复合速溶茶粉制备工艺优化及功能成分分析

2020-10-23赵维薇陈雪玲周书来

食品工业科技 2020年19期

王琪,赵维薇,陈雪玲,吴丽,邓茹,周书来,*

(1.宜宾职业技术学院五粮液技术学院,四川宜宾 644003;2.大理大学公共卫生学院,云南大理 671000;3.乐山市食品药品检验检测中心,四川乐山 614000;4.乐山职业技术学院药学系,四川乐山 614000)

铁皮石斛(Dendrobiumofficinale)是一种具有滋阴补肾、清热解毒的名优药材[1]。其药用部分主要为茎,而其他部分的利用相对较少,因此造成了一定的资源浪费[2]。目前,已有学者对铁皮石斛花开展了相关研究,发现其富含石斛碱、黄酮、多糖、花色苷和氨基酸(以精氨酸为主)等多种功能性成分[3-5],并且具有抗氧化、滋阴护肝、提高男性精子活力等保健功效[6-8]。目前对铁皮石斛花的综合利用还停留在初加工层面,如将铁皮石斛花风干后制作风味花茶、冻糕或以其提取物加工成饮片、含片等[9-12]。故亟需要对铁皮石斛花进行深入研究,以提高其附加值。

速溶茶粉是一种方便快捷的固体饮料[13],能够满足消费者对方便、营养、健康的需求。因而,将铁皮石斛花制作成速溶茶粉便是一种能提高其附加值的有效途径。杨刘艳等[14]研究发现浸提工艺是制作速溶茶粉的关键步骤,其不仅对速溶茶粉的感官有较大影响,而且还对产品的得率有一定影响。前期试验也表明,若将铁皮石斛花按照速溶茶粉的传统工艺进行加工制作,会出现粉末粘壁较为严重、不易成粉的现象。以两种或两种以上原料按一定的比例组合制成复合速溶茶,不仅在功效上能进行叠加,而且在感官特性方面更是有明显的改善[15]。因此,采用喷雾干燥时成粉效果好、回收率高且具有一定功效的绿茶提取物与铁皮石斛花进行复配制作速溶茶粉,以解决铁皮石斛花提取物难以喷雾干燥且口感不佳的问题[16]。

本研究在采用响应面法优化铁皮石斛花浸提工艺的基础上,与绿茶提取物进行不同比例复配,以期制成感官特性优良的功能性复合速溶茶粉,并检测其功能性成分与含量,以及抗氧化活性,为铁皮石斛花的进一步开发利用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

铁皮石斛花湖北洲和生态农业发展有限公司;绿茶提取物无锡太阳绿宝科技有限公司;儿茶素(C)、没食子酸(GA)、表儿茶素(EC)、表儿茶素没食子酸酯(ECG)、表没食子儿茶素(EGC)、表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)、没食子儿茶素(GC)、儿茶素没食子酸酯(CG)、没食子儿茶素没食子酸酯(GCG)、鞣花酸(EA)、1,4,6-O-没食子酰基-β-D-葡萄糖(GG)、咖啡碱(CA)、杨梅素(My)、槲皮素(Qu)、木犀草素(Lu)、山奈酚(Kf)、花旗松素(Tax)等物质的标准品成都曼思特生物科技有限公司;丙氨酸(Ala)、甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、精氨酸(Arg)、谷氨酸(Glu)、天冬氨酸(Asp)、半胱氨酸(Cys)、组氨酸(His)、异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、甲硫氨酸(Met)、苯丙氨酸(Phe)、脯氨酸(Pro)、苏氨酸(Thr)、酪氨酸(Tyr)、缬氨酸(Val)等氨基酸标准品美国安捷伦公司;食品级无水乙醇(95%vol) 山东柽硕化工有限公司;邻苯三酚国药化学试剂公司;1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH自由基) 美国Sigma-Aldrich公司;维生素C 成都市科龙化工试剂厂;其余试剂均为国产分析纯。

BS210S型电子分析天平北京赛多利斯天平有限公司;RE-5003型旋转蒸发仪郑州长征仪器制造有限公司;KQ-100KDB型超声波清洗机昆山市超声仪器有限公司;TPG-100型喷雾干燥机江苏先锋干燥工程有限公司;UV-1100型紫外可见分光光度计杭州俊升科学器材有限公司;1200型高速液相色谱系统美国Agilent公司。

