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1、江西农业学报 2023,35(09):162168ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.09.025葛渣综合利用研究进展陈 慧1,何绍浪2*,王馨悦2,成艳红2,王斌强2,黄欠如2(1.江西农业大学 食品科学与工程学院,江西 南昌 330045;2.江西省红壤及种质资源研究所,江西 南昌 330046)摘 要:葛渣含有丰富的膳食纤维、淀粉、粗蛋白、可溶性碳水化合物及少量的脂肪、氨基酸等营养成分,还含有黄酮、多糖等多种生物活性成分,具有广阔的应用前景。对葛渣的主要成分及其在食品加工、医药与化妆品、农业生产、动物养殖及环境领域中综合利
2、用的研究现状进行了综述,旨在为提高葛渣的综合利用效率以及促进葛产业发展提供思路。关键词:葛渣;营养成分;生物活性成分;综合利用 中图分类号:S646.9 文献标志码:A 文章编号:1001-8581(2023)09-0162-07Research Progress in Comprehensive Utilization of Radix pueraria Residues CHENHui1,HEShao-lang2*,WANGXin-yue2,CHENGYan-hong2,WANGBin-qiang2,HUANGQian-ru2(1.CollegeofFoodScienceandEngine
3、ering,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China;2.JiangxiInstituteofRedSoilandGermplasmResources,Nanchang330046,China)Abstract:Therearenotonlyrichdietaryfiber,starch,crudeprotein,solublecarbohydrate,littlefat,aminoacidandothernutrientsinRadix puerariaeresidues,butalsoavarietyofbioactivecomp
4、oundssuchasflavonoidsandpolysaccharides.Therefore,Radix puerariaeresidueshavebroadapplicationprospects.Inthispaper,themaincomponentsofRadix puerariaeresiduesandtheircomprehensiveutilizationinthefieldsoffoodprocessing,medicineandcosmetics,agriculturalproduction,animalbreedingandenvironmentwerereviewe
5、d.ItaimstoprovideideasforimprovingthecomprehensiveutilizationefficiencyofRadix puerariaeresiduesandpromotingthedevelopmentofRadix puerariaeindustry.Key words:Radix puerariaeresidue;Nutritionalcomponent;Bioactivecomponent;Comprehensiveutilization葛属植物是一种多年生的经济作物,我国对葛的应用历史悠久。葛种包含3个变种,通常有个变种做药用和食用,即野葛 P
