竹纖維創(chuàng)新應用 | 不同來源竹粉纖維組成及其益生性

為系統(tǒng)探究竹粉纖維的品質及其影響因素，觀測不同年齡、不同部位的慈竹、苦竹、毛竹（竹青、竹黃）的纖維組成和纖維特性，以接種母豬糞便菌液的體外發(fā)酵試驗模型研究不同來源竹粉對發(fā)酵液菌體表達豐度的影響。結果表明：1）竹纖維組分受竹種和竹材年齡的影響較大，而受竹材部位的影響較?。?年生及6年生不同竹種間竹材粗纖維（CF）和酸性洗滌纖維（ADF）含量均存在顯著差異（P＜0.05），苦竹CF、ADF含量相對較高，而毛竹竹黃半纖維素相對較高。竹材年齡主要影響竹材CF和半纖維素含量，2年生慈竹CF含量顯著高于1年生慈竹（P＜0.05），6年生苦竹和毛竹竹黃半纖維含量顯著高于3年生苦竹和毛竹竹黃（P＜0.05），而6年生毛竹竹黃CF含量顯著低于3年生毛竹竹黃（P＜0.05）。2）竹纖維特性主要受竹材部位的影響，3年生和6年生毛竹竹根部黃纖維的水結合力、持水力和持油力顯著高于竹梢部和竹中部（P＜0.05）。3）慈竹組、苦竹組和毛竹竹黃組雙歧桿菌豐度顯著高于對照組和毛竹竹青組（P＜0.05），苦竹組和毛竹竹青組芽孢桿菌豐度顯著低于對照組（P＜0.05）。綜上所述，竹粉纖維組成及其益生性受竹種、竹材部位和竹材年齡的交互作用調控，苦竹纖維含量較高，毛竹竹黃半纖維素含量較高且表現(xiàn)出較好的益生性，具有開發(fā)為纖維飼料原料的潛力。

隨著全球健康意識的提升和功能性食品需求的增長，膳食纖維因其顯著的生理功能特性而備受關注。膳食纖維不僅能夠改善腸道健康，還具有調節(jié)血糖、降低膽固醇、預防肥胖等多種功效。竹粉作為一種新興的膳食纖維來源，因其材料來源廣泛、成本低廉、可再生性強以及獨特的營養(yǎng)成分而成為研究熱點。竹粉富含纖維素、半纖維素等多種功能性成分，具有開發(fā)為功能性食品或飼料添加劑的巨大潛力。然而，竹粉的纖維組成和功能特性因其來源、竹種、生長環(huán)境及加工工藝的不同而存在顯著差異，從而直接影響其益生性和應用價值。因此，系統(tǒng)研究不同來源竹粉纖維的組成及其益生性差異，對于推動竹資源的綜合利用和開發(fā)新型功能性食品具有重要意義。

近年來，國內外學者對竹纖維的細胞結構、化學組成、功能特性以及產品開發(fā)等進行了廣泛研究。研究表明，竹粉纖維的組成和結構與竹種密切相關。例如，毛竹粉纖維具有較高的纖維素含量和結晶度，苦竹粉纖維也具有較高的纖維素含量，而慈竹粉纖維則含有更多的半纖維素和木質素。此外，加工工藝也會顯著影響竹粉纖維的理化性質和功能特性。在益生性方面，竹粉纖維已被證明能夠促進腸道有益菌如芽孢桿菌和雙歧桿菌的生長，抑制病原菌的繁殖，從而改善腸道微生態(tài)平衡。然而，目前關于不同來源竹粉纖維的組成與益生性之間關系的研究仍較為有限，且缺乏系統(tǒng)性比較分析。為此，本研究選取不同竹種、不同竹齡以及竹子不同部位的竹粉作為研究對象，采用化學分析和體外模擬發(fā)酵等方法，系統(tǒng)分析其組成、功能特性和益生性之間的差異，為竹粉纖維的功能性應用提供科學依據(jù)，同時有助于豐富竹粉纖維的理論體系，從而推動竹資源在食品、飼料等領域的綜合利用。

