发酵法制备刺梨果渣可溶膳食纤维的工艺优化

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(1.贵阳学院食品与制药工程学院,贵州贵阳 550005;2.贵州省果品加工工程技术研究中心,贵州贵阳 550005)

刺梨(Rosa roxburghii Tratt)属于蔷薇科蔷薇属多年生落叶丛生灌木[1],分布于贵州、云南、四川、重庆、湖南等地区,尤以贵州盛产,据调查,贵州省除威宁县外,其余县市都有刺梨的分布[2]。刺梨是集药用、保健、食用、观赏为一体的水果[2],具有广泛的开发前景。已有报道刺梨果实VC、VP、SOD含量雄冠世界所有水果,故称“三王水果”,还属于膳食纤维含量较高的果品[3]。伴随着对其活性成分的研究,现已作为贵州省区域重点药食两用植物资源进行大力研发,刺梨正广泛应用于食品、保健食品、医药领域[1,4]。目前,主要在刺梨饮料、果酒、果醋、刺梨果脯等方面进行深加工应用研究[3]。据报道刺梨果实经榨汁后残留近50%果渣[5],随着加工产品的日益增加将会产生一定数量的加工副产物-果渣,而果渣作为一种来源丰富而又经济的资源,综合开发利用刺梨果渣,既能提高果渣利用价值,延长果渣加工产业链,又能减少对环境的污染[5]。

膳食纤维因其具有预防肥胖症、防止糖尿病、抑制有害菌等作用而日益受到关注[6-9],膳食纤维的很多重要生理功能又都与可溶性膳食纤维(SDF)有很大的关系,但一般膳食纤维中可溶性膳食纤维中含量都很低,只有3%～6%,无法达到膳食平衡要求。鉴于刺梨果渣是优质膳食纤维的良好来源[10],因此尝试采用不同的方法对膳食纤维进行改性,以提高可溶性纤维的含量和达到提高膳食纤维生理功能的目的是近几年的研究热点[11]。制备膳食纤维常见的方法,需要加入酸、碱、盐等试剂[12],在处理过程中将产生大量阴、阳离子,而这会给膳食纤维的利用带来一定不利的因素。本研究以贵州龙里刺梨加工废弃果渣为原料,采用保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌,经微生物发酵,确定制备刺梨果渣可溶性膳食纤维的最佳工艺条件,这不仅提高了原料的利用率、减少浪费,还为刺梨果渣资源的高值转化利用提供参考,从而达到综合利用的目的。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

刺梨果渣 贵州龙里刺梨经榨汁等加工后的副产物,微波真空干燥至恒重,粉碎,过40目筛后制成刺梨果渣粉,密封后置于-20 ℃备用。培养基:MRS培养基 北京奥博星。保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌 中国菌种保藏中心。

AUW120D电子分析天平 日本岛津公司;TGL-16C高速台式离心机 北京市永光明医疗仪器厂;202-1AB型恒温干燥箱 天津市泰斯特仪器有限公司;SHA-B数显水浴恒温振荡器 常州澳华恩斯仪器有限公司;LDZX-30KBS高压灭菌锅 上海申安有限公司;SPX-250B-Z生化培养箱 上海博讯实业有限公司;SW-CJ-1G超净工作台 苏净集团苏州安泰空气技术有限公司;FW80万能粉碎机 江阴市祥达机械制造有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 发酵菌种制备 取保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌(1∶1混合菌种)接种于培养基中培养[9],用血球计数板计数,使菌数含量在107～108个·mL-1。

1.2.2 工艺流程 刺梨果渣→干燥→粉碎过筛(60目)→调料→灭菌→接种→发酵→灭活→6000 r/min离心分离(沉淀即IDF)→上清液→静置、等电点→醇析→抽滤→干燥→可溶性膳食纤维(SDF)[13]。

1.2.3 操作要点 粉碎过筛:取干燥后的刺梨果渣粉碎,过60目筛;调料:按一定料水比添加于果渣中,并向料液中加入2%的脱脂奶粉和1.5%的白砂糖,将料液搅拌、混合均匀,并调节pH后灭菌;接种:置于无菌室中,冷却至室温,向料液中加入一定量的发酵菌种;发酵:在一定温度下发酵一定时间后取出即可;离心分离:采用离心机进行固液分离,转速为6000 r/min,时间10 min,沉淀即为IDF,收集上清液;醇析:加3倍95%乙醇,沉淀SDF,然后再进行抽滤,分离出可溶性膳食纤维;干燥:分离出的SDF在60 ℃干燥3 h左右,称量并记录,所得产物为刺梨果渣SDF。

