碱处理对慈竹竹叶膳食纤维提取效果的研究

雷福红 欧阳吾乐 杨亚晋 马思雨 李恩良 郭爱伟

（1.西南林业大学生命科学学院，云南 昆明 650233；2.西岐桫椤省级自然保护区管护局，云南 普洱 654800）

膳食纤维被定义为不能被人和动物内源消化酶消化的食物成分，主要存在于植物细胞壁中，包括多糖、寡糖、木质素等[1]。按膳食纤维溶解性，可将膳食纤维分为不溶性膳食纤维（IDF）和可溶性膳食纤维（SDF）[2]。目前的研究表明，膳食纤维对人和动物肠道健康具有重要的生理功能，膳食纤维具有降血糖、降血脂、调节肠道微生态、减肥、预防糖尿病和癌症等诸多生理功能[3-5]，被称为人类的“第七大营养素”。

云南是竹类资源最丰富的地区之一，竹类有25属200余种，有“竹类故乡”之誉，现有天然竹林面积有25万hm2[6-8]，丰富的竹类资源为提取竹叶膳食纤维提供了保障。相比较其他纤维类型，竹叶纤维具有许多优势，如流动性好，颗粒表面积大，结构松散，其持水力、膨胀率高等特点[9-10]，具有广阔的开发和应用价值。目前膳食纤维的提取方法有化学法、酶解法、化学-酶结合法、生物发酵法等，这几种膳食纤维的提取方法都有很好的应用前景，但考虑到提取成本和提取的纤维含量，其中化学法和酶法的应用最为广泛[11]。其中化学法提取膳食纤维方法简单、快捷以及成本低等特点，是提取膳食纤维常见的一种方法。目前，从竹叶中提取膳食纤维的报道较少，本研究以慈竹竹叶为原料，用碱处理提取慈竹竹叶纤维，通过单因素试验和正交试验，筛选出慈竹竹叶膳食纤维提取的最优工艺组合，分析了竹叶纤维中的不溶性膳食纤维和可溶性膳食纤维，为竹叶纤维的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

研究所用慈竹（Neosinocalamus affinis）竹叶采自西南林业大学竹园，将采集的慈竹竹叶在实验室阴干后粉碎，过40目筛，放置于4 ℃储藏备用。

1.2 试验设计

1.2.1 单因素试验

选取NaOH溶液质量体积分数、温度、料液比和时间4个因素做单因素试验，每个因素设4个水平（如表1），每个水平做3个重复。

表1 单因素试验设计Table 1 Single factor experiment design

1.2.2 正交试验

在单因素试验的基础上，选用温度、时间、NaOH溶液质量体积分数、料液比4个因素，每个因素设3个水平，采用4因素3水平的正交试验设计[12]，按L9（34）正交表试验共9种组合（表2），每个组合做3个重复，对试验效果较佳的组合进行验证，验证试验做3个重复。

表2 正交试验因素及水平Table 2 Factors and levels of the orthogonal experiment

1.3 测定指标及方法

称取一定量的干竹叶粉（含水为(7.3±0.2)%），按以上单因素和正交试验的方法提取竹叶纤维，提取后的竹叶纤维用蒸馏水冲洗至中性，放入65 ℃恒温干燥箱中干燥8 h，然后回潮使其与周围环境的空气湿度保持平衡后称量，再将其放入65 ℃烘箱内烘2 h，再回潮和称量，2次质量之差小于0.5 g时为提取的竹叶纤维（含水为(7.0±0.1)%），并称取一定量的竹叶纤维分析其膳食纤维的组成类型，竹叶纤维中粗纤维（CF）、SDF和IDF的测定方法参考AOAC推荐的方法[13]，用FT 122纤维测定仪（FOSS，丹麦）测定。按公式（1）～（2）计算竹叶纤维的提取率和可溶性纤维和不溶性纤维的比值。

1.4 数据处理

采用SPSS软件进行数据统计分析，正交试验结果采用General Linear Model中的Univarate进行多因素重复试验的方差分析。结果用平均数±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

由图1可知，随NaOH溶液质量体积分数的增加，竹叶纤维中CF含量有增加的趋势，NaOH溶液质量体积分数达到10%时，提取的竹叶纤维中CF含量最高为75.87%，继续增加NaOH溶液质量体积分数，竹叶纤维中的CF有下降的趋势；当料液比为1∶15时提取的竹叶纤维中CF含量最高为76.37%；提取时间18 h时，提取的竹叶纤维中CF的含量最高为76.20%，增加提取时间其竹叶纤维中CF开始下降；随着温度的升高，提取的竹叶纤维中CF的含量逐渐升高，40 ℃时达到最大值为75.93%，超过40 ℃时竹叶纤维中的CF含量开始下降。

图1 不同因素对竹叶纤维中粗纤维含量的影响Fig.1 Effects of different factors on the content of crude fiber in bamboo leaves

2.2 正交试验结果

由表3可知，按照极差的大小，确定影响竹叶纤维中CF含量的主次顺序为D＞B＞A＞C，即温度＞料液比＞NaOH溶液质量体积分数＞提取时间，以提取的竹叶纤维中CF为考察指标，慈竹竹叶膳食纤维提取的最佳工艺组合为A2B2C1D3，并做验证试验得到最优条件下提取的竹叶纤维中CF含量为(82.27±0.35)%，正交试验结果表明，影响提取竹叶纤维中CF含量因素的主次顺序为温度＞料液比＞时间＞NaOH溶液质量体积分数，这与极差分析结果相一致，温度、料液比、NaOH溶液质量体积分数、提取时间4个因素对竹叶纤维中CF含量的影响差异极显著（P＜0.01）（表4）。综合以上因素，慈竹竹叶纤维提取的最佳工艺组合为A2B2C1D3，即NaOH溶液质量体积分数为10%、料液比为1∶15、提取时间为17 h、温度为42 ℃，对此最佳工艺组合进行验证，获得慈竹纤维中CF含量为(82.27±0.35)%，竹叶纤维的提取率为(34.58±0.29)%。

