乳酸菌發(fā)酵法制備茶渣可溶性膳食纖維的工藝研究

左 茜，張士康，朱科學(xué)，*，王 彬，周惠明

(1.江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

(2.中華全國(guó)供銷合作總社杭州茶葉研究院，浙江杭州310016)

膳食纖維被人們稱為第七營(yíng)養(yǎng)素，是一種功能性食品基料［1］。膳食纖維(DF)按溶解性不同可分為可溶性膳食纖維(SDF)和不可溶性膳食纖維(IDF)［2-3］，兩者在人體內(nèi)具有不同的生理功能，SDF具有防止膽結(jié)石、排除體內(nèi)有害金屬離子、防止糖尿病、降低血清及膽固醇、防止高血壓和心臟病［4-5］等作用;而IDF則對(duì)肥胖癥［6］、便秘、腸癌［7］等有效果。因此，膳食纖維的很多重要生理功能都與可溶性膳食纖維(SDF)有很大的關(guān)系。根據(jù)美國(guó)學(xué)者的建議，平衡的膳食纖維組成要求SDF占DF總量的10%以上［8］，但一般膳食纖維中可溶性膳食纖維的含量都很低，只有3%～4%，無(wú)法達(dá)到膳食平衡要求。因此最近很多學(xué)者采用不同的方法對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性［9-11］，以提高可溶性纖維的含量及持水力［12］、膨脹力，以期生產(chǎn)高活性的膳食纖維產(chǎn)品［13-14］。我國(guó)茶葉資源豐富，每年不僅有大量修剪枝葉、粗老茶葉被浪費(fèi)，而且在茶飲料、速溶茶、茶多酚等深加工生產(chǎn)中，也產(chǎn)生了大量廢渣，這些廢渣中仍然殘留較多的營(yíng)養(yǎng)成分:38%～40%的不溶性膳食纖維，23%～27%的粗蛋白，3%～5%的茶多酚。膳食纖維作為茶渣的主要組成成分，截止到目前有關(guān)茶葉和茶渣膳食纖維的研究卻鮮有報(bào)道。本研究以茶渣為原料，采用保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌混合發(fā)酵，確定制備茶渣SDF的最佳發(fā)酵工藝條件，以期獲得高品質(zhì)的茶葉膳食纖維，為茶資源的綜合利用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

茶渣 浙江塔塔茶業(yè)科技有限公司提供的生產(chǎn)茶飲料的廢渣，經(jīng)60℃干燥至恒重，粉碎并過(guò)40目篩得茶渣備用;保加利亞乳酸桿菌、嗜熱鏈球菌混合菌種 丹尼斯克有限公司;脫脂奶粉 光明乳業(yè)股份有限公司、白砂糖 市售。

SW-C1-180型超凈工作臺(tái)、SPX-150B-Z型恒溫恒濕箱 中國(guó)上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;YXQ-SG41-280型電熱手提式壓力蒸汽滅菌鍋 中國(guó)上海醫(yī)用核子儀器廠;PB-10型pH計(jì) 德國(guó)賽多利斯公司;TD24A-WS型離心機(jī) 湖南賽特湘儀離心機(jī)儀器有限公司;DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器 上海亞榮生化儀器廠。

1.2 發(fā)酵劑的制備

嗜熱鏈球菌和保加利亞乳酸桿菌適宜培養(yǎng)基是牛乳和脫脂牛乳，為使菌能在茶渣料液中生長(zhǎng)良好，須進(jìn)行馴化。具體方法如下:

菌種→10%的脫脂乳中42℃活化2次→接種至脫脂乳茶渣汁混合液20mL(10%脫脂乳∶茶渣汁液=1∶1)→42℃培養(yǎng)至凝乳→接種至脫脂乳茶渣汁混合液100mL(10%脫脂乳∶茶渣汁液=1∶9)→42℃培養(yǎng)3h馴化

菌種馴化過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制滅菌條件為105℃，15m in。于 42℃ 培養(yǎng) 3h后，乳酸菌總數(shù)達(dá)到109個(gè)/m L，作為發(fā)酵劑。

1.3 工藝流程

茶渣→干燥→粉碎過(guò)篩→脫脂→調(diào)料→裝瓶→滅菌→冷卻→接種→發(fā)酵→過(guò)濾→濾液醇析→干燥→粉碎→過(guò)篩→茶葉SDF產(chǎn)品

