麻竹葉水溶性膳食纖維的提取工藝及理化特性研究

張雄，李洪慶*，戴毅，陶文亮，許子競(jìng)

(1.貴州民族大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 貴州特色生物資源工程技術(shù)中心，貴陽(yáng) 550025；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院 天然產(chǎn)物中心，貴州 畢節(jié) 551700)

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)為禾本科牡竹屬多年生植物，廣泛分布于貴州、四川等地。貴州赤水地區(qū)現(xiàn)有竹林面積8.67萬(wàn)公頃，其中麻竹和綿竹分布面積約2.13萬(wàn)公頃[1]。麻竹的應(yīng)用廣泛，其竹材可用于造紙、建材及手工藝品等，竹筍可食用。目前，麻竹竹材在加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量竹葉常被直接丟棄，不僅造成資源的浪費(fèi)，而且污染環(huán)境。現(xiàn)有研究表明，竹葉中富含具有降血糖、降血脂、抗氧化、預(yù)防便秘等功效的膳食纖維[2-3]。膳食纖維作為一種營(yíng)養(yǎng)素，可作為食品添加劑廣泛應(yīng)用于烘焙食品及調(diào)味品等生產(chǎn)中[4]。因此，深入開展麻竹葉膳食纖維的研究，對(duì)促進(jìn)麻竹資源的綜合利用具有重要意義。

水溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)是指一種不可以在人的小腸中消化和吸收，但溶于熱水的成分[5]。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基于竹資源制備膳食纖維的研究主要集中在竹筍膳食纖維：李璐等[6]采用酶發(fā)酵法制備了具有較好理化性能的雷竹筍膳食纖維；Li等[7]發(fā)現(xiàn)竹筍膳食纖維對(duì)降低小鼠的血脂具有較好的效果；基于竹葉為原料制備膳食纖維的研究報(bào)道較少，主要有陶文亮等[8]通過(guò)化學(xué)法制備了具有較好持水力、膨脹力等理化性能的越南巨竹葉不溶性膳食纖維(IDF)；晁紅娟[9]發(fā)現(xiàn)毛竹葉特種膳食纖維對(duì)降低小鼠血清總膽固醇和甘油三酯具有顯著的效果。目前，以麻竹葉為原料制備SDF的研究未見報(bào)道。

本文以高濃度乙醇提取黃酮后的赤水麻竹葉殘?jiān)鼮檠芯繉?duì)象，在考察超聲功率、超聲時(shí)間、超聲溫度、料液比與NaOH濃度等單因素的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法優(yōu)化其SDF的制備工藝，并對(duì)制備的SDF持水力、膨脹力和持油力等理化特性進(jìn)行測(cè)定，旨在對(duì)麻竹資源的綜合利用提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料及儀器

麻竹葉：采自貴州省赤水市。

TD5Z離心機(jī) 鹽城市凱特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；KQ3200B臺(tái)式超聲清洗器 東莞市強(qiáng)勁機(jī)械設(shè)備有限公司；HH-S4恒溫水浴鍋 上海力辰儀器有限公司；DZF-6069真空干燥箱 紹興市景邁儀器設(shè)備有限公司；JA-1003B電子天平 南京貝登醫(yī)療股份有限公司。

1.2 藥品及試劑

NaOH(AR)、乙醇(AR)：深圳市博林達(dá)科技有限公司；菜籽油：德州香念食用油有限責(zé)任公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 麻竹葉水溶性膳食纖維提取工藝

將高濃度乙醇提取后的麻竹葉殘?jiān)?，烘干，備用。?zhǔn)確稱取5.00 g于250 mL錐形瓶中，加入NaOH溶液，在超聲輔助下進(jìn)行提?。惶崛〗Y(jié)束后，稍冷卻，抽濾，用少量蒸餾水清洗濾餅3次，合并濾液及清洗液，用1 mol/L鹽酸中和，減壓濃縮至原體積約1/3，加入4倍體積95%乙醇，5 ℃下靜置6 h后，4000 r/min離心10 min，沉淀，用少量純水懸浮，醇沉，離心，重復(fù)3次；沉淀除醇，冷凍干燥，得SDF。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

按1.3.1的方法，考察不同料液比、超聲時(shí)間、超聲功率、超聲溫度、NaOH濃度各單因素對(duì)麻竹葉SDF得率的影響。各試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)定3次，取平均值。

SDF得率(%)=m0/m×100%。

(1)

式中：m為原料質(zhì)量，m0為得到的SDF產(chǎn)品質(zhì)量。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)1.3.2中的單因素試驗(yàn)結(jié)果，以麻竹葉SDF得率為響應(yīng)值Y，以提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)、料液比(C)、NaOH濃度(D)為變量進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化，因子編碼及水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素與水平Table 1 The factors and levels of response surface experiment

1.3.4 麻竹葉SDF理化特性測(cè)定

1.3.4.1 持水力測(cè)定

準(zhǔn)確稱取1.00 g干燥的麻竹葉SDF于25 mL錐形瓶中，加入10 mL蒸餾水，連續(xù)攪拌1 h，4000 r/min離心25 min，除去上層清液，將吸水后的SDF轉(zhuǎn)移至已恒重的培養(yǎng)皿中，用濾紙吸去游離水，稱重。持水力(RWHC)按式(2)計(jì)算[10]：

