麻竹叶水溶性膳食纤维的提取工艺及理化特性研究

张雄，李洪庆*，戴毅，陶文亮，许子竞

(1.贵州民族大学 化学工程学院 贵州特色生物资源工程技术中心，贵阳 550025；2.贵州工程应用技术学院化学工程学院 天然产物中心，贵州 毕节 551700)

麻竹(DendrocalamuslatiflorusMunro)为禾本科牡竹属多年生植物，广泛分布于贵州、四川等地。贵州赤水地区现有竹林面积8.67万公顷，其中麻竹和绵竹分布面积约2.13万公顷[1]。麻竹的应用广泛，其竹材可用于造纸、建材及手工艺品等，竹笋可食用。目前，麻竹竹材在加工过程中产生的大量竹叶常被直接丢弃，不仅造成资源的浪费，而且污染环境。现有研究表明，竹叶中富含具有降血糖、降血脂、抗氧化、预防便秘等功效的膳食纤维[2-3]。膳食纤维作为一种营养素，可作为食品添加剂广泛应用于烘焙食品及调味品等生产中[4]。因此，深入开展麻竹叶膳食纤维的研究，对促进麻竹资源的综合利用具有重要意义。

水溶性膳食纤维(soluble dietary fiber，SDF)是指一种不可以在人的小肠中消化和吸收，但溶于热水的成分[5]。文献调研发现，基于竹资源制备膳食纤维的研究主要集中在竹笋膳食纤维：李璐等[6]采用酶发酵法制备了具有较好理化性能的雷竹笋膳食纤维；Li等[7]发现竹笋膳食纤维对降低小鼠的血脂具有较好的效果；基于竹叶为原料制备膳食纤维的研究报道较少，主要有陶文亮等[8]通过化学法制备了具有较好持水力、膨胀力等理化性能的越南巨竹叶不溶性膳食纤维(IDF)；晁红娟[9]发现毛竹叶特种膳食纤维对降低小鼠血清总胆固醇和甘油三酯具有显著的效果。目前，以麻竹叶为原料制备SDF的研究未见报道。

本文以高浓度乙醇提取黄酮后的赤水麻竹叶残渣为研究对象，在考察超声功率、超声时间、超声温度、料液比与NaOH浓度等单因素的基础上，采用响应面法优化其SDF的制备工艺，并对制备的SDF持水力、膨胀力和持油力等理化特性进行测定，旨在对麻竹资源的综合利用提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料及仪器

麻竹叶：采自贵州省赤水市。

TD5Z离心机 盐城市凯特实验仪器有限公司；KQ3200B台式超声清洗器 东莞市强劲机械设备有限公司；HH-S4恒温水浴锅 上海力辰仪器有限公司；DZF-6069真空干燥箱 绍兴市景迈仪器设备有限公司；JA-1003B电子天平 南京贝登医疗股份有限公司。

1.2 药品及试剂

NaOH(AR)、乙醇(AR)：深圳市博林达科技有限公司；菜籽油：德州香念食用油有限责任公司。

1.3 试验方法

1.3.1 麻竹叶水溶性膳食纤维提取工艺

将高浓度乙醇提取后的麻竹叶残渣除醇，烘干，备用。准确称取5.00 g于250 mL锥形瓶中，加入NaOH溶液，在超声辅助下进行提取；提取结束后，稍冷却，抽滤，用少量蒸馏水清洗滤饼3次，合并滤液及清洗液，用1 mol/L盐酸中和，减压浓缩至原体积约1/3，加入4倍体积95%乙醇，5 ℃下静置6 h后，4000 r/min离心10 min，沉淀，用少量纯水悬浮，醇沉，离心，重复3次；沉淀除醇，冷冻干燥，得SDF。

1.3.2 单因素试验

按1.3.1的方法，考察不同料液比、超声时间、超声功率、超声温度、NaOH浓度各单因素对麻竹叶SDF得率的影响。各试验数据重复测定3次，取平均值。

SDF得率(%)=m0/m×100%。

(1)

式中：m为原料质量，m0为得到的SDF产品质量。

1.3.3 响应面试验

根据1.3.2中的单因素试验结果，以麻竹叶SDF得率为响应值Y，以提取时间(A)、提取温度(B)、料液比(C)、NaOH浓度(D)为变量进行响应面法优化，因子编码及水平见表1。

