堿處理對慈竹竹葉膳食纖維提取效果的研究

雷福紅 歐陽吾樂 楊亞晉 馬思雨 李恩良 郭愛偉

（1.西南林業(yè)大學生命科學學院，云南 昆明 650233；2.西岐桫欏省級自然保護區(qū)管護局，云南 普洱 654800）

膳食纖維被定義為不能被人和動物內(nèi)源消化酶消化的食物成分，主要存在于植物細胞壁中，包括多糖、寡糖、木質(zhì)素等[1]。按膳食纖維溶解性，可將膳食纖維分為不溶性膳食纖維（IDF）和可溶性膳食纖維（SDF）[2]。目前的研究表明，膳食纖維對人和動物腸道健康具有重要的生理功能，膳食纖維具有降血糖、降血脂、調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)、減肥、預防糖尿病和癌癥等諸多生理功能[3-5]，被稱為人類的“第七大營養(yǎng)素”。

云南是竹類資源最豐富的地區(qū)之一，竹類有25屬200余種，有“竹類故鄉(xiāng)”之譽，現(xiàn)有天然竹林面積有25萬hm2[6-8]，豐富的竹類資源為提取竹葉膳食纖維提供了保障。相比較其他纖維類型，竹葉纖維具有許多優(yōu)勢，如流動性好，顆粒表面積大，結構松散，其持水力、膨脹率高等特點[9-10]，具有廣闊的開發(fā)和應用價值。目前膳食纖維的提取方法有化學法、酶解法、化學-酶結合法、生物發(fā)酵法等，這幾種膳食纖維的提取方法都有很好的應用前景，但考慮到提取成本和提取的纖維含量，其中化學法和酶法的應用最為廣泛[11]。其中化學法提取膳食纖維方法簡單、快捷以及成本低等特點，是提取膳食纖維常見的一種方法。目前，從竹葉中提取膳食纖維的報道較少，本研究以慈竹竹葉為原料，用堿處理提取慈竹竹葉纖維，通過單因素試驗和正交試驗，篩選出慈竹竹葉膳食纖維提取的最優(yōu)工藝組合，分析了竹葉纖維中的不溶性膳食纖維和可溶性膳食纖維，為竹葉纖維的開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

研究所用慈竹（Neosinocalamus affinis）竹葉采自西南林業(yè)大學竹園，將采集的慈竹竹葉在實驗室陰干后粉碎，過40目篩，放置于4 ℃儲藏備用。

1.2 試驗設計

1.2.1 單因素試驗

選取NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)、溫度、料液比和時間4個因素做單因素試驗，每個因素設4個水平（如表1），每個水平做3個重復。

表1 單因素試驗設計Table 1 Single factor experiment design

1.2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，選用溫度、時間、NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)、料液比4個因素，每個因素設3個水平，采用4因素3水平的正交試驗設計[12]，按L9（34）正交表試驗共9種組合（表2），每個組合做3個重復，對試驗效果較佳的組合進行驗證，驗證試驗做3個重復。

表2 正交試驗因素及水平Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment

1.3 測定指標及方法

稱取一定量的干竹葉粉（含水為(7.3±0.2)%），按以上單因素和正交試驗的方法提取竹葉纖維，提取后的竹葉纖維用蒸餾水沖洗至中性，放入65 ℃恒溫干燥箱中干燥8 h，然后回潮使其與周圍環(huán)境的空氣濕度保持平衡后稱量，再將其放入65 ℃烘箱內(nèi)烘2 h，再回潮和稱量，2次質(zhì)量之差小于0.5 g時為提取的竹葉纖維（含水為(7.0±0.1)%），并稱取一定量的竹葉纖維分析其膳食纖維的組成類型，竹葉纖維中粗纖維（CF）、SDF和IDF的測定方法參考AOAC推薦的方法[13]，用FT 122纖維測定儀（FOSS，丹麥）測定。按公式（1）～（2）計算竹葉纖維的提取率和可溶性纖維和不溶性纖維的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，正交試驗結果采用General Linear Model中的Univarate進行多因素重復試驗的方差分析。結果用平均數(shù)±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