1.2 实验方法

1.2.1 复合速溶茶粉的制备工艺

操作要点:将铁皮石斛花中的杂质及异形物去除,50 ℃烘干,粉碎后过60目筛;将铁皮石斛花粉加入圆底烧瓶中,再加入不同浓度的乙醇溶液,使用超声波清洗机辅助浸提后备用;浸提物经快速定性滤纸过滤后取滤液在40 ℃的条件下减压浓缩,浓缩液(固形物含量为22.3%)与绿茶提取物按照不同比例在160 ℃下喷雾干燥,得到复合速溶茶粉。

1.2.2 浸提条件单因素优化试验在料液比、乙醇浓度、超声温度及超声时间分别为1∶25 (g∶mL)、60%、40 ℃、40 min的基础条件下,保持其它因素不变,只改变其中一个因素,设置料液比(1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35 g∶mL)、乙醇浓度(40%、50%、60%、70%、80%)、超声温度(30、35、40、45、50 ℃)、超声时间(20、30、40、50、60 min),以铁皮石斛花的浸提率为指标,每组试验重复3次进行单因素试验。

1.2.3 浸提条件响应面优化试验在单因素实验的基础上,以料液比(A)、乙醇浓度(B)、超声温度(C)和超声时间(D),进行响应面试验,因素水平如表1所示。

表1 响应面试验因素水平

1.2.4 浸提率的测定铁皮石斛花浸提率的测定按照下式进行:

浸提率(%)=浸提过滤后乙醇溶液的质量(g)/铁皮石斛花与浸提前乙醇溶液的总质量(g)×100

1.2.5 复合速溶茶粉感官审评方法将铁皮石斛花浸提浓缩液和绿茶提取物分别按1∶1、1∶0.75、1∶0.5、1∶0.25 (g∶g)的比例进行复配,160 ℃喷雾干燥,得到复合速溶茶粉。感官审评由11名(5男6女)品茶员组成的感官评定小组参照国家标准《茶制品第1部分:固态速溶茶》[17]进行复合速溶茶感官审评,感官审评标准如表2所示。

表2 复合速溶茶粉感官评审标准

1.2.6 复合速溶茶粉功能性物质测定应用高效液相色谱法(HPLC)检测样品中各功能性成分,并根据峰面积使用外标法进行定量分析。氨基酸组分的洗脱梯度程序在王富花等[18]的基础上改进为:0～5 min,B液从22%增加至25%;5～30 min,B液从25%增加至100%;30～32 min,B液100%保持不变;32～33 min,B液由100%降低至22%后停止。C、EC、EGC、ECG、EGCG、GA、GG、CA、GC、CG、GCG11种物质的洗脱梯度程序在褚广翠等[19]的基础上调整为:0～21 min,B液从10%增加至20%;21～22 min,B液从20%增加至100%;22～26 min,B液100%保持不变;26～27 min,B液由100%线性梯度降低至10%后停止。Lu、EA、My、Qu、Kf、Tax 6种物质的洗脱梯度程序在孙丽芳等[20]的基础上改善为:0～0.5 min,B液从10%增加至45%;0.5～10 min,B液从45%增加至50%;10～18 min,B液从50%增加至100%;18～21 min,B液100%保持不变;21～22 min,B液从100%降低至10%后停止。

1.2.7 复合速溶茶粉抗氧化活性测定

1.2.7.1 DPPH·清除作用的测定采用分光光度法[21],分别配制质量浓度为0.0313、0.0625、0.1250、0.2500、0.5000、1.0000 mg/mL的复合速溶茶粉溶液,随后用95%的乙醇配制浓度为0.2 mg/mL的DPPH溶液,将不同浓度的复合速溶茶粉溶液分别与DPPH溶液等体积置于具塞试管中,摇匀,避光反应30 min后,在517 nm波长处测定其吸光度,并以维生素C作为阳性对照。通过下式计算DPPH自由基清除率:

式中:A0为DPPH溶液加乙醇的吸光度;A1为DPPH溶液加复合速溶茶粉溶液的吸光度;A2为复合速溶茶粉溶液加乙醇的吸光度。

1.3 数据分析处理方法

以上每个试验重复3次,结果取平均值。采用Origin Pro 12.1软件进行数据制图,应用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析,利用Design Expert 10.1软件进行响应面设计及结果分析。