試驗方法

竹粉粗纖維（CF）含量參考GB/T6434—2006中的濾袋法測定；酸性洗滌纖維（ADF）含量參考NY/T1459—2007中的濾袋法測定；中性洗滌纖維（NDF）含量參考GB/T20806—2022中的濾袋法測定。

  竹粉纖維特性測定

測定指標包括：持水力、持油力、吸水膨脹性、水結合力和膽固醇吸附力。

體外發(fā)酵試驗

取200 g新鮮豬糞加入1 L已高壓滅菌磷酸鹽緩沖溶液PBS（50 mL 0.1 mol/L磷酸二氫鉀+29.1 mL 0.1 mol/L氫氧化鉀溶液，加水定容至1 000 mL）溶液混勻，將混合物通過0.4 mm篩子去除大部分殘渣，并將懸浮液作為微生物接種劑。將25 mL豬糞過濾懸浮液接種到含有2.5 g竹粉纖維樣品的瓶子中，加入225 mL半合成培養(yǎng)基，蓋緊瓶蓋，在無氧環(huán)境下、37 ℃孵育48 h，每組3個重復；以不添加竹粉纖維的樣品作為空白對照。發(fā)酵完成后取2 mL發(fā)酵液離心，提取沉淀中的細菌DNA。設計總菌、大腸桿菌（Escherichia coli.）、芽孢桿菌（Bacillus）、乳酸桿菌（Lactobacillus）和雙歧桿菌引物（Bifidobacterium）（表1），采用熒光定量PCR測定上述微生物表達豐度。以發(fā)酵沉淀物的基因組DNA為模板進行PCR擴增。反應體系：2×Cham Q Universal SYBR qPCR Master Mix10 µL，上下游引物各0.4 µL，DNA模板1.2 µL，ddH2O 8 µL。反應參數(shù)：95 ℃預變性30 s；95 ℃變性5 s，60 ℃退火并延伸20 s，40個循環(huán)。

表1  微生物引物序列設計

總菌的標準曲線線性方程為：y=−3.624x−81.555 (R2=0.999 3)；大腸桿菌的標準曲線線性方程為：y=−3.4454x+79.179 (R2=0.995 8)；乳酸桿菌的標準曲線線性方程為：y=−3.625x+78.362 (R2=0.990 9)；芽孢桿菌的標準曲線線性方程為：y=−3.404x+78.612 (R2=0.995 4)；雙歧桿菌的標準曲線線性方程為：y=−3.41x+75.569 (R2=0.990 1)。R2均大于0.99，表明DNA拷貝數(shù)濃度的對數(shù)值（X軸）與Ct值（Y軸）之間具有良好的線性關系，引物和探針的擴增效率較高，建立的qPCR反應體系穩(wěn)定。提取DNA發(fā)酵液定量計算各微生物豐度[log(copies/mL)]。

數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel進行統(tǒng)計分析，利用SPSS 26.0軟件進行方差分析，用單因素ANOVA檢驗法比較，采用GraphPad Prism 9.0.0軟件進行作圖分析，對不同來源竹粉纖維組成、纖維特性和益生性進行統(tǒng)計，結果以“平均值±標準差”表示。P＜0.05表示差異顯著，P≤0.10表示有顯著性差異趨勢。

 結果與分析

不同來源竹粉纖維組分

不同部位竹材的竹粉纖維組分

如圖1所示，3年生苦竹和3年生毛竹竹青的酸性洗滌纖維（ADF）含量在各部位間存在顯著性差異趨勢，其中苦竹竹中部ADF含量顯著低于竹根部；而毛竹竹青竹中部ADF含量顯著低于竹梢部（P＜0.05）。1年生和2年生慈竹、6年生苦竹、3年生毛竹竹黃、6年生毛竹竹青和竹黃的不同部位竹材在粗纖維（CF）、中性洗滌纖維（NDF）、ADF和半纖維素含量方面均無顯著性差異（P>0.05）。由此表明，竹材部位對纖維組分的影響較小，不同部位竹材的竹粉纖維組分差異可能受到竹種和年齡的影響。

