毛霉發(fā)酵法制備豆渣可溶性膳食纖維的研究

潘進權(quán)，伍惠敏，陳雨鈿

毛霉發(fā)酵法制備豆渣可溶性膳食纖維的研究

潘進權(quán)，伍惠敏，陳雨鈿

(湛江師范學院生命科學與技術(shù)學院，廣東 湛江 524048)

以豆渣為原料，采用毛霉發(fā)酵方法制備可溶性膳食纖維。采用單因素試驗、部分析因設(shè)計、中心組合設(shè)計及響應(yīng)面分析的方法對影響豆渣可溶性膳食纖維制備工藝的因素:培養(yǎng)基含水量、起始pH值、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間等發(fā)酵工藝進行分析，并對其進行優(yōu)化，確定相對較合適的發(fā)酵工藝條件:每支250mL三角瓶裝干豆渣10g，加水調(diào)節(jié)其含水量為56.7%，添加蛋白胨2.33%、KH2PO4 0.57%、CaCl2 0.2%、吐溫-80 0.2%，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基起始pH6.0，接種后置于25℃發(fā)酵80h。在優(yōu)化的工藝條件下，豆渣可溶性膳食纖維的得率可達42.2%。結(jié)果表明，毛霉發(fā)酵可以顯著提高豆渣中可溶性膳食纖維的含量，應(yīng)用該方法制備豆渣可溶性膳食纖維具有可行性。

可溶性膳食纖維；豆渣；毛霉；發(fā)酵；制備

廣義上的膳食纖維泛指不能被人體內(nèi)源酶消化吸收的可食用植物細胞、多糖、木質(zhì)素以及相關(guān)物質(zhì)的總和，包括食品中的大量組成成分如纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、膠質(zhì)、改性纖維素、黏質(zhì)、寡糖、果膠以及少量組成成分如蠟質(zhì)、軟木質(zhì)。按其溶解特性不同分為可溶性膳食纖維(soluble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)兩大類，兩者在人體內(nèi)所具有的生理功能有所不同[1-3]。相比而言，可溶性膳食纖維對人體的生理代謝發(fā)揮著更為重要的作用，它具有防止膽結(jié)石、排除體內(nèi)有害金屬離子、防治糖尿病、降低血清及膽固醇、防止高血壓和心臟病等作用[4-6]；是一種極具應(yīng)用開發(fā)潛力的功能食品添加劑。

豆渣是大豆產(chǎn)品如豆奶或豆腐加工過程中的副產(chǎn)品，中國、阿根廷、巴西、美國、日本等國家每年豆渣的產(chǎn)量很大。因此豆渣的綜合利用已成為各國科研工作者關(guān)注的重要問題之一。然而目前豆渣的利用率卻很低，生產(chǎn)上主要是將豆渣作為動物飼料、焚燒或是直接廢棄。這樣不但造成了資源浪費也導致了環(huán)境污染。

研究顯示，豆渣富含膳食纖維，其含量可高達60%以上，其中的大豆可溶性膳食纖維更是一種具有潛在應(yīng)用價值的生理活性物質(zhì)，具有明顯降低血清膽固醇，改善血糖生成反應(yīng)，改善大腸功能等作用，對機體健康有重要的生理功能[7]。因此，豆渣是制備可溶性膳食纖維的優(yōu)良原料。雖然豆渣總膳食纖維含量較高，但是其中的可溶性膳食纖維的含量卻非常低(小于5%)。因此，如何提高豆渣中可溶性膳食纖維的含量成為研究的關(guān)鍵。

毛霉是傳統(tǒng)豆類發(fā)酵食品的常用菌種，它具有分泌多種水解酶，如蛋白酶、糖苷酶、纖維素酶、脂肪酶等的能力，可以實現(xiàn)豆渣中多種大分子物質(zhì)的水解與轉(zhuǎn)化[8-9]。為此，本研究擬以毛霉發(fā)酵的方法來轉(zhuǎn)化豆渣，以提高豆渣中可溶性膳食纖維含量為目標對發(fā)酵工藝進行探討。

1 材料與方法

1.1 材料

新鮮干豆渣(含水量9.7%) 市售。

1.2 菌種與培養(yǎng)基

毛霉(Mucor sp.)，為湛江師范學院生命科學與技術(shù)學院發(fā)酵工程實驗室分離保藏菌種。

試管斜面培養(yǎng)基:采用PDA培養(yǎng)基；菌種活化培養(yǎng)基:每支250mL三角瓶中加入干麩皮10g，水10mL，攪拌均勻，121℃滅菌20min，冷卻后備用。