6、ueraria lobata(Willd.)Ohwi 和甘葛藤(Pueraria thomsoniiBenth.)1。野葛主要分布于湖北、陕西、四川等省份,甘葛藤主要产于广西、广东、江西等省份。2020年版 中国药典 规定粉葛为豆科植物甘葛藤的干燥根,葛根为豆科植物野葛的干燥根2;粉葛和葛根均具有极高的食用和药用保健价值,已被列入我国药食同源目录名单中。在实施“健康中国”的战略背景下,我国人民对营养与健康愈加重视,药食同源物质越来越受到人们的青睐。随着人们对葛根和粉葛的药食两用价值的认知度不断提高,其相关加工产品的需求量也逐年加大,特别是葛粉,可直接作为饱腹食品食用或添加于糕点、粉丝、面条及具
7、有强身滋补的功能性食品中,也可用于非食品领域特别是纸张文物修复、海藻糖和乙醇生产等方面3-4。据统计,2017年中国葛(葛根、粉葛)产量达到了8500万t,较2011年增长了88.9,而葛加工主要集中在提取葛粉方面,如江西粉葛加工成葛粉的销售比重高达48.57%5-6。葛粉的生产加工必然会产生大量残渣,且其生产加工具有季节性(12月翌年2月),导致葛渣排放集中。鲜葛渣的含水率较高,容易腐败变质,产生异味,从而污染环境。葛渣中不仅含有淀粉、蛋白质、氨基酸、还原糖、脂肪、膳食纤维等丰富的营养成分,还含有黄酮类及多糖类化合物等多种生物活性成分7-8,直接废弃葛渣会造成资源浪费。因此,充分挖掘葛渣的利
8、用收稿日期:2023-06-24基金项目:江西省自然科学基金项目(20224BAB216091);江西省重点研发计划项目(20202BBF63002);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ2200420);江西省现代农业产业技术体系建设专项(JXARS-16)。作者简介:陈慧(1992),女,讲师,博士,主要从事食品营养与安全研究。*通信作者:何绍浪。9 期163陈慧等:葛渣综合利用研究进展价值,不仅可避免葛渣资源的浪费,还能减少环境污染,实现良好的社会和环境效益。本文就葛渣的主要成分以及在食品加工、医药、养殖业、农业生产等领域中的应用现状进行了简要综述,以期为提高葛渣的综合利用效率及促进葛产
9、业发展提供思路。1 葛渣的主要成分葛渣是葛粉生产加工、药用成分的提取、保健食品开发等过程中产生的固态废弃物。多项研究表明,葛渣中含有与葛(葛根、粉葛)相同的营养成分和生物活性成分,主要为蛋白质、脂肪、淀粉、蔗糖、还原糖、异黄酮、葛根素、多糖、膳食纤维、粗纤维、木质素等。葛渣中的主要成分因葛的品种、来源、加工用途等的不同而存在差异,了解葛渣的组分构成有利于更好地挖掘葛渣的应用价值。本文对不同来源的粉葛和葛根的葛渣组分构成进行了汇总(表1)。表1 不同来源的葛渣组分构成变种来源用途葛渣组分构成参考文献葛根陕西安康市生物制药企业提取有效成分粗蛋白12.86%,粗纤维63.97%,粗脂肪1.37%,可
10、溶性碳水化合物3.09%,总糖24.71%,水分9.33%。9葛根湖北恩施土家族自治州生产葛粉不溶性膳食纤维74.4%,可溶性膳食纤维5.7%,纤维素35.6%,半纤维素25.8%,木质素15.8%,黄酮2.317mg/g,灰分0.2%。10葛根岳阳生产葛粉淀粉8.37%,脂肪2.50%,蛋白质5.60%,总纤维68.14%,水分7.92%,灰分4.21%。11葛根湖北武汉生产葛粉异黄酮23.12mg/g,不溶性膳食纤维61.2%,可溶性膳食纤维12.9%,总膳食纤维74.1%。12葛根湖北生产葛粉纤维素50.50%,脂蜡质4.33%,半纤维素2.76%,果胶4.19%,木质素30.35%,水
