發(fā)酵法制備刺梨果渣可溶膳食纖維的工藝優(yōu)化

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(1.貴陽(yáng)學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550005;2.貴州省果品加工工程技術(shù)研究中心,貴州貴陽(yáng) 550005)

刺梨(Rosa roxburghii Tratt)屬于薔薇科薔薇屬多年生落葉叢生灌木[1],分布于貴州、云南、四川、重慶、湖南等地區(qū),尤以貴州盛產(chǎn),據(jù)調(diào)查,貴州省除威寧縣外,其余縣市都有刺梨的分布[2]。刺梨是集藥用、保健、食用、觀賞為一體的水果[2],具有廣泛的開發(fā)前景。已有報(bào)道刺梨果實(shí)VC、VP、SOD含量雄冠世界所有水果,故稱“三王水果”,還屬于膳食纖維含量較高的果品[3]。伴隨著對(duì)其活性成分的研究,現(xiàn)已作為貴州省區(qū)域重點(diǎn)藥食兩用植物資源進(jìn)行大力研發(fā),刺梨正廣泛應(yīng)用于食品、保健食品、醫(yī)藥領(lǐng)域[1,4]。目前,主要在刺梨飲料、果酒、果醋、刺梨果脯等方面進(jìn)行深加工應(yīng)用研究[3]。據(jù)報(bào)道刺梨果實(shí)經(jīng)榨汁后殘留近50%果渣[5],隨著加工產(chǎn)品的日益增加將會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的加工副產(chǎn)物-果渣,而果渣作為一種來(lái)源豐富而又經(jīng)濟(jì)的資源,綜合開發(fā)利用刺梨果渣,既能提高果渣利用價(jià)值,延長(zhǎng)果渣加工產(chǎn)業(yè)鏈,又能減少對(duì)環(huán)境的污染[5]。

膳食纖維因其具有預(yù)防肥胖癥、防止糖尿病、抑制有害菌等作用而日益受到關(guān)注[6-9],膳食纖維的很多重要生理功能又都與可溶性膳食纖維(SDF)有很大的關(guān)系,但一般膳食纖維中可溶性膳食纖維中含量都很低,只有3%～6%,無(wú)法達(dá)到膳食平衡要求。鑒于刺梨果渣是優(yōu)質(zhì)膳食纖維的良好來(lái)源[10],因此嘗試采用不同的方法對(duì)膳食纖維進(jìn)行改性,以提高可溶性纖維的含量和達(dá)到提高膳食纖維生理功能的目的是近幾年的研究熱點(diǎn)[11]。制備膳食纖維常見的方法,需要加入酸、堿、鹽等試劑[12],在處理過(guò)程中將產(chǎn)生大量陰、陽(yáng)離子,而這會(huì)給膳食纖維的利用帶來(lái)一定不利的因素。本研究以貴州龍里刺梨加工廢棄果渣為原料,采用保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌,經(jīng)微生物發(fā)酵,確定制備刺梨果渣可溶性膳食纖維的最佳工藝條件,這不僅提高了原料的利用率、減少浪費(fèi),還為刺梨果渣資源的高值轉(zhuǎn)化利用提供參考,從而達(dá)到綜合利用的目的。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

刺梨果渣 貴州龍里刺梨經(jīng)榨汁等加工后的副產(chǎn)物,微波真空干燥至恒重,粉碎,過(guò)40目篩后制成刺梨果渣粉,密封后置于-20 ℃?zhèn)溆?。培養(yǎng)基:MRS培養(yǎng)基 北京奧博星。保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌 中國(guó)菌種保藏中心。

AUW120D電子分析天平 日本島津公司;TGL-16C高速臺(tái)式離心機(jī) 北京市永光明醫(yī)療儀器廠;202-1AB型恒溫干燥箱 天津市泰斯特儀器有限公司;SHA-B數(shù)顯水浴恒溫振蕩器 常州澳華恩斯儀器有限公司;LDZX-30KBS高壓滅菌鍋 上海申安有限公司;SPX-250B-Z生化培養(yǎng)箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司;SW-CJ-1G超凈工作臺(tái) 蘇凈集團(tuán)蘇州安泰空氣技術(shù)有限公司;FW80萬(wàn)能粉碎機(jī) 江陰市祥達(dá)機(jī)械制造有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)酵菌種制備 取保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌(1∶1混合菌種)接種于培養(yǎng)基中培養(yǎng)[9],用血球計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù),使菌數(shù)含量在107～108個(gè)·mL-1。