豆渣基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基:每支250mL三角瓶中裝入干豆渣10g，加入15mL水，攪拌均勻滅菌后備用。

1.3 方法

1.3.1 菌種活化

從試管斜面培養(yǎng)基上挑取一環(huán)毛霉孢子轉(zhuǎn)接到菌種活化培養(yǎng)基上，混勻后置于恒溫箱內(nèi)，28℃培養(yǎng)3d。

1.3.2 孢子懸液制備

向活化后的三角瓶麩曲中加入無菌水100mL，充分搖勻，用4層無菌紗布過濾，其濾液即為毛霉孢子懸液(孢子濃度為107個/mL)，用作接種豆渣發(fā)酵用。

1.3.3 豆渣發(fā)酵實驗

每支滅菌后的三角瓶發(fā)酵培養(yǎng)基中接入1mL孢子懸浮液，旋轉(zhuǎn)搖勻，置于生化培養(yǎng)箱中28℃培養(yǎng)3d。

1.3.4 豆渣中可溶性膳食纖維的提取

在預(yù)實驗[10-11]結(jié)果基礎(chǔ)上，確定了發(fā)酵豆渣中可溶性膳食纖維的提取方法:豆渣發(fā)酵結(jié)束后，向每支三角瓶中加入蒸餾水300mL(相對于培養(yǎng)基原干豆渣，固液比1:30)，調(diào)pH值到4.0，在80℃恒溫水浴鍋中加熱120min，抽濾得到濾液。加入4倍濾液體積的無水乙醇，靜置30min，抽濾，并多次用80%乙醇洗滌濾渣。將濾渣置于烘箱中105℃烘干至恒質(zhì)量并稱質(zhì)量。

1.3.5 SDF得率的計算

式中:m為發(fā)酵豆渣提取得到的SDF質(zhì)量/g；m1為發(fā)酵培養(yǎng)基中原干豆渣的質(zhì)量/g。

1.3.6 單因素試驗

分別考察基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基中各種營養(yǎng)添加物、含水量、起始pH值、發(fā)酵溫度與時間對毛霉發(fā)酵及水溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化率的影響。

1.3.7 部分析因設(shè)計

通過上述單因素試驗初步確定對毛霉發(fā)酵有促進作用的若干影響因素，并確定各因素的適宜取值范圍。為了進一步考察這些因素的影響程度及各自合適的取值，利用Minitab軟件，采用其中的Plackett-Burman設(shè)計，對上述單因素試驗篩選到的因素做進一步的分析，并由此篩選出對毛霉發(fā)酵有顯著促進作用的因素。

1.3.8 中心組合試驗設(shè)計

利用SAS統(tǒng)計軟件，采用響應(yīng)面分析法中的中心組合設(shè)計[12]，對部分析因設(shè)計中篩選的因素做進一步考察，以確定其最合適的取值，并由此確定發(fā)酵工藝條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 營養(yǎng)添加物對毛霉發(fā)酵的影響

分別在豆渣基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基中以干豆渣為基準添加質(zhì)量分數(shù)3%的碳源(葡萄糖、蔗糖、果糖、麥芽糖、可溶性淀粉、玉米粉)、2%的氮源(蛋白胨、牛肉膏、酵母膏、NaNO3、(NH4)2SO4)、0.3%無機鹽(MgCl2、CaCl2、ZnSO4、FeSO4、MnSO4、CuSO4)、0.5%無機鹽(KH2PO4、K2HPO4)及0.2% 吐溫-80，其他成分保持不變，進行固體發(fā)酵，從而篩選對毛霉發(fā)酵有促進作用的營養(yǎng)因素，結(jié)果如表1所示。可以看出，原基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基中的碳源(殘留于豆渣中的碳水化合物)已足以滿足毛霉生長及代謝的需求，額外添加碳源對毛霉發(fā)酵并無顯著促進作用，相反一些小分子碳源添加物對毛霉發(fā)酵表現(xiàn)出了顯著抑制作用，降低了SDF的得率。這可能是由于這些小分子碳源的添加抑制了毛霉纖維素酶的誘導表達[13]；不同類型的氮源添加物對毛霉發(fā)酵的作用有明顯差異，其中無機氮源對毛霉發(fā)酵幾乎沒有什么作用，而有機氮源尤其是蛋白胨可以顯著促進毛霉發(fā)酵，提高SDF得率；在試驗的幾種無機鹽中，僅有CaCl2與KH2PO4對毛霉發(fā)酵有較顯著的促進作用；此外，培養(yǎng)基中添加一定量的吐溫-80也對毛霉發(fā)酵及SDF得率有明顯的促進作用。根據(jù)以上實驗結(jié)果初步確定對毛霉發(fā)酵及S D F得率有促進作用的幾種營養(yǎng)物:蛋白胨、CaCl2、KH2PO4及吐溫－80。

