乳酸菌发酵法制备茶渣可溶性膳食纤维的工艺研究

左 茜，张士康，朱科学，*，王 彬，周惠明

(1.江南大学食品学院，江苏无锡214122)

(2.中华全国供销合作总社杭州茶叶研究院，浙江杭州310016)

膳食纤维被人们称为第七营养素，是一种功能性食品基料［1］。膳食纤维(DF)按溶解性不同可分为可溶性膳食纤维(SDF)和不可溶性膳食纤维(IDF)［2-3］，两者在人体内具有不同的生理功能，SDF具有防止胆结石、排除体内有害金属离子、防止糖尿病、降低血清及胆固醇、防止高血压和心脏病［4-5］等作用;而IDF则对肥胖症［6］、便秘、肠癌［7］等有效果。因此，膳食纤维的很多重要生理功能都与可溶性膳食纤维(SDF)有很大的关系。根据美国学者的建议，平衡的膳食纤维组成要求SDF占DF总量的10%以上［8］，但一般膳食纤维中可溶性膳食纤维的含量都很低，只有3%～4%，无法达到膳食平衡要求。因此最近很多学者采用不同的方法对膳食纤维进行改性［9-11］，以提高可溶性纤维的含量及持水力［12］、膨胀力，以期生产高活性的膳食纤维产品［13-14］。我国茶叶资源丰富，每年不仅有大量修剪枝叶、粗老茶叶被浪费，而且在茶饮料、速溶茶、茶多酚等深加工生产中，也产生了大量废渣，这些废渣中仍然残留较多的营养成分:38%～40%的不溶性膳食纤维，23%～27%的粗蛋白，3%～5%的茶多酚。膳食纤维作为茶渣的主要组成成分，截止到目前有关茶叶和茶渣膳食纤维的研究却鲜有报道。本研究以茶渣为原料，采用保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌混合发酵，确定制备茶渣SDF的最佳发酵工艺条件，以期获得高品质的茶叶膳食纤维，为茶资源的综合利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

茶渣 浙江塔塔茶业科技有限公司提供的生产茶饮料的废渣，经60℃干燥至恒重，粉碎并过40目筛得茶渣备用;保加利亚乳酸杆菌、嗜热链球菌混合菌种 丹尼斯克有限公司;脱脂奶粉 光明乳业股份有限公司、白砂糖 市售。

SW-C1-180型超净工作台、SPX-150B-Z型恒温恒湿箱 中国上海博讯实业有限公司;YXQ-SG41-280型电热手提式压力蒸汽灭菌锅 中国上海医用核子仪器厂;PB-10型pH计 德国赛多利斯公司;TD24A-WS型离心机 湖南赛特湘仪离心机仪器有限公司;DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;RE-52A型旋转蒸发器 上海亚荣生化仪器厂。

1.2 发酵剂的制备

嗜热链球菌和保加利亚乳酸杆菌适宜培养基是牛乳和脱脂牛乳，为使菌能在茶渣料液中生长良好，须进行驯化。具体方法如下:

菌种→10%的脱脂乳中42℃活化2次→接种至脱脂乳茶渣汁混合液20mL(10%脱脂乳∶茶渣汁液=1∶1)→42℃培养至凝乳→接种至脱脂乳茶渣汁混合液100mL(10%脱脂乳∶茶渣汁液=1∶9)→42℃培养3h驯化

菌种驯化过程中应严格控制灭菌条件为105℃，15m in。于 42℃ 培养 3h后，乳酸菌总数达到109个/m L，作为发酵剂。

1.3 工艺流程

茶渣→干燥→粉碎过筛→脱脂→调料→装瓶→灭菌→冷却→接种→发酵→过滤→滤液醇析→干燥→粉碎→过筛→茶叶SDF产品

1.4 测定方法

1.4.1 可溶性膳食纤维SDF含量的测定 AOAC 991.43［15］酶-重量法，实验中提取的可溶性膳食纤维含量的测定均采用此方法。

1.4.2 可溶性膳食纤维SDF得率的测定方法 SDF得率(%)=SDF的干重(g)/茶渣原料的干重(g)×100

1.5 单因素实验

称取茶渣原料5.00g于250m L锥形瓶中，按一定料液比加入蒸馏水，然后加入茶渣质量2%的脱脂奶粉和1.5%的白砂糖，混合均匀后灭菌。分别以发酵过程中的接种量、发酵温度、发酵时间和料液比4个因素作单因素实验，考察各因素对可溶性膳食纤维SDF得率的影响。

1.5.1 接种量对SDF得率的影响 称取茶渣原料5.00g，料液比1∶10，分别接入2%、3%、4%、5%、6%的发酵剂，于40℃恒温培养箱中培养25h，考察接种量对SDF得率的影响。

1.5.2 发酵温度对SDF得率的影响 称取茶渣5.00g，料液比1∶10，接种量为4%，分别采用不同的发酵温度，即36、38、40、42、44℃，在恒温培养箱中静置培养25h，考察发酵温度对SDF得率的影响。

1.5.3 发酵时间对SDF得率的影响 称取茶渣5.00g，料液比1∶10，接种量为4%，分别采用不同的发酵时间，即15、20、25、30、35h，在40℃恒温培养箱中培养，考察发酵时间对SDF得率的影响。

1.5.4 料液比对SDF得率的影响 称取茶渣5.00g，接种量为4%，发酵温度为40℃，发酵时间为25h，分别选取1∶5、1∶7.5、1∶10、1∶12.5、1∶15(g/m L)为不同的料液比进行实验，发酵结束后考察料液比对SDF得率的影响。

1.6 正交实验

在单因素实验基础上，以接种量、发酵温度、发酵时间和料液比为主要影响因素，以SDF得率为指标，进行四因素三水平L9(34)正交实验设计，确定最佳发酵条件，实验因素及水平设计见表1。