表1 响应面试验的因素与水平Table 1 The factors and levels of response surface experiment

1.3.4 麻竹叶SDF理化特性测定

1.3.4.1 持水力测定

准确称取1.00 g干燥的麻竹叶SDF于25 mL锥形瓶中，加入10 mL蒸馏水，连续搅拌1 h，4000 r/min离心25 min，除去上层清液，将吸水后的SDF转移至已恒重的培养皿中，用滤纸吸去游离水，称重。持水力(RWHC)按式(2)计算[10]：

RWHC=(m1-m)/m。

(2)

式中：m为干燥的麻竹叶SDF质量，m1为麻竹叶SDF吸水后的质量。

1.3.4.2 膨胀力测定

准确称取0.50 g干燥麻竹叶SDF，置于10 mL量筒中，轻微振荡，保持表面平整，读取膳食纤维干品体积；准确移取10 mL蒸馏水加入其中，振荡均匀，静置24 h后，读取膨胀后SDF的体积。膨胀力(RSC)按式(3)计算[11]：

RSC=(V1-V0)/m。

(3)

式中：m为干燥的麻竹叶SDF质量，V0为麻竹叶SDF干燥样品的体积，V1为麻竹叶SDF膨胀后的体积。

1.3.4.3 持油力测定

准确称取2.00 g干燥麻竹叶SDF于50 mL烧杯中，加入20 g菜籽油，室温静置1 h后，抽滤；烧杯壁残留物用少量的菜籽油冲洗，一并抽滤；将吸油后的SDF转移至已恒重的培养皿中，称重；滤纸上残留的SDF用石油醚洗脱，抽滤(滤纸已恒重)，用少量石油醚清洗滤渣3次，挥干石油醚，干燥，称重，减去滤纸重量，得残留SDF质量。持油力按式(4)计算[12]：

ROHC=m1/(m-m2)-1。

(4)

式中：m为干燥的麻竹叶SDF质量，m1为麻竹叶SDF吸油后的质量，m2为残留SDF质量。

2 结果与分析

2.1 超声功率对麻竹叶SDF得率的影响

由图1可知，超声功率对麻竹叶SDF得率的影响不明显，在250 W时，麻竹叶SDF得率最高，为35.72%；继续增大超声功率，麻竹叶SDF得率稍下降，其原因可能是较高功率的超声波会破坏SDF的结构。因此，超声功率固定为250 W。

图1 超声功率对麻竹叶SDF得率的影响Fig.1 The effect of ultrasonic power on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.2 超声时间对麻竹叶SDF得率的影响

由图2可知，提取时间为60 min时，麻竹叶SDF得率达到最大，为36.79%；随着提取时间的延长，麻竹叶SDF得率逐渐降低，其原因可能是长时间的超声波对SDF的破坏程度更大；同时，长时间的碱液作用也导致SDF部分降解。因此，最佳提取时间选定为60 min。

图2 超声时间对麻竹叶SDF得率的影响Fig.2 The effect of ultrasonic time on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.3 超声温度对麻竹叶SDF得率的影响

由图3可知，温度在30～60 ℃之间，麻竹叶SDF得率随温度的升高而增大，当温度达到60 ℃时，麻竹叶SDF得率达到最大，为37.25%；继续升高温度，麻竹叶SDF得率略有下降，原因可能是碱液在高温状态下会加剧SDF的降解。因此，提取温度选定为60 ℃。

图3 超声温度对麻竹叶SDF得率的影响Fig.3 The effect of ultrasonic temperature on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.4 料液比对麻竹叶SDF得率的影响

由图4可知，料液比(g/mL)在1∶5～1∶15范围内，麻竹叶SDF得率随提取液的增加而增大，在1∶15(g/mL)时，麻竹叶SDF得率达到最大，为35.93%；继续增加提取液，麻竹叶SDF得率略有下降，其原因可能是SDF充分分散在溶液中，在碱液作用下SDF被降解为小分子糖；而且随着提取液的增加，部分超声波辐射能被溶液吸收，而对原料的作用降低[13]。因此，选1∶15(g/mL)作为最佳料液比。

图4 料液比对麻竹叶SDF得率的影响Fig.4 The effect of solid-liquid ratio on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.5 NaOH浓度对麻竹叶SDF得率的影响

由图5可知，NaOH浓度为8%时，SDF得率达到最大值，为36.14%；当NaOH浓度大于8%时，SDF得率缓慢减少，其原因可能有：一是提取液中的部分蛋白质在碱液作用下会发生降解，使得SDF中杂质含量降低，纯度提高，得率下降；二是碱液浓度增大，SDF也被部分降解[14]。因此，选8%为最佳NaOH浓度。

