茶葉可溶性膳食纖維提取及理化特性分析

王杰 張瑩

摘 ? 要 ? 為優(yōu)化茶葉可溶性膳食纖維（Tea soluble dietary fiber，TSDF）的超聲波輔助酶法提取工藝，以福鼎大白茶一芽五葉、六葉鮮葉為原料，采用單因素試驗和正交試驗研究纖維素酶用量、超聲時間、超聲功率、酶解溫度對TSDF提取率的影響，分析TSDF組分含量和理化特性。結(jié)果表明：各因素對TSDF提取率影響的順序依次為酶解溫度>超聲功率>纖維素酶用量>超聲時間;提取TSDF最優(yōu)工藝為纖維素酶用量0.8 g·（100 g）-1、超聲時間30 min、超聲功率300 W、酶解溫度60 ℃，提取率為45.50%;TSDF組分包括果膠（85.82%）、水分（4.57%）、灰分（2.55%）、蛋白質(zhì)（2.44%）、半纖維素（1.26%）、茶多酚（1.10%），具有良好的膨脹力、持水力等理化特性。

關(guān)鍵詞 ? ?茶葉;可溶性膳食纖維;超聲波;酶法;理化特性

中圖分類號：TS272 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.1.001

膳食纖維是指不能被人體胃腸道消化酶消化吸收的非淀粉多糖類，根據(jù)水溶性可將其分為可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維，前者主要包括果膠和樹膠，后者則主要包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，具有緩解便秘，延緩消化，防治冠心病、結(jié)腸癌、高血壓、肥胖癥等多種生理功能，被營養(yǎng)學(xué)界稱為繼水、蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、礦物質(zhì)、維生素之后的“第七營養(yǎng)素”[1-3]。隨著膳食纖維營養(yǎng)功效研究的不斷深入，開發(fā)優(yōu)質(zhì)的膳食纖維資源逐漸成為當(dāng)前研究熱點。

茶葉是我國傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，我國的茶園面積和茶葉產(chǎn)量均居世界第一位。茶葉因富含茶多酚、茶多糖、茶氨酸、茶黃素等有效功能成分，具有良好的抗氧化、降血壓、降血糖、消炎殺菌等效果[4-6]，其中茶多酚已廣泛應(yīng)用于食品、日化品、保健品等行業(yè)。對茶多糖、茶氨酸、茶黃素等成分的研究報道較多，而茶葉膳食纖維作為一種有效功能成分目前尚未得到太多關(guān)注。實際上，我國每年會產(chǎn)生大量的粗老鮮葉、修剪枝葉、茶片、茶末等廢棄茶資源，這類廢棄茶資源中含有大量的膳食纖維，以其為原料提取開發(fā)膳食纖維，可獲得具有廣闊應(yīng)用前景的新產(chǎn)品，提高茶葉經(jīng)濟(jì)附加值[7]。研究表明，茶葉膳食纖維能表現(xiàn)出抗氧化、降血脂、預(yù)防心腦血管疾病等功效，且改性處理后可進(jìn)一步增強其生理活性[8-10]。因此，加強茶葉膳食纖維提取工藝、理化性質(zhì)等方面的研究具有潛在的應(yīng)用價值。

當(dāng)前茶葉膳食纖維的提取方法主要為化學(xué)法和酶解法，前者是將原料經(jīng)干燥磨碎后利用酸、堿處理，后者則是利用多種生物酶制劑處理，且后者提取效果優(yōu)于前者[10-11]。此外，超聲波也廣泛運用于葡萄、木瓜、甘薯等農(nóng)產(chǎn)品膳食纖維的提取[12-14]，但目前尚無用于茶葉膳食纖維提取的報道?；诖?，本試驗采用單因素試驗和正交試驗優(yōu)化超聲波輔助酶法提取茶葉可溶性膳食纖維（Tea soluble dietary fiber，TSDF）的工藝，并對TSDF組分含量及理化特性進(jìn)行分析，以期為開發(fā)TSDF和提高茶資源利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

福鼎大白茶一芽五、六葉鮮葉原料，采自重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所茶葉科技示范園。α-淀粉酶、纖維素酶、鄰苯二甲醛、咔唑，Adamas公司;膽固醇、膽酸鈉、福林酚，Sigma公司;亞硝酸鈉、石油醚、95%乙醇、濃H2SO4、濃HCl、Na2CO3、沒食子酸、甲醇，重慶永捷實驗儀器有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TC88-4型鼓風(fēng)干燥箱：南京冉然添成干燥設(shè)備有限公司;FA1004 電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;HWS-26電熱恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公司;KQ-700DB型超聲波清洗機，昆山市超聲儀器有限公司;5810臺式高速冷凍離心機，德國Eppendorf公司;ALPHA1-4LSC真空冷凍干燥機，德國Christ公司;酶標(biāo)儀，美國BIORAD公司。