11、溶物7.87%,灰分5.23%。13葛根大别山企业生产葛粉纤 维 素40.78%,半 纤 维 素25.32%,木 质 素23.04%,水 溶 物8.01%,果胶物质1.94%,脂蜡质0.91%。14葛根湖北企业生产葛粉蛋白质4.03%,淀粉5.05%,脂肪0.59%,膳食纤维74.70%,水分9.37%,灰分6.22%。15葛根湖南张家界企业生产葛粉纤维素59%,半纤维素17%,木质素8%,灰分1%,其他(淀粉、果胶、蛋白质等)15%。16粉葛广东佛山生产葛粉不 溶 性 膳 食 纤 维40.9%,可 溶 性 膳 食 纤 维6.60%,纤 维 素30.8%,半纤维素35.00%,木质素1.8%。
12、17粉葛福建企业生产葛粉蛋 白 质5.64%,脂 肪0.50%,灰 分2.4%,淀 粉47.0%,蔗 糖2.5%,还 原 糖2.4%,总 黄 酮0.48%,葛 根 素0.19%,多 糖20.70%,膳食纤维38.9%,粗纤维31.0%,木质素4.9%。7粉葛江西德兴生产葛粉全氮13.7g/kg,全磷6.1g/kg,全钾15.4g/kg,有机质471.0g/kg。18由表1可知,葛渣主要来源于葛粉生产加工;膳食纤维是葛渣中最主要的营养成分,葛根渣中膳食纤维含量可高达70以上,粉葛渣中达到40%左右;不同研究所测定的葛渣组分不同,缺乏统一、全面的葛渣组分测定标准。此外,不同干燥方式对葛渣主要营养成
13、分组成具有显著的影响。赖谱富等7比较分析了葛渣经热风干燥与真空冷冻干燥处理后其营养成分的变化,结果发现热风干燥后葛渣中的蛋白质、还原糖、灰分、膳食纤维、粗纤维、木质素、氨基酸总量、必需氨基酸总量、非必需氨基酸总量等均显著高于真空冷冻干燥处理。因此,葛渣的干燥处理方式以热风干燥更佳。葛根或粉葛在提取淀粉的过程中,部分生物活性成分会伴随着淀粉一起被提取出来而保留在葛粉中,但是有一部分生物活性成分仍然会在葛渣中残留,其中黄酮类和多糖类化合物是目前葛渣中可被提取利用的最主要的活性成分。杨树平等19优化了葛渣总黄酮的提取工艺,并测定出葛根及葛渣的总黄酮得率分别为46.11、32.41mg/g,而葛根及葛
14、渣的葛根素含量分别为40.63、21.24mg/g。谭小燕等20探究了野葛在提取葛粉前后总黄酮含量的变化,发现不管野葛样品在提取葛粉前的总黄酮含量有多高,提取葛粉后其残渣中总黄酮含量仍然能保留50%左右。以上研究均表明葛渣中含有丰富的黄酮类化合物,可能包括葛根素及其衍生物、大豆苷、黄豆黄苷、染料木苷、芒柄花苷及大豆苷元等8。目前可以确定葛渣中含有的黄酮组分包括葛根素,葛渣中是否还含有葛根中的其他黄江 西 农 业 学 报35 卷164酮类化合物尚不清楚。多糖是葛根中另一种具有丰富药理活性的大分子物质,采用不同提取工艺后多糖的得率在1.168%13.950%之间21。不同分离纯化方法可得到性质和结
15、构各异的葛根多糖,如通过DEAE-Sepharose离子交换柱层析和SephacrylS-200HR凝胶过滤柱层析联用法得到了中性网状结构的均一多糖GE-1和酸性条带结构的均一多糖GE-222;采用DEAE-52纤维素阴离子交换柱层析法分离纯化葛根多糖可得酸性杂多糖PS-D1等23。张勇等24采用回流时间1.5h、乙醇浓度75%、料液比1 40(g/mL)、回流温度95的工艺条件提取葛渣中的多糖,提取率可达1.168%,表明葛渣中含有丰富的多糖成分。然而,葛渣多糖的理化性质、结构特性以及药理活性仍有待进一步研究。2 葛渣综合利用的研究现状2.1 食品加工应用葛渣中含有丰富的膳食纤维,是很好的天
