高美玲，余誠瑋，范亞葦，鄧澤元，穆松牛

（南昌大學食品學院 南昌214122）

膳食纖維是一類非淀粉多糖類物質(zhì)，主要存在于植物細胞壁中，其組成成分主要包括纖維素、木質(zhì)素、果膠、β-葡聚糖和低聚糖等，被稱為繼糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、礦物質(zhì)和水之后的第7類營養(yǎng)物質(zhì)。膳食纖維獨特的化學組成使其具備一些特殊的生理功能，諸如可以預防癌癥，降低高血壓[2]、糖尿病的發(fā)生率，防治營養(yǎng)過剩性肥胖癥等[3]。Cummings 等[4]以麥麩面包和谷糠為膳食纖維來源，發(fā)現(xiàn)受試者的膳食纖維攝入量由17 g/d 上升到45 g/d 時，脂肪酸的排出量由1 g/d 上升至2.7 g/d。腸道內(nèi)微生物生態(tài)系統(tǒng)的平衡是腸胃健康的關鍵因素。膳食纖維可被腸道細菌的酶發(fā)酵降解，產(chǎn)生有機酸（SCFA），使結(jié)腸內(nèi)pH 值下降，促進腸道有益菌群生長和增殖，抑制有害腐敗菌的生長并減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物的形成[5]。

甘薯作為我國重要的薯類作物，是僅次于水稻、小麥和玉米的第四大經(jīng)濟作物，產(chǎn)量豐富，消耗巨大[6]。然而，在薯類的加工過程中卻產(chǎn)生了大量的薯渣，占原料的10%～14%。這些薯渣水分含量高，容易腐敗變質(zhì)，污染環(huán)境。甘薯渣中含有22%左右的膳食纖維，是良好的膳食纖維原料。如能加以開發(fā)，不僅可以避免環(huán)境污染、資源浪費等問題，還可以有效增加收益[7]。

本研究利用甘薯渣中提取的可溶性膳食纖維進行體外發(fā)酵，觀察其對人體腸道菌群代謝產(chǎn)物的影響，旨在將甘薯渣變廢為寶，為甘薯渣中可溶性膳食纖維用于改善人體腸道菌群環(huán)境提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料與試劑

試驗原料：甘薯購買于當?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場。

菊糖（分析純），阿拉??；次氯酸鈉（分析純），阿拉??；七水合磷酸氫二鈉（分析純），天津市永大化學試劑有限公司；氫氧化鈉（分析純），西隴科學股份有限公司；苯酚（分析純），阿拉丁；亞硝基鐵氰化鉀（分析純），天津市大茂化工試劑廠；偏磷酸（分析純），上海振興化工一廠；甲酸（分析標準品），阿拉??；乙酸（分析標準品），阿拉??；正丁酸（分析標準品），阿拉丁；痕量緩沖液、微量培養(yǎng)液中各試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

DGG-9140A 型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；LDZX-50KBS 立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；HD-650 桌上型超凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司；HH-4恒溫水浴鍋，鞏義市英峪予華儀器廠；YQX-II 厭氧培養(yǎng)箱，上海龍躍儀器設備有限公司；TDL-5-A飛鴿牌臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；PHS-3C 精密pH 計，上海儀電科學儀器股份有限公司；722E 型可見分光光度計，上海光譜儀器有限公司；AR323CN 電子天平，奧豪斯儀器有限公司；Agilent6890N 氣相色譜儀，安捷倫科技有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 甘薯渣可溶性膳食纖維的提取工藝流程新鮮甘薯打漿→清水反復洗滌3 次后用紗布過濾→60 ℃烘干→加入0.05 mol/L MES-TRIS 緩沖溶液/g→50 μL/g 熱穩(wěn)定α-淀粉酶→pH 8.1，95 ℃，反應30 min→100 μL/g 蛋白酶→pH 7.5～8.5，（60±1）℃，反應30 min→100 μL/g 淀粉葡萄糖苷酶→pH 4.5±0.2，（60±1）℃，反應30 min→抽濾→上清液加入4 倍體積95%乙醇溶液→靜置1 h 得可溶性膳食纖維沉淀→抽濾得可溶性膳食纖維絮狀物→105 ℃烘干，即得可溶性膳食纖維[8]。

1.3.2 培養(yǎng)液的配制 微量培養(yǎng)液：尿素（0.400 g/L），碳酸氫鈉（9.240 g/L），十二水磷酸氫二鈉（7.125 g/L），硫酸鈉（0.100 g/L），氯化鈣（0.055 g/L），氯化鉀（0.450 g/L），氯化鈉（0.470 g/L），氯化鎂（0.047 g/L），溶劑為蒸餾水，混勻。

