茶樹菇膳食纖維的提取工藝優(yōu)化

劉學(xué)成，王文亮，黃澤天，李永生，賈鳳娟*

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所，山東濟南 250100；2.農(nóng)業(yè)部新食品資源加工重點實驗室，山東濟南 250100；3.山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點實驗室，山東濟南 250100；4.陽谷縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東聊城 252300）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是一種多糖，被稱為“第七大營養(yǎng)素”，主要存在于粗糧、蔬菜、水果以及菌菇中，它既不能被消化，也不能為人體提供能量，按照其是否溶于水可分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[1]，都具有獨特的功能?？扇苄陨攀忱w維包括存在于水果蔬菜中的果膠，海藻中的藻膠以及魔芋中葡甘聚糖，它能夠改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，減少腸道對葡萄糖和脂類吸收，降低血液的血糖、血脂、膽固醇指標，減少心腦血管病、糖尿病和某些癌癥的發(fā)病風(fēng)險[2-4]。不溶性膳食纖維包括纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等，主要存在于谷物中，能夠增加餐后飽腹感，吸收水分并促進胃腸蠕動，預(yù)防便秘并能起到減肥的功效[5]。根據(jù)醫(yī)學(xué)研究顯示，成人的膳食纖維攝入量應(yīng)為每天25～35 g[6]，然而現(xiàn)代人們的生活水平越來越高，食物越來越精細化，導(dǎo)致膳食纖維的攝入量遠遠不足，因此提高大眾的健康意識，增加膳食纖維的攝入是十分必要的。

茶樹菇（Agrocybe aegerita），學(xué)名為柱狀田頭菇，是一種食藥兩用的真菌，屬擔子菌綱傘菌目田頭菇屬，因生長在油茶樹的枯干上，從而得名茶樹菇。茶樹菇主要分布在亞熱帶和溫帶地區(qū)，在我國主要產(chǎn)地為福建江西等地。茶樹菇含有豐富的多糖和蛋白質(zhì)，并且茶樹菇菌絲體中還含有多種礦物質(zhì)元素和維生素[7]。茶樹菇具有糖高脂低、熱量低和鹽量少等特點，是少有的“一高三低”的保健食品。茶樹菇有很好的保健功能，有清熱、平肝、明目、利尿、健脾之功效，因而有“中華神菇”之稱[8]。茶樹菇中的膳食纖維含量豐富，以β-葡聚糖為主，同時存在于可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維中，具有很強的保健功能，因此提取茶樹菇的膳食纖維具有非常重要的意義[9]。劉勇男等[10]以刺芹側(cè)耳子實體為原料，采用堿法提取可溶性膳食纖維，在最佳提取條件下可溶性膳食纖維得率為4.05%；黃家莉等[11]以金針菇下腳料為原料，采用堿結(jié)合酶法，通過正交試驗優(yōu)化水不溶性膳食纖維的提取。結(jié)果表明，在最佳工藝條件下，金針菇水不溶性膳食纖維的得率達到64.88%。張明等[12]以銀耳下腳料為原料，利用纖維素酶法提取銀耳可溶性膳食纖維，在最佳工藝下可溶性膳食纖維得率為36.7%。堿法在膳食纖維提取中應(yīng)用較多，但以堿法提取的膳食纖維活性會遭到破壞，并產(chǎn)生大量污水而對環(huán)境造成嚴重污染，酶法在提取中無污染，但提取得率較低。研究發(fā)現(xiàn)超聲波輔助酶提取方法能提高膳食纖維的得率。超聲波輔助酶法提取膳食纖維在紅棗、生姜等原料中已經(jīng)有相關(guān)研究[13-14]，但在食用菌中卻鮮有報道。

本研究以茶樹菇為原料，利用超聲波輔助酶法提取膳食纖維，并在單因素試驗基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面優(yōu)化提取膳食纖維條件，旨在提高膳食纖維的得率，為茶樹菇的產(chǎn)品開發(fā)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

茶樹菇（Agrocybe aegerita）：濟南市華聯(lián)超市；α-淀粉酶（酶活4 000 U/g）、復(fù)合蛋白酶（酶活12 000 U/g）：上海源葉生物科技有限公司；體積分數(shù)95%乙醇：天津富宇精細化工有限公司；丙酮：煙臺遠東精細化工有限公司；氫氧化鈉：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；鹽酸：煙臺萊陽精細化工廠。試驗所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-S6恒溫水浴鍋：江蘇金怡儀器科技有限公司；SHZ-A恒溫水浴振蕩器：上海博訊醫(yī)療生物儀器有限公司；SG2便攜式pH計：梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司；GZX-9240MBE電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海博訊實業(yè)有限公司；SCIENTZ-10N冷凍干燥機、SB25-12DTD超聲波清洗機：寧波新芝生物科技股份有限公司；SHB循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長城科工貿(mào)有限公司；ZN-20L小型粉碎機：北京興時利和科技發(fā)展有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 原料預(yù)處理