16、然膳食纤维来源。水溶性膳食纤维可增加饱腹感、降低消化率、维持血糖稳定,在预防肥胖、结肠癌及糖尿病等疾病中发挥着重要作用,也可作为食品胶凝剂、乳化剂等,还可用于改善食品结构,提高食品品质25-26。在面包、饼干等面制品中添加膳食纤维,可使产品具有吸水、保鲜、膨松、改善口味、饱腹等功效27。梅新等15直接将葛渣粉作为原料制作曲奇饼干,确定了使曲奇饼干具有粗粮饼干的粗糙口感以及较高的酥脆性,且保留葛渣中营养成分的葛渣粉最佳添加量为15%。葛渣还可以作为酿醋的原料。陈清婵等28研究表明在葛根渣5 1、发酵温度34、发酵时间6d、醋酸菌添加量为0.7等条件下可测得葛根的酸度为0.63mol/L,黄酮浓度
17、为7.69mg/L;这不仅增强了食醋的保健功能,也为葛渣的综合利用提供了新途径。目前葛渣在食品加工中的应用相对匮乏,如何提高葛渣的食用价值也是葛渣高值化利用的重要研究方向。2.2 医药与化妆品应用葛根素是葛根和粉葛中特有的有效成分,含量最高可达葛根干重的6.90%29。目前葛根素已被开发出如片剂、胶囊、颗粒、注射液、乳剂和微丸等多种剂型,并应用于临床上治疗高血压、冠心病、糖尿病及其并发症、炎症、胃肠癌和重金属中毒等30-31。葛根素可抑制酪氨酸酶活性及黑色素形成,从而防止色素沉积,达到祛斑增白的效果32。葛根素还可保护人体皮肤细胞免受紫外线诱导的氧化损伤以及光老化,且具有补水、保湿的功效33。
18、实际上,葛根素已应用于多个品牌的护肤品中,如自然堂嫩白保湿霜、雅诗兰黛璀璨美白精华露、蝶翠诗樱桃果明美白化妆水、娇韵诗花样年华眼部修护霜、ITCosmetics抗老化CC霜等,但通常以野葛根提取物的形式出现在护肤品成分表中。葛渣中仍然存有较高含量的葛根素,可通过现代提取分离纯化技术将葛渣中的葛根素充分提取后应用于医药与化妆品领域。朱德艳等34采用CO2超临界萃取技术并优化其工艺参数(投料量50g、萃取温度55、萃取压力16MPa、萃取时间90min),从葛渣中提取葛根素,萃取率为82.5%。黄彤等35采用超声辅助乙醇提取法,在乙醇浓度70%、料液比117(g/mL)、提取温度70、提取时间26
19、min的最佳工艺条件下提取2次,葛根素的提取率可达96.3%。目前尚没有关于葛渣提取液中葛根素分离纯化方法的研究,而从葛粉生产废水、葛根浸提液中分离纯化葛根素的相关研究较多,主要采用的分离纯化方法包括大孔树脂、离子交换纤维等柱分离法、陶瓷膜分离法、重结晶法以及多种分离法联合使用36。由于葛渣中的主要化学成分与葛根、葛粉生产废水中的化学成分具有差异,不同组分可能会影响其葛根素的分离效率,因此亟需进一步探究可从葛渣提取液中分离纯化葛根素的高效且环保的方法。葛渣可用于制备水溶性膳食纤维颗粒。龙伟37采用超声辅助纤维素酶解法,优化葛渣水溶性膳食纤维的提取工艺,确定其最佳工艺参数为:pH值5.2、超声时
20、间75min、超声温度57、料液比124(g/mL)、纤维素酶添加量3%。水溶性膳食纤维平均得率可达到12.31%,并采用干法制粒方式颗粒得率可达50%以上。水溶性膳食纤维颗粒在临床往往用于治疗便秘,包括糖尿病性便秘、慢性便秘以及药物引起的便秘等,效果好且安全性高38-39。水溶性膳食纤维常被用作预防糖尿病的保健食品添加剂,用来调整饮食结构,增强保健功能40-41。2.3 农业生产应用食用菌产业是我国农业结构中的重要组成部分,食用菌栽培材料来源广泛,包括各种农业废料,如玉米芯、废弃杂木、中药渣等42-43。葛渣含有粗蛋白、多糖、粗纤维等多种营养成分,其中含有的纤维素、半纤维素、木质素等与锯木屑