RWHC=(m1-m)/m。

(2)

式中：m為干燥的麻竹葉SDF質(zhì)量，m1為麻竹葉SDF吸水后的質(zhì)量。

1.3.4.2 膨脹力測(cè)定

準(zhǔn)確稱取0.50 g干燥麻竹葉SDF，置于10 mL量筒中，輕微振蕩，保持表面平整，讀取膳食纖維干品體積；準(zhǔn)確移取10 mL蒸餾水加入其中，振蕩均勻，靜置24 h后，讀取膨脹后SDF的體積。膨脹力(RSC)按式(3)計(jì)算[11]：

RSC=(V1-V0)/m。

(3)

式中：m為干燥的麻竹葉SDF質(zhì)量，V0為麻竹葉SDF干燥樣品的體積，V1為麻竹葉SDF膨脹后的體積。

1.3.4.3 持油力測(cè)定

準(zhǔn)確稱取2.00 g干燥麻竹葉SDF于50 mL燒杯中，加入20 g菜籽油，室溫靜置1 h后，抽濾；燒杯壁殘留物用少量的菜籽油沖洗，一并抽濾；將吸油后的SDF轉(zhuǎn)移至已恒重的培養(yǎng)皿中，稱重；濾紙上殘留的SDF用石油醚洗脫，抽濾(濾紙已恒重)，用少量石油醚清洗濾渣3次，揮干石油醚，干燥，稱重，減去濾紙重量，得殘留SDF質(zhì)量。持油力按式(4)計(jì)算[12]：

ROHC=m1/(m-m2)-1。

(4)

式中：m為干燥的麻竹葉SDF質(zhì)量，m1為麻竹葉SDF吸油后的質(zhì)量，m2為殘留SDF質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲功率對(duì)麻竹葉SDF得率的影響

由圖1可知，超聲功率對(duì)麻竹葉SDF得率的影響不明顯，在250 W時(shí)，麻竹葉SDF得率最高，為35.72%；繼續(xù)增大超聲功率，麻竹葉SDF得率稍下降，其原因可能是較高功率的超聲波會(huì)破壞SDF的結(jié)構(gòu)。因此，超聲功率固定為250 W。

圖1 超聲功率對(duì)麻竹葉SDF得率的影響Fig.1 The effect of ultrasonic power on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.2 超聲時(shí)間對(duì)麻竹葉SDF得率的影響

由圖2可知，提取時(shí)間為60 min時(shí)，麻竹葉SDF得率達(dá)到最大，為36.79%；隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，麻竹葉SDF得率逐漸降低，其原因可能是長(zhǎng)時(shí)間的超聲波對(duì)SDF的破壞程度更大；同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的堿液作用也導(dǎo)致SDF部分降解。因此，最佳提取時(shí)間選定為60 min。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)麻竹葉SDF得率的影響Fig.2 The effect of ultrasonic time on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.3 超聲溫度對(duì)麻竹葉SDF得率的影響

由圖3可知，溫度在30～60 ℃之間，麻竹葉SDF得率隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，麻竹葉SDF得率達(dá)到最大，為37.25%；繼續(xù)升高溫度，麻竹葉SDF得率略有下降，原因可能是堿液在高溫狀態(tài)下會(huì)加劇SDF的降解。因此，提取溫度選定為60 ℃。

圖3 超聲溫度對(duì)麻竹葉SDF得率的影響Fig.3 The effect of ultrasonic temperature on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.4 料液比對(duì)麻竹葉SDF得率的影響

由圖4可知，料液比(g/mL)在1∶5～1∶15范圍內(nèi)，麻竹葉SDF得率隨提取液的增加而增大，在1∶15(g/mL)時(shí)，麻竹葉SDF得率達(dá)到最大，為35.93%；繼續(xù)增加提取液，麻竹葉SDF得率略有下降，其原因可能是SDF充分分散在溶液中，在堿液作用下SDF被降解為小分子糖；而且隨著提取液的增加，部分超聲波輻射能被溶液吸收，而對(duì)原料的作用降低[13]。因此，選1∶15(g/mL)作為最佳料液比。

圖4 料液比對(duì)麻竹葉SDF得率的影響Fig.4 The effect of solid-liquid ratio on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.5 NaOH濃度對(duì)麻竹葉SDF得率的影響

由圖5可知，NaOH濃度為8%時(shí)，SDF得率達(dá)到最大值，為36.14%；當(dāng)NaOH濃度大于8%時(shí)，SDF得率緩慢減少，其原因可能有：一是提取液中的部分蛋白質(zhì)在堿液作用下會(huì)發(fā)生降解，使得SDF中雜質(zhì)含量降低，純度提高，得率下降；二是堿液濃度增大，SDF也被部分降解[14]。因此，選8%為最佳NaOH濃度。

圖5 NaOH濃度對(duì)麻竹葉SDF得率的影響Fig.5 The effect of NaOH concentration on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.6 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Response surface experiment design and results