1.3 茶鮮葉預(yù)處理

參考并修改艾仄宜[7]的方法。福鼎大白茶鮮葉原料經(jīng)蒸青、烘干、粉碎、過60目篩，然后利用石油醚回流脫脂、抽濾、風(fēng)干，殘渣用85 ℃水浴30 min后抽濾（去除茶多酚、游離氨基酸、咖啡堿等雜質(zhì)），濾渣70 ℃烘干，得茶葉原料粉備用。

1.4 超聲波輔助酶法提取TSDF方法

1.4.1 TSDF提取工藝流程

準(zhǔn)確稱取茶葉原料粉1.0 g（精確至0.000 1 g），加入少量蒸餾水，在70 ℃水浴下加入適量α-淀粉酶，酶解至滴加碘液不變藍(lán)色。冷卻，調(diào)pH值至5.0，加入纖維素酶，置入超聲儀器中處理后抽濾，濾液在100 ℃水浴下滅酶5 min，50 ℃水浴下濃縮濾液。濃縮后加入4倍體積95%乙醇，靜置過夜、離心

（4 000 r·min-1、20 min），沉淀經(jīng)真空冷凍干燥后制得TSDF粗品，隨即稱重并計算提取率。

1.4.2 TSDF提取率計算

R=（1-m1/m0）×100 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中：R為TSDF提取率，單位是%;m0為TSDF粗品重量，g;m1為茶葉原料粉重量，g。

1.4.3 單因素試驗設(shè)計

1.4.3.1纖維素酶用量對TSDF提取率的影響

準(zhǔn)確稱取茶葉原料粉1.0 g，分別添加0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g·（100 g）-1纖維素酶，在超聲功率300 W、酶解溫度50 ℃的條件下超聲40 min。

1.4.3.2超聲時間對TSDF提取率的影響

準(zhǔn)確稱取茶葉原料粉1.0 g，添加0.8 g·（100 g）-1纖維素酶，在超聲功率300 W、酶解溫度50 ℃的條件下分別超聲20、30、40、50、60 min。

1.4.3.3超聲功率對TSDF提取率的影響

準(zhǔn)確稱取茶葉原料粉1.0 g，添加0.8 g·（100 g）-1纖維素酶，在超聲功率分別為200、250、300、350、400 W，酶解溫度50 ℃的條件下超聲40 min。

1.4.3.4酶解溫度對TSDF提取率的影響

準(zhǔn)確稱取茶葉原料粉1.0 g，添加0.8 g·（100 g）-1纖維素酶，在超聲功率300 W，酶解溫度分別為30、40、50、60、70 ℃的條件下超聲40 min。

1.4.4 正交試驗設(shè)計

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以纖維素酶用量、超聲時間、超聲功率、酶解溫度為考察因素，采用正交表L16（45）進(jìn)行正交試驗，以TSDF提取率為衡量指標(biāo)，優(yōu)化超聲波輔助酶法制備TSDF的最佳工藝。

1.5 TSDF組分含量及理化特性測定

1.5.1 組分含量

水分，采用GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》;灰分，采用GB 5009.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測定》;蛋白質(zhì)，采用GB 5009.5—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測定》;脂肪，采用GB5009.6-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中脂肪的測定》;茶多酚，采用GB/T 8313—2018《茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測方法》;果膠、半纖維素，參考EMAGA等[15]的方法。

1.5.2 理化特性

膨脹力、持水力、陽離子交換力，飽和脂肪、不飽和脂肪含量，膽固醇及膽酸鈉吸附能力，參考張潔[11]的方法。

1.6 數(shù)據(jù)處理

所有試驗重復(fù)3次，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用Origin 9.0作圖、SPSS 21.0統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

采用單因素試驗，分別探討了纖維素酶用量、超聲時間、超聲功率、酶解溫度四種因素對TSDF提取率的影響，結(jié)果見圖1。

2.1.1 纖維素酶用量對TSDF提取率的影響

由圖1-a可知，隨著纖維素酶用量增加，茶葉中的不溶性膳食纖維逐漸轉(zhuǎn)化為TSDF，其提取率也逐漸增高。當(dāng)纖維素酶用量為0.8、1.0 g·（100 g）-1時，TSDF提取率最高;當(dāng)纖維素酶用量增加至1.2 g·（100 g）-1時，TSDF提取率開始降低，但與0.8、1.0 g·（100 g）-1差異不顯著，故纖維素酶用量以0.8 g·（100 g）-1為宜。

2.1.2 超聲時間對TSDF提取率的影響

由圖1-b可知，隨著超聲時間延長，TSDF提取率逐漸增高，這是由于超聲波能在物料內(nèi)部產(chǎn)生強烈振動，對組織細(xì)胞作用明顯，加快了分子振動速率，進(jìn)而提高酶解效率[16]。而超聲40、50、60 min時的TSDF提取率差異不顯著，故超聲時間以40 min為宜。

