茶叶可溶性膳食纤维提取及理化特性分析

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　　摘   要   为优化茶叶可溶性膳食纤维（Tea soluble dietary fiber，TSDF）的超声波辅助酶法提取工艺，以福鼎大白茶一芽五叶、六叶鲜叶为原料，采用单因素试验和正交试验研究纤维素酶用量、超声时间、超声功率、酶解温度对TSDF提取率的影响，分析TSDF组分含量和理化特性。结果表明：各因素对TSDF提取率影响的顺序依次为酶解温度>超声功率>纤维素酶用量>超声时间;提取TSDF最优工艺为纤维素酶用量0.8 g·（100 g）-1、超声时间30 min、超声功率300 W、酶解温度60 ℃，提取率为45.50%;TSDF组分包括果胶（85.82%）、水分（4.57%）、灰分（2.55%）、蛋白质（2.44%）、半纤维素（1.26%）、茶多酚（1.10%），具有良好的膨胀力、持水力等理化特性。
　　关键词    茶叶;可溶性膳食纤维;超声波;酶法;理化特性
　　中图分类号：TS272    文献标志码：A    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.1.001
　　膳食纤维是指不能被人体胃肠道消化酶消化吸收的非淀粉多糖类，根据水溶性可将其分为可溶性膳食纤维和不溶性膳食纤维，前者主要包括果胶和树胶，后者则主要包括纤维素、半纤维素和木质素，具有缓解便秘，延缓消化，防治冠心病、结肠癌、高血压、肥胖症等多种生理功能，被营养学界称为继水、蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素之后的“第七营养素”[1-3]。随着膳食纤维营养功效研究的不断深入，开发优质的膳食纤维资源逐渐成为当前研究热点。
　　茶叶是我国传统优势产业，我国的茶园面积和茶叶产量均居世界第一位。茶叶因富含茶多酚、茶多糖、茶氨酸、茶黄素等有效功能成分，具有良好的抗氧化、降血压、降血糖、消炎杀菌等效果[4-6]，其中茶多酚已广泛应用于食品、日化品、保健品等行业。对茶多糖、茶氨酸、茶黄素等成分的研究报道较多，而茶叶膳食纤维作为一种有效功能成分目前尚未得到太多关注。实际上，我国每年会产生大量的粗老鲜叶、修剪枝叶、茶片、茶末等废弃茶资源，这类废弃茶资源中含有大量的膳食纤维，以其为原料提取开发膳食纤维，可获得具有广阔应用前景的新产品，提高茶叶经济附加值[7]。研究表明，茶叶膳食纤维能表现出抗氧化、降血脂、预防心脑血管疾病等功效，且改性处理后可进一步增强其生理活性[8-10]。因此，加强茶叶膳食纤维提取工艺、理化性质等方面的研究具有潜在的应用价值。
　　当前茶叶膳食纤维的提取方法主要为化学法和酶解法，前者是将原料经干燥磨碎后利用酸、碱处理，后者则是利用多种生物酶制剂处理，且后者提取效果优于前者[10-11]。此外，超声波也广泛运用于葡萄、木瓜、甘薯等农产品膳食纤维的提取[12-14]，但目前尚无用于茶叶膳食纤维提取的报道。基于此，本试验采用单因素试验和正交试验优化超声波辅助酶法提取茶叶可溶性膳食纤维（Tea soluble dietary fiber，TSDF）的工艺，并对TSDF组分含量及理化特性进行分析，以期为开发TSDF和提高茶资源利用率提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料与试剂
　　福鼎大白茶一芽五、六叶鲜叶原料，采自重庆市农业科学院茶叶研究所茶叶科技示范园。α-淀粉酶、纤维素酶、邻苯二甲醛、咔唑，Adamas公司;胆固醇、胆酸钠、福林酚，Sigma公司;亚硝酸钠、石油醚、95%乙醇、浓H2SO4、浓HCl、Na2CO3、没食子酸、甲醇，重庆永捷实验仪器有限公司。
　　1.2 仪器与设备
　　TC88-4型鼓风干燥箱：南京冉然添成干燥设备有限公司;FA1004 电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司;HWS-26电热恒温水浴锅，上海一恒科学仪器有限公司;KQ-700DB型超声波清洗机，昆山市超声仪器有限公司;5810台式高速冷冻离心机，德国Eppendorf公司;ALPHA1-4LSC真空冷冻干燥机，德国Christ公司;酶标仪，美国BIORAD公司。
　　1.3 茶鲜叶预处理
