楊賀棋，何沁峰，董秀瑜，周 新，李欣蔚，趙梓印，周 慧，何云海，汪秋寬，武 龍

(大連海洋大學 食品科學與工程學院，遼寧 大連 116023)

大型海藻被認為是一種開發(fā)潛力巨大的“碳平衡”可再生生物資源，已受到全球廣泛關注[1]。聯(lián)合國糧農組織統(tǒng)計顯示，世界海藻總產量在2010～2015年間增長了52.1%，其中大型褐藻占到總產量的36.5%[2]。我國是世界第一大經(jīng)濟海藻及可食性褐藻生產國。與FAO統(tǒng)計基準不同[3]，2017年我國大型褐藻海帶及裙帶菜養(yǎng)殖產量分別達148.7萬t和16.7萬t，合計占到當年海藻養(yǎng)殖總產量的74.2%，且近5年二者合計產量的增幅達39.2%，產業(yè)發(fā)展勢頭強勁[4]。

纖維素由D-葡萄糖單元經(jīng)β-(1→4)糖苷鍵聚合而成，作為細胞壁骨架成分廣泛存在于陸生及海洋植物當中。褐藻細胞壁具有雙層結構，其外層為褐藻膠與硫酸化巖藻多糖組成的無定形基質；而纖維素作為內層纖維狀骨架嵌入其中，賦予細胞壁結構強度[5]。纖維素含量一般占褐藻干質量的2%～20%，僅次于褐藻膠而居多糖類物質的第二位[6]。除供食用外，海帶等大型褐藻還是工業(yè)提取褐藻膠等有價值化學品的原料，纖維素在提膠殘渣中得到富集，含量可達藻渣的42%[7]。從生物煉制的角度出發(fā)，褐藻纖維素因不受木質素、半纖維素等拮抗性成分的保護，在可及性、功能性及綜合利用可行性方面均具有潛在的優(yōu)勢[8]。

纖維素是植物源不溶性膳食纖維的核心成分。最近，微粒化纖維素(微米或納米尺度)的體外功能特性與體內降低血脂、調節(jié)血糖等生理活性已得到報道[9-11]。目前，不溶性膳食纖維相關研究普遍關注其功能評價與應用研發(fā)，而纖維素的結構屬性對理化性質與功能特性的影響及其調控機制仍有待深入研究。在海洋源健康食品得到產學研各方及消費大眾日益關注的背景下，本研究以我國主要食用經(jīng)濟褐藻海帶和裙帶菜為對象，著眼纖維素的分離純化與結構分析，以期為優(yōu)質膳食纖維資源的開發(fā)以及褐藻精深加工與資源綜合利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

海帶(Saccharinajaponica)、裙帶菜(Undariapinnatifida)，養(yǎng)殖于大連附近海域(旅順柏嵐子養(yǎng)殖場，38°45′22.0″N 121°13′13.5″E)，收獲于2017年5月，由養(yǎng)殖企業(yè)提供，洗凈自然風干后室溫密閉貯存?zhèn)溆谩?/p>

纖維素(Sigmacell Type 101)、微晶纖維素(Avicel PH-101)，美國Sigma-Aldrich公司；銅乙二胺(1 mol/L水溶液)，美國Acros Organics公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

GL-21M型高速冷凍離心機，長沙湘儀儀器離心機有限公司；Scientz-10N型冷凍干燥機，寧波新芝生物科技股份有限公司；烏氏黏度計(毛細管孔徑0.5 mm)，上海申誼玻璃制品有限公司；3 L單罐型球磨機，宜興市丁蜀浩強機械廠；1260 Infinity型高效液相色譜儀(配備紫外-可見光檢測器)，美國Agilent公司；Venusil XBP-C18型色譜柱，美國Phenomenex公司；Nicolet iS50型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo Fisher Scientific公司；X’Pert Pro MPD型粉末X射線衍射儀，荷蘭PANalytical公司；Jade 6.0版X射線衍射數(shù)據(jù)分析軟件，美國MDI公司。