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 可溶性膳食纖維SDF含量的測(cè)定 AOAC 991.43［15］酶-重量法，實(shí)驗(yàn)中提取的可溶性膳食纖維含量的測(cè)定均采用此方法。

1.4.2 可溶性膳食纖維SDF得率的測(cè)定方法 SDF得率(%)=SDF的干重(g)/茶渣原料的干重(g)×100

1.5 單因素實(shí)驗(yàn)

稱取茶渣原料5.00g于250m L錐形瓶中，按一定料液比加入蒸餾水，然后加入茶渣質(zhì)量2%的脫脂奶粉和1.5%的白砂糖，混合均勻后滅菌。分別以發(fā)酵過(guò)程中的接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間和料液比4個(gè)因素作單因素實(shí)驗(yàn)，考察各因素對(duì)可溶性膳食纖維SDF得率的影響。

1.5.1 接種量對(duì)SDF得率的影響 稱取茶渣原料5.00g，料液比1∶10，分別接入2%、3%、4%、5%、6%的發(fā)酵劑，于40℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)25h，考察接種量對(duì)SDF得率的影響。

1.5.2 發(fā)酵溫度對(duì)SDF得率的影響 稱取茶渣5.00g，料液比1∶10，接種量為4%，分別采用不同的發(fā)酵溫度，即36、38、40、42、44℃，在恒溫培養(yǎng)箱中靜置培養(yǎng)25h，考察發(fā)酵溫度對(duì)SDF得率的影響。

1.5.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)SDF得率的影響 稱取茶渣5.00g，料液比1∶10，接種量為4%，分別采用不同的發(fā)酵時(shí)間，即15、20、25、30、35h，在40℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，考察發(fā)酵時(shí)間對(duì)SDF得率的影響。

1.5.4 料液比對(duì)SDF得率的影響 稱取茶渣5.00g，接種量為4%，發(fā)酵溫度為40℃，發(fā)酵時(shí)間為25h，分別選取1∶5、1∶7.5、1∶10、1∶12.5、1∶15(g/m L)為不同的料液比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)酵結(jié)束后考察料液比對(duì)SDF得率的影響。

1.6 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間和料液比為主要影響因素，以SDF得率為指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定最佳發(fā)酵條件，實(shí)驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

為了研究不同發(fā)酵條件對(duì)發(fā)酵結(jié)果的交互影響，采用 Microsoft Excel和 Orthogonality Experiment Assistant 3.1軟件進(jìn)行圖表和數(shù)據(jù)分析，p＜0.05時(shí)，被認(rèn)為有顯著影響;p＜0.01時(shí)，被認(rèn)為有極顯著影響。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次或以上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值+標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)酵各單因素對(duì)茶渣SDF得率的影響

2.1.1 接種量對(duì)茶渣SDF得率影響 由圖1可以看出，隨著接種量的增加，茶渣SDF得率也隨之增加，這說(shuō)明發(fā)酵有利于提高SDF得率;當(dāng)接種量超過(guò)4%時(shí)，可溶性膳食纖維的得率略微降低，該結(jié)果與柴麗紅等人在發(fā)酵法制備蘋果渣膳食纖維的結(jié)果一致［16］。接種量過(guò)少時(shí)，發(fā)酵劑所提供的乳酸菌活菌數(shù)不足以完成茶渣的發(fā)酵，影響乳酸等代謝產(chǎn)物的生成，從而導(dǎo)致SDF的轉(zhuǎn)化量的減少;接種量過(guò)多時(shí)，由于菌體生長(zhǎng)繁殖過(guò)旺，迅速利用完培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致發(fā)酵后期菌株的營(yíng)養(yǎng)不足，可能導(dǎo)致可溶性糖類的分解，從而對(duì)茶渣SDF得率有一定的影響。