图5 NaOH浓度对麻竹叶SDF得率的影响Fig.5 The effect of NaOH concentration on the yield of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

2.6 响应面试验结果

响应面试验设计与结果见表2。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Response surface experiment design and results

2.6.1 回归模型的建立和方差分析

通过Design-Expert 10对表2中数据进行分析，得到麻竹叶SDF得率Y与各因素变量的二次回归模型方程为：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。

对该模型进行方差分析，结果见表3。

表3 方差分析Table 3 The variance analysis

续 表

由表3可知，该模型中F值为23.69，P<0.0001，差异极显著；失拟项的P>0.05，差异不显著，说明该回归方程对试验拟合程度较好。

对各因素显著性进行检验分析表明，使用超声波辅助碱液提取麻竹叶SDF工艺条件中，提取时间(A)、提取温度(B)、料液比(C)、NaOH浓度(D)及二次项A2、B2、C2、D2对麻竹叶SDF得率的影响显著，交互项AD、BC的影响较显著；模型回归系数R2=0.9595，校正系数RAdj2=0.9190，说明该模型可靠；由F值可知，各因素对麻竹叶SDF得率的影响大小依次为：料液比(C)>超声温度(B)>超声时间(A)>NaOH浓度(D)。

2.6.2 响应面分析

通过Design-Expert 10软件，绘制各因素交互作用对响应值影响的三维曲面图，结果见图6。

图6 各因素交互作用对麻竹叶SDF得率影响的响应面图和等高线图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

三维曲面图的陡峭程度可以反映各因素对响应值影响的大小，曲面越陡，影响越大，反之，影响越小；等高线图的形状可反映出各因素交互效应的强弱，椭圆形表明两因素的交互作用显著，圆形则相反。

由图6可知，料液比和温度两个因素对麻竹叶SDF得率的影响最大，交互项AD、BC对麻竹叶SDF得率的影响较强，与前面回归分析结果相吻合。

2.6.3 工艺验证

通过回归方程计算得出超声辅助提取麻竹叶SDF的最佳工艺条件为：超声时间68.08 min、超声温度65.75 ℃、料液比1∶19.34(g/mL)、NaOH浓度8.65%时，麻竹叶SDF预测得率为45.34%。考虑实际操作情况，将最佳超声辅助碱法提取工艺确定为：时间68 min、温度66 ℃、料液比1∶19(g/mL)、NaOH浓度8.5%。在此条件下，进行3次验证试验，麻竹叶SDF平均得率为45.18%(n=3，RSD=0.63%)，与该条件下麻竹叶SDF得率的预测值(45.41%)的相对误差为0.51%，表明该模型可靠，工艺可行。

2.7 麻竹叶SDF的理化特性

由图7可知，麻竹叶SDF的持水力、膨胀力和持油力分别为3.71 g/g、2.86 mL/g和4.14 g/g；其理化特性优于米糠SDF[15]；与雷竹笋SDF[16]比较，其持水力和膨胀力较弱，但持油力较强，推测原因可能是麻竹叶SDF中亲水性基团较少。麻竹叶SDF持油力强说明其能更多地吸附膳食中的油脂，对预防肥胖、改善胃肠道功能、预防心血管疾病具有较大的潜力。膳食纤维组成复杂、功能多样，对其理化特性与结构的关系还有待进一步研究。

图7 麻竹叶SDF理化特性及对照Fig.7 The physicochemical properties and comparison of SDF in Dendrocalamus latiflorus Munro leaves

3 结论

本文以麻竹叶SDF得率为评价指标，在单因素试验基础上固定超声功率，以超声时间、超声温度、料液比、NaOH浓度为变量，采用响应面法优化了麻竹叶SDF的超声辅助提取工艺。结果表明，最佳提取工艺为：超声功率250 W、超声时间68 min、超声温度66 ℃、料液比1∶19(g/mL)、NaOH浓度8.5%；在此条件下，麻竹叶SDF平均得率为45.18%(n=3，RSD=0.63%)，与该条件下预测值(45.41%)的相对误差为0.51%，说明该模型可靠，工艺可行，且麻竹叶SDF的持油力优于其他来源的SDF。在食品中添加适量的膳食纤维不仅没有影响食品的外观，而且可以增加产品的口感。因此，深入开展麻竹叶SDF的研究对产业化利用麻竹叶提取SDF具有一定的指导和应用价值。