1.3 實驗方法

1.3.1原料預處理

干燥海帶與裙帶菜原料分別用小型粉碎機粉碎，過60目篩，密封保存于干燥器中備用。

1.3.2基本成分測定

水分測定：直接干燥法[12]?？偦曳譁y定：高溫灼燒法[13]。粗蛋白含量測定：凱氏定氮法[14]。粗脂肪含量測定：索氏抽提法[15]。

海帶中甘露醇質量分數(shù)采用分光光度法進行測定[16]；褐藻膠質量分數(shù)(以褐藻酸鈉計)采用質量法進行測定[17]。

1.3.3褐藻纖維素提取

海帶或裙帶菜粉末在室溫下以甲醇浸泡12 h，過濾；濾渣用去離子水洗滌后用乙酸調節(jié)pH值至2～3后，加入適量亞氯酸鈉，于通風櫥內60 ℃下攪拌處理3 h，洗滌、過濾至濾液呈中性。濾渣于0.5 mol/L氫氧化鈉溶液中60 ℃攪拌處理6 h，洗滌、過濾至濾液呈中性。然后濾渣置于1.5 mol/L鹽酸溶液中煮沸，靜置12 h，洗滌、過濾至濾液呈中性。最后將所得濾渣以叔丁醇離心洗滌3次后冷凍干燥，密封貯存?zhèn)溆肹18]。

1.3.4褐藻纖維素理化性質分析

1.3.4.1 基本成分測定

按1.3.2方法對從2種褐藻中提取的纖維素的基本成分進行測定。提取樣品的總固形物、總可溶性固形物含量參考美國可再生能源國家實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)方法進行分析[19]。

1.3.4.2 葡聚糖質量分數(shù)測定

采用硫酸分步水解—高效液相色譜法對所提取纖維素樣品的葡聚糖質量分數(shù)進行分析[20]。

硫酸分步水解：取100 mg樣品于消化管內，加1 mL質量分數(shù)72%硫酸，25 ℃水浴下玻璃棒攪拌反應1 h，加水稀釋至硫酸質量分數(shù)為3%，密閉管蓋后置于高溫滅菌鍋內，121 ℃下反應60 min，冷卻后適當稀釋并用碳酸鈣中和，離心取上清液(水解液)待測。葡萄糖作為硫酸分步水解對照組用以修正第二步水解過程中單糖的損失。

高效液相色譜分析：配置一定濃度梯度的甘露糖、鼠李糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖標準溶液。取200 μL標準溶液或水解液樣品，以0.5 mol/L 1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)-甲醇溶液于70 ℃衍生處理90 min，隨后去除有機相并取水相樣品進行高效液相色譜分析[21]。分析條件為柱溫30 ℃，流速1 mL/min，檢測波長250 nm；流動相A為體積分數(shù)15%乙腈水溶液(含50 mmol/L磷酸二氫鉀緩沖液，pH值6.0)，流動相B為體積分數(shù)40%乙腈水溶液(含50 mmol/L磷酸二氫鉀緩沖液，pH值6.0)；洗脫梯度如表1。

表1 高效液相色譜分析流動相洗脫梯度

水解液單糖質量分數(shù)根據(jù)濃度-色譜峰面積標準曲線求算。樣品葡聚糖質量分數(shù)按式(1)計算：

(1)

式(1)中，m(水解液中葡萄糖)、m(水解前樣品干質量)，g。

1.3.4.3 紅外光譜分析

將纖維素樣品用球磨機研磨粉碎，過200目篩，以1∶100質量比與溴化鉀混合于瑪瑙研缽中研磨均勻，壓片，置于傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)儀樣品槽中，在波數(shù)400～4 000 cm-1以透射模式進行分析，掃描次數(shù)32次，分辨率為0.5 cm-1。

1.3.4.4 聚合度分析

采用銅乙二胺黏度法對所提取纖維素樣品的固有黏度進行分析，進而根據(jù)式(2)計算樣品平均聚合度(degree of polymerization，DP)[22]：

DP0.85=1.1×η。

(2)