1.2.2 工藝流程 刺梨果渣→干燥→粉碎過(guò)篩(60目)→調(diào)料→滅菌→接種→發(fā)酵→滅活→6000 r/min離心分離(沉淀即IDF)→上清液→靜置、等電點(diǎn)→醇析→抽濾→干燥→可溶性膳食纖維(SDF)[13]。

1.2.3 操作要點(diǎn) 粉碎過(guò)篩:取干燥后的刺梨果渣粉碎,過(guò)60目篩;調(diào)料:按一定料水比添加于果渣中,并向料液中加入2%的脫脂奶粉和1.5%的白砂糖,將料液攪拌、混合均勻,并調(diào)節(jié)pH后滅菌;接種:置于無(wú)菌室中,冷卻至室溫,向料液中加入一定量的發(fā)酵菌種;發(fā)酵:在一定溫度下發(fā)酵一定時(shí)間后取出即可;離心分離:采用離心機(jī)進(jìn)行固液分離,轉(zhuǎn)速為6000 r/min,時(shí)間10 min,沉淀即為IDF,收集上清液;醇析:加3倍95%乙醇,沉淀SDF,然后再進(jìn)行抽濾,分離出可溶性膳食纖維;干燥:分離出的SDF在60 ℃干燥3 h左右,稱量并記錄,所得產(chǎn)物為刺梨果渣SDF。

1.2.4 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.4.1 接種量對(duì)SDF得率的影響 取刺梨果渣2.00 g,料液比為1∶20,pH為6.0,分別按6%、8%、10%、12%和14%接入發(fā)酵菌種,于38 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,以SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析接種量對(duì)刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)SDF得率的影響 取刺梨果渣2.00 g,料液比為1∶20,pH為6.0,接種量為10%,于38 ℃恒溫培養(yǎng)箱中分別培養(yǎng)24、36、48、60、72 h,以SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析發(fā)酵時(shí)間對(duì)刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.3 料液比對(duì)SDF得率的影響 取刺梨果渣2.00 g,pH為6.0,接種量為10%,分別以料液比為1∶10、1∶15、1∶20、1∶25和1∶30于38 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,以SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析料液比對(duì)刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.4 發(fā)酵溫度對(duì)SDF得率的影響 取刺梨果渣2.00 g,料液比為1∶20,pH為6.0,接種量為10%,分別于34、36、38、40、42和44 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,以SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析發(fā)酵溫度對(duì)刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.5 pH對(duì)SDF得率的影響 取刺梨果渣2.00 g,料液比為1∶20,接種量為10%,pH分別為4.0、5.0、6.0、7.0和8.0,于38 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h,以SDF得率為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析pH對(duì)刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.5 正交實(shí)驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以SDF得率為指標(biāo),選取五因素三水平的L18(35)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工藝條件優(yōu)化,因素水平見表1。

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

1.2.6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)分析確定的可溶性膳食纖維最佳工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1.2.7 SDF得率的計(jì)算 SDF得率(%)=刺梨果渣SDF 干重(g)/刺梨果渣干重(g)× 100

1.2.8 理化性質(zhì)分析

1.2.8.1 持水力 在20 ℃下用蒸餾水浸泡1.00 g膳食纖維1 h,將吸飽水的膳食纖維倒入濾紙漏斗上過(guò)濾,待水滴干后,把結(jié)合了水的膳食纖維轉(zhuǎn)移至表面皿上稱重,換算成每克纖維能存留水的克數(shù),即持水力(WHC)=(樣品濕重(g)-樣品干重(g))/樣品干重(g)[14-15]。