2.1.2 培養(yǎng)基含水量對毛霉發(fā)酵的影響

對于固體發(fā)酵來說，培養(yǎng)基的含水量尤為重要，因為它直接關(guān)系著培養(yǎng)基中營養(yǎng)物質(zhì)的溶解及運輸，同時也與培養(yǎng)基中氧氣的供應(yīng)密切相關(guān)。培養(yǎng)基含水量過低，則營養(yǎng)物質(zhì)及氧氣的溶解及運輸受到限制；過高的含水量又會導致培養(yǎng)基中空氣流通受影響，從而使氧氣的供給受到限制[14-15]。為了確定發(fā)酵培養(yǎng)基的合適含水量，采用原發(fā)酵培養(yǎng)基分別于不同含水量(35%～80%)的條件進行固體發(fā)酵實驗，考察培養(yǎng)基含水量對毛霉發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖1所示。培養(yǎng)基含水量對毛霉發(fā)酵有顯著的影響，當培養(yǎng)基的含水量低于50%或是高于75%時，豆渣SDF得率明顯偏低。故確定發(fā)酵培養(yǎng)基合適的含水量在50%～70%的范圍。

圖1 培養(yǎng)基含水量對毛霉發(fā)酵的影響Fig.1 Effect of water content in the medium on SDF yield

表1 各種營養(yǎng)添加物對毛霉發(fā)酵的影響Table 1 Effects of nutrient supplements on SDF yield

2.1.3 培養(yǎng)基起始pH值對毛霉發(fā)酵的影響

圖2 pH值對毛霉發(fā)酵的影響Fig.2 Effect of pH on SDF yield

在總含水量不變的前提下，分別用酸或堿調(diào)節(jié)原基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基的起始pH值至4.0～9.0的范圍，然后進行發(fā)酵試驗，考察培養(yǎng)基起始pH值對毛霉發(fā)酵的影響。由圖2可知，pH值對毛霉發(fā)酵及豆渣中膳食纖維轉(zhuǎn)化有較顯著的影響，培養(yǎng)基的酸性或堿性太強均不利于菌體生長及膳食纖維的轉(zhuǎn)化；相比而言，弱酸性的條件更有利于該菌種發(fā)酵。確定發(fā)酵培養(yǎng)基適宜的起始pH值在5～7的范圍。

2.1.4 發(fā)酵溫度對毛霉發(fā)酵的影響

采用基礎(chǔ)培養(yǎng)基分別于不同溫度(18、22、25、28、31、35、38℃)條件下進行發(fā)酵實驗，考察溫度對毛霉發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖3所示。毛霉菌是一種適低溫菌，相對較低的溫度(低于28℃)有利于該菌體生長及膳食纖維的轉(zhuǎn)化，過高的溫度對毛霉發(fā)酵不利。如，當發(fā)酵溫度高于31℃時，毛霉的生長及膳食纖維的轉(zhuǎn)化將受到顯著的抑制。根據(jù)實驗結(jié)果初步確定該菌種合適的發(fā)酵溫度在22～28℃范圍。