將購買的茶樹菇用清水洗凈，平鋪在鼓風(fēng)干燥箱中60℃干燥48 h，粉碎過60目篩，將過篩后的茶樹菇粉裝入自封袋中，放置在干燥皿中室溫保存。

1.3.2 茶樹菇膳食纖維提取工藝流程

茶樹菇→烘干粉碎→料液比1∶30（g∶mL）加水溶解→調(diào)節(jié)pH值為7→控溫超聲處理（60 ℃、150 W處理30 min）→加入α-淀粉酶（酶添加量1.5%）→恒溫水浴振蕩酶解（55 ℃酶解2 h）→高溫滅酶（95 ℃滅酶5 min）→冷卻至55 ℃→加入復(fù)合蛋白酶（酶添加量1.2%）→恒溫水浴振蕩酶解（55 ℃酶解2 h）→高溫滅酶（95 ℃滅酶5 min）→加入4倍體積體積分數(shù)為95%乙醇醇沉→沉淀用丙酮洗滌→抽濾→冷凍干燥（-40 ℃真空干燥）→茶樹菇膳食纖維

1.3.3 茶樹菇膳食纖維提取工藝優(yōu)化單因素試驗

準確稱取2.0 g樣品，以膳食纖維得率為評價指標，分別探究料液比（1∶25、1∶30、1∶35、1∶40、1∶45（g∶mL））、α-淀粉酶用量（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%）、復(fù)合蛋白酶用量（0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%）、超聲功率（50 W、100 W、150 W、200 W、250 W）、超聲時間（20 min、25 min、30 min、35 min、40 min）、超聲溫度（30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃）對茶樹菇膳食纖維得率的影響。

1.3.4 茶樹菇膳食纖維提取工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗

通過單因素試驗，發(fā)現(xiàn)料液比、α-淀粉酶用量、復(fù)合蛋白酶用量、超聲功率4個因素對茶樹菇膳食纖維得率影響較大，因此選用此4因素為響應(yīng)變量，以膳食纖維得率為響應(yīng)值，設(shè)計4因素3水平響應(yīng)面分析，共取29個試驗點，其中5個點為零點，根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，并對試驗結(jié)果進行優(yōu)化[15]，試驗因素與水平見表1。

表1 Box-Behnken試驗設(shè)計因素與水平Table 1 Factors and levels of Box-Behnken experimental design

1.3.5 分析檢測

水分：按照GB5009.3—2016《食品中水分的測定》[16]；蛋白質(zhì)：按照GB 5009.5—2010《食品中蛋白質(zhì)的測定》[17]；脂肪：按照GB/T 14772—2008《食品中粗脂肪的測定》[18]；灰分：按照GB 5009.4—2010《食品中灰分的測定》[19]；膳食纖維：按照GB 5009.88—2014《食品中膳食纖維的測定》[20]；總糖：按照GB/T15672—2009《食用菌中總糖含量的測定》[21]。

1.3.6 茶樹菇膳食纖維理化性質(zhì)測定

（1）持水力測定[22]

取2.0 g干燥樣品，置于50 mL離心管中，稱質(zhì)量為m0，加入40 mL蒸餾水，室溫下振蕩30 min，靜置12 h，5 000 r/min離心10 min，棄掉上清液，稱質(zhì)量為m1，持水力計算公式如下：

（2）膨脹力測定[23]

取1.0 g干燥樣品（m），置于20 mL帶刻度試管中，記錄樣品體積V0，準確加入10 mL蒸餾水，室溫下振蕩搖勻，靜置12 h，記錄其膨脹后體積V1，膨脹力計算公式如下：

（3）持油力測定[24]

取2.0 g干燥樣品（m0），置于50 mL離心管中，加入玉米胚芽油40mL混合均勻，室溫靜置12h，5000r/min離心10min，棄掉上清液，稱量剩余質(zhì)量m1，持油力計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 茶樹菇的營養(yǎng)成分分析

對干燥粉碎后的茶樹菇粉進行營養(yǎng)成分分析，以鮮質(zhì)量計，結(jié)果見表2。

表2 茶樹菇各組分含量檢測結(jié)果Table 2 Determination results of each component contents of Agrocybe aegerita%

由表2可知，新鮮茶樹菇中水分含量極高，高達90.59%。而在干質(zhì)量中總糖含量最高，占比為56.1%，其中包含膳食纖維（37.7%），其次為蛋白質(zhì)，占比為28.9%，灰分含量占比為12.3%，其主要成分為無機鹽。脂肪含量最低，占比為2.6%。

