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(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所/中國農(nóng)業(yè)科學院 甘薯研究所，江蘇 徐州 221131)

甘薯膳食纖維的物化性質(zhì)及其對體內(nèi)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(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所/中國農(nóng)業(yè)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(zhì)及鉛離子清除能力，為預(yù)防鉛中毒提供理論基礎(chǔ)和生物學證據(jù)。結(jié)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(nèi)鉛離子清除能力。

甘薯；膳食纖維；物化性質(zhì)；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(chǎn)、適應(yīng)性廣、保健功能強等優(yōu)點，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、結(jié)構(gòu)調(diào)整的優(yōu)勢作物[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，我國甘薯總產(chǎn)量為0.71億噸，是全球最大的甘薯生產(chǎn)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(dǎo)致肥胖癥、高血脂和糖尿病等慢性病發(fā)病率呈快速上升趨勢，其中膳食纖維的攝入量減少而導(dǎo)致的膳食營養(yǎng)不平衡是誘發(fā)這些現(xiàn)代文明病的主要原因[2]。甘薯營養(yǎng)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(yǎng)平衡的優(yōu)質(zhì)食物資源。

膳食纖維(DF)是指具有3個或以上單體鏈節(jié)的碳水化合物，主要由果膠類物質(zhì)、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，不能夠被人體小腸內(nèi)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(fā)酵作用。DF具有多種重要的物化性質(zhì)，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(yù)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(yǎng)學界補充認定為第七類營養(yǎng)素。

目前，人們的生活環(huán)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(nèi)公害，特種行業(yè)(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(yè)病[7]。目前，排鉛藥物雖能起到一定治療作用，但效果不穩(wěn)定、副作用明顯。DF能通過螯合、絡(luò)合或吸附作用在體內(nèi)與鉛產(chǎn)生很強結(jié)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(yīng)用范圍，為甘薯DF排鉛功能提供了一個新的試驗證據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料

以江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)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(qū)徐州農(nóng)業(yè)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(nèi)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(yī)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(huán)境標準物質(zhì)中心，濃度為500 mg/L；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。

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

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(diào)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(jīng)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(zhì)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(zhì)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(jīng)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(jīng)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(zhì)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(zhì)的測定

DF物化性質(zhì)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(zhì)量(g)。

取1.0 g經(jīng)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(zhì)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(jù)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(zhì)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(shè)置pH=2.0和pH=7.0，分別模擬胃和腸道環(huán)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(jù)反應(yīng)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(zhì)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(shè)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(nèi)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(xù)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(tǒng)計分析

采用SPSS 18.0軟件處理數(shù)據(jù)，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(tǒng)計；相關(guān)性檢驗采用皮爾森相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)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(shù)據(jù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)

表3為不同品種甘薯DF的基本物化性質(zhì)，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(jié)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(zhì)

2.3甘薯DF對體外鉛離子的清除能力

甘薯DF的結(jié)構(gòu)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(huán)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(fā)生在腸道內(nèi)。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(nèi)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(jié)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(yōu)質(zhì)的DF[18]。SDF和IDF的物化性質(zhì)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(zhì)和清除鉛離子的能力。

表6 甘薯DF對體內(nèi)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(zhì)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(guān)[19]。徐薯32號DF的持水性、持油性和膨脹性均優(yōu)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(zhì)。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(zhuǎn)運能力的重要指標[20]。徐薯32號DF的葡萄糖吸收能力優(yōu)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(jù)物質(zhì)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(zhì)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(jù)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(jié)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(jié)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(nèi)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(nèi)鉛離子的清除能力要優(yōu)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(nèi)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(zhì)、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(yīng)根據(jù)不同需求適當調(diào)節(jié)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金(CARS-10-B20)；江蘇省徐州市農(nóng)業(yè)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。