圖3 溫度對毛霉發(fā)酵的影響Fig.3 Effect of fermentation temperature on SDF yield

2.1.5 發(fā)酵時間對毛霉發(fā)酵的影響

圖4 發(fā)酵時間與SDF得率的關(guān)系Fig.4 Effect of fermentation time on SDF yield

采用原基礎(chǔ)發(fā)酵培養(yǎng)基進行固體發(fā)酵實驗，分別于不同時間取樣測定SDF得率，考察發(fā)酵時間對毛霉發(fā)酵的影響，結(jié)果如圖4所示。在發(fā)酵的前期(24h內(nèi))，由于孢子剛剛萌發(fā)，菌絲初步形成，菌體量少，酶活力低，因此膳食纖維的轉(zhuǎn)化速率非常低；發(fā)酵30h后，菌體進入快速生長及產(chǎn)酶旺期，膳食纖維的轉(zhuǎn)化基本上以恒速進行；發(fā)酵到72h后，由于培養(yǎng)基水分的大量蒸發(fā)、營養(yǎng)物質(zhì)的消耗以及培養(yǎng)基pH值的變化等在很大程度上抑制了菌體的生長，膳食纖維的轉(zhuǎn)化速度趨于平緩，SDF得率逐漸達到最大。初步確定毛霉發(fā)酵的合適時間為70～90h。

2.2 部分析因設(shè)計

通過以上單因素試驗篩選得到對毛霉發(fā)酵有促進作用的8個因素。為了進一步分析這些因素對毛霉發(fā)酵影響的顯著性，采用部分析因設(shè)計的方法對其進行了進一步考察，表2～4分別給出了試驗設(shè)計的因素水平設(shè)計、結(jié)果及其回歸分析。

表2 部分析因設(shè)計的因素水平表Table 2 Factors and levels of fractional factorial design

表3 部分析因試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Fractional factorial design scheme and corresponding experimental results

由表4可知，在表2設(shè)定的各因素取值范圍內(nèi)，因素A、C、E、F對毛霉發(fā)酵表現(xiàn)為正效應(yīng)，即對毛霉發(fā)酵與SDF得率有促進作用；因素B、D、G、H在取值范圍內(nèi)對毛霉發(fā)酵表現(xiàn)出負效應(yīng)；在考察的8個因素中，蛋白胨(A)、KH2PO4(C)、培養(yǎng)基含水量(G)對毛霉發(fā)酵的影響極為顯著(P＜0.01)；CaCl2(B)、吐溫-80(D)及發(fā)酵溫度(E)對毛霉發(fā)酵的影響較顯著(P＜0.05)；發(fā)酵時間(F)與培養(yǎng)基起始pH值(H)對毛霉發(fā)酵的影響不顯著(P＞0.05)。另外，本試驗結(jié)果的曲率分析則表明，部分析因設(shè)計確定的實驗空間是一極顯著的曲面(P＜0.01)，其中必然存在最大或最小響應(yīng)點。為了確定此實驗空間內(nèi)的極值響應(yīng)點，后續(xù)實驗將以因素A、C、G為對象，在表1所示的各因素取值范圍內(nèi)進行中心組合試驗設(shè)計及響應(yīng)曲面分析。在此同時固定因素B、D、E和F的取值為中水平。

表4 部分析因試驗結(jié)果的回歸分析Table 4 Regression analysis of the experimental results of fractional factorial design

2.3 中心組合試驗設(shè)計結(jié)果

在以上部分析因試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進行了中心組合試驗設(shè)計，考察了蛋白胨(A)、KH2PO4(C)和培養(yǎng)基含水量(G)三者的相互作用及其對毛霉發(fā)酵的影響。中心組合試驗設(shè)計及結(jié)果如表5所示。

表5 中心組合試驗設(shè)計及結(jié)果Table 5 Central composite design scheme and corresponding experimental results

對表5的試驗結(jié)果進行回歸分析，可以擬合得到以下數(shù)學模型:

分析表明，該回歸模型具有非常高的顯著性，其P＝0.000＜0.01，R2＝0.9250，說明該模型可以擬合實驗空間中92.5%的實驗結(jié)果。圖5～7給出了擬合模型的響應(yīng)曲面?？梢钥闯?，該曲面是一典型的凸面響應(yīng)，其上存在最大響應(yīng)點。利用SAS軟件分析確定了最大響應(yīng)值為(42.3±0.6)%，其對應(yīng)的因素取值分別為蛋白胨2.33%、KH2PO40.57%、培養(yǎng)基含水量56.7%。在此條件下，測得SDF得率平均值為42.2%，與模型的預(yù)測值基本一致，進一步驗證了該模型的可靠性。

圖5 蛋白胨與KH2PO4對毛霉發(fā)酵的影響Fig.5 Response surface plot showing the effects of peptone and KH2PO4 on SDF yield