式(2)中，η為樣品固有黏度，Pa·S。

1.3.4.5 粉末X射線衍射分析

將纖維素樣品均勻填滿X射線衍射儀樣品槽中，以Cu Kα射線(λ=0.154 2 nm，發(fā)生于50 kV、300 mA)進行分析，在散射角度2°～60°以0.02°分辨率測定衍射強度，掃描速度2°/min。根據(jù)衍射圖譜(衍射強度對衍射角繪圖)，按式(3)計算樣品的結晶度指數(shù)(crystallinity index，CrI)[23]。

(3)

式(3)中，Ic為結晶性區(qū)域的衍射強度，在圖譜最高峰(衍射角2θ≈21.8°)處取得；Ia為無定型區(qū)域衍射強度，在2θ為18.0°附近的波谷處取得。

進而在Jade 6.0分析軟件中使用pseudo-Voigt函數(shù)對10～30°的衍射圖譜進行擬合分析，以獲得不同晶面衍射峰的衍射角2θ、半峰全寬(full width at half maxima，F(xiàn)WHM)等參數(shù)[24]。根據(jù)擬合所得數(shù)據(jù)，運用謝樂(Scherrer)公式[式(4)]以及布拉格(Bragg)定律[式(5)]，計算結晶結構的晶粒尺寸與晶面間距[25]。

L=0.9×λ/(H×cosθ)；

(4)

d=n×λ/(2×sinθ)。

(5)

式(4)、式(5)中，L為垂直于晶面方向的晶粒尺寸，nm；λ為X射線波長，nm；H為FWHM，rad；θ為掠射角，rad；d為晶面間距，nm；n為正整數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計學處理及顯著性分析(P<0.05),并以3次平行實驗測定的平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 褐藻纖維素分離純化結果

海帶和裙帶菜原料的基本成分如表2，數(shù)據(jù)與文獻報道結果相符[26-29]。作為我國乃至東亞地區(qū)主要食用褐藻種類，二者均含有豐富的碳水化合物、礦物質及蛋白質，屬于低能量、高膳食纖維的“健康”食品材料。2種原料均富含褐藻膠，直接食用可提供豐富的可溶性膳食纖維，海帶因其褐藻膠含量更高且產量大也被用作工業(yè)提膠原料。二者的礦物質含量均較高，且裙帶菜顯著高于海帶；據(jù)報道礦物質主要以藻酸鹽的形式存在于細胞壁中，主要包括鉀、鈉、鈣等堿及堿土金屬元素[28，30]。裙帶菜樣品的粗蛋白含量顯著高于海帶。海帶中則含有更多的甘露醇。此外2種海藻的脂類物質含量均較低。

表2 海帶及裙帶菜樣品的基本組成

為了有效分離褐藻纖維素，確保其純度及提取率，本研究針對樣品成分特點設計了多步提取及純化路線。海帶及裙帶菜原料經(jīng)過洗滌，脫色，酸、堿處理，冷凍干燥后，均得到具有疏松結構的白色纖維狀物質。提取物經(jīng)硫酸分步水解后，其水解液樣品的高效液相色譜洗脫曲線均僅有1個特征峰，對照標準品保留時間判定為葡萄糖，見圖1。通過標準曲線計算可知，2種樣品中葡聚糖質量分數(shù)分別達(99.86±2.12)%及(98.91±3.45)%(以干質量計，n=3)。因提取物的可溶性物質含量極低(小于0.04%)，可見原料中的“雜質”成分得到了有效去除，所提取物質為高純度不溶性葡聚糖。對2種提取樣品及市售纖維素試劑進行FT-IR分析，如圖2?？梢?種樣品具有高度一致的紅外吸收圖譜，表明其具有一致的化學組成與基本結構。一定波數(shù)處的特征峰及其官能團歸納見表3，對照文獻報道結果[7]，可見提取自2種褐藻的樣品均具有典型纖維素特征吸收。以上定量與定性分析結果表明，所提取物質均為高純度纖維素。經(jīng)測定，海帶纖維素的灰分質量分數(shù)為(0.93±0.09)%，裙帶菜纖維素灰分質量分數(shù)為(1.02±0.34)%；海帶與裙帶菜纖維素的提取率分別為原料干質量的5.59%及2.61%。

