不同類型芝麻莖稈化學成分分析及評價

蘇小雨，王東偉，魏利斌，高桐梅，王東勇，李 豐，田 媛，衛雙玲

(1.河南省農業科學院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002；2.青島農業大學，山東 青島 266109)

芝麻(SesamumindicumL)屬胡麻科(Pedaliaceae)芝麻屬(Sesamum)，是我國重要的特色油料作物，具有較高的營養價值[1-2]。隨著社會的發展以及人民生活水平不斷提高，國內芝麻需求量逐年上升。據統計，2013—2017年我國作為世界四大芝麻主產國之一，年均種植面積達到26.71萬hm2，年均總產達40.74萬t[3]。然而，莖稈作為芝麻的主要副產品之一，秸稈資源豐富，但利用效率較低，除少部分用作菌類培養的營養基質外，大部分被棄置或燒掉，不僅造成秸稈資源浪費，也帶來了嚴重的環境污染。因此，如何經濟環保地利用豐富的芝麻秸稈資源，研發有效的秸稈消化與利用措施，變廢為寶，對促進農業發展、避免環境污染、減少資源浪費以及增加芝麻的經濟附加值具有重大意義。而探究芝麻莖稈營養成分是提高莖稈資源附加值需面對的首要問題。

關于作物莖稈的研究，國內外諸多學者已在小麥、玉米、水稻、油菜、木薯等作物上進行了相關報道[4-8]，研究表明，作物莖稈成分主要是纖維素、半纖維素和木質素等天然高分子物質(約占70%)，糖、蛋白質和無機元素等含量豐富。目前，大作物(如玉米)的莖稈已用于造紙、家畜飼料、板材加工和能源合成等方面，并取得了初步成效[9]，部分用作肥料和食用菌培養基等產品的原料。

關于芝麻營養成分的研究，目前主要集中于其可食用部分，如芝麻葉和芝麻籽粒[10]，而對于芝麻莖稈所含營養成分的研究報道則較少，且芝麻莖稈利用方面的研究尚未見報道，嚴重制約著芝麻莖稈經濟價值的開發利用。鑒于此，對白芝麻、黑芝麻、金芝麻3種不同類型芝麻品種的莖稈化學成分進行測定和分析，全面了解其營養成分，為芝麻莖稈資源的研究、開發和利用提供可靠的技術支撐和理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

白芝麻品種鄭太芝1號、黑芝麻品種鄭黑芝1號和金芝麻品種SP55，均由河南省農業科學院芝麻研究中心提供。試驗用芝麻2019年6月6日種植于河南省農業科學院現代農業科技試驗示范基地，以品種為處理，采取隨機區組設計，3次重復，行距40 cm、株距13 cm，小區面積20 m2，四周設保護行，其他管理同一般大田。于芝麻成熟期后分別收取芝麻莖稈，選取個體長勢一致、生長正常的芝麻植株5株，將莖稈按照下、中、上分三等份截開，分別代表基部、中部和稍部。置于自然條件下通風陰干，將莖稈截成細片，用粉碎機加工成粉末，過0.425 mm孔徑篩網，收集置于具有磨砂玻璃塞的廣口瓶中放于-40 ℃冰柜中保存備用。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 基本化學成分 纖維素、半纖維素、木質素含量測定參考王金主等[11]的方法。總糖含量測定采用蒽酮法[12]。蛋白質含量測定參照GB/T 14771—1993進行。脂肪含量測定參照GB/T 14772—2008進行，灰分含量測定參照GB/T 742—2008進行。

1.2.2 氨基酸和脂肪酸含量 參考GB/T 14965—1994，采用氨基酸分析儀測定氨基酸含量；參考GB/T 17377—2008，采用氣質聯用法測定脂肪酸含量。

1.2.3 無機元素含量 采用原子吸收分光光度法測定無機元素含量。

1.3 數據處理與分析

應用Microsoft Excel 2013和DPS 6.0對數據進行整理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同類型芝麻莖稈化學成分分析

由表1可知，纖維素、木質素和糖是芝麻莖稈的主要組成成分。不同類型芝麻莖稈中的纖維素含量為38.02%～48.21%，木質素含量為15.39%～26.19%，總糖含量為26.06%～35.94%，但這些物質含量在不同品種和同一品種的不同部位間均存在差異。白芝麻、金芝麻、黑芝麻的粗纖維(包括纖維素、半纖維素和木質素)含量分別為78.73%、74.25%、73.06%，均值為75.35%，且白芝麻莖稈基部粗纖維含量高于中部和稍部。此外，白芝麻莖稈的纖維素含量最高，均值為43.44%，且中部>稍部>基部。金芝麻莖稈木質素含量最高，均值為21.87%，且中部>基部>稍部。黑芝麻莖稈總糖含量最高，均值為32.87%，且稍部>中部>基部。此外，各種芝麻莖稈均含有半纖維素、灰分、粗脂肪和粗蛋白，其中，3種類型芝麻莖稈中半纖維素含量為10.14%～14.84%，白芝麻莖稈半纖維素較高，均值為14.16%；灰分含量為3.35%～6.67%，金芝麻莖稈灰分較高，均值為6.47%；粗脂肪含量為0.47%～0.95%，黑芝麻莖稈粗脂肪較高，均值為0.86%；粗蛋白含量為3.76%～8.94%，黑芝麻莖稈粗蛋白較高，均值為6.98%。