2.2 茶樹菇膳食纖維提取工藝優(yōu)化單因素試驗

2.2.1 料液比對茶樹菇膳食纖維得率的影響

料液比對膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 料液比對茶樹菇膳食纖維得率的影響Fig.1 Effect of material to liquid ratio on dietary fiber yield of Agrocybe aegerita

由圖1可知，隨著料液比在1∶25～1∶30（g∶mL）范圍內(nèi)的減少，茶樹菇膳食纖維得率呈現(xiàn)增加的趨勢；當料液比在1∶30（g∶mL）時，茶樹菇膳食纖維得率最高為37.8%；當料液比＜1∶30（g∶mL）之后，會造成膳食纖維得率降低。綜合考慮，選取最適料液比為1∶30（g∶mL）。

2.2.2α-淀粉酶用量對茶樹菇膳食纖維得率的影響

α-淀粉酶用量對膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 α-淀粉酶用量對茶樹菇膳食纖維得率的影響Fig.2 Effect of α-amylase addition on dietary fiber yield of Agrocybe aegerita

由圖2可知，當α-淀粉酶用量在0.5%～1.5%時，茶樹菇膳食纖維得率隨著酶用量的增加呈現(xiàn)快速上升趨勢；當α-淀粉酶用量在1.5%時，茶樹菇膳食纖維得率最高達到38.2%；當α-淀粉酶用量＞1.5%之后，茶樹菇膳食纖維得率逐漸降低。由于膳食纖維結(jié)構(gòu)中的部分成分由α-糖苷鍵構(gòu)成，當酶添加量過高時，酶解過度可能造成膳食纖維結(jié)構(gòu)的破壞。綜合考慮，選取最適α-淀粉酶用量為1.5%。

2.2.3 蛋白酶用量對茶樹菇膳食纖維得率的影響

蛋白酶用量對膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 蛋白酶用量對茶樹菇膳食纖維得率的影響Fig.3 Effect of protease addition on dietary fiber yield of Agrocybe aegerita

由圖3可知，在蛋白酶用量為0.4%～1.2%時，隨著蛋白酶用量逐漸增加，茶樹菇膳食纖維得率快速增加；當?shù)鞍酌赣昧繛?.2%時，茶樹菇膳食纖維得率最高達到38%；當?shù)鞍酌该柑砑恿浚?.2%之后，可能使膳食纖維中少量碳氧鍵斷裂，造成膳食纖維得率減少。綜合考慮，選取最適蛋白酶用量為1.2%。

2.2.4 超聲功率對茶樹菇膳食纖維得率影響

超聲功率對膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 超聲功率對茶樹菇膳食纖維得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on dietary fiber yield of Agrocybe aegerita

由圖4可知，隨著超聲功率在50～150 W范圍內(nèi)逐漸增加，茶樹菇膳食纖維得率隨超聲波功率增大逐漸增加；當超聲功率為150 W時，茶樹菇膳食纖維得率最高達到38.1%；當超聲功率＞150 W之后，可能使膳食纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成膳食纖維得率迅速減少。綜合考慮，選取最適超聲功率為150 W。

2.2.5 超聲時間對茶樹菇膳食纖維得率的影響

超聲時間對膳食纖維得率的影響見圖5。

圖5 超聲時間對茶樹菇膳食纖維得率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic time on dietary fiber yield of Agrocybe aegerita

由圖5可知，在超聲時間為20～30 min時，茶樹菇膳食纖維得率隨超聲時間增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；當超聲時間為30 min時，茶樹菇膳食纖維得率最高達到37.6%；當超聲時間＞30 min之后，能使膳食纖維結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成膳食纖維得率減少。綜合考慮，選取最適超聲時間為30 min。

2.2.6 超聲溫度對茶樹菇膳食纖維得率的影響

超聲溫度對膳食纖維得率的影響見圖6。

由圖6可知，當超聲溫度為30～60 ℃時，茶樹菇膳食纖維得率隨超聲溫度升高呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢；當超聲時間為60 ℃時，茶樹菇膳食纖維得率最高達到36.5%；當超聲溫度＞60 ℃之后，高溫會使膳食纖維鍵斷裂，造成膳食纖維得率減少。綜合考慮，選取最適超聲溫度為60 ℃。

圖6 超聲溫度對茶樹菇膳食纖維得率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic temperature on dietary fiber yield of Agrocybe aegerita

2.3 茶樹菇膳食纖維提取工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

2.3.1 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計與結(jié)果

在單因素試驗基礎(chǔ)上，固定超聲時間為30 min，超聲溫度為60 ℃，選擇料液比（A）、α-淀粉酶用量（B）、蛋白酶用量（C）和超聲功率（D）為影響因素，以茶樹菇膳食纖維得率為響應(yīng)值（Y），根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，選用4因素3水平設(shè)計方案優(yōu)化試驗[25]，試驗設(shè)計及結(jié)果見表3，方差分析見表4。

