发酵改性对麸皮中可溶性膳食纤维含量的影响

刘豪，王岸娜，吴立根

（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450001）

小麦麸皮作为小麦磨粉后的副产物，具有极大的产量[1]。其含有丰富的糖、脂肪、蛋白质、维生素等营养物质，也含有较多的膳食纤维，具有较高的发展潜力和应用价值[2-4]。现代研究表明，膳食纤维具有减肥[5-6]、降低胆固醇[7-8]、清除自由基等生理活性功能，其应用前景巨大[9-10]。但麸皮中含有较多的不溶性膳食纤维，使其与蛋白、淀粉等结合程度较差，而不利于麸皮作为食物被人食用[11-12]。国内外学者，针对此种现象，分别用酸、酶、发酵等方法对麸皮进行改性处理，均获得一些有益成果，有效的降低麸皮中不溶性膳食纤维含量，提高了可溶性膳食纤维含量[13-15]，增加了麸皮作为食品原料的可操作性。本文采用酵母菌发酵的方式，对发酵前后膳食纤维含量进行了综合系统的研究，为麸皮的改性处理方法提供了新的借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦（豫保1 号）：河南绿保科技发展有限公司；麸皮：谷物加工实验室自制；安琪高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；95%乙醇（分析纯）：河南凯盛化工厂。

1.2 仪器与设备

LRMM-8040-3-D 布勒试验磨粉机：布勒（中国）投资有限公司；FDV 超微粉碎机：佑崎有限公司；TDL-40B 离心机：上海安亭科学仪器厂；GZX-9240 型电热鼓风干燥箱：上海右一仪器有限公司；SHA-BA 水浴恒温振荡器：上海汉诺仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备

将小麦原料用布勒大型试验磨粉机进行磨粉，分别收集面粉和粗麸收集备用。使用粉碎机将麸皮粉碎，然后过80 目筛筛理。称取5.000 g 粉碎后的小麦麸皮，按试验所需料液比加水于250 mL 锥形瓶中混合均匀，加入3%的安琪高活性干酵母，在试验所需条件下，放入恒温振荡器中设置摇床转速为120 r/min，进行发酵。

1.3.2 麸皮中可溶性膳食纤维含量的测定

使用发酵好的麸皮离心后取上层的清液，加入4 倍体积的95%的乙醇溶液，静置过夜，再次离心，收集沉淀物，并将其置于50 ℃的烘箱中干燥至恒重，所得干物质即为可溶性膳食纤维[16]，称重后计算可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量。

1.3.3 响应面试验

在单因素试验的基础上设计响应面试验，以发酵麸皮中SDF 含量为响应值，根据Box-Behnken 试验设计原理，运用Design Expert 8.0.6 软件进行设计，以确定发酵温度、发酵时间、料液比3 种因素间交互作用对麸皮中可溶性膳食纤维含量的影响，因素水平见表1。

表1 响应面试验因素水平及编码Table 1 Factors and levels used in response surface experiments

1.3.4 小麦麸皮基本组成的测定

参照GB 5009.3-2010《食品安全国家标准食品中水分的测定》、GB/T 22427.10-2008《淀粉及其衍生物氮含量测定标准》、GB/T 5009.4-2003《食品安全国家标准食品中灰分的测定》、GB/T 14772-2008《食品中粗脂肪的测定》、GB/T 5514-2008《粮油检验粮食、油料中淀粉含量测定》分别测定麸皮发酵前后淀粉、蛋白质、灰分、脂肪的含量[17-19]。

1.3.5 小麦麸皮持水力的测定

取未发酵的小麦麸皮和发酵后的麸皮各1.00 g 分别置于100 mL 烧杯中，分别加入50 mL 蒸馏水，在室温（25 ℃）下用磁力搅拌器搅拌30 min，完成搅拌后在3 500 r/min 的条件下离心20 min，除去上层水分，称取残留物的质量（g），按照下式计算持水力，并比较两者之间持水力的变化：

1.3.6 小麦麸皮溶胀力测定

取发酵前小麦麸皮和发酵后的麸皮各1.00 g，加入20 mL 的量筒中，摇动样品使其在量筒中平铺均匀，记录下此时干样品的体积（mL），分别加入10 mL 蒸馏水，均匀震荡后，在室温25 ℃静置24 h 后，分别记录此时样品的体积（mL），比两者较溶胀力的变化并按下式计算：