圖1 接種量對(duì)茶葉SDF得率的影響Fig.1 Effect of inoculation amount on the SDF yield

2.1.2 發(fā)酵溫度對(duì)茶渣SDF得率影響 由圖2可以看出，隨發(fā)酵溫度提高，SDF得率逐漸增加，在36℃到40℃這一溫度段，提高幅度較大，當(dāng)發(fā)酵溫度為40℃時(shí)，所得SDF得率最高，這與牛廣財(cái)?shù)热说难芯恳恢拢?7］。當(dāng)溫度超過(guò)40℃時(shí)，SDF得率隨溫度升高而降低。說(shuō)明微生物的生長(zhǎng)繁殖與培養(yǎng)溫度有很大的關(guān)系，溫度過(guò)高或過(guò)低都影響菌體的活力，影響了乳酸等代謝產(chǎn)物的生成，從而對(duì)SDF得率有一定的影響。

2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)茶渣SDF得率影響 由圖3可以看出，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，SDF得率逐漸增加，當(dāng)發(fā)酵時(shí)間超過(guò)25h時(shí)，SDF得率趨于穩(wěn)定，高路等人在制備紫薯渣膳食纖維時(shí)也出現(xiàn)了同樣的結(jié)果［18］。可能是由于發(fā)酵時(shí)間過(guò)短，乳酸菌發(fā)酵不完全，乳酸等代謝產(chǎn)物的生成較少，同時(shí)茶渣與乳酸等代謝產(chǎn)物發(fā)生生化反應(yīng)的時(shí)間較短，影響SDF的轉(zhuǎn)化量;但發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，乳酸菌活力迅速降低，活菌數(shù)減少，同時(shí)次級(jí)代謝產(chǎn)物積累并產(chǎn)生有害物質(zhì)，不利于菌體的生長(zhǎng)，因而SDF得率增幅不大。

圖2 發(fā)酵溫度對(duì)茶葉SDF得率的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on the SDF yield

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)茶葉SDF得率的影響Fig.3 Effect of fermentation time on the SDF yield

2.1.4 料液比對(duì)茶渣SDF得率影響 由圖4可以看出，料液比對(duì)茶葉SDF的得率影響顯著。當(dāng)料液比為1∶10時(shí)，所得的SDF得率最高，這與毛慧君研究發(fā)酵法從西蕃蓮果渣中制備膳食纖維的結(jié)果一致［19］。過(guò)少或過(guò)多的加水量都不利于乳酸菌在茶渣培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)，影響乳酸等代謝產(chǎn)物的生成，從而影響SDF的得率。

圖4 料液比對(duì)茶葉SDF得率的影響Fig.4 Effect of solid and liquid ratio on the SDF yield

2.2 發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化

為了優(yōu)化發(fā)酵工藝，根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)影響發(fā)酵條件的主要因素料液比、接種量、發(fā)酵溫度及發(fā)酵時(shí)間設(shè)計(jì)了四因素三水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)L9(34)結(jié)果表Table2 Results of orthogonal experiment L9(34)

由極差分析可知，影響發(fā)酵過(guò)程的各因素的主次順序是:B＞A＞C＞D，即發(fā)酵溫度＞接種量＞發(fā)酵時(shí)間＞料液比，最優(yōu)發(fā)酵條件組合為:A1B2C2D2。綜合單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定利用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合發(fā)酵制備茶渣可溶性膳食纖維的最佳制備工藝為:料液比1∶10(g/m L)，接種量3%，發(fā)酵溫度40℃，發(fā)酵時(shí)間25h。

按以上最佳組合方案A1B2C2D2作驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，即采用保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌(1∶1)，料液比1∶10(g/m L)，接種量3%，發(fā)酵溫度40℃，發(fā)酵時(shí)間25h，經(jīng)三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得的茶渣可溶性膳食纖維的平均得率為10.99%，與正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中相符，由此表明此正交實(shí)驗(yàn)得出的最佳提取工藝符合實(shí)際。

發(fā)酵過(guò)程中SDF含量提高，主要可能有兩方面原因:一是采用乳酸菌混合菌種對(duì)茶渣原料進(jìn)行發(fā)酵，混合菌種在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生了一些微生物多糖代謝產(chǎn)物，以SDF形式存在于產(chǎn)品中;二是代謝產(chǎn)物中含有大量有機(jī)酸，使茶渣原料較長(zhǎng)時(shí)間處于酸性條件下，由于酸是質(zhì)子良好供體，可使纖維素糖苷鍵斷裂，產(chǎn)生新的還原性末端，使得茶渣膳食纖維的大分子聚合度也不斷的下降，一些纖維類物質(zhì)被降解和轉(zhuǎn)化，部分轉(zhuǎn)化成非消化性可溶多糖，從而提高SDF的含量。