2.6.1 回歸模型的建立和方差分析

通過(guò)Design-Expert 10對(duì)表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到麻竹葉SDF得率Y與各因素變量的二次回歸模型方程為：Y=43.23+1.49A+1.65B+3.11C+0.98D+0.41AB+0.98AC+2.03AD+1.15BC-0.55BD+0.97CD-2.41A2-2.28B2-2.99C2-2.42D2。

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 方差分析Table 3 The variance analysis

續(xù) 表

由表3可知，該模型中F值為23.69，P<0.0001，差異極顯著；失擬項(xiàng)的P>0.05，差異不顯著，說(shuō)明該回歸方程對(duì)試驗(yàn)擬合程度較好。

對(duì)各因素顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)分析表明，使用超聲波輔助堿液提取麻竹葉SDF工藝條件中，提取時(shí)間(A)、提取溫度(B)、料液比(C)、NaOH濃度(D)及二次項(xiàng)A2、B2、C2、D2對(duì)麻竹葉SDF得率的影響顯著，交互項(xiàng)AD、BC的影響較顯著；模型回歸系數(shù)R2=0.9595，校正系數(shù)RAdj2=0.9190，說(shuō)明該模型可靠；由F值可知，各因素對(duì)麻竹葉SDF得率的影響大小依次為：料液比(C)>超聲溫度(B)>超聲時(shí)間(A)>NaOH濃度(D)。

2.6.2 響應(yīng)面分析

通過(guò)Design-Expert 10軟件，繪制各因素交互作用對(duì)響應(yīng)值影響的三維曲面圖，結(jié)果見圖6。

圖6 各因素交互作用對(duì)麻竹葉SDF得率影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Response surface plots and contour plots of the effect of the interaction of various factors on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

三維曲面圖的陡峭程度可以反映各因素對(duì)響應(yīng)值影響的大小，曲面越陡，影響越大，反之，影響越?。坏雀呔€圖的形狀可反映出各因素交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表明兩因素的交互作用顯著，圓形則相反。

由圖6可知，料液比和溫度兩個(gè)因素對(duì)麻竹葉SDF得率的影響最大，交互項(xiàng)AD、BC對(duì)麻竹葉SDF得率的影響較強(qiáng)，與前面回歸分析結(jié)果相吻合。

2.6.3 工藝驗(yàn)證

通過(guò)回歸方程計(jì)算得出超聲輔助提取麻竹葉SDF的最佳工藝條件為：超聲時(shí)間68.08 min、超聲溫度65.75 ℃、料液比1∶19.34(g/mL)、NaOH濃度8.65%時(shí)，麻竹葉SDF預(yù)測(cè)得率為45.34%?？紤]實(shí)際操作情況，將最佳超聲輔助堿法提取工藝確定為：時(shí)間68 min、溫度66 ℃、料液比1∶19(g/mL)、NaOH濃度8.5%。在此條件下，進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，麻竹葉SDF平均得率為45.18%(n=3，RSD=0.63%)，與該條件下麻竹葉SDF得率的預(yù)測(cè)值(45.41%)的相對(duì)誤差為0.51%，表明該模型可靠，工藝可行。

2.7 麻竹葉SDF的理化特性

由圖7可知，麻竹葉SDF的持水力、膨脹力和持油力分別為3.71 g/g、2.86 mL/g和4.14 g/g；其理化特性優(yōu)于米糠SDF[15]；與雷竹筍SDF[16]比較，其持水力和膨脹力較弱，但持油力較強(qiáng)，推測(cè)原因可能是麻竹葉SDF中親水性基團(tuán)較少。麻竹葉SDF持油力強(qiáng)說(shuō)明其能更多地吸附膳食中的油脂，對(duì)預(yù)防肥胖、改善胃腸道功能、預(yù)防心血管疾病具有較大的潛力。膳食纖維組成復(fù)雜、功能多樣，對(duì)其理化特性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

圖7 麻竹葉SDF理化特性及對(duì)照Fig.7 The physicochemical properties and comparison of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

3 結(jié)論

本文以麻竹葉SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上固定超聲功率，以超聲時(shí)間、超聲溫度、料液比、NaOH濃度為變量，采用響應(yīng)面法優(yōu)化了麻竹葉SDF的超聲輔助提取工藝。結(jié)果表明，最佳提取工藝為：超聲功率250 W、超聲時(shí)間68 min、超聲溫度66 ℃、料液比1∶19(g/mL)、NaOH濃度8.5%；在此條件下，麻竹葉SDF平均得率為45.18%(n=3，RSD=0.63%)，與該條件下預(yù)測(cè)值(45.41%)的相對(duì)誤差為0.51%，說(shuō)明該模型可靠，工藝可行，且麻竹葉SDF的持油力優(yōu)于其他來(lái)源的SDF。在食品中添加適量的膳食纖維不僅沒(méi)有影響食品的外觀，而且可以增加產(chǎn)品的口感。因此，深入開展麻竹葉SDF的研究對(duì)產(chǎn)業(yè)化利用麻竹葉提取SDF具有一定的指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。