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 料液比对麸皮中可溶性膳食纤维得率的影响

在酵母添加量为3%，发酵温度为30 ℃、发酵时间为为18 h 的条件下，考察料液比对麸皮中可溶性膳食纤维得率的影响，结果见图1。

图1 料液比对SDF 得率的影响Fig.1 Effect of ratio of liquid to liquid on SDF yield of wheat bran

从图1 中可见，随溶剂体积的不断增大，麸皮中可溶性膳食纤维的得率开始增加，但当溶剂体积大于10 倍后，麸皮中可溶性膳食纤维的含量开始逐渐降低。随着溶剂体积的增大，酵母的流动性逐渐增大，与底物接触更加充分，反映更加彻底，因此当溶剂体积大于10 倍后可溶性膳食纤维的得率有了较大的提高。随溶剂体积的继续提升，对酵母等反应物有一定的稀释作用，造成了可溶性膳食纤维得率的降低。此外，考虑到溶剂回收时的消耗成本，选择料液比为1 ∶10（g/mL）最为适宜。

2.1.2 发酵温度对麸皮中可溶性膳食纤维得率的影响

在干酵母添加量 3%、料液比 1 ∶10（g/mL）、发酵时间18 h 的条件下，考察发酵温度对可溶性膳食纤维得率的影响，结果见图2。

图2 发酵温度对小麦麸皮SDF 得率的影响Fig.2 Effect of fermentation temperature on SDF yield of wheat bran

如图2 所示，随着发酵温度的逐渐升高，可溶性膳食纤维的得率不断增加，当温度为30 ℃时，麸皮中可溶性膳食纤维的得率达到最大。温度继续增加，可溶性膳食纤维的得率显著下降。温度过高或过低均会对酵母的反应活性有所抑制，且高温对发酵活性的抑制比低温强，温度同样对菌体产酶能力造成一定影响，而温度对酶活的影响进一步影响了最终的反应结果。因此，将反应温度控制在30 ℃时较为适宜。

2.1.3 发酵时间对麸皮中可溶性膳食纤维得率的影响

在干酵母添加量 3%、料液比 1 ∶10（g/mL）、发酵温度30 ℃的条件下，考察发酵温度对可溶性膳食纤维得率的影响，结果见图3。

图3 发酵时间对小麦麸皮SDF 得率的影响Fig.3 Effect of fermentation time on SDF yield of wheat bran

如图3 所示，麸皮中可溶性膳食纤维的得率随时间的增加先增加后减少，并在发酵时间为24 h 是达到最大值。其原因可能为，发酵时间较短酵母菌尚处于生长期，随着发酵时间的增加，酵母菌生长到达稳定期，此时的酵解速度最快。继续发酵可溶性膳食纤维也被微生物分解利用，造成其得率降低，而且发酵时间过长容易产酸等其它有害物质影响产品品质，因此将发酵时间设定为24 h 较为适宜。

2.2 响应面法优化可溶性膳食纤维提取工艺

2.2.1 响应面试验设计与结果

以发酵温度（A）、发酵时间（B）、料液比（C）为自变量，以可溶性膳食纤维的得率为响应值，采用Box-Benhnken 中心组合试验设计安排试验，进行三因素三水平响应面分析试验，共设计17 次试验，其中析因试验12 次，包含5 次中心组合重复试验，试验设计方案及结果见表2。

表2 试验设计方案及结果Table 2 Experimental design and results

续表2 试验设计方案及结果Continue table 2 Experimental design and results

2.2.2 回归模型的建立与分析

利用Design-Expert 8.0 软件设计，得到可溶性膳食纤维得率的预测值与A、B、C 编码值的二次回归模拟方程为：

响应面回归模型的方差分析极显著性检验结果如表4 所示，试验所选用模型显著性极好（P＜0.000 1），说明拟合良好，预测值与试验值具有高度的相关性（R=0.999），失拟项不显著，说明残差均由随机误差引起，由此说明可以用此模型来分析和预测发酵法提取小麦麸皮可溶性膳食纤维的工艺条件。模型的一次项A、B、C 均为显著状态、二次项 A2、B2、C2均为显著状态，说明各试验因素对得率的影响复杂。通过对F 值的分析可知，各个因素对可溶性膳食纤维得率的影响大小依次为：料液比（C）＞发酵时间（B）＞发酵温度（A）。

表3 回归方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

2.2.3 响应面以及等高线分析结果

根据回归方程，采用Design Export 8.0 软件绘制响应曲面图，考察所拟合的响应曲面的形状。图4～6显示了3 个因素间两两交互对可溶性膳食纤维得率影响的响应面曲线。

