植物油，室溫下攪打10 min后靜置1 h，5000 r/min離心20 min，棄去上清液，稱重后計算持油性(OHC，g/g)：

OHC=(W2-W1)/W1

(2)

式(2)中：W1為樣品的干重(g)；W2為樣品的濕重(g)。

取1.0 g DF樣品，置于直徑為1.5 cm帶刻度的試管中，記錄干基樣品的體積，加入20 mL去離子水，充分混勻，平衡后于室溫下放置16 h，記錄吸水后飽脹的體積，計算膨脹性(SWC，mL/g)：

SWC=(V2-V1)/W

(3)

式(3)中：V1為吸水前樣品體積(mL)；V2為吸水后樣品體積(mL)；W為樣品的質量(g)。

取1.0 g經過醇洗的DF樣品與100 mL的200 mmol/L葡萄糖溶液充分混合后，于室溫下放置6 h，4000 r/min離心20 min，上清液中葡萄糖含量測定采用葡萄糖氧化酶-過氧化物酶(GOD-POD)法，540 nm下測定上清的吸光值，計算葡萄糖吸收能力(GAC，mmol/g)：

GAC=(C0-Ct)/W×V

(4)

式(4)中：C0為初始葡萄糖溶液的濃度(mmol/L)；Ct為吸附后葡萄糖溶液的濃度(mmol/L)；W為樣品的質量(g)；V為葡萄糖溶液的體積(mL)。

1.7DF對體外鉛離子清除能力的測定

陽離子交換容量的測定參考歐仕益等[12]的方法進行，取1.0 g DF樣品于錐形瓶中，加入30 mL去離子水，攪拌均勻后加入酚酞指示劑，用0.105 mol/L NaOH溶液滴定，當溶液變微紅立即停止滴定，振蕩褪色后再滴定，振蕩5 min仍不褪色時視為滴定終點。根據消耗的NaOH溶液計算出陽離子交換容量(CCEC，mmol/g)：

CCEC=(C×V)/W

(5)

式(5)中：CCEC為陽離子交換容量(mmol/g)；C為NaOH溶液的濃度(mol/L)；V為消耗NaOH溶液的體積(mL)；W為樣品的質量(g)。

DF對鉛離子的清除能力以BCmax和Cmin兩個吸附值來衡量。BCmax為鉛離子最大吸附量，Cmin為鉛離子最小吸附濃度。

BCmax的測定參考Hu等[13]的方法改進，取0.2 g DF樣品于錐形瓶中，加入20 mL的10 mmol/L的硝酸鉛溶液[Pb(NO3)2]。設置pH=2.0和pH=7.0，分別模擬胃和腸道環境，室溫振蕩3 h，取上清液1 mL，加入無水乙醇使酒精濃度達到80%，4000 r/min離心20 min，去上清液，用原子吸收分光光度計測定溶液中鉛離子含量，根據反應前后的濃度差計算鉛離子最大吸附量(BCmax，μmol/g)：

BCmax=V×(C0-Ct)/W

(6)

其中：V為上清液的體積(mL)；C0為初始鉛離子的濃度(μmol/mL)；Ct為吸附后鉛離子的濃度(μmol/mL)；W為樣品的質量(g)。

Cmin的測定參考Zhang等[14]的方法改進，取0.5 g DF樣品于錐形瓶中，加入20 mL的500 μmol/L的硝酸鉛溶液[Pb(NO3)2]。設置pH=2.0和pH=7.0，室溫振蕩4 h，取上清液1 mL，加入無水乙醇使酒精濃度達到80%，4000 r/min離心20 min，去上清液，測定所得的上清液濃度表示鉛離子最小吸附濃度(Cmin，μmol/L)。