由圖1可知，隨NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)的增加，竹葉纖維中CF含量有增加的趨勢，NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)達到10%時，提取的竹葉纖維中CF含量最高為75.87%，繼續(xù)增加NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)，竹葉纖維中的CF有下降的趨勢；當料液比為1∶15時提取的竹葉纖維中CF含量最高為76.37%；提取時間18 h時，提取的竹葉纖維中CF的含量最高為76.20%，增加提取時間其竹葉纖維中CF開始下降；隨著溫度的升高，提取的竹葉纖維中CF的含量逐漸升高，40 ℃時達到最大值為75.93%，超過40 ℃時竹葉纖維中的CF含量開始下降。

圖1 不同因素對竹葉纖維中粗纖維含量的影響Fig.1 Effects of different factors on the content of crude fiber in bamboo leaves

2.2 正交試驗結果

由表3可知，按照極差的大小，確定影響竹葉纖維中CF含量的主次順序為D＞B＞A＞C，即溫度＞料液比＞NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)＞提取時間，以提取的竹葉纖維中CF為考察指標，慈竹竹葉膳食纖維提取的最佳工藝組合為A2B2C1D3，并做驗證試驗得到最優(yōu)條件下提取的竹葉纖維中CF含量為(82.27±0.35)%，正交試驗結果表明，影響提取竹葉纖維中CF含量因素的主次順序為溫度＞料液比＞時間＞NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)，這與極差分析結果相一致，溫度、料液比、NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)、提取時間4個因素對竹葉纖維中CF含量的影響差異極顯著（P＜0.01）（表4）。綜合以上因素，慈竹竹葉纖維提取的最佳工藝組合為A2B2C1D3，即NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)為10%、料液比為1∶15、提取時間為17 h、溫度為42 ℃，對此最佳工藝組合進行驗證，獲得慈竹纖維中CF含量為(82.27±0.35)%，竹葉纖維的提取率為(34.58±0.29)%。

表3 竹葉纖維提取的正交試驗組合及其結果Table 3 Results of orthogonal experiments on the extraction of bamboo leaf fiber

表4 竹葉纖維提取的正交試驗方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment on the extraction of bamboo leaf fiber

2.3 慈竹竹葉纖維中SDF和IDF

由圖2可知，在最佳工藝下得到的竹葉纖維 中SDF含 量 為(12.86±0.26)%，IDF占(76.11±0.44)%，其 中SDF占14.45%，IDF占85.55%，SDF/IDF為0.17。