2 结果与分析

2.1 单因素实验

2.1.1 料液比对浸提率的影响由图1可知,铁皮石斛花的浸提率随着料液比的增加呈现出先上升后下降的趋势,当料液比为1∶30 (g∶mL)时,铁皮石斛花的浸提率达到了最高的49.68%±1.56%。由于料液比的增加会使铁皮石斛花细胞壁内外的浓度差变大,使得铁皮石斛花细胞内的有效成分更加容易渗出,进而铁皮石斛花的浸提率显著提高(P<0.05)。但当料液比为1∶35 (g∶mL)时,其浸提率反而较1∶30 (g∶mL)时降低,主要原因是乙醇在浸提过程中会吸收超声波的能量,致使铁皮石斛花细胞壁破裂不完全,造成浸提率降低[2]。因此,选择料液比为1∶25～1∶35 (g∶mL)用于响应面试验。

图1 料液比对浸提率的影响

2.1.2 乙醇浓度对浸提率的影响由图2可知,当乙醇浓度由40%增加到70%时,铁皮石斛花的浸提率随之升高。当乙醇浓度为70%时,铁皮石斛花的浸提率最高为54.33%±1.72%。因乙醇浓度的增加会增加铁皮石斛花细胞壁内外的浓度差,有利于乙醇对铁皮石斛花细胞内物质的提取,进而促进浸提率显著提高(P<0.05)。当过高的乙醇浓度会使亲水性物质不易溶解在乙醇溶液中[22],故当乙醇浓度从70%时继续升高后,铁皮石斛花的浸提率反而有所下降。因此选用乙醇浓度为60%、70%、80%用于后续响应面法试验。

图2 乙醇浓度对浸提率的影响

2.1.3 超声温度对浸提率的影响由图3知,铁皮石斛花的浸提率随着超声温度的升高呈现出先上升后下降的趋势,超声温度40 ℃是浸提铁皮石斛花的最适温度,其浸提率达到最高的54.33%±1.72%。当超声温度低于40 ℃时,不利于铁皮石斛花细胞内物质的浸出,进而造成浸提率显著低于54.33%(P<0.05);当超声温度高于40 ℃时,铁皮石斛花细胞内含物易被分解,也会出现浸提率下降的现象[24]。故选择超声温度为35～45 ℃进行响应面试验。

图3 超声温度对浸提率的影响

2.1.4 超声时间对浸提率的影响由图4可知,铁皮石斛花的浸提率随着超声时间的增加而增加,当超声时间为60 min时,铁皮石斛花的浸提率最高为58.95%±1.67%。超声时间的延长有利于铁皮石斛花内含物质的浸出,但当超声时间超过一定范围时,铁皮石斛花的浸提率不再显著增加。例如当超声时间从50 min增加到60 min时,其浸提率不再显著增加(P>0.05)。故超声时间40～60 min用于后续响应面试验。

图4 超声时间对浸提率的影响

2.2 响应面法试验

通过Box-Behnken中心组合设计[24]对料液比(A)、乙醇浓度(B)、超声温度(C)和超声时间(D)4个因素进行响应面试验,结果见表3。

表3 响应面试验设计及结果

对试验数据进行方差分析,结果如表4。以浸提率为响应值,经回归拟合后,得到相应的回归方程:

表4 浸提率的方差分析

浸提率(%)=60.13-0.57A+0.17B-0.13C-0.06D-0.95AB-1.19AC+0.31AD-1.88BC-0.29BD+1.19CD-0.14A2-1.92B2-0.69C2-0.89D2

四个因素的两两相互作用的响应面图如图5所示。由图5知,四个因素的两两相互作用中,因素B与因素C所形成的响应曲面坡度最为陡峭,与方差分析中交互项BC对铁皮石斛花浸提率的影响极为显著(P<0.01)的结论相吻合;响应曲面坡度陡峭程度其次为因素A与因素C以及因素C与因素D所形成的响应曲面,再次为因素A与因素B所形成的响应曲面,这与方差分析中交互项AB、AC、CD对铁皮石斛花浸提率的影响显著(P<0.05)的结论也吻合;因素A与因素D以及因素B与因素D所形成的响应曲面坡度较为平坦,故交互项AD、BD对铁皮石斛花浸提率的影响不显著(P>0.05)。