1.8DF對體內鉛離子清除能力的測定

鉛中毒小鼠模型參考Liu等[15]的方法進行建模，正常對照組小鼠給予普通飲用水和飼料；模型對照組小鼠給予含500 mg/L醋酸鉛的飲用水和普通飼料；徐薯32號DF組給予含500 mg/L醋酸鉛的飲用水和含30%徐薯32號DF的飼料；徐紫薯8號DF組給予含500 mg/L醋酸鉛的飲用水和含30%徐紫薯8號DF的飼料。試驗持續60 d，取血和腎臟消化后直接用于石墨爐原子吸收光譜測定鉛含量[16]。

1.9統計分析

采用SPSS 18.0軟件處理數據，以平均值±標準誤差表示。采用LSD法進行多重比較和描述性統計；相關性檢驗采用皮爾森相關系數。

2 結果與分析

2.1甘薯DF的基本成分和化學成分

由表1可知，徐薯32號DF和徐紫薯8號DF的基本成分中蛋白、脂肪和灰分的含量都很低且無顯著差異。徐紫薯8號DF的TDF含量(81.27±0.77) g/100 g DM顯著高于徐薯32號DF的TDF含量(80.44±0.55) g/100 g DM(Plt;0.05)。徐薯32號DF的SDF含量極顯著高于徐紫薯8號DF(Plt;0.01)，SDF/IDF比值為0.70；而徐紫薯8號DF的IDF含量極顯著高于徐薯32號DF(Plt;0.01)，SDF/IDF比值為0.56。

注：同列數據后不同大、小寫字母分別表示在0.01、0.05水平上的差異顯著性。下同。

由表2可以看出，DF的化學成分主要包括果膠、纖維素、半纖維素和木質素，徐薯32號DF和徐紫薯8號DF各化學組分間存在極顯著差異(Plt;0.01)。徐薯32號DF中果膠含量較高，達到(40.19±0.33) g/100 g DM；而徐紫薯8號DF中纖維素、半纖維素和木質素含量較高，分別達到(32.01±0.56) g/100 g DM、(15.81±0.32) g/100 g DM和(11.19±0.25) g/100 g DM。

表2 甘薯DF的化學成分 g/100 g DM

2.2甘薯DF的物化性質

表3為不同品種甘薯DF的基本物化性質，徐薯32號DF的持水性達到(10.01±0.09) g/g；而徐紫薯8號DF的持水性為(9.38±0.23) g/g，兩者差異極顯著(Plt;0.01)。徐薯32號DF的持油性和膨脹性分別為(4.26±0.22) g/g和(6.09±0.16) mL/g，均顯著高于徐紫薯8號DF的持油性和膨脹性(3.81±0.13) g/g和(5.77±0.32) mL/g(Plt;0.05)。在200 mmol/L葡萄糖溶液中，每克徐薯32號DF能有效結合20.00 mmol的葡萄糖；而每克徐紫薯8號DF只能吸附(19.08±0.26) mmol的葡萄糖，徐薯32號DF的葡萄糖吸收能力極顯著高于徐紫薯8號DF(Plt;0.01)。

表3 甘薯DF的物化性質

2.3甘薯DF對體外鉛離子的清除能力

甘薯DF的結構中含有很多的羥基、羧基及酚羥基等基團[17]，這些基團具有較強的陽離子交換能力。如表4所示，徐薯32號DF和徐紫薯8號DF的陽離子交換容量分別為0.61 mmol/g和0.55 mmol/g，徐薯32號DF的陽離子交換容量顯著高于徐紫薯8號DF(Plt;0.05)。