21、成分相9 期165陈慧等:葛渣综合利用研究进展近,可作为栽培食用菌的新型原料9。葛渣可作为糙皮侧耳、平菇、香菇、金针菇、猴头菇等多种食用菌栽培基质中的主要原料,本文汇总了近年来各种含葛渣的食用菌栽培基质配方以及食用菌培养效果(表2)。由表2可知,在栽培基质中添加适当比例的葛渣能提高糙皮侧耳的平均产量并缩短出菇周期,栽培基质最优配方为葛根渣65%、杂木糠17%、麦麸15%、石灰粉2%、石膏粉1%。葛渣可以完全替代杂木屑作为栽培平菇和香菇的主料,用葛渣加麦麸栽培的平菇和香菇的最高生物学效率分别为96.72%、78.69%。范秀芝等47研究发现,在以黑木耳菌丝体培养为主的固体发酵过程中添加葛渣可以加
22、快菌丝的生长速度,且发酵菌质含有总黄酮5.645mg/g,对羟基自由基和超氧阴离子自由基的清除率分别为97%和98%,表明其具有较强的体外抗氧化活性。葛渣栽培基质对不同食用菌的培养效果存在较大差异,如采用葛渣栽培基质培养猴头菇和茶新菇,其生物学效率远远低于平菇、金针菇等。因此,尽量选择能最大程度转化利用葛渣栽培基质的食用菌作为栽培对象,以实现各项资源的高效化利用。综上所述,葛渣在作为栽培食用菌的新型基质方面具有巨大潜力,但目前葛渣在栽培食用菌方面的研究主要集中于栽培基质配方的研发,通过分析食用菌子实体的农艺性状、生物学效率、产量等判定其栽培食用菌的可行性,而培养菌株的营养成分,栽培基质与菌株农
23、艺性状、营养成分的相关性以及栽培基质影响菌株生长的机理仍缺乏深入研究。表2 葛渣食用菌栽培基质配方及其培养效果食用菌基质配方生长情况生物学效率/%参考文献糙皮侧耳葛根渣65%,杂木糠17%,麦麸15%,石灰粉2%,石膏粉1%。菌丝洁白、粗壮,出菇周期短。93.3744平菇葛渣78%,麦麸20%,石灰粉1%,白糖1%。菌丝粗壮、浓白,长势良好。96.7245香菇葛渣88%,麦麸10%,石灰粉1%,白糖1%。菌丝粗壮、浓白,长势良好。78.6945金针菇葛渣67.5%,干草20%,米糠10%,白糖1%,石灰0.5%,石膏1%。菌丝生长洁白、粗壮、致密。92.0046猴头菇葛渣68%,干草20%,米
24、糠10%,白糖1%,石膏1%。菌丝生长洁白。51.0046黑木耳50g玉米糁,4.5%葛渣及50mL优化的液体发酵培养基。菌丝生长速度加快、菌质有较高体外抗氧化活性。未检测47茶新菇葛渣45%,杂木屑35%,麦麸15%,豆粕3%,石灰2%。菌丝生长速度较慢,高镁、钾。28.9548鸡腿菇(1)葛渣80%,麸皮17.7%,石膏粉1%,石灰粉1%,克霉灵0.1%,营养素0.2%;(2)葛渣40%,食用菌废料40%,麸皮17.7%,石膏粉1%,石灰粉1%,克霉灵0.1%,营养素0.2%。发菌速度较快。未检测9此外,食用菌菌渣可以作为有机肥或者土壤改良剂施用,具有较高的利用价值。菌渣施入土壤后会对土壤
25、的结构、物质组成和营养平衡等产生一系列的作用49。利用葛根加工后产生的葛渣栽培食用菌,然后将产生的菌渣经过微生物发酵、腐熟处理后转化成有机肥,该有机肥具有为作物提供养分、促进作物生长、抑制土壤有害菌繁殖以及改良土壤微生态环境等功能50。蚯蚓转化技术也可应用于葛渣的肥料化处理,它是一种将传统的堆肥法与生物处理法相结合的生物处理工艺,可促进有机废弃物快速转化为农化性质优良的蚓粪有机肥51。然而,研究发现纯鲜葛渣和纯腐熟葛渣均不利于蚯蚓的生长繁殖,只有将鲜葛渣与牛粪按照适宜的比例复混后才可以作为蚯蚓的主要饲养基质。这种复混基质可维持蚯蚓的正常生长繁殖,且在蚯蚓特殊的生物转化作用下,其总养分含量显著升