痕量緩沖液：六水合氯化鈷（120 mg/L），七水合硫酸亞鐵（3 680 mg/L），四水合鉬酸銨（17.4 mg/L），七水合硫酸鋅（440 mg/L），七水合硫酸錳（1 900 mg/L），五水合硫酸銅（98 mg/L），溶劑為蒸餾水，混勻。

最終的體外發(fā)酵液按10 mL 痕量緩沖液加入1 000 mL 微量培養(yǎng)液的配比混合制得[9]。

1.3.3 試驗設計 試驗共分為6 組，分別為2.5，5，10 g/L 甘薯可溶性膳食纖維組，2.5 g/L 菊糖組（陽性對照組）以及空白對照組（CK），甘薯粉組。其中甘薯粉的添加量按照相應的百分含量核算后得出。接種物為志愿者的糞便，將收集到的糞便與體外發(fā)酵液按質(zhì)量濃度0.01 g/L 混勻，分裝于20 mL 的注射器中，每支注射器的裝液量為5 mL。將所有注射器置于厭氧培養(yǎng)箱中 （體積比：N2∶CO2∶H2=90∶5∶5），37 ℃培養(yǎng)48 h。

1.3.4 發(fā)酵液pH 值的測定 各組于接種后0，6，12，24 h，用pH 計測定pH 值。

1.3.5 發(fā)酵液中NH3-N 的測定 參照周笑犁[10]的方法，取40 μL 離心后的發(fā)酵液依次加入40 μL蒸餾水，2.5 mL 苯酚顯色液，混合均勻后再加入2 mL 次氯酸鹽試劑，再次混勻。37 ℃水浴30 min 并測定吸光度，波長為550 nm。根據(jù)標準曲線（圖1）進行定量分析。

1.3.6 發(fā)酵液中短鏈脂肪酸的測定 取適量離心后的發(fā)酵液，與25%偏磷酸按4∶1 的比例混勻，待測。

氣相色譜條件：19091F-413 HP-FFAP 柱（30 m×0.32 mm×0.25 μm）。程序升溫：100 ℃為初始溫度，持續(xù)0.5 min，之后以8 ℃/min 升至180 ℃，再以20 ℃/min 升至200 ℃，持續(xù)5 min。FID 檢測器和進樣口溫度分別為240 ℃和200 ℃，載氣N2，燃氣H2，助燃氣空氣的流量分別為：2，30，300 mL/min，不分流進樣，進樣量1 μL[11]。根據(jù)標準曲線進行定量分析。其中圖2為發(fā)酵液中的乙酸含量標準曲線，圖3為發(fā)酵液中的丙酸含量標準曲線，圖4為發(fā)酵液中的丁酸含量標準曲線。

1.3.7 統(tǒng)計學處理 試驗中每個處理重復3 次，應用SPSS 19.0 軟件進行顯著性分析，以P＜0.05作為差異顯著性標準。

圖2 發(fā)酵液中乙酸含量標準曲線Fig.2 Standard curve of acetic acid content in fermentation broth

圖3 發(fā)酵液中丙酸含量標準曲線Fig.3 Standard curve of propionic acid content in fermentation broth

圖4 發(fā)酵液中丁酸含量標準曲線Fig.4 Standard curve of butyrate content in fermentation broth

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量曲線

接種后各時段甘薯渣可溶性膳食纖維的體外發(fā)酵液產(chǎn)氣量曲線如圖5所示。由結(jié)果可以看出，甘薯粉組的產(chǎn)氣量明顯高于其它組別，在24 h 后達到5.9 mL。各組最終在24 h 后的產(chǎn)氣量有明顯差異（P＜0.05）。

所有可溶性膳食纖維添加組在最終時段的累積產(chǎn)氣量都明顯優(yōu)于空白對照組，且添加量越大，累積產(chǎn)氣量也越大。但其中僅有可溶性膳食纖維10 g/L 的產(chǎn)氣效果優(yōu)于菊糖組，其余組別均不如菊糖組的產(chǎn)氣效果好。

2.2 發(fā)酵液pH 值曲線

從圖6可以看出，大多數(shù)組別在0～6 h 階段pH 值下降最快。其中甘薯粉組的pH 值變化程度最大，空白對照組的pH 值變化程度最小。其中可溶性膳食纖維的添加組能夠明顯降低發(fā)酵液中的pH 值，且添加量越大，降低pH 值的效果也就越好，SDF 10 g/L 的添加組降低pH 值的效果優(yōu)于菊糖組。

圖5 體外發(fā)酵液的產(chǎn)氣量曲線Fig.5 Gas production curve during the fermentation

圖6 體外發(fā)酵液pH 值曲線Fig.6 The pH curve of fermentation broth

從香菇、銀耳和黃芪提取的多糖均可以降低體外發(fā)酵液pH 值，pH 值的降低有助于維持腸道環(huán)境，抑制有害菌增長[12]。如上變化趨勢說明添加甘薯可溶性膳食纖維有助于降低腸道內(nèi)的pH值，進而維持良好的腸道環(huán)境。