表1 不同類型芝麻莖稈的基本化學組成與含量

2.2 不同類型芝麻莖稈氨基酸組分與含量分析

由表2可知，通過對不同類型芝麻莖稈中17種氨基酸進行測定，共檢測出15種氨基酸，其中包括6種人體必需氨基酸，不同類型芝麻莖稈且白芝麻、黑芝麻、金芝麻莖稈中15種總氨基酸含量總量均值分別為16.34、27.57、22.94 g/kg。3種類型芝麻莖稈均以谷氨酸和天冬氨酸含量較高，分別為2.28%～8.30%和2.02%～3.79%，其中黑芝麻莖稈中谷氨酸和天冬氨酸含量均最高，谷氨酸含量均值為5.71 g/kg，且基部、中部、稍部的谷氨酸含量分別為8.30、5.48、3.37 g/kg；天冬氨酸含量均值為3.26 g/kg，基部、中部、稍部的谷氨酸含量分別為3.79、3.73、2.28 g/kg。此外，就氨基酸構成而言，不同類型芝麻莖稈中同種氨基酸含量除谷氨酸、亮氨酸和天冬氨酸外，其他基本變化不大。不同類型芝麻莖稈總氨基酸含量為14.54～33.93 g/kg。

表2 不同類型芝麻莖稈的氨基酸組分與含量

2.3 不同類型芝麻莖稈脂肪酸組分與含量分析

由表3可知，通過對不同類型芝麻莖稈中35種脂肪酸進行測定，共檢測出24種化合物，其中，白芝麻、黑芝麻、金芝麻的總脂肪酸含量均值分別為5 007.47、7 752.25、5 354.07 mg/kg。同時，表3 表明，3種類型芝麻莖稈中，飽和棕櫚酸(C16.0)和不飽和脂肪酸亞油酸(C18.2N6C)的含量較高，白芝麻、黑芝麻、金芝麻的飽和棕櫚酸(C16.0)含量分別占其脂肪酸總量的45.41%、56.31%、48.94%，不飽和脂肪酸亞油酸(C18.2N6C)的含量占比分別為27.38%、8.53%、19.92%。

表3 不同類型芝麻莖稈的脂肪酸組分與含量

2.4 不同類型芝麻莖稈無機元素含量分析

由表4 可知，芝麻莖稈中礦質元素豐富，以K含量(6.11～25.80 g/kg)最高，微量元素含量中以Fe元素最高，可高達155.50 mg/kg。不同類型芝麻莖稈中的K、Ca、Mg、P含量突出，其中白芝麻莖稈中分別為17.98、7.15、1.49、1.24 g/kg，黑芝麻莖稈中分別為6.63、5.80、2.80、0.85 g/kg，金芝麻莖稈中分別為22.87、7.57、2.29、1.73 g/kg。此外，不同類型芝麻莖稈中微量元素Fe含量較為豐富，3種類型芝麻莖稈中的Fe含量均值為79.15～127.15 mg/kg。

表4 不同類型芝麻莖稈的無機元素含量

3 結論與討論

眾所周知，植物莖稈中含有大量的粗纖維，粗纖維主要包括纖維素、半纖維素和木質素，其作為高分子有機化合物，很難降解，是制漿造紙、紡織工業和纖維化工的重要原材料[13]，同時也是有機碳源和生物質能生產的理想非糧替代材料。本研究表明，芝麻莖稈中粗纖維含量為75.34%，與玉米莖稈纖維含量(約74.07%)[11]相近，其中白芝麻莖稈粗纖維含量較高。在我國芝麻生產中，種植面積以白芝麻較大，莖稈資源豐富易得、無環境污染，是潛在的生物能源和非木纖維的重要來源。目前，許多學者對于大作物的秸稈綜合利用已進行大量研究，小麥和玉米秸稈可代替木材纖維，制造造紙用的原漿、可降解包裝等產品。同時，秸稈可作為清潔能源，通過厭氧發酵產生甲烷等可燃氣體制作沼氣、利用高壓機械裝備制作有機碳源燃料等[14-15]。此外，小麥秸稈可作為生產復合板材原料，用于家具制造。因此，借鑒大作物秸稈高效利用的技術和方法，有助于拓寬芝麻莖稈的綜合利用途徑。

本研究結果發現，芝麻莖稈中含有豐富的碳水化合物、蛋白質、氨基酸和無機元素等營養物質，可以滿足家畜生長發育所需的營養物質。已有研究表明，通過利用化學方法對玉米莖稈進行處理，能夠顯著降低木質纖維素的含量，同時提高還原糖的含量，能夠作為單胃動物飼料的原料[16]。通過粉碎加工以及化學堿化處理小麥莖稈后，其粗蛋白含量提高2倍以上，可增加牛畜的適口性，滿足家畜的營養需求[15]。此外，芝麻莖稈中含有大量無機元素K、Ca、Mg、P和微量元素Fe，其莖稈廢渣與微生物肥料混配可用于生產有機肥。目前，有研究表明，將處理后的香蕉莖稈與糞便通過生物發酵法可制成優質生物肥[17-18]。小麥莖稈經發酵腐熟后，可加工成營養基質[15]。芝麻莖稈是否能采用類似技術仍需進一步研究。此外，芝麻莖稈含有豐富的有機質，也可作為栽培食用菌的基礎原料。

綜上所述，通過對不同類型芝麻莖稈化學成分進行分析，發現芝麻莖稈的主要成分為粗纖維、糖類和蛋白質有機物，但不同芝麻類型莖稈中各化學成分含量不同，白芝麻粗纖維含量較高，是較理想的造紙原料，黑芝麻糖和粗蛋白含量高，可優先選擇作為家畜飼料的輔助原料，同時，3種類型芝麻莖稈具有豐富的礦質元素和氨基酸種類，可針對性地用作肥料和食用菌培養基。該研究結果將有助于探究芝麻莖稈的綜合價值及應用，提高芝麻莖稈的可利用價值，從而有效減少芝麻莖稈用于燃料造成的環境污染，同時提高芝麻的經濟附加值，增加農民的經濟收入。