表1 正交实验因素水平表Table1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.7 数据处理与分析

为了研究不同发酵条件对发酵结果的交互影响，采用 Microsoft Excel和 Orthogonality Experiment Assistant 3.1软件进行图表和数据分析，p＜0.05时，被认为有显著影响;p＜0.01时，被认为有极显著影响。所有实验均重复三次或以上，实验数据以平均值+标准差表示。

2 结果与分析

2.1 发酵各单因素对茶渣SDF得率的影响

2.1.1 接种量对茶渣SDF得率影响 由图1可以看出，随着接种量的增加，茶渣SDF得率也随之增加，这说明发酵有利于提高SDF得率;当接种量超过4%时，可溶性膳食纤维的得率略微降低，该结果与柴丽红等人在发酵法制备苹果渣膳食纤维的结果一致［16］。接种量过少时，发酵剂所提供的乳酸菌活菌数不足以完成茶渣的发酵，影响乳酸等代谢产物的生成，从而导致SDF的转化量的减少;接种量过多时，由于菌体生长繁殖过旺，迅速利用完培养基中的营养物质，导致发酵后期菌株的营养不足，可能导致可溶性糖类的分解，从而对茶渣SDF得率有一定的影响。

图1 接种量对茶叶SDF得率的影响Fig.1 Effect of inoculation amount on the SDF yield

2.1.2 发酵温度对茶渣SDF得率影响 由图2可以看出，随发酵温度提高，SDF得率逐渐增加，在36℃到40℃这一温度段，提高幅度较大，当发酵温度为40℃时，所得SDF得率最高，这与牛广财等人的研究一致［17］。当温度超过40℃时，SDF得率随温度升高而降低。说明微生物的生长繁殖与培养温度有很大的关系，温度过高或过低都影响菌体的活力，影响了乳酸等代谢产物的生成，从而对SDF得率有一定的影响。

2.1.3 发酵时间对茶渣SDF得率影响 由图3可以看出，随着发酵时间的延长，SDF得率逐渐增加，当发酵时间超过25h时，SDF得率趋于稳定，高路等人在制备紫薯渣膳食纤维时也出现了同样的结果［18］。可能是由于发酵时间过短，乳酸菌发酵不完全，乳酸等代谢产物的生成较少，同时茶渣与乳酸等代谢产物发生生化反应的时间较短，影响SDF的转化量;但发酵时间过长，乳酸菌活力迅速降低，活菌数减少，同时次级代谢产物积累并产生有害物质，不利于菌体的生长，因而SDF得率增幅不大。

图2 发酵温度对茶叶SDF得率的影响Fig.2 Effect of fermentation temperature on the SDF yield

图3 发酵时间对茶叶SDF得率的影响Fig.3 Effect of fermentation time on the SDF yield

2.1.4 料液比对茶渣SDF得率影响 由图4可以看出，料液比对茶叶SDF的得率影响显著。当料液比为1∶10时，所得的SDF得率最高，这与毛慧君研究发酵法从西蕃莲果渣中制备膳食纤维的结果一致［19］。过少或过多的加水量都不利于乳酸菌在茶渣培养基中的生长，影响乳酸等代谢产物的生成，从而影响SDF的得率。

图4 料液比对茶叶SDF得率的影响Fig.4 Effect of solid and liquid ratio on the SDF yield

2.2 发酵工艺条件的优化

为了优化发酵工艺，根据单因素实验的结果，对影响发酵条件的主要因素料液比、接种量、发酵温度及发酵时间设计了四因素三水平L9(34)正交实验，结果如表2所示。

表2 正交实验L9(34)结果表Table2 Results of orthogonal experiment L9(34)

由极差分析可知，影响发酵过程的各因素的主次顺序是:B＞A＞C＞D，即发酵温度＞接种量＞发酵时间＞料液比，最优发酵条件组合为:A1B2C2D2。综合单因素实验和正交实验的结果，确定利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合发酵制备茶渣可溶性膳食纤维的最佳制备工艺为:料液比1∶10(g/m L)，接种量3%，发酵温度40℃，发酵时间25h。

按以上最佳组合方案A1B2C2D2作验证实验，即采用保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌(1∶1)，料液比1∶10(g/m L)，接种量3%，发酵温度40℃，发酵时间25h，经三次重复实验，测得的茶渣可溶性膳食纤维的平均得率为10.99%，与正交实验结果中相符，由此表明此正交实验得出的最佳提取工艺符合实际。

发酵过程中SDF含量提高，主要可能有两方面原因:一是采用乳酸菌混合菌种对茶渣原料进行发酵，混合菌种在发酵过程中产生了一些微生物多糖代谢产物，以SDF形式存在于产品中;二是代谢产物中含有大量有机酸，使茶渣原料较长时间处于酸性条件下，由于酸是质子良好供体，可使纤维素糖苷键断裂，产生新的还原性末端，使得茶渣膳食纤维的大分子聚合度也不断的下降，一些纤维类物质被降解和转化，部分转化成非消化性可溶多糖，从而提高SDF的含量。

3 结论

茶叶是一种质优价廉的膳食纤维资源。利用乳酸菌发酵制得的茶叶可溶性膳食纤维是一种色泽均匀、呈浅绿色、具有茶叶清香的粉末。按上述最佳发酵条件制备的茶渣SDF的平均得率可达到10.99%，显著高于非发酵条件下的SDF得率(对照实验得出3.56%)。与非发酵工艺相比，发酵工艺生产的茶叶膳食纤维产品的口感更好，可溶性膳食纤维的得率更高，更有利于发挥膳食纤维的保健功能。因此，茶渣是一种很有开发前景的农产品加工废弃物。

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