注：圖中小寫字母表示不同部位間差異顯著性，字母不同表示差異顯著（P＜0.05），字母相同表示差異不顯著（P＞0.05）。
圖1  3年生苦竹與毛竹竹青不同部位竹粉的酸性洗滌纖維含量

不同竹種的竹粉纖維組分

如圖2所示，3年生不同竹種間竹材的ADF、半纖維素和CF含量存在顯著性差異（P＜0.05），苦竹ADF含量分別比毛竹竹青和毛竹竹黃高6.60和17.46個百分點（P＜0.05），同時毛竹竹青ADF含量顯著高于毛竹竹黃（P＜0.05）；苦竹半纖維素含量顯著低于毛竹竹青和毛竹竹黃（P＜0.05）；苦竹CF含量比毛竹竹青高5.17%（P＜0.05），并有高于毛竹竹黃的趨勢（P＜0.10）。6年生不同竹種間竹材的CF、ADF含量和半纖維素含量也存在顯著性差異（P＜0.05），苦竹CF與ADF含量顯著高于毛竹竹青和毛竹竹黃（P＜0.05），而半纖維素含量顯著低于毛竹竹青與毛竹竹黃（P＜0.05）。不同竹種間竹材的NDF含量均無顯著性差異（P＜0.05）?？梢?，不同竹種竹材的纖維組分差異主要表現(xiàn)在CF和半纖維素含量方面，而NDF含量在竹種間差異較小。

注：圖中不同字母者表示組間有顯著差異（P＜0.05），相同字母者表示組間無顯著差異（P＞0.05）。下同。

圖2  3年生與6年生不同竹種竹材的竹粉纖維組分

不同年齡竹材的竹粉纖維組分

由表2可知，竹材年齡顯著影響慈竹和毛竹竹黃的CF含量（P＜0.05），顯著影響苦竹和毛竹竹黃的半纖維素含量（P＜0.05），并有改變毛竹竹青CF含量的趨勢（P≤0.10）；其中，2年生慈竹的CF含量顯著高于1年生慈竹（P＜0.05），6年生苦竹和毛竹竹黃的半纖維含量顯著高于3年生苦竹和毛竹竹黃（P＜0.05），而6年生毛竹竹黃的CF含量顯著低于3年生毛竹竹黃（P＜0.05），6年生毛竹竹青CF含量有低于3年生毛竹竹青的趨勢（P≤0.10）。6年生毛竹竹黃ADF含量顯著高于3年生毛竹竹黃（P＜0.05）。竹材年齡對慈竹、苦竹、毛竹竹青和毛竹竹黃的NDF含量均無顯著性影響（P>0.05）?？梢?，竹材年齡主要影響竹材的CF和半纖維素含量，而對NDF含量影響較小，不同竹種竹材半纖維素含量隨年齡的增加而減少，但CF含量隨年齡的變化規(guī)律并不完全一致。

表2  不同年齡竹材竹粉纖維組分

注：表中數(shù)值后不同字母表示組間有顯著差異（P＜0.05），相同字母或無字母表示組間無顯著差異（P＞0.05）。下同。

不同來源竹粉纖維特性

不同竹子部位竹粉纖維特性

由表3知，3年生和6年生毛竹竹黃的水結合力在竹子不同部位間均存在顯著差異（P＜0.05），竹根部水結合力均顯著高于竹中部和竹梢部（P＜0.05）。不同部位顯著影響2年生慈竹、3年毛竹竹黃和6年毛竹竹黃的持水力（P＜0.05），并有改變6年生苦竹持水力的趨勢（P＜0.10），均以竹根部持水力最高。不同部位顯著影響2年生慈竹、3年毛竹竹黃和6年毛竹竹黃的持油力（P＜0.05），均以竹根部持油力最高。不同部位顯著影響3年生苦竹的膽固醇吸附性（P＜0.05），竹梢部顯著高于竹中部和竹根部。不同部位顯著影響3年生毛竹竹青的吸水膨脹性（P＜0.05），且有改善1年生慈竹、3年生毛竹竹黃的吸水膨脹性趨勢（P＜0.10），均以竹根部和竹中部相對較高。由此可見，竹粉纖維的水結合力、持水力、持油力和吸水膨脹性等指標受竹子部位的影響，其中竹根部表現(xiàn)相對較高。