表3 3種纖維素樣品FT-IR特征吸收比較

圖2 3種纖維素樣品FT-IR分析

作為細胞壁的骨架成分，纖維素賦予其結構強度進而發(fā)揮支撐與保護細胞的作用。海帶較高的纖維素含量與其相對堅韌的質地相符；而裙帶菜的纖維素含量較低，質地更加柔軟。據(jù)報道用于提取褐藻膠的大型褐藻原料，如巨藻(Macrocystispyrifera)，其纖維素含量可達8.14%，已不適于食用[31]。本研究結果也表明：作為我國主要可食性褐藻，海帶和裙帶菜除含有豐富的可溶性膳食纖維外，還可以提供一定量的不溶性膳食纖維，而海帶的不溶性膳食纖維含量相對較高。

2.2 褐藻纖維素結構分析

2.2.1分子結構

成分分析表明，提取的褐藻纖維素的純度較高，其酸水解產物為單一葡萄糖。纖維素的聚合度指分子鏈中所連接的葡萄糖單元的數(shù)目，聚合度對纖維素理化性質有著重要的影響[9,32]。本研究采用黏度法測定了海帶及裙帶菜纖維素樣品的平均聚合度，結果如表4。在本實驗條件下制備所得海帶纖維素的聚合度遠高于裙帶菜纖維素；而所得2種褐藻纖維素的聚合度均顯著低于高等植物來源纖維素。有報道指出，纖維素的聚合度對其持水能力(膳食纖維的重要理化指標之一)具有顯著影響，但對持水能力變化規(guī)律與影響機制的研究尚不充分[9]。另一方面，添加富含纖維素的高等植物不溶性膳食纖維會對食品的感官品質、穩(wěn)定性及加工特性帶來一定的負面影響[33-34]?？梢?，褐藻所含相對“短鏈”纖維素值得在不溶性膳食纖維強化食品研發(fā)中得到更多關注。

表4 3種纖維素樣品的聚合度

2.2.2聚集態(tài)結構

天然纖維素的直鏈葡聚糖結構使其易于通過分子內及分子間氫鍵形成致密有序的結晶結構，從而呈現(xiàn)較清晰的X射線衍射圖譜。纖維素的聚集態(tài)結構是指纖維素分子間的相互排列情況(晶區(qū)和非晶區(qū)、晶胞大小及形式、分子鏈在晶胞內的堆砌形式等)。結晶區(qū)與無定形區(qū)的比例、結晶的完善程度，均隨纖維素的種類而異。事實證明，超分子結構是影響纖維素性能的直接因素，既包括其作為高分子材料的使用性能，也涉及其作為膳食纖維的功能特性。

2.2.2.1 結晶程度

本研究中4種纖維素樣品的X射線衍射圖譜(衍射強度隨衍射角的變化)見圖3，其中微晶纖維素是天然纖維素通過強酸水解去除部分無定形區(qū)后的產物。由圖3可知，海帶、裙帶菜及微晶纖維素的主要衍射峰峰型較為尖銳，分離度較高，體現(xiàn)出更加有序的結構；而所有樣品均呈現(xiàn)出天然纖維素的I型結晶結構[18]。結晶性區(qū)域占纖維素整體的百分比被定義為結晶度，對于I型結晶結構可以通過式(3)求算結晶度指數(shù)進行評價。4種樣品的CrI值計算結果如表5。除市售纖維素(Sigmacell Type 101)外，其他3種樣品的CrI值均大于70%，說明其中結晶性區(qū)域占比較高，整體結構更加有序。值得注意的是2種褐藻纖維素在未經(jīng)進一步處理的情況下結晶度指數(shù)與市售微晶纖維素接近；這一結果也高于大多數(shù)文獻報道的高等植物來源纖維素[9,35-36]。纖維素結晶程度對于其懸浮與乳化穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性與水合能力具有顯著影響，但其作用機制還有待進一步研究確認[9]。此外，研究結果也表明：以褐藻纖維素為原料制備微晶或納米結晶纖維素，有望簡化工藝，降低制備過程強度并提高產物得率與產品性狀。

圖3 4種纖維素樣品的X射線衍射圖譜

表5 4種纖維素樣品的結晶指數(shù)