表4 甘薯DF的陽離子交換容量

不同pH值條件下分別模擬胃和腸道環境，甘薯DF對體外鉛離子的吸附能力如表5所示。2種甘薯DF在中性pH條件下比酸性pH條件下具有更強的吸附能力，徐薯32號DF在胃中(pH=2.0)對鉛離子的最大吸附能力為(52.95±0.66) μmol/g，遠小于在腸道中(pH=7.0)對鉛離子的最小吸附能力(320.22±0.97) μmol/g，這說明DF對鉛離子的吸附作用主要發生在腸道內。徐紫薯8號DF在胃和腸道中對鉛離子的最大吸附能力分別為(49.68±0.51) μmol/g和(302.10±1.30) μmol/g，極顯著低于徐薯32號DF(Plt;0.01)。在評價DF吸附鉛離子的能力時，不僅要確定鉛離子的最大吸附量，還要檢測鉛離子的最小吸附濃度。徐薯32號DF在胃中(pH=2.0)Cmin值高達(188.27±1.03) μmol/L，說明DF在胃中對鉛離子清除很不徹底，徐紫薯8號DF在胃道中Cmin值為(194.68±2.20) μmol/L，兩者差異極顯著(Plt;0.01)。在腸道中(pH=7.0)徐薯32號DF能將鉛離子濃度降低到(18.30±0.43) μmol/L，而徐紫薯8號DF在腸道中Cmin值為(20.74±0.50) μmol/L，兩者差異顯著(Plt;0.05)。

表5 不同pH值條件下甘薯DF對體外鉛離子的吸附能力

2.4甘薯DF對體內鉛離子的清除能力

由表6可知，正常對照組與模型對照組相比較，全血和腎臟組織的鉛含量均呈極顯著差異 (Plt;0.01)，模型對照組小鼠血鉛和腎臟鉛含量分別達到(6.67±0.99) μg/cL和(7.77±1.12) μg/g。徐薯32號DF組和徐紫薯8號DF組與模型對照組相比，兩項指標均有所下降，其中血鉛含量依次下降了35.08%和38.83%，腎臟鉛含量下降了41.31%和44.27%，且兩組小鼠上述組織的鉛含量與模型對照組相比具有極顯著差異 (Plt;0.01)，徐紫薯8號DF組清除鉛離子效果略好于徐薯32號DF組。

3 結論與討論

徐薯32號DF和徐紫薯8號DF中TDF的含量分別達到80.44%和81.27%，說明超聲輔助酶解法可以獲得純度較高的DF。2種甘薯DF中SDF含量均在10%以上，屬于優質的DF[18]。SDF和IDF的物化性質和生理功能不盡相同，徐薯32號DF的SDF/IDF比值0.70高于徐紫薯8號DF的SDF/IDF比值0.56，暗示2種甘薯DF將具有不同的物化性質和清除鉛離子的能力。

表6 甘薯DF對體內鉛離子的清除能力

持水性、持油性和膨脹性的大小是衡量DF品質的重要指標。持水性、持油性和膨脹性越大，則表示DF的吸水、吸油能力越大，這與SDF/IDF比值、纖維顆粒度和密度、比表面積、電荷密度及疏水性能等都有關[19]。徐薯32號DF的持水性、持油性和膨脹性均優于徐紫薯8號DF，說明SDF/IDF比值的增高，可以提高甘薯DF的理化性質。DF的葡萄糖吸收能力是考察腸道消化過程中DF對葡萄糖抑制和轉運能力的重要指標[20]。徐薯32號DF的葡萄糖吸收能力優于徐紫薯8號DF，這可能是由于徐薯32號DF的SDF含量較多，從而網狀結構更為均勻，比表面積較大，易于對葡萄糖分子的截留，并減緩了葡萄糖分子擴散的速率[21]。

甘薯DF在pH值為7.0的條件下對鉛離子的吸附能力較pH值為2.0的條件下顯著增強，說明甘薯DF對鉛離子的吸附作用主要依靠化學吸附，因為根據物質的表明特性，pH值對物理吸附的影響不大，而化學吸附主要依靠DF中的羧基基團，當pH值升高，羧基上的質子解離增多，鉛離子吸附量增多，當pH值下降，羧基的解離減少，吸附量減少。徐薯32號DF和徐紫薯8號DF的CCEC分別為0.61 mmol/g和0.55 mmol/g，而BCmax的最大值分別為320.22 μmol/g和(302.10±1.30) μmol/g，根據化學計量，2個羧基才能吸附1個二價鉛離子，2種DF上的羧基均被鉛離子過飽和，說明甘薯DF對鉛離子的吸附作用也存在物理吸附。徐薯32號DF的陽離子交換容量和吸附能力均大于徐紫薯8號DF，可能是因為徐薯32號DF中的SDF含量較多，這與前人的研究結果相一致，一般認為SDF比IDF具有更強的物化性和功能性[22]。