表3  不同竹子部位的竹粉纖維特性

不同竹種竹材的竹粉纖維特性

如圖3所示，在3年生竹材中，苦竹的持油力、水結合力、吸水膨脹性均顯著高于毛竹竹青、竹黃（P＜0.05），而膽固醇吸附性顯著低于毛竹竹黃（P＜0.05），同時顯著高于毛竹竹青（P＜0.05）。在6年生竹材中，苦竹的水結合力顯著高于毛竹竹青與竹黃（P＜0.05），而吸水膨脹性顯著低于毛竹竹黃（P＜0.05），膽固醇吸附力略低于毛竹竹黃；毛竹竹黃持水力顯著高于毛竹竹青（P＜0.05）。由此表明，不同竹種對6年生和3年生（除持水力外）竹材纖維特性均具有顯著影響（P＜0.05），以苦竹的各項指標表現(xiàn)較高。

不同年齡、不同竹種的竹粉纖維特性
不同年齡竹材的竹粉纖維特性

由表4知，不同年齡間慈竹竹粉的水結合力和持水力存在顯著差異（P＜0.05），1年生竹材顯著2年生竹材（P＜0.05），并有改變苦竹持水力的趨勢（P＜0.10），年齡低的竹材持水力相對較高。不同年齡對慈竹持油力有顯著影響（P＜0.05），并有改變毛竹竹青持油力的趨勢（P＜0.10），年齡低的竹材持油相對較高。不同年齡顯著影響苦竹膽固醇吸附性（P＜0.05），且有改變慈竹膽固醇吸附性的趨勢（P＜0.10），但2個竹種表現(xiàn)出的年齡變化趨勢不同。竹材年齡對毛竹竹黃的纖維特性指標均無顯著性影響（P>0.05）。由此表明，竹材年齡對慈竹竹粉的水結合力、持水力和持油力的影響較大，年齡越低各項指標值越大，而竹材年齡對毛竹竹黃纖維特性的影響較小。

不同竹種竹粉纖維對底物發(fā)酵特性的影響

由表5可知，不同竹種竹粉對發(fā)酵液中芽孢桿菌和雙歧桿菌存在顯著影響（P＜0.05）。與空白對照組相比，苦竹組、毛竹竹青組芽孢桿菌豐度顯著降低（P＜0.05），慈竹組和毛竹竹黃組與對照組無顯著性差異（P>0.05）。慈竹組、苦竹組和毛竹竹黃組雙歧桿菌豐度顯著高于空白對照組和毛竹竹青組（P＜0.05）。結果表明，慈竹竹粉和毛竹竹黃竹粉相對更利于促進底物發(fā)酵，表現(xiàn)出更好的益生性。

表５　不同竹種竹粉對體外發(fā)酵液中微生物菌體表達的影響

不同來源竹粉的纖維特性差

植物種類是影響纖維特性的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)，胡蘿卜膳食纖維是表面較光滑的球形顆粒，具有最佳的吸水膨脹力；米糠膳食纖維呈現(xiàn)出粗糙多孔的不規(guī)則結構，擁有最佳的持油力；柚子膳食纖維表現(xiàn)為層疊的鱗片狀結構，具有最佳的持水力。本研究也發(fā)現(xiàn)，不同竹種之間竹粉纖維的水結合力、持油力、吸水膨脹性和膽固醇纖維指標存在顯著性差異，3年生苦竹纖維的水結合力、持油力、吸水膨脹性均顯著高于3年生毛竹，這表明苦竹膳食纖維復雜程度可能高于毛竹，而6年生毛竹竹黃纖維的持水力和吸水膨脹性顯著高于6年生苦竹，這表明6年生毛竹竹黃膳食纖維可能具有不規(guī)則的鱗片狀結構。