　　参考并修改艾仄宜[7]的方法。福鼎大白茶鲜叶原料经蒸青、烘干、粉碎、过60目筛，然后利用石油醚回流脱脂、抽滤、风干，残渣用85 ℃水浴30 min后抽滤（去除茶多酚、游离氨基酸、咖啡碱等杂质），滤渣70 ℃烘干，得茶叶原料粉备用。
　　1.4 超声波辅助酶法提取TSDF方法
　　1.4.1 TSDF提取工艺流程
　　准确称取茶叶原料粉1.0 g（精确至0.000 1 g），加入少量蒸馏水，在70 ℃水浴下加入适量α-淀粉酶，酶解至滴加碘液不变蓝色。冷卻，调pH值至5.0，加入纤维素酶，置入超声仪器中处理后抽滤，滤液在100 ℃水浴下灭酶5 min，50 ℃水浴下浓缩滤液。浓缩后加入4倍体积95%乙醇，静置过夜、离心
　　（4 000 r·min-1、20 min），沉淀经真空冷冻干燥后制得TSDF粗品，随即称重并计算提取率。
　　1.4.2 TSDF提取率计算
　　R=（1-m1/m0）×100                                            （1）
　　式（1）中：R为TSDF提取率，单位是%;m0为TSDF粗品重量，g;m1为茶叶原料粉重量，g。
　　1.4.3 单因素试验设计
　　1.4.3.1纤维素酶用量对TSDF提取率的影响 　　准确称取茶叶原料粉1.0 g，分别添加0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 g·（100 g）-1纤维素酶，在超声功率300 W、酶解温度50 ℃的条件下超声40 min。
　　1.4.3.2超声时间对TSDF提取率的影响
　　准确称取茶叶原料粉1.0 g，添加0.8 g·（100 g）-1纤维素酶，在超声功率300 W、酶解温度50 ℃的条件下分别超声20、30、40、50、60 min。
　　1.4.3.3超声功率对TSDF提取率的影响
　　准确称取茶叶原料粉1.0 g，添加0.8 g·（100 g）-1纤维素酶，在超声功率分别为200、250、300、350、400 W，酶解温度50 ℃的条件下超声40 min。
　　1.4.3.4酶解温度对TSDF提取率的影响
　　准确称取茶叶原料粉1.0 g，添加0.8 g·（100 g）-1纤维素酶，在超声功率300 W，酶解温度分别为30、40、50、60、70 ℃的条件下超声40 min。
　　1.4.4 正交试验设计
　　在单因素试验基础上，以纤维素酶用量、超声时间、超声功率、酶解温度为考察因素，采用正交表L16（45）进行正交试验，以TSDF提取率为衡量指标，优化超声波辅助酶法制备TSDF的最佳工艺。
　　1.5 TSDF组分含量及理化特性测定
　　1.5.1 组分含量
　　水分，采用GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》;灰分，采用GB 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》;蛋白质，采用GB 5009.5—2016《食品安全国家标准 食品中蛋白质的测定》;脂肪，采用GB5009.6-2016《食品安全国家标准 食品中脂肪的测定》;茶多酚，采用GB/T 8313—2018《茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》;果胶、半纤维素，参考EMAGA等[15]的方法。
　　1.5.2 理化特性
　　膨胀力、持水力、阳离子交换力，饱和脂肪、不饱和脂肪含量，胆固醇及胆酸钠吸附能力，参考张洁[11]的方法。
　　1.6 数据处理
　　所有试验重复3次，数据用平均值±标准差表示，采用Origin 9.0作图、SPSS 21.0统计分析数据。
　　2 结果与分析
　　2.1 单因素试验
　　采用单因素试验，分别探讨了纤维素酶用量、超声时间、超声功率、酶解温度四种因素对TSDF提取率的影响，结果见图1。
　　2.1.1 纤维素酶用量对TSDF提取率的影响
　　由图1-a可知，随着纤维素酶用量增加，茶叶中的不溶性膳食纤维逐渐转化为TSDF，其提取率也逐渐增高。当纤维素酶用量为0.8、1.0 g·（100 g）-1时，TSDF提取率最高;当纤维素酶用量增加至1.2 g·（100 g）-1时，TSDF提取率开始降低，但与0.8、1.0 g·（100 g）-1差异不显著，故纤维素酶用量以0.8 g·（100 g）-1为宜。