圖2 慈竹竹葉膳食纖維組成Fig.2 Dietary fiber composition of N.affinis leaves

3 結論與討論

本研究結果表明，NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)達到10%時，料液比為1∶15，提取時間為18 h，溫度為40 ℃時提取的竹葉纖維中CF含量最高，而正交試驗表明，慈竹竹葉纖維提取的最優(yōu)工藝為NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)10%，料液比為1∶15，提取時間為17 h，溫度為42 ℃，最佳工藝條件下慈竹竹葉纖維的提取率為(34.58±0.29)%，竹葉纖維中CF含量為(82.27±0.35)%。研究表明，NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)高于14%時，提取的膳食纖維中纖維含量降低，可能是高濃度堿使部分纖維降解而導致的[14]，這與本研究結果相一致，本試驗提取的慈竹葉膳食纖維的最佳NaOH溶液質(zhì)量體積分數(shù)為10%，質(zhì)量體積分數(shù)超過10%后，提取的膳食纖維中CF含量下降；料液比也會影響膳食纖維的提取，研究表明，料液比大于1∶20時，提取的膳食纖維中纖維顯著降低，說明堿液的加入量對于纖維素含量增加的促進作用存在飽和點，超過該飽和點纖維素可能會由于被堿液部分降解而導致其含量降低[15]，本研究表明，當料液比為1∶15時提取的膳食纖維中CF的含量最高為76.37%，料液比過高或過低均會影響膳食纖維的提取效果；提取時間也會影響膳食纖維的提取，因為纖維素是一種高聚合度物質(zhì)，提取纖維所需的時間較長，與其本身的性質(zhì)息息相關。陳雪峰等[16]研究表明，提取蘋果渣纖維素15 h以后，提取的膳食纖維中纖維素含量顯著增加，20 h時纖維素含量最高，表明提取纖維15 h后有效反應才真正開始。本研究通過正交試驗確定的慈竹的最佳提取時間為17 h，與其結果相一致；提取溫度也會影響膳食纖維的提取，研究表明，較低的提取溫度有利于膳食纖維的提取，過高溫度會使膳食纖維潤脹程度降低，堿反應活性隨之下降，致使纖維含量也下降[16]，陳姍姍等[17]研究表明，堿液浸提法提取花生殼膳食纖維，其最佳提取溫度為40 ℃，與本研究結果一致。

膳食纖維的生理功能與其中IDF與SDF的比例有關系，膳食纖維中IDF和SDF在體內(nèi)的生理功能不盡相同，IDF表現(xiàn)為增加糞便體積、減少腸道運輸時間，其持水能力，吸油能力和毒素吸附能力較強[18-19]。而SDF除具有較好的溶脹性外，還是一類可發(fā)酵的膳食纖維，其在后腸中被微生物發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs，包括乙酸、丙酸和丁酸）和氣體，SCFAs可修復腸黏膜，通過激活G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）和抑制組蛋白去乙酰化酶（HDACs）基因表達，使促炎因子基因表達下調(diào)，從而抑制腸道的炎癥反應[20]，改善人和動物腸道健康。因此，膳食纖維中有一定比例的SDF對人和動物腸道健康有益。本研究提取的慈竹竹葉纖維中SDF含量為(12.86±0.26)%，IDF含量為(76.11±0.44)%。有研究表明，優(yōu)質(zhì)膳食纖維中IDF和SDF的組成比例適宜，一般膳食纖維中含有30%～50%的SDF和50%～70%的IDF被認為是一個較好的比例[21]。Rosell等[22]研究了幾種商業(yè)纖維的纖維組成，結果表明菊粉中97%為SDF，瓜爾膠中SDF為85%，蘋果膳食纖維中SDF為15%，IDF為45%，燕麥纖維中SDF為5%，IDF為85%，小麥纖維中SDF為2.5%，IDF為94.5%。Li等[23]用水提法提取了竹筍的膳食纖維，結果表明，提取的竹筍膳食纖維中IDF含量為(73.4±0.89)%，SDF含量為(1.12±0.29)%，IDF占膳食纖維的98.50%，SDF占1.50%。李楊等[24]研究表明，生物解離法提取的大豆膳食纖維純度可高達82.58%，SDF約占總膳食纖維含量的60%，提取的纖維屬于優(yōu)質(zhì)膳食纖維。Felisberto等[10]用3種幼竹稈作為一種潛在的膳食纖維源，結果表明，其竹纖維中總纖維為64.12%～90.21%，其中IDF為在62.54%～89.79%，表明幼竹竿膳食纖維中以IDF為主，SDF較少。許多研究證實，甜菜漿是膳食纖維組成比較適宜的一種優(yōu)質(zhì)纖維，其包含13.1%～28.6%的SDF，46.9%～68.9%的IDF，其SDF和IDF組成比例適宜[25]，被廣泛應用到人類和寵物食品中。而本研究提取的慈竹竹葉 纖 維 中SDF為(12.86±0.26)%，IDF為(76.11±0.44)%，是一種具有開發(fā)價值的膳食纖維。