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of Box-Behnken tests

續(xù)表

利用Design-Expert 8.0.5對表3中試驗數(shù)據(jù)進行二次多項式回歸擬合，得到回歸方程為：

表4 回歸模型方差分析Table 4 Variance analysis of regression model

續(xù)表

由表4可知，該模型極顯著（P＜0.01），決定系數(shù)R2為0.930 9，失擬項不顯著（P＞0.05），說明實驗誤差小且擬合度較高，可以應(yīng)用于試驗的分析預(yù)測。由方差分析的F值可以看出，各因素對茶樹菇DF得率的影響大小依次為：料液比＞蛋白酶用量＞超聲功率＞α-淀粉酶用量；各因素中一次項因素A、交互項AD、二次項A2、B2、C2、D2對結(jié)果影響均達到極顯著水平（P＜0.01），交互項BC對結(jié)果影響達到顯著水平（P＜0.05）。

2.3.2 響應(yīng)面及等高線分析

響應(yīng)面及等高線圖能夠直觀地反映出各因素的交互作用對響應(yīng)值的影響程度，曲面越陡，等高線越密集，對相應(yīng)值影響越顯著[26]。在其他因素條件固定不變的情況下，考察交互項對茶樹菇膳食纖維得率的影響。料液比、α-淀粉酶用量、蛋白酶用量和超聲功率4個因素交互項的響應(yīng)面及等高線見圖7。

圖7 料液比、α-淀粉酶用量、蛋白酶用量和超聲功率交互作用對膳食纖維得率影響的響應(yīng)面及等高線Fig.7 Response surface plots and contour lines of effects of interaction of material to liquid ratio,α-amylase addition,protease addition and ultrasonic power on dietary fiber yield

由圖7可知，茶樹菇膳食纖維得率隨各因素水平的增大都呈現(xiàn)先增加后減少的變化，各因素交互作用等高線呈橢圓形，說明交互作用較為顯著，其中料液比和超聲功率的交互作用對膳食纖維得率影響最為顯著，而α-淀粉酶用量和超聲功率的交互作用對得率影響不顯著，這與表4分析結(jié)果一致。

2.3.3 提取結(jié)果驗證及對比試驗

通過軟件分析獲得最佳工藝提取條件為料液比1∶29.20（g∶mL）、α-淀粉酶用量1.53%，蛋白酶用量1.22%超聲功率149.86 W，在此優(yōu)化條件下膳食纖維得率預(yù)測值為37.87%。為了便于試驗操作，將最優(yōu)條件修定為料液比1∶29（g∶mL）、α-淀粉酶用量1.5%，蛋白酶用量1.2%，超聲功率150 W、超聲時間30 min、超聲溫度60 ℃。在此優(yōu)化條件下進行3次平行試驗，測得茶樹菇膳食纖維得率實際值為37.70%，與軟件預(yù)測值接近，其中有1.2%為可溶性膳食纖維。之后以優(yōu)化后相同的提取條件作為對比，采用超聲波水提取茶樹菇膳食纖維，提取條件為料液比1∶29（g∶mL）、超聲功率150 W、超聲時間30 min、超聲溫度60 ℃。在此優(yōu)化條件下茶樹菇膳食纖維得率達到32.3%，并測得其中只有0.6%為可溶性膳食纖維，膳食纖維總得率比超聲輔助酶法低5.4%。因此選用超聲輔助酶法提取茶樹菇膳食纖維得率較高，且采用響應(yīng)面優(yōu)化方法得到的數(shù)據(jù)準確可靠。

2.3.4 茶樹菇膳食纖維理化性質(zhì)測定結(jié)果

持水力、膨脹性、持油力是膳食纖維理化性質(zhì)重要的衡量標準，3種理化指數(shù)越大，說明膳食纖維的生理活性越好[27]，茶樹菇持水性最高達5.4 g/g，膨脹力高達2.1 mL/g，持油力高達2.7 g/g，高持水力和持油力的膳食纖維對糖尿病的預(yù)防和治療起到非常重要的作用[28]。

3 結(jié)論

本研究采用超聲輔助酶法提取茶樹菇膳食纖維，通過單因素和響應(yīng)面試驗對提取工藝進行優(yōu)化，得到最佳提取工藝提取條件：料液比1∶29（g∶mL），α-淀粉酶用量1.5%，蛋白酶用量1.2%，超聲功率150 W。在此優(yōu)化條件下，茶樹菇膳食纖維得率為37.7%，并對其理化性質(zhì)進行測定，測得持水力為5.4 g/g，膨脹力為2.1 mL/g，持油力為2.7 g/g。通過該方法制備的膳食纖維活性較高，可制作成功能性食品應(yīng)用到飲料、面包、餅干等食品中，提高茶樹菇產(chǎn)品的附加值，為茶樹菇的功能性產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。