1.2.4 单因素实验

1.2.4.1 接种量对SDF得率的影响 取刺梨果渣2.00 g,料液比为1∶20,pH为6.0,分别按6%、8%、10%、12%和14%接入发酵菌种,于38 ℃恒温培养箱中培养72 h,以SDF得率为评价指标,分析接种量对刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的影响。

1.2.4.2 发酵时间对SDF得率的影响 取刺梨果渣2.00 g,料液比为1∶20,pH为6.0,接种量为10%,于38 ℃恒温培养箱中分别培养24、36、48、60、72 h,以SDF得率为评价指标,分析发酵时间对刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的影响。

1.2.4.3 料液比对SDF得率的影响 取刺梨果渣2.00 g,pH为6.0,接种量为10%,分别以料液比为1∶10、1∶15、1∶20、1∶25和1∶30于38 ℃恒温培养箱中培养72 h,以SDF得率为评价指标,分析料液比对刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的影响。

1.2.4.4 发酵温度对SDF得率的影响 取刺梨果渣2.00 g,料液比为1∶20,pH为6.0,接种量为10%,分别于34、36、38、40、42和44 ℃的恒温培养箱中培养72 h,以SDF得率为评价指标,分析发酵温度对刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的影响。

1.2.4.5 pH对SDF得率的影响 取刺梨果渣2.00 g,料液比为1∶20,接种量为10%,pH分别为4.0、5.0、6.0、7.0和8.0,于38 ℃恒温培养箱中培养72 h,以SDF得率为评价指标,分析pH对刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的影响。

1.2.5 正交实验 在单因素实验基础上,以SDF得率为指标,选取五因素三水平的L18(35)正交实验进行工艺条件优化,因素水平见表1。

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

1.2.6 验证实验 根据正交实验分析确定的可溶性膳食纤维最佳工艺条件进行验证实验。

1.2.7 SDF得率的计算 SDF得率(%)=刺梨果渣SDF 干重(g)/刺梨果渣干重(g)× 100

1.2.8 理化性质分析

1.2.8.1 持水力 在20 ℃下用蒸馏水浸泡1.00 g膳食纤维1 h,将吸饱水的膳食纤维倒入滤纸漏斗上过滤,待水滴干后,把结合了水的膳食纤维转移至表面皿上称重,换算成每克纤维能存留水的克数,即持水力(WHC)=(样品湿重(g)-样品干重(g))/样品干重(g)[14-15]。

1.2.8.2 溶胀性 称取过60目筛的膳食纤维0.1000 g,置于10 mL的量筒中,移液管准确移取一定量蒸馏水加入其中,振荡均匀后于室温下放置24 h,读取液体中膳食纤维的体积。溶胀性(SW)=(溶胀后纤维体积(mL)-干样品体积(mL))/样品干重(g)[14-15]。

1.3数据统计分析

数据用平均值±标准差表示。用SPSS 17.0进行统计分析,以p<0.05作为差异显著性判断标准。

2 结果与分析

2.1单因素实验

2.1.1 接种量对SDF得率的影响 如图1所示,随着接种量的增加刺梨果渣可溶性膳食纤维得率不断增大,当接种量为10%时,可溶性膳食纤维的得率最高(p<0.05);当接种量大于10%时,可溶性膳食纤维的得率则呈下降趋势。提示发酵菌种的量过低,菌体生长缓慢使得发酵不彻底,而接种量过大则导致菌体生长旺盛[13],发酵剧烈,使得培养基营养缺乏或溶氧不足,从而后续发酵动力不足[16],或者过多的菌种生长代谢旺盛的同时还会产生一定量的代谢产物,代谢产物的积累抑制了菌种正常的生长。只有适宜的接种量可以缩短菌种繁殖达到高峰的时间,使产物的形成提前到来,并可减少杂菌的生长机会[17]。鉴于此,选择10%、12%和14%的接种量作为下一步正交实验的3个水平。

图1 接种量对SDF 得率的影响Fig.1 Effects of inoculating volume on the SDF yield注:图中字母不同为差异显著,p<0.05,图2～图5同。

2.1.2 发酵时间对SDF得率的影响 随着发酵时间延长,刺梨果渣可溶性膳食纤维得率一直呈现上升趋势,果胶作为可溶性膳食纤维的主要成分,其中的原果胶溶解性较差,发酵时间短,原果胶不能充分溶解出来[18]。发酵到48 h后,三个组间可溶性膳食纤维的含量均差异不显著(p>0.05)。发酵60 h后,刺梨果渣可溶性膳食纤维得率呈现缓慢增长趋势,可能由于时间过长,会使果胶裂解,且果胶在水中被氢离子水解[18];另外,由于发酵时间的增加,菌种增长致使发酵产物不断的积累,体系pH不断下降,抑制菌体自身生长或产生菌体自溶,使菌体产酶效果下降从而导致发酵能力的下降[16-17]。另外,从经济角度考虑发酵时间过长导致能耗过高、发酵周期太长均不利于实际生产。因此,选择48、60和72 h的发酵时间作为下一步正交实验的3个水平。