26、高,可提高种子的发芽指数18。由此可见,葛渣是用于生产有机肥的良好原料,今后可以结合其对作物品质、土壤改良、温室气体排放、农业面源污染等方面的影响进一步优化葛渣有机肥的制备工艺,从而提高有机肥品质。2.4 其他领域应用葛渣可作为生物质材料或开发新型材料应用于养殖和环境领域。葛渣中含有丰富的粗蛋白、粗纤维、磷、钙等,可为动物生长发育提供必需的营养物质,因此葛渣常被加工成饲料应用于畜禽、水产养殖等。通过加热、酸化、加酶、中和、发酵等工艺用葛渣生产成的猪饲料替代传统饲料,可以节省大量的糠、草料,降低饲养成本,相比于饲喂传统饲料,每头猪可以节省成本200元以上52。李柏江 西 农 业 学 报35 卷1
27、66林等53将葛渣、葛粉废水、厨余废渣以及化粪池中的沼渣与发酵菌液进行厌氧发酵,制备发酵混合饲料,可作为鱼虾类养殖饲料应用于蝇蛆、蚯蚓及藻草等。葛渣可用于制备生物质能源。丁醇是第二代能源物质中一种全新的、可再生的绿色生物能源,具备替代化石能源的潜力,可通过发酵从可再生生物质原料生产中获得,如木质纤维素54-55。葛渣含有丰富的纤维素、半纤维素。李汉广等56利用丙酮丁醇梭菌ART18(C.acetobutylicumART18)发酵葛渣酸水解液,通过优化发酵温度、pH调节剂的种类和含量及活性炭添加量等试验参数,在最优条件下进行放大培养,其丁醇产量、丁醇生产强度、总溶剂的生产强度分别达到7.30、
28、0.08、0.13g/(Lh),为葛渣在生物质能源应用方面奠定了基础。此外,葛渣还可以用于制备吸附材料。王星敏等57以葛渣为原料,按照原料预处理,用纤维素酶、木质素酶和果胶酶这3种复合酶催化活化,制备葛渣活化基、掺铁制备磁性活性炭的工艺流程得到产品,可广泛应用于废水处理、油烟气脱除以及食品保鲜中吸附异味等。3 结语与展望在乡村振兴的战略背景下,葛产业近年来发展迅猛,粉葛的种植面积逐步扩大,葛粉的需求量也稳步上升,随之而来的就是大量废弃葛渣的处理问题。目前葛渣在食品加工、医药与化妆品、农业生产、动物养殖等多个领域均有所应用,关于葛渣的综合利用仍然存在一些不足之处,主要包括以下5个方面:(1)葛渣
29、中含有较多活性成分,包括总黄酮和多糖类化合物,目前研究大多集中于葛渣总黄酮或多糖的提取工艺,并未深入探究其纯化方法、具体组分构成、生物活性以及构效关系。(2)葛粉生产和葛渣处理没有形成一体化模式,且鲜葛渣含水量较高,易腐烂变质,释放臭气,无法满足回收利用的相关处理要求,因而大部分葛渣是采用直接丢弃处理方法,因此有必要对葛渣的回收处理工艺展开研究,建立葛粉-葛渣一体化生产线。(3)葛渣在食品加工领域的应用研究相对匮乏,产品较单一。可以对葛渣中的膳食纤维进行系统性和精细化的开发利用,将其应用到更多的食品如面条、奶粉、肉脯等,进一步提高葛渣的附加值和产业化效益。(4)粉葛属于块根作物,对重金属镉具有
30、较强的富集作用。戴璐等58研究表明,经葛渣栽培后,平菇中的铅、汞、镉等含量超标,香菇中的铅、汞含量超标。葛渣的综合利用应构建葛渣可追溯体系,关键控制点包括葛生产的土壤环境、生产过程中使用的肥料和农药、葛粉提取和葛渣预处理过程中的重金属污染等。(5)葛渣作为一种生物质材料,可继续加强拓展其作为生物质能源、吸附材料及其他纳米材料、抗菌材料等新型材料的研究,为其高附加值应用提供新途径。参考文献:1 朱卫丰,杨金凤,邹斌,等.葛根的鲜用、生用、熟用考证 J.中国中药杂志.2019,44(2):401-404.2 国家药典委员会.中华人民共和国药典:一部 M.北京:中国医药科技出版社,2020:302-
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