本研究還發(fā)現(xiàn)，竹材部位對纖維特性的影響主要體現(xiàn)在水結合力和持油力指標上，3年生和6年生毛竹竹黃竹根部的水結合力均顯著高于竹中部和竹梢部，同時2年生慈竹、3年毛竹竹黃和6年毛竹竹黃竹根部的持油力均最高。纖維的水結合力和持油力可能與纖維結構有關，研究發(fā)現(xiàn)超聲波改性后藜麥麩皮可溶性膳食纖維的持水力、持油力、葡萄糖吸附能力均顯著提高，表面結構更為疏松，出現(xiàn)蜂巢狀的多孔特征。另外一項研究也發(fā)現(xiàn)，改性處理豆渣不溶性膳食纖維使其持水力、持油力和溶脹力顯著增加，纖維表面出現(xiàn)蜂窩狀孔隙結構，表現(xiàn)出優(yōu)異的陽離子交換能力、亞硝酸鹽吸附能力等。在本研究中，毛竹竹黃的竹根部竹粉表現(xiàn)出較高的持水力和持油力，這表明其纖維可能具有更疏松的結構和更強的吸附能力。

在本研究中，年齡對纖維特性影響最大的竹材主要為慈竹，1年生慈竹竹粉纖維的水結合力、持水力和持油力顯著高于2年生慈竹，而膽固醇吸附力顯著低于2年生慈竹。研究發(fā)現(xiàn)，隨竹齡的增長簕竹（Bambusa blumeana）的氣干密度、全干密度、木質素質量分數(shù)、拉伸強度、順紋抗剪強度隨之增大，纖維素質量分數(shù)逐漸降低。本研究中不同年齡慈竹的纖維特性變化可能與竹粉纖維組分、密度和強度變化有關。

不同來源竹粉的益生性差異

竹纖維具有調控菌群的作用，研究發(fā)現(xiàn)慈竹和毛竹纖維對金葡萄球菌和大腸桿菌表現(xiàn)出抑制作用。本研究發(fā)現(xiàn)，不同竹種竹材表現(xiàn)出益生性差異，慈竹組、苦竹組和毛竹竹黃組的雙歧桿菌豐富度顯著高于空白對照組和毛竹竹青組，而苦竹組、毛竹竹青組芽孢桿菌豐富度顯著性低于空白對照組。研究表明，芽孢桿菌具有增強免疫水平和抗氧化能力，可以促進消化，雙歧桿菌具有抗炎作用，這2種微生物在動物生產中具有重要的健康保健作用。在本研究中，不同竹種竹纖維對菌群的調控作用表現(xiàn)出顯著差異，因此選用具有促進益生菌增值的竹纖維可能有助于改善機體健康。從芽孢桿菌和雙歧桿菌的調控效果出發(fā)，慈竹和毛竹竹黃可能具有成為功能性膳食纖維飼料原料的潛質。

結論

竹種是決定竹纖維品質的首要考慮因素，不同竹種在CF、ADF及半纖維素含量上存在顯著差異，慈竹與毛竹竹黃顯著促進雙歧桿菌增殖，而苦竹與毛竹竹青對芽孢桿菌具有明顯抑制作用。年齡的影響主要體現(xiàn)在慈竹纖維特性上，1年生慈竹的水結合力等纖維特性指標顯著高于2年生慈竹，但膽固醇吸附能力降低?？嘀癖憩F(xiàn)出最優(yōu)異的水結合力、持油力和吸水膨脹性，竹根部則在持水力等指標上顯著優(yōu)于其他部位。在選擇竹材時，應優(yōu)先考慮竹種，并兼顧部位和年份與竹種之間的交互調控作用。