由图4 可知，发酵温度在25.00 ℃～29.36 ℃发酵时间在18.00 h～25.16 h 范围内时交互作用随着发酵温度和发酵时间的增大而升高。发酵温度在29.36 ℃～35.00 ℃发酵时间在25.16 h～30.00 h 范围内时交互作用随着发酵温度和发酵时间的增大而降低。

由图5 可知，当发酵温度在25.00 ℃～29.36 ℃、料液比 1 ∶10.00（g/mL）～1 ∶11.89（g/mL）的范围内交互作用随着发酵温度溶剂体积的增大而升高。发酵温度在29.36 ℃～35.00 ℃、料液比在 1 ∶11.89（g/mL）～1 ∶15.00（g/mL）的范围内交互作用随发酵温度和发酵时间的增加而降低。

图4 发酵温度和发酵时间之间的交互作用Fig.4 Interaction between fermentation temperature and fermentation time

图5 发酵温度和料液比间的交互作用Fig.5 Interaction between fermentation temperature and solid-liquid ratio

图6 发酵时间和料液比间的交互作用Fig.6 Interaction between fermentation time and solid-liquid ratio

由图6 可知，发酵时间在18.00 h～25.16 h、料液比在 1 ∶10.00（g/mL）～1 ∶11.89（g/mL）的范围内交互作用随着发酵温度及溶剂体积的增加而升高，发酵时间在25.16 h～30.00 h、料液比 1 ∶11.89（g/mL）～1 ∶15.00（g/mL）的范围内交互作用随发酵时间料液比的增大而降低。

2.2.4 小麦麸皮中膳食纤维得率的最佳发酵条件确定与验证试验

根据回归模型，优化的最佳工艺参数为发酵温度29.36 ℃、发酵时间 25.16 h、料液比 1 ∶11.89（g/mL），SDF 得率为20.31%。考虑到实际情况，确定最佳条件为发酵温度 29 ℃、发酵时间 25 h、料液比 1 ∶12（g/mL）。在该条件下，进行3 次平行试验，测得实际平均值为20.21%，与预测值相对误差仅为0.39%，表明本试验所得回归模型拟合较好。

2.3 小麦麸皮加工性能的测定

2.3.1 小麦麸皮组分测定

对发酵前后麸皮中淀粉、蛋白质、脂肪、灰分的含量进行了测定，结果见表4。

表4 小麦麸皮主要成分表Table 4 Main component of wheat bran

由表4 看出发酵后的麸皮淀粉、脂肪含量变少，蛋白质、灰分含量上升，其中蛋白质和灰分的增加可能是因为酵母的添加所引起的。总而言之，发酵对麸皮的组成成分改变显著，改性作用明显。

2.3.2 发酵麸皮性质测定

对发酵前后麸皮的主要加工性质进行了测定，结果见表5。

表5 麸皮主要加工性质对照表Table 5 The main processing properties of bran

如表5 所示，发酵后麸皮的持水性、溶胀性均增强，其中持水性的增强尤为显著，从3.30 增长到4.32，表明发酵后对麸皮加工品质有一定改善作用。原因可能为发酵使物料的粒度减小、比表面积增大[20]。并在一定程度上分解非水溶性膳食纤维微粒结构、切断其大分子链结构，形成数量较多、分子量较小、链长较短的分子链结构。发酵还可能引起非水溶性膳食纤维分子中的亲水基团暴露率增大，从而提高麸皮的持水力、膨胀力和结合水能力。

3 结论

以麸皮为原料，采用发酵的方法，在单因素试验的基础上，采用响应面分析法得到小麦麸皮可溶性膳食纤维含量为指标的麸皮发酵的最佳制取工艺参数：料液比 1 ∶12（g/mL）、发酵温度 29 ℃、发酵时间 25 h，该条件下麸皮中可溶性膳食纤维的含量为20.21%。

对发酵前后麸皮基本成分的分析可知，发酵后的麸皮不溶性膳食纤维含量显著降低，可溶性膳食纤维含量显著提升，发酵麸皮中蛋白质灰分含量均略有升高。

发酵麸皮的溶胀性显著提高，从2.5（mL/g）提高到3.5（mL/g），持水性从 3.30（g/g）提高到 4.32（g/g）说明发酵后对麸皮的加工特性有明显改善效果。