血液是鉛進入機體的門戶，腎臟是鉛的主要靶器官之一[23]，因此本研究選擇血鉛和腎臟鉛含量作為考察指標。結果表明：2種甘薯DF均可以有效降低小鼠血液和腎臟的鉛含量，血鉛對甘薯DF的影響更敏感，進一步說明甘薯DF具有很強的陽離子交換作用，可以減少機體對腸道鉛的吸收，進而減少鉛在組織中的分布。而徐紫薯8號DF的效果要略好于徐薯32號DF，這可能也是徐薯32號DF中的SDF含量較多的原因。因為腸道是鹽和水分吸收的重要部位，也是DF分解的場所，因此，不能完全憑腸道pH值的條件下鉛離子被吸附量來判斷體內清除鉛離子的情況，要考慮DF被分解后會釋放部分鉛離子。本研究表明，SDF/IDF比值低的徐薯32號DF對體內鉛離子的清除能力要優于SDF/IDF比值低高的徐紫薯8號DF，說明SDF釋放出的鉛離子要多于IDF。

綜上所述，徐薯32號DF的SDF含量高于徐紫薯8號DF，具有較強的體外鉛離子的清除能力，而徐紫薯8號DF則具有更強的體內鉛離子的清除能力。徐薯32號DF具有更好的持水性等物化性質、更大的陽離子交換能力和更強的鉛離子吸附能力，但同時在腸道中易分解，會釋放更多的鉛離子，所以在研制甘薯DF功能食品時，應根據不同需求適當調節SDF和IDF的比例。

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(責任編輯：曾小軍)

StudyonPhysico-chemicalPropertiesofDietaryFiberinSweetPotatoandItsCapacityofScavengingLeadIoninvitroandvivo

ZHANG Yi, WANG Hong-yun, NIU Fu-xiang*, SUN Jian, XU Fei,ZHU Hong, YUE Rui-xue, ZHANG Wen-ting

(Xuzhou Institute of Agricultural Sciences in Xuhuai Region of Jiangsu / Sweet Potato Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xuzhou 221131, China)

Dietary fiber (DF) was extracted from two sweet potato varieties by the ultrasonic-assisted enzymatic hydrolysis method. The compositions, physico-chemical properties and lead-scavenging capacities of DF from two sweet potato varieties were compared, in order to provide theoretical basis and biological evidence for the prevention of lead poisoning. The results indicated that: the content of total dietary fiber in Xuzishu No. 8 DF sample was obviously higher than that in Xushu No. 32 DF sample; however, the ratio of soluble dietary fiber to insoluble dietary fiber in Xuzishu No. 8 DF sample was evidently lower than that in Xushu No. 32 DF sample. Furthermore, the water-holding capacity, oil-holding capacity, swelling capacity and glucose-absorbing ability of Xushu No. 32 DF were significantly higher than those of Xuzishu No. 8 DF. These two kinds of sweet potato DF had a strong capacity of absorbing lead ion, and this capacity under neutral condition was stronger than that under acidic condition. Xushu No. 32 DF had a stronger capacity of scavenging lead ion in vitro, while Xuzishu No. 8 DF had a stronger capacity of scavenging lead ion in lead-poison mice.

Sweet potato; Dietary fiber; Physico-chemical property; Lead-scavenging capacity

S531

A

1001-8581(2017)12-0087-06

2017-08-31

國家現代農業產業技術體系建設專項資金(CARS-10-B20)；江蘇省徐州市農業科學院科研基金(2015001)；江蘇省蘇北計劃專項項目(SZ-XZ2017034)。

張毅(1987─)，男，江蘇徐州人，助理研究員，從事甘薯功能食品研究。*通訊作者：鈕福祥。