图2 发酵时间对SDF得率的影响Fig.2 Effects of fermentation time on the SDF yield

2.1.3 料液比对SDF得率的影响 由图3可知,随着料液比的增大,刺梨果渣可溶性膳食纤维含量不断增加,在1∶20时可溶性膳食纤维的含量显著增加(p<0.05),且与其他几组相比得率最高。当料液比达到1∶25时刺梨果渣可溶性膳食纤维含量开始降低,但与1∶20料液比时含量变化差异不显著(p>0.05),可能由于原料吸水膨胀,导致透气性下降,同时浸提液体积过大,不利于后期的浓缩分离,增大成本[13]。而料液比低于1∶20时,由于菌种和原料接触不充分,导致发酵不彻底。因此,选择料液比为1∶20、1∶25和1∶30作为下一步正交实验的3个水平。

图3 料液比对SDF得率的影响Fig.3 Effects of solid-liquid ratio on the SDF yield

2.1.4 发酵温度对SDF得率的影响 由图4可知,34 ℃时发酵速度较慢,且制取率较低(p<0.05),38～42 ℃时发酵可溶性膳食纤维的得率较高,且各组差异不显著(p>0.05),而显著高于34 ℃时的得率(p<0.05),提示在这个温度区间进行发酵较适于保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵菌种的生长和代谢;当温度过高时,可溶性膳食纤维得率下降(p>0.05),这可能是由于温度升高导致其本身分子结构受到破坏[18],或者使发酵菌种的活性受到一定的抑制,从而使刺梨果渣可溶性膳食纤维的得率降低。因此,发酵温度控制在40 ℃左右较为合适。

图4 发酵温度对SDF 得率的影响Fig.4 Effects of fermentation temperature on the SDF yield

2.1.5 pH对SDF得率的影响 pH对可溶性膳食纤维得率的影响见图5,随着pH的升高,刺梨果渣可溶性膳食纤维的得率呈先增加再减少的趋势(p<0.05);当起始pH6.0时,可溶性膳食纤维的得率达到最大(p<0.05);pH高于6.0时,得率迅速下降(p<0.05),并且比pH低于6.0时的得率(p<0.05)少,这可能由于较低的pH时,发酵菌种乳酸菌的耐酸性较强,而pH过高抑制了菌体自身生长或产生菌体自溶,使菌体产酶效果下降从而导致发酵能力下降。因此,选择pH为4.0、5.0、6.0作为下一步正交实验的3个水平。

图5 pH对SDF得率的影响Fig.5 Effects of pH on the SDF yield

2.2正交实验

通过对影响刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的各个因素进行初步分析后,选取发酵时间、发酵温度、接种量、料液比和pH这5个因素,并根据这5个因素的单因素实验所确定的三个较优水平进行正交优化实验,具体设计见表1。实验结果及直观分析见表2。由表2极差分析可知,影响刺梨果渣可溶性膳食纤维得率的主次顺序B>E>C>A>D,即pH>发酵温度>发酵时间>接种量>料液比;并得出发酵法制备刺梨果渣可溶性膳食纤维的最适工艺条件为A2B3C1D2E2,即接种量12%、pH6.0、发酵时间48 h、料液比1∶25、发酵温度40 ℃。

表2 正交实验结果分析表Table 2 The orthogonal experiment results analysis table

表3 膳食纤维持水力和膨胀力Table 3 Water-holding capacity and swelling capacity of DF

注:标注不同字母的表示差异显著(p<0.05)。

2.3验证实验

根据正交实验所得的最优工艺条件进行验证实验,由保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌(1∶1)进行微生物发酵,刺梨果渣可溶性膳食纤维的平均得率可达到(16.81±0.99)%,可溶性膳食纤维产品呈淡黄色、质构蓬松、无味。

2.4刺梨果渣膳食纤维的持水力和膨胀力

持水力和膨胀力作为衡量膳食纤维品质的2个重要指标,其值越大就表示膳食纤维的吸附性能越强,就保健功能而言,膳食纤维的持水力高,则进食后其排出物体积大,质地软,有利于防止便秘和结肠癌的发生[14-15]。从表3可知,3种样品中,刺梨果渣可溶性膳食纤维的持水力高于果渣组(p<0.05),膨胀力两组样品差异不显著。西方国家常用的小麦麸皮纤维持水力为4.0 g/g,膨胀力为4.0 mL/g[16]。可见,刺梨膳食纤维的持水力明显高于小麦麸皮膳食纤维,而膨胀力则略高于小麦麸皮纤维。