表3 竹叶纤维提取的正交试验组合及其结果Table 3 Results of orthogonal experiments on the extraction of bamboo leaf fiber

表4 竹叶纤维提取的正交试验方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal experiment on the extraction of bamboo leaf fiber

2.3 慈竹竹叶纤维中SDF和IDF

由图2可知，在最佳工艺下得到的竹叶纤维 中SDF含 量 为(12.86±0.26)%，IDF占(76.11±0.44)%，其 中SDF占14.45%，IDF占85.55%，SDF/IDF为0.17。

图2 慈竹竹叶膳食纤维组成Fig.2 Dietary fiber composition of N.affinis leaves

3 结论与讨论

本研究结果表明，NaOH溶液质量体积分数达到10%时，料液比为1∶15，提取时间为18 h，温度为40 ℃时提取的竹叶纤维中CF含量最高，而正交试验表明，慈竹竹叶纤维提取的最优工艺为NaOH溶液质量体积分数10%，料液比为1∶15，提取时间为17 h，温度为42 ℃，最佳工艺条件下慈竹竹叶纤维的提取率为(34.58±0.29)%，竹叶纤维中CF含量为(82.27±0.35)%。研究表明，NaOH溶液质量体积分数高于14%时，提取的膳食纤维中纤维含量降低，可能是高浓度碱使部分纤维降解而导致的[14]，这与本研究结果相一致，本试验提取的慈竹叶膳食纤维的最佳NaOH溶液质量体积分数为10%，质量体积分数超过10%后，提取的膳食纤维中CF含量下降；料液比也会影响膳食纤维的提取，研究表明，料液比大于1∶20时，提取的膳食纤维中纤维显著降低，说明碱液的加入量对于纤维素含量增加的促进作用存在饱和点，超过该饱和点纤维素可能会由于被碱液部分降解而导致其含量降低[15]，本研究表明，当料液比为1∶15时提取的膳食纤维中CF的含量最高为76.37%，料液比过高或过低均会影响膳食纤维的提取效果；提取时间也会影响膳食纤维的提取，因为纤维素是一种高聚合度物质，提取纤维所需的时间较长，与其本身的性质息息相关。陈雪峰等[16]研究表明，提取苹果渣纤维素15 h以后，提取的膳食纤维中纤维素含量显著增加，20 h时纤维素含量最高，表明提取纤维15 h后有效反应才真正开始。本研究通过正交试验确定的慈竹的最佳提取时间为17 h，与其结果相一致；提取温度也会影响膳食纤维的提取，研究表明，较低的提取温度有利于膳食纤维的提取，过高温度会使膳食纤维润胀程度降低，碱反应活性随之下降，致使纤维含量也下降[16]，陈姗姗等[17]研究表明，碱液浸提法提取花生壳膳食纤维，其最佳提取温度为40 ℃，与本研究结果一致。

膳食纤维的生理功能与其中IDF与SDF的比例有关系，膳食纤维中IDF和SDF在体内的生理功能不尽相同，IDF表现为增加粪便体积、减少肠道运输时间，其持水能力，吸油能力和毒素吸附能力较强[18-19]。而SDF除具有较好的溶胀性外，还是一类可发酵的膳食纤维，其在后肠中被微生物发酵产生短链脂肪酸（SCFAs，包括乙酸、丙酸和丁酸）和气体，SCFAs可修复肠黏膜，通过激活G蛋白偶联受体（GPCR）和抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）基因表达，使促炎因子基因表达下调，从而抑制肠道的炎症反应[20]，改善人和动物肠道健康。因此，膳食纤维中有一定比例的SDF对人和动物肠道健康有益。本研究提取的慈竹竹叶纤维中SDF含量为(12.86±0.26)%，IDF含量为(76.11±0.44)%。有研究表明，优质膳食纤维中IDF和SDF的组成比例适宜，一般膳食纤维中含有30%～50%的SDF和50%～70%的IDF被认为是一个较好的比例[21]。Rosell等[22]研究了几种商业纤维的纤维组成，结果表明菊粉中97%为SDF，瓜尔胶中SDF为85%，苹果膳食纤维中SDF为15%，IDF为45%，燕麦纤维中SDF为5%，IDF为85%，小麦纤维中SDF为2.5%，IDF为94.5%。Li等[23]用水提法提取了竹笋的膳食纤维，结果表明，提取的竹笋膳食纤维中IDF含量为(73.4±0.89)%，SDF含量为(1.12±0.29)%，IDF占膳食纤维的98.50%，SDF占1.50%。李杨等[24]研究表明，生物解离法提取的大豆膳食纤维纯度可高达82.58%，SDF约占总膳食纤维含量的60%，提取的纤维属于优质膳食纤维。Felisberto等[10]用3种幼竹秆作为一种潜在的膳食纤维源，结果表明，其竹纤维中总纤维为64.12%～90.21%，其中IDF为在62.54%～89.79%，表明幼竹竿膳食纤维中以IDF为主，SDF较少。许多研究证实，甜菜浆是膳食纤维组成比较适宜的一种优质纤维，其包含13.1%～28.6%的SDF，46.9%～68.9%的IDF，其SDF和IDF组成比例适宜[25]，被广泛应用到人类和宠物食品中。而本研究提取的慈竹竹叶 纤 维 中SDF为(12.86±0.26)%，IDF为(76.11±0.44)%，是一种具有开发价值的膳食纤维。