1.2.8.2 溶脹性 稱取過(guò)60目篩的膳食纖維0.1000 g,置于10 mL的量筒中,移液管準(zhǔn)確移取一定量蒸餾水加入其中,振蕩均勻后于室溫下放置24 h,讀取液體中膳食纖維的體積。溶脹性(SW)=(溶脹后纖維體積(mL)-干樣品體積(mL))/樣品干重(g)[14-15]。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以p<0.05作為差異顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 接種量對(duì)SDF得率的影響 如圖1所示,隨著接種量的增加刺梨果渣可溶性膳食纖維得率不斷增大,當(dāng)接種量為10%時(shí),可溶性膳食纖維的得率最高(p<0.05);當(dāng)接種量大于10%時(shí),可溶性膳食纖維的得率則呈下降趨勢(shì)。提示發(fā)酵菌種的量過(guò)低,菌體生長(zhǎng)緩慢使得發(fā)酵不徹底,而接種量過(guò)大則導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)旺盛[13],發(fā)酵劇烈,使得培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)缺乏或溶氧不足,從而后續(xù)發(fā)酵動(dòng)力不足[16],或者過(guò)多的菌種生長(zhǎng)代謝旺盛的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一定量的代謝產(chǎn)物,代謝產(chǎn)物的積累抑制了菌種正常的生長(zhǎng)。只有適宜的接種量可以縮短菌種繁殖達(dá)到高峰的時(shí)間,使產(chǎn)物的形成提前到來(lái),并可減少雜菌的生長(zhǎng)機(jī)會(huì)[17]。鑒于此,選擇10%、12%和14%的接種量作為下一步正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖1 接種量對(duì)SDF 得率的影響Fig.1 Effects of inoculating volume on the SDF yield注:圖中字母不同為差異顯著,p<0.05,圖2～圖5同。

2.1.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)SDF得率的影響 隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng),刺梨果渣可溶性膳食纖維得率一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì),果膠作為可溶性膳食纖維的主要成分,其中的原果膠溶解性較差,發(fā)酵時(shí)間短,原果膠不能充分溶解出來(lái)[18]。發(fā)酵到48 h后,三個(gè)組間可溶性膳食纖維的含量均差異不顯著(p>0.05)。發(fā)酵60 h后,刺梨果渣可溶性膳食纖維得率呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),可能由于時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)使果膠裂解,且果膠在水中被氫離子水解[18];另外,由于發(fā)酵時(shí)間的增加,菌種增長(zhǎng)致使發(fā)酵產(chǎn)物不斷的積累,體系pH不斷下降,抑制菌體自身生長(zhǎng)或產(chǎn)生菌體自溶,使菌體產(chǎn)酶效果下降從而導(dǎo)致發(fā)酵能力的下降[16-17]。另外,從經(jīng)濟(jì)角度考慮發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致能耗過(guò)高、發(fā)酵周期太長(zhǎng)均不利于實(shí)際生產(chǎn)。因此,選擇48、60和72 h的發(fā)酵時(shí)間作為下一步正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)SDF得率的影響Fig.2 Effects of fermentation time on the SDF yield

2.1.3 料液比對(duì)SDF得率的影響 由圖3可知,隨著料液比的增大,刺梨果渣可溶性膳食纖維含量不斷增加,在1∶20時(shí)可溶性膳食纖維的含量顯著增加(p<0.05),且與其他幾組相比得率最高。當(dāng)料液比達(dá)到1∶25時(shí)刺梨果渣可溶性膳食纖維含量開始降低,但與1∶20料液比時(shí)含量變化差異不顯著(p>0.05),可能由于原料吸水膨脹,導(dǎo)致透氣性下降,同時(shí)浸提液體積過(guò)大,不利于后期的濃縮分離,增大成本[13]。而料液比低于1∶20時(shí),由于菌種和原料接觸不充分,導(dǎo)致發(fā)酵不徹底。因此,選擇料液比為1∶20、1∶25和1∶30作為下一步正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖3 料液比對(duì)SDF得率的影響Fig.3 Effects of solid-liquid ratio on the SDF yield

2.1.4 發(fā)酵溫度對(duì)SDF得率的影響 由圖4可知,34 ℃時(shí)發(fā)酵速度較慢,且制取率較低(p<0.05),38～42 ℃時(shí)發(fā)酵可溶性膳食纖維的得率較高,且各組差異不顯著(p>0.05),而顯著高于34 ℃時(shí)的得率(p<0.05),提示在這個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行發(fā)酵較適于保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌發(fā)酵菌種的生長(zhǎng)和代謝;當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),可溶性膳食纖維得率下降(p>0.05),這可能是由于溫度升高導(dǎo)致其本身分子結(jié)構(gòu)受到破壞[18],或者使發(fā)酵菌種的活性受到一定的抑制,從而使刺梨果渣可溶性膳食纖維的得率降低。因此,發(fā)酵溫度控制在40 ℃左右較為合適。

圖4 發(fā)酵溫度對(duì)SDF 得率的影響Fig.4 Effects of fermentation temperature on the SDF yield