3 结论

本实验在单因素实验(接种量、起始pH、料液比、发酵时间和温度)的基础上,通过L18(35)正交实验选出采用保加利亚乳酸杆菌与嗜热链球菌发酵法优化制备贵州产刺梨果渣可溶性膳食纤维的最佳工艺条件,即为菌种的接种量12%、料液比1∶25、pH为6、发酵温度40 ℃的条件下培养48 h,该条件下可溶性膳食纤维得率为(16.81±0.99)%,并且高于非发酵条件下的可溶性膳食纤维得率(实验室用酶法提取刺梨果渣可溶性膳食纤维的得率为4.9%左右),说明用保加利亚乳酸杆菌和嗜热链球菌混合发酵可以非常明显地提高可溶性膳食纤维的得率,并且发酵法制备的膳食纤维持水力和膨胀力也较大。本研究方法操作简单,成本低,为贵州产刺梨果渣的综合利用提供了新的途径,也为刺梨膳食纤维作为半成品或成品开发保健食品的应用提供了一定的理论依据。

[1]胡斯杰,佟长青,郑鲁平,等. 刺梨的化学成分药理作用与性味归经[J]. 农产品加工,2017(3):48-49.

[2]敖芹,谷晓平,于飞,等. 贵州刺梨气候适宜性研究[J]. 中国农学通报,2013,29(34):177-185.

[3]秦龙龙,周锐丽. 刺梨的营养保健功能及应用发展趋势[J]. 食品研究与开发,2016,37(13):212-214.

[4]李齐激,南莹,秦晶晶,等. 药食两用植物刺梨的化学成分研究[J]. 中国中药杂志,2016,41(3):451-455.

[5]张瑜. 刺梨果渣高纤粉加工及品质特性研究[D]. 贵州大学,2016.

[6]Kieffer D A,Martin R J,Adams S H. Impact of Dietary Fibers on Nutrient Management and Detoxification Organs:Gut,Liver,and Kidneys.[J]. Advances in Nutrition,2016,7(6):1111-1121.

[7]Birgitte M,Kristi H,Ingrid M,et al. Effect of Dietary Fibers on Cecal Microbiota and Intestinal Tumorigenesis in Azoxymethane Treated A/J Min/+Mice[J]. Plos One,2016,11(5):e0155402.

[8]Iain A,Brown L. The physiological roles of dietary fiber[J]. Food Hydrocolloid,2011,25(2):238-250.

[9]Biswas AK,Kumar V,Bhosle S,et al. Dietary fibers as functional ingredients in meat products and their role in human health[J]. International Journal of Livestock Production,2011,2(4):45-54.

[10]刘玉倩,孙雅蕾,鲁敏,等. 刺梨果实中膳食纤维的组分与含量[J]. 营养学报,2015,37(3):303-305.

[11]裘纪莹,陈蕾蕾,王未名,等. 发酵法制备高品质膳食纤维的研究进展[J]. 中国食物与营养,2010,6(7):24-27.

[12]孙艳,房玉林,张昂,等. 葡萄皮渣中可溶性膳食纤维提取工艺研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版),2010,38(10):145-149.

[13]牛广财,符殿滨,汤华成,等. 乳酸菌发酵制备沙果渣可溶性膳食纤维的工艺研究[J]. 黑龙江八一农垦大学学报,2010,22(3):73-76.

[14]Sanganrk A,Noomhorm A. Effect of particle size on funetional properties of dietary fiber prepared from sugareane bagasse[J]. Food Chemistry m,2002,80(2):221-229.

[15]Chau C,Huang YL. Characterization of passion fruit seed fiber:a potential fiber source[J]. Food Chemistry,2004,85(2):189-194.

[16]孙平,刘杰,郭苗苗,等. 发酵法提取小麦麸皮可溶性膳食纤维工艺研究[J]. 食品科技,2014,39(10):170-175.

[17]王静,何晓玲. 发酵法制取苹果渣中的可溶性膳食纤维[J]. 江苏农业科学,2013,41(3):255-258.

[18]肖盾,牛广财,朱丹,等. 发酵法制取沙果渣可溶性膳食纤维的研究[J]. 中国酿造,2010,3:167-171.

[19]毛慧君,文良娟,李英军,等. 发酵法从西番莲果渣中制备膳食纤维的研究[J]. 食品科学,2010,31(3):193-197.