3 結(jié)論

茶葉是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的膳食纖維資源。利用乳酸菌發(fā)酵制得的茶葉可溶性膳食纖維是一種色澤均勻、呈淺綠色、具有茶葉清香的粉末。按上述最佳發(fā)酵條件制備的茶渣SDF的平均得率可達(dá)到10.99%，顯著高于非發(fā)酵條件下的SDF得率(對(duì)照實(shí)驗(yàn)得出3.56%)。與非發(fā)酵工藝相比，發(fā)酵工藝生產(chǎn)的茶葉膳食纖維產(chǎn)品的口感更好，可溶性膳食纖維的得率更高，更有利于發(fā)揮膳食纖維的保健功能。因此，茶渣是一種很有開發(fā)前景的農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物。

［1］Englyst K N，Englyst H N.Carbohydrate bioavailability［J］.British Journal of Nutrition，2005，94(1):1-11.

［2］Elleuch M，Bedigian D，Roiseux O，et al.Dietary fiber and fiber-rich by-products of food processing characterisation technological functionality and commercial applications a review［J］.Food Chemistry，2010，6:2-8.

［3］Gorinstein S，Zachwieja Z，F(xiàn)olta M，et al.Comparative content of dietary fiber total phenolics and minerals in persimmons and apples［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，2001，49: 952-957.

［4］Jenkins D JA，Kendall CW C，Axelsen M，et al.Viscous and nonviscous fiber nonabsorbable and low glycaemic index carbohydrates blood lipids and coronary heart disease［J］.Current Opinion in Lipidology，2000，11(1):49-56.

［5］張玉倩，趙乃峰，王成忠.膳食纖維功能特性與改性的研究［J］.糧食加工，2010，35(5):57-59.

［6］Sanaka M，Yamamoto T，Anjiki H，et al.Effects of agar and pectin on gastric emptying and post-prandial glycaemic profiles in healthy human volunteers［J］.Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology，2007，34(11):1151-1155.

［7］Iain A，Brownlee.The physiological roles of dietary fiber［J］.Food Hydrocolloids，2011，25:238-250.

［8］裘紀(jì)瑩，陳蕾蕾，王未名，等.發(fā)酵法制備高品質(zhì)膳食纖維的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)，2010(6):24-27.

［9］陳雪峰，吳麗萍，柯蕾，等.蘋果渣膳食纖維改性工藝的初步探討［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30(6):50-53.

［10］劉達(dá)玉，黃丹，李群蘭.酶堿法提取薯渣膳食纖維及其改性研究［J］.食品研究與開發(fā)，2005，26(5):63-66.

［11］涂宗財(cái)，林德榮，劉成梅，等.高品質(zhì)可溶性膳食纖維的制備工藝研究［J］.食品工業(yè)科技，2008，29(10):149-152.

［12］連小燕，鐘振聲.一種提高非水溶性玉米膳食纖維持水力的方法［J］.食品工業(yè)科技，2012，33(12):180-187.

［13］涂宗財(cái)，李金林，阮榕生，等.利用豆渣生產(chǎn)高活性膳食纖維的研究［J］.食品科學(xué)，2006，27(7):144-147.

［14］涂宗財(cái)，林德榮，劉海成，等.粗壯脈紋孢菌發(fā)酵制備高活性膳食纖維的研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2008，34(4): 68-70.

［15］AOAC Official method 991.43，Total，soluble，and insoluble dietary fiber in foods.Official methods of analysis of AOACINTERNATIONAL［S］.17th ed.2000，2(32):7-12.

［16］柴麗紅，王媛，左霖，等.發(fā)酵法制備蘋果渣膳食纖維的工藝研究［J］.食品科技，2004，11:69-71.

［17］牛廣財(cái)，符殿濱，湯華成，等.乳酸菌發(fā)酵制備沙果渣可溶性膳食纖維的工藝研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22(3):73-76.

［18］高路，成義.分子篩-微生物發(fā)酵結(jié)合法制備紫薯渣膳食纖維研究［J］.糧食與油脂，2012，3:26-28.

［19］毛慧君，文良娟，李英軍，等.發(fā)酵法從西番蓮果渣中制備膳食纖維的研究［J］.食品科學(xué)，2010，31(3):193-197.