　　2.1.2 超声时间对TSDF提取率的影响
　　由图1-b可知，随着超声时间延长，TSDF提取率逐渐增高，这是由于超声波能在物料内部产生强烈振动，对组织细胞作用明显，加快了分子振动速率，进而提高酶解效率[16]。而超声40、50、60 min时的TSDF提取率差异不显著，故超声时间以40 min为宜。
　　2.1.3 超声功率对TSDF提取率的影响
　　由图1-c可知，随着超声功率加大，TSDF提取率先增高后降低，当超声功率较低时，超声波通过增大溶剂运动速度和溶剂穿透力，使茶叶中的不溶性膳食纤维部分转化为TSDF，进而提高TSDF提取率;当超声功率超过300 W后，溶剂分子振动加快，温度急剧上升，可能使溶出的TSDF发生降解或纤维酶活性减弱[17]，导致TSDF提取率显著降低，故超声功率以300 W为宜。
　　2.1.4 酶解温度对TSDF提取率的影响
　　由图1-d可知，随着酶解温度升高，TSDF提取率先增高后降低，当温度在60 ℃时，TSDF提取率最高。一般来说，在最适温度时的酶促反应速度最快，温度向两侧偏移时均会使酶促反应变慢[16-17]。可能是由于pH值为5.0时，纤维素酶的最适温度为60 ℃;温度过高则会破坏纤维素酶和TSDF的生物活性，导致TSDF提取率显著降低，因此酶解温度以60 ℃为宜。
　　2.2 正交试验
　　在单因素试验基础上，设定了四因素四水平正交试验，采用正交表L16（45）（见表1）优化超声波辅助酶法提取TSDF的最佳工艺条件。正交试验极差及方差分析结果见表2、表3。
　　表2极差分析结果显示，各因素对TSDF提取率影响的主次顺序为D>C>A>B，即酶解温度>超声功率>纤维素酶用量>超声时间，按照各因素的最优水平选取TSDF提取的最优组合为A2B3C2D3，表3的方差分析结果也证实了各因素的影响次序。此外，不同处理间、纤维素酶用量、超声功率、酶解温度及模型误差对TSDF提取率的影响极显著，而区组间、超声时间的差异不显著，表明试验因素间存在交互作用，各因素所在列有可能出现交互作用的混杂，因而各因素水平间的多重比较无意义，应进行试验处理间的多重比较（结果未在本文中显示）。根据多重比较分析结果，处理5的TSDF提取率显著高于其他处理，故确定超声波辅助酶法提取TSDF的最佳工艺为A3B1C2D3，即纤维素酶用量0.8 g·（100 g）-1、超声时间30 min、超声功率300 W、酶解温度60 ℃，此条件下TSDF的提取率为45.50%。
　　2.3 TSDF组分及理化特性
　　由表4可知，TSDF主要成分为果胶，其含量达85.82%，同时含有一定的水分（4.57%）、灰分（2.55%）、蛋白质（2.44%）、半纤维素（1.26%）、茶多酚（1.10%）等;TSDF具有良好的膨胀力、持水力等理化特性。膨胀力、持水力等理化特性是衡量膳食纤维生理功能的重要指标[7， 18]，膨胀力大、持水力强，表明人类进食膳食纤维后排出的粪便体积大、频率高、质地软，间接减轻直肠和泌尿系统压力，有利于防止便秘及结肠癌的发生;膳食纤维结构中含有羧基、羟基等侧链基团，能与肠道中的Na+、K+进行交换，促使Na+、K+等阳离子经尿液和粪便排出，降低心血管疾病的发病率;吸附饱和脂肪与不饱和脂肪能力高，可直接导致摄入人体内的脂肪含量降低，有利于减少肥胖症的发生;胆结石的形成与胆固醇含量过高有关，TSDF對胆固醇、胆酸钠的吸附能力高，有利于预防人类心血管疾病和减少胆结石的形成。可以认为，TSDF是一种优质的可溶性膳食纤维。 　　3 结论
　　采用超声波辅助酶法能极大地提高纤维素酶的酶解效率，从而增加TSDF的提取率。其中，各因素对TSDF提取率影响的主次顺序为：酶解温度>超声功率>纤维素酶用量>超声时间。通过正交试验确定最佳工艺条件为：纤维素酶用量0.8 g·（100 g）-1、超声时间30 min、超声功率300 W、酶解温度60 ℃，此时TSDF的提取率为45.50%。所获TSDF具有良好的膨胀力、持水力、阳离子交换力，饱和脂肪、不饱和脂肪、胆固醇及胆酸钠吸附能力等理化特性，是一种优质的可溶性膳食纤维。
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　　（责任编辑：丁志祥）
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