图5 各因素交互作用对浸提率影响的响应面图

根据响应面软件分析,铁皮石斛花在料液比1∶25 (g∶mL)、乙醇浓度67.63%、超声温度45 ℃和超声时间54.97 min的条件下,浸提率可获得最高的理论值62.22%。为了试验的可操作性将软件得出的最优浸提条件进行适当调整为料液比1∶25 (g∶mL)、乙醇浓度68%、超声温度45 ℃和超声时间55 min,进行三组平行试验后,得到的浸提率为62.07%±0.95%,与通过软件获得的理论值相比偏差不大(其相对误差为0.24%),证明该结果合理可靠[24]。

2.3 不同原料复配比例对复合速溶茶粉感官特性的影响

将铁皮石斛花浸提物与绿茶提取物按照1∶0.25、1∶0.5、1∶0.75和1∶1 (g∶g)复配,加工成速溶粉后进行感官审评,结果如表5所示。由表5知,绿茶提取物加入后可以显著改善速溶茶粉的感官特性,当铁皮石斛花浸提物与绿茶提取物比例为1∶1 (g∶g)时,复合速溶茶粉的感官特性良好,感官评分为93分,因此确定复合速溶茶粉中铁皮石斛花浸提物与绿茶提取物复配比例为1∶1 (g∶g)。

表5 复合速溶茶粉感官审评

2.4 复合速溶茶粉功能性成分分析

经过最优工艺条件得到的复合速溶茶粉,测定其各类氨基酸含量及儿茶素、鞣花酸与咖啡碱等功能性成分及其含量,结果如图6与图7所示。

图6 三种样品中氨基酸的含量

图7 三种样品中其他功能性物质含量

由图6知,在复合速溶茶粉、铁皮石斛花浸提物和绿茶提取物中均检测到16种氨基酸,其中包括Ile、Leu、Phe、Thr、Val5种必需氨基酸和Arg、Asp、Glu、Gly、Leu、Met、Phe、Tyr8种药效氨基酸。复合速溶茶粉中氨基酸总量达(70.89±7.33) mg/g,高于铁皮石斛花浸提物(10.31±0.61) mg/g与绿茶提取物(36.38±4.01) mg/g;而且复合速溶茶粉中每一种氨基酸的含量均显著高于铁皮石斛花浸提物和绿茶提取物(P<0.05)。

由图7知,在复合速溶茶粉和绿茶提取物中均检测到17种功能性物质,而在铁皮石斛花浸提物中只检测到槲皮素、花旗松素、山奈酚、杨梅素和鞣花酸5种功能性物质。故复合速溶茶粉中的17种功能性物质主要是由绿茶提取物提供的,使速溶茶粉不仅具有铁皮石斛花的相关功效,而且具备绿茶的保健功能。复合速溶茶粉中槲皮素、花旗松素、山奈酚的含量分别为:9.23、1.27、6.22 mg/g,均显著高于铁皮石斛花浸提物和绿茶提取物(P<0.05);杨梅素(2.01 mg/g)和鞣花酸(8.64 mg/g)的含量也显著高于铁皮石斛花浸提物(P<0.05)。研究表明,上述5种物质均具有重要的生物活性,如槲皮素具有改善机体脂肪代谢、抑制甘油三酯积累的功能[25];花旗松素具有抗炎、抗肿瘤、抗氧化应激等生理功能[26];山奈酚主要用于心血管疾病等的治疗与预防[27];杨梅素能改善由免疫应答引起的炎症反应[28];鞣花酸对预防人类骨肉瘤具有一定的作用[29]。综上,此复合速溶茶粉具有较好的营养及保健价值。

2.5 复合速溶茶粉抗氧化活性测定结果

2.5.1 复合速溶茶粉对DPPH·清除作用测定结果由图8知,在浓度小于0.5000 mg/mL时,复合速溶茶粉对DPPH·清除率随其浓度的增加而升高,但其清除率低于维生素C的阳性对照;复合速溶茶粉的半数抑制浓度(IC50)为0.0934 mg/mL高于维生素C的IC50(0.0127 mg/mL)。当浓度达到0.5000 mg/mL后,复合速溶茶粉对DPPH·清除率稳定在96.49%±0.37%,表明复合速溶茶粉中的功能性成分对DPPH·具有较强的清除作用。