2.3 發(fā)酵液中NH3-N 含量

由圖7可以得出，發(fā)酵12 h 后，所有組別的NH3-N 含量均顯著小于空白組（P＜0.05），且其中甘薯粉組產(chǎn)生的NH3-N 含量最低，其次為菊糖組。添加甘薯可溶性膳食纖維的組別能夠明顯降低發(fā)酵液中的NH3-N 含量，但其效果不如甘薯粉組以及菊糖組，且其效果與添加量之間的規(guī)律不十分明顯。

結(jié)腸中的微生物將含氮的化合物分解為一些易腐敗的代謝產(chǎn)物，如氨、硫化物、生物胺、吲哚和酚類化合物等[13]。而其中的一些蛋白代謝產(chǎn)物已被證實會損害腸道上皮細胞的新陳代謝，過量的氨不僅會減少結(jié)腸細胞的呼吸作用，還會產(chǎn)生毒性作用[14]。腸道內(nèi)有害細菌的生長會受到低pH 值和NH3-N 濃度的腸道內(nèi)環(huán)境的抑制，同時還可避免過高濃度的氨引起氨代謝負荷增加或氨中毒[15]。

圖7 發(fā)酵液中NH3-N 含量Fig.7 Contents of NH3-N in fermentation broth

在本研究中，與對照組相比，甘薯中的可溶性膳食纖維能降低發(fā)酵液中氨的濃度，這可能是因為可溶性膳食纖維促進了微生物的多樣性從而提高了大量微生物對氮的利用，增加了動物機體內(nèi)的氮循環(huán)并減少了環(huán)境中的氮排泄物。

2.4 發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量

由圖8可知，發(fā)酵48 h 之后試驗組產(chǎn)生的SCFA 含量（乙酸、丙酸、丁酸）均顯著高于空白對照組（P＜0.05），其中甘薯粉中的SCFA 含量最高。其中添加甘薯可溶性膳食纖維的組別能夠明顯提升SCFA 含量，且添加量越高，促進效果越好。同等添加量中，菊糖組的效果要優(yōu)于SDF 組。

短鏈脂肪酸作為結(jié)腸上皮細胞的能源物質(zhì)對其更新和恢復起著至關重要的作用，同時還影響腸黏膜屏障等，對腸道的健康具有重要作用[16]。其中丁酸是能量循環(huán)中重要的組成部分，對腸上皮細胞的增殖和分化非常重要[17]。另外有研究報道，丁酸還具有抗炎癥的功能[18]，可由幾種細菌產(chǎn)生，如球形梭菌、直腸真細菌和普拉梭桿菌。短鏈脂肪酸濃度的高低代表著微生物產(chǎn)生和結(jié)腸黏膜吸收的最終結(jié)果[19]。

圖8 發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量Fig.8 Contents of short-chain fatty acids in fermentation broth

圖9 2.5 g/L 膳食纖維添加量的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量隨時間變化圖Fig.9 Content of short chain fatty acids in fermentation broth with added amount of 2.5 g/L dietary fiber as a function of time

圖10 5.0 g/L 膳食纖維添加量的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量隨時間變化圖Fig.10 Content of short chain fatty acids in fermentation broth with added amount of 5.0 g/L dietary fiber as a function of time

圖11 10.0 g/L 膳食纖維添加量的發(fā)酵液中短鏈脂肪酸含量隨時間變化圖Fig.11 Content of short chain fatty acids in bermentation broth with added amount of 10.0 g/L dietary fiber as a function of time

由圖9～圖11可以看出，乙酸的含量均隨著時間的增長而顯著減少，SDF 2.5 g/L 組別中丁酸的含量隨著時間的增加而略微增加，其它組別丁酸含量變化不顯著。丙酸含量的變化隨著時間的增加不十分明顯?？傮w來說，可溶性膳食纖維的添加量越多，對促進SCFA 合成的效果越好。

本研究中，甘薯可溶性膳食纖維作為一種食品或飼料添加劑，對腸道微生物是一種非常理想的碳源，并有助于提升短鏈脂肪酸的產(chǎn)量。

3 結(jié)論

通過體外發(fā)酵試驗，可以看出，添加甘薯可溶性膳食纖維有利于增加體外發(fā)酵液的產(chǎn)氣量，并通過促進短鏈脂肪酸的合成，顯著降低pH 值、NH3-N 含量的方式有效維持腸道的平衡狀態(tài)，且其效果與添加量具有明顯的正相關關系，添加量越大，促進效果越好。證明甘薯渣中的可溶性膳食纖維具有改善腸道菌群代謝產(chǎn)物的作用，利于人體腸道健康。