2.1.3 超聲功率對TSDF提取率的影響

由圖1-c可知，隨著超聲功率加大，TSDF提取率先增高后降低，當(dāng)超聲功率較低時，超聲波通過增大溶劑運動速度和溶劑穿透力，使茶葉中的不溶性膳食纖維部分轉(zhuǎn)化為TSDF，進(jìn)而提高TSDF提取率;當(dāng)超聲功率超過300 W后，溶劑分子振動加快，溫度急劇上升，可能使溶出的TSDF發(fā)生降解或纖維酶活性減弱[17]，導(dǎo)致TSDF提取率顯著降低，故超聲功率以300 W為宜。

2.1.4 酶解溫度對TSDF提取率的影響

由圖1-d可知，隨著酶解溫度升高，TSDF提取率先增高后降低，當(dāng)溫度在60 ℃時，TSDF提取率最高。一般來說，在最適溫度時的酶促反應(yīng)速度最快，溫度向兩側(cè)偏移時均會使酶促反應(yīng)變慢[16-17]?？赡苁怯捎趐H值為5.0時，纖維素酶的最適溫度為60 ℃;溫度過高則會破壞纖維素酶和TSDF的生物活性，導(dǎo)致TSDF提取率顯著降低，因此酶解溫度以60 ℃為宜。

2.2 正交試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，設(shè)定了四因素四水平正交試驗，采用正交表L16（45）（見表1）優(yōu)化超聲波輔助酶法提取TSDF的最佳工藝條件。正交試驗極差及方差分析結(jié)果見表2、表3。

表2極差分析結(jié)果顯示，各因素對TSDF提取率影響的主次順序為D>C>A>B，即酶解溫度>超聲功率>纖維素酶用量>超聲時間，按照各因素的最優(yōu)水平選取TSDF提取的最優(yōu)組合為A2B3C2D3，表3的方差分析結(jié)果也證實了各因素的影響次序。此外，不同處理間、纖維素酶用量、超聲功率、酶解溫度及模型誤差對TSDF提取率的影響極顯著，而區(qū)組間、超聲時間的差異不顯著，表明試驗因素間存在交互作用，各因素所在列有可能出現(xiàn)交互作用的混雜，因而各因素水平間的多重比較無意義，應(yīng)進(jìn)行試驗處理間的多重比較（結(jié)果未在本文中顯示）。根據(jù)多重比較分析結(jié)果，處理5的TSDF提取率顯著高于其他處理，故確定超聲波輔助酶法提取TSDF的最佳工藝為A3B1C2D3，即纖維素酶用量0.8 g·（100 g）-1、超聲時間30 min、超聲功率300 W、酶解溫度60 ℃，此條件下TSDF的提取率為45.50%。

2.3 TSDF組分及理化特性

由表4可知，TSDF主要成分為果膠，其含量達(dá)85.82%，同時含有一定的水分（4.57%）、灰分（2.55%）、蛋白質(zhì)（2.44%）、半纖維素（1.26%）、茶多酚（1.10%）等;TSDF具有良好的膨脹力、持水力等理化特性。膨脹力、持水力等理化特性是衡量膳食纖維生理功能的重要指標(biāo)[7， 18]，膨脹力大、持水力強，表明人類進(jìn)食膳食纖維后排出的糞便體積大、頻率高、質(zhì)地軟，間接減輕直腸和泌尿系統(tǒng)壓力，有利于防止便秘及結(jié)腸癌的發(fā)生;膳食纖維結(jié)構(gòu)中含有羧基、羥基等側(cè)鏈基團(tuán)，能與腸道中的Na+、K+進(jìn)行交換，促使Na+、K+等陽離子經(jīng)尿液和糞便排出，降低心血管疾病的發(fā)病率;吸附飽和脂肪與不飽和脂肪能力高，可直接導(dǎo)致攝入人體內(nèi)的脂肪含量降低，有利于減少肥胖癥的發(fā)生;膽結(jié)石的形成與膽固醇含量過高有關(guān)，TSDF對膽固醇、膽酸鈉的吸附能力高，有利于預(yù)防人類心血管疾病和減少膽結(jié)石的形成?？梢哉J(rèn)為，TSDF是一種優(yōu)質(zhì)的可溶性膳食纖維。

3 結(jié)論

采用超聲波輔助酶法能極大地提高纖維素酶的酶解效率，從而增加TSDF的提取率。其中，各因素對TSDF提取率影響的主次順序為：酶解溫度>超聲功率>纖維素酶用量>超聲時間。通過正交試驗確定最佳工藝條件為：纖維素酶用量0.8 g·（100 g）-1、超聲時間30 min、超聲功率300 W、酶解溫度60 ℃，此時TSDF的提取率為45.50%。所獲TSDF具有良好的膨脹力、持水力、陽離子交換力，飽和脂肪、不飽和脂肪、膽固醇及膽酸鈉吸附能力等理化特性，是一種優(yōu)質(zhì)的可溶性膳食纖維。

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（責(zé)任編輯：丁志祥）