圖6 KH2PO4與培養(yǎng)基含水量對毛霉發(fā)酵的影響Fig.6 Response surface plot showing the effects of KH2PO4 and water content in the medium on SDF yield

圖7 蛋白胨與培養(yǎng)基含水量對毛霉發(fā)酵的影響Fig.7 Response surface plot showing the effects of petone and water content in the medium on SDF yield

根據(jù)以上優(yōu)化實驗的結(jié)果，由此可確定毛霉發(fā)酵制備可溶性膳食纖維的工藝條件為:每支250mL三角瓶裝豆渣10g，加水調(diào)節(jié)其含水量為56.7%，添加蛋白胨2.33%、KH2PO40.57%、CaCl20.2%、吐溫-80 0.2%，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基起始pH值為6.0，滅菌后接種1mL孢子懸浮液，置于25℃發(fā)酵80h。

3 討 論

豆渣是大豆制品加工后的廢棄物，開展其應(yīng)用相關(guān)研究對于提高資源利用率，改善豆渣廢棄導致的環(huán)境問題有重要意義。以豆渣為原料提取制備可溶性膳食纖維是該領(lǐng)域的研究熱點。在眾多以往的研究報道中，豆渣膳食纖維的轉(zhuǎn)化采用較多的是物理方法，如蒸煮、擠壓或輔助超聲波作用[16-17]，雖然這些方法對豆渣中可溶性膳食纖維含量的提高有一定的作用，但由于工藝復雜、生產(chǎn)成本較高而不具有推廣價值。近年來也有采用酶解的方法制備豆渣膳食纖維的報道[18-19]，雖然生產(chǎn)工藝較溫和，能耗也較低，但由于單一酶解的效率并不高，因此豆渣可溶性膳食纖維的轉(zhuǎn)化率也是比較低的。

為了克服酶解法的不足，本研究提出了以毛霉發(fā)酵的方法轉(zhuǎn)化豆渣制備可溶性膳食纖維，利用毛霉發(fā)酵過程中分泌的復合酶系水解豆渣中大分子物質(zhì)，從而極大程度上提高豆渣可溶性膳食纖維的得率。該研究采用單因素試驗、部分析因設(shè)計及響應(yīng)面分析的方法對影響毛霉發(fā)酵的若干因素進行了分析，并對發(fā)酵工藝進行優(yōu)化，確定了合適的發(fā)酵工藝條件。在優(yōu)化的條件下，豆渣可溶性膳食纖維的得率可以達到42.2%，高于現(xiàn)有文獻報道結(jié)果[16-20]。結(jié)果表明:毛霉發(fā)酵可以顯著增加豆渣中可溶性膳食纖維的含量，提高可溶性膳食纖維的得率；應(yīng)用該工藝制備豆渣可溶性膳食纖維具有較好的可行性。

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Preparation of Soluble Dietary Fiber from Soybean Dregs by Mucor Fermentation

PAN Jin-quan，WU Hui-min，CHEN Yu-tian
(School of Life Science and Technology, Zhanjiang Normal University, Zhanjiang 524048, China)

Soybean dregs were used as the basal fermentation medium for Mucor to produce soluble dietary fiber (SDF). The effects of major parameters including water content in medium, initial pH, fermentation temperature and fermentation time were analyzed and the fermentation process was optimized by one-factor-at-a-time design (OFAT), fractional factorial design (FFD), central composite design (CCD) and response surface methodology. The optimal fermentation process conditions were 10 g of soybean dregs contained in a 250 mL shake flask with the addition of 2.33% peptone (g/g soybean dregs), 0.57% KH2PO4, 0.2% CaCl2 and 0.2% Tween-80 as the nutrient supplements, initial water content of 56.7%, fermentation temperature of 25 ℃ and fermentation time of 80 h. Under these conditions, the yield of SDF could reach up to 42.2%. Therefore, Mucor fermentation is applicable for the preparation of SDF from soybean dregs.

soluble dietary fiber；soybean dregs；Mucor；fermentation；preparation

TS209

A

1002-6630(2012)15-0210-06

2011-06-23

廣東省自然科學基金項目(9452404801001943)；湛江師范學院基金項目(ZL0912)

潘進權(quán)(1978—)，男，講師，博士，研究方向為酶與發(fā)酵工程。E-mail:pjq78@tom.com