2.2.2.2 多晶型結構

氫鍵排布的不同使纖維素具有多晶型結構。在天然纖維素Ⅰ型結晶結構中存在2種相互伴生的晶型，即Ⅰα型(單鏈三斜晶系)和Ⅰβ型(雙鏈單斜晶系)，二者的比例與纖維素的來源密切相關[37]。通過對X射線衍射數(shù)據(jù)進行深入分析，可以獲取其晶體結構的詳細信息。本研究首先在數(shù)據(jù)分析軟件中使用pseudo-Voigt函數(shù)對10～30°的衍射圖譜進行了峰型擬合分析，獲取了2種晶型4個主要晶面衍射峰的衍射角、半峰全寬等關鍵參數(shù)(見表6)。擬合結果見圖4及表7，擬合誤差小于一般要求的9%[38]。其中市售纖維素(Sigmacell Type 101)因結晶程度較低，衍射峰分離度較差，晶面c已無法擬合。

表7 4種纖維素樣品X射線衍射圖譜峰型擬合所得參數(shù)

圖4 4種纖維素樣品X射線衍射圖譜峰型擬合結果

表6 不同晶面X射線衍射峰的峰型擬合分析

根據(jù)擬合所得參數(shù)，運用謝樂公式以及布拉格定律，求得各樣品的晶粒尺寸與晶面間距，計算結果如表8。海帶、裙帶菜纖維素在晶面d垂直方向的晶粒尺寸相當，略小于微晶纖維素，而遠大于市售纖維素，也印證了此取向上晶粒尺寸與晶體結構完整度正相關的觀點[25]。據(jù)報道晶粒尺寸對纖維素的理化性質也具有影響，熱穩(wěn)定性隨晶粒尺寸減小而降低[39-40]。晶粒尺寸對纖維素膳食纖維功能特性的影響尚未見報道。2種褐藻纖維素樣品晶面間距計算結果高度一致，且在晶面a、b方向上顯著區(qū)別于高等植物纖維素樣品，與文獻報道結果相符[40]，也體現(xiàn)出晶胞空間結構上的差異。Wada等[41]提出了判斷纖維素多晶型結構的經(jīng)驗公式[式(6)]，并已得到廣泛應用。

Z=1 693da-902db-549。

(6)

式(6)中，Z為晶系判別系數(shù)，當Z>0時結晶結構以Iα型為主，Z<0時以Iβ型為主；da及db分別為計算所得晶面a與晶面b所對應的晶面間距(nm)。計算結果(表8)表明海帶和裙帶菜纖維素的Z值均為正值，顯示其結晶結構以Iα晶型為主，而2種市售纖維素的Z值均為負，表明其中Iβ晶系占主導。有研究指出，Iα構型較Iβ構型在熱力學上更加不穩(wěn)定[42]，更易于參與生化反應[43]。海帶和裙帶菜所含不溶性膳食纖維的獨特結構與其相關功能特性的內在聯(lián)系有待進一步研究。

表8 4種纖維素樣品的晶粒尺寸、晶面間距及Z值計算結果

3 結 論

本研究以我國主要可食性褐藻海帶和裙帶菜為原料，通過多步分離純化工藝，在相對溫和的處理條件下提取褐藻纖維素。結果表明：提取的纖維素具有較高純度，而海帶的纖維素含量明顯高于裙帶菜。海帶纖維素的聚合度明顯高于裙帶菜，但二者均顯著低于高等植物纖維素。通過粉末X射線衍射分析，對褐藻纖維素的超分子結構進行了研究。結果顯示：2種褐藻纖維素均具有天然高度結晶性結構，其結晶度指數(shù)達到市售微晶纖維素的水平，明顯高于多數(shù)陸生高等植物纖維素。所提取褐藻纖維素具有典型I型結晶結構，且其基本結構單元以單鏈三斜晶系為主，顯著區(qū)別于陸生高等植物。鑒于可食性褐藻所含不溶性膳食纖維的獨特結構，其理化性質以及在營養(yǎng)健康與食品加工方面的功能特性值得食品科技領域更多研究關注。本研究結果旨在為優(yōu)質膳食纖維資源的開發(fā)以及我國經(jīng)濟褐藻資源的高效率、高值化、可持續(xù)利用提供理論參考。