2.1.5 pH對(duì)SDF得率的影響 pH對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響見圖5,隨著pH的升高,刺梨果渣可溶性膳食纖維的得率呈先增加再減少的趨勢(shì)(p<0.05);當(dāng)起始pH6.0時(shí),可溶性膳食纖維的得率達(dá)到最大(p<0.05);pH高于6.0時(shí),得率迅速下降(p<0.05),并且比pH低于6.0時(shí)的得率(p<0.05)少,這可能由于較低的pH時(shí),發(fā)酵菌種乳酸菌的耐酸性較強(qiáng),而pH過(guò)高抑制了菌體自身生長(zhǎng)或產(chǎn)生菌體自溶,使菌體產(chǎn)酶效果下降從而導(dǎo)致發(fā)酵能力下降。因此,選擇pH為4.0、5.0、6.0作為下一步正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖5 pH對(duì)SDF得率的影響Fig.5 Effects of pH on the SDF yield

2.2正交實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)影響刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的各個(gè)因素進(jìn)行初步分析后,選取發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵溫度、接種量、料液比和pH這5個(gè)因素,并根據(jù)這5個(gè)因素的單因素實(shí)驗(yàn)所確定的三個(gè)較優(yōu)水平進(jìn)行正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn),具體設(shè)計(jì)見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及直觀分析見表2。由表2極差分析可知,影響刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的主次順序B>E>C>A>D,即pH>發(fā)酵溫度>發(fā)酵時(shí)間>接種量>料液比;并得出發(fā)酵法制備刺梨果渣可溶性膳食纖維的最適工藝條件為A2B3C1D2E2,即接種量12%、pH6.0、發(fā)酵時(shí)間48 h、料液比1∶25、發(fā)酵溫度40 ℃。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表Table 2 The orthogonal experiment results analysis table

表3 膳食纖維持水力和膨脹力Table 3 Water-holding capacity and swelling capacity of DF

注:標(biāo)注不同字母的表示差異顯著(p<0.05)。

2.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)所得的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),由保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌(1∶1)進(jìn)行微生物發(fā)酵,刺梨果渣可溶性膳食纖維的平均得率可達(dá)到(16.81±0.99)%,可溶性膳食纖維產(chǎn)品呈淡黃色、質(zhì)構(gòu)蓬松、無(wú)味。

2.4刺梨果渣膳食纖維的持水力和膨脹力

持水力和膨脹力作為衡量膳食纖維品質(zhì)的2個(gè)重要指標(biāo),其值越大就表示膳食纖維的吸附性能越強(qiáng),就保健功能而言,膳食纖維的持水力高,則進(jìn)食后其排出物體積大,質(zhì)地軟,有利于防止便秘和結(jié)腸癌的發(fā)生[14-15]。從表3可知,3種樣品中,刺梨果渣可溶性膳食纖維的持水力高于果渣組(p<0.05),膨脹力兩組樣品差異不顯著。西方國(guó)家常用的小麥麩皮纖維持水力為4.0 g/g,膨脹力為4.0 mL/g[16]。可見,刺梨膳食纖維的持水力明顯高于小麥麩皮膳食纖維,而膨脹力則略高于小麥麩皮纖維。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在單因素實(shí)驗(yàn)(接種量、起始pH、料液比、發(fā)酵時(shí)間和溫度)的基礎(chǔ)上,通過(guò)L18(35)正交實(shí)驗(yàn)選出采用保加利亞乳酸桿菌與嗜熱鏈球菌發(fā)酵法優(yōu)化制備貴州產(chǎn)刺梨果渣可溶性膳食纖維的最佳工藝條件,即為菌種的接種量12%、料液比1∶25、pH為6、發(fā)酵溫度40 ℃的條件下培養(yǎng)48 h,該條件下可溶性膳食纖維得率為(16.81±0.99)%,并且高于非發(fā)酵條件下的可溶性膳食纖維得率(實(shí)驗(yàn)室用酶法提取刺梨果渣可溶性膳食纖維的得率為4.9%左右),說(shuō)明用保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌混合發(fā)酵可以非常明顯地提高可溶性膳食纖維的得率,并且發(fā)酵法制備的膳食纖維持水力和膨脹力也較大。本研究方法操作簡(jiǎn)單,成本低,為貴州產(chǎn)刺梨果渣的綜合利用提供了新的途徑,也為刺梨膳食纖維作為半成品或成品開發(fā)保健食品的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

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