微生物發(fā)酵法提取大豆渣膳食纖維的研究

趙泰霞，朱杏玲

（武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建武夷山354300）

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微生物發(fā)酵法提取大豆渣膳食纖維的研究

趙泰霞，朱杏玲

（武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建武夷山354300）

摘要：以新鮮豆渣為原料，以保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1∶1）為發(fā)酵劑，利用發(fā)酵法來提取大豆膳食纖維。以可溶性膳食纖維（SDF）得率為衡量指標(biāo)，探討發(fā)酵時(shí)間、發(fā)酵劑接種量、脫脂奶粉和白砂糖添加量以及發(fā)酵溫度等因素對(duì)發(fā)酵工藝的影響，并利用正交試驗(yàn)進(jìn)行工藝優(yōu)化。結(jié)果表明，最佳工藝條件為：發(fā)酵時(shí)間30 h，發(fā)酵劑接種量5%，3%脫脂奶粉+0.5%白砂糖，發(fā)酵溫度41℃，提取的DF得率為75.6%，SDF得率為17.2%。成品呈淺黃色，無豆腥味、并有一股淡淡的特殊香味。

關(guān)鍵詞：大豆渣；膳食纖維；可溶性膳食纖維；發(fā)酵

豆渣是各類大豆制品如豆腐、腐乳、豆腐干、豆乳等生產(chǎn)加工過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物［1-8］。據(jù)研究，相對(duì)于其他谷類作物來說，豆渣是一種十分理想的膳食纖維源，其含量達(dá)50%～70%，其纖維質(zhì)感好、口感佳［9］，通過加工處理得到的食用大豆纖維粉，在眾多天然膳食纖維源中是最價(jià)廉質(zhì)高的，同時(shí)也是非常好的多功能蛋白——膳食纖維添加劑［10］。

我國大豆年消費(fèi)量巨大，豆渣約占總重的15%～20%，但并未對(duì)豆渣進(jìn)行大規(guī)模的深加工利用，更多的是將其用作豬飼料或遺棄。然而，由于新鮮豆渣含水量高，約70%～80%，容易腐敗變質(zhì)；更重要的是用豆渣喂豬非常麻煩，必須煮熟、控制使用量，且容易引起消化不良，若是誤食變質(zhì)的豆渣，嚴(yán)重者可造成死亡。因此，不少飼養(yǎng)員排斥使用豆渣飼料，這更加劇了豆渣資源的浪費(fèi)。針對(duì)這種情況，將豆渣進(jìn)行深加工，提取豆渣中的膳食纖維，研究如何提取質(zhì)量好、純度高、生理活性好的膳食纖維具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，用微生物發(fā)酵法提取大豆渣膳食纖維的研究工藝尚未成熟。與化學(xué)分離法、化學(xué)試劑-酶結(jié)合分離法、超聲波輔助提取法和膜分離法相比，用發(fā)酵法提取的膳食纖維更安全、純度高，更重要的是提取過程簡單、成本低、易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此，本文研究如何通過發(fā)酵法來獲得更安全、口感佳，無豆腥味的膳食纖維。

1 材料與方法

1.1 供試材料

大豆渣、白砂糖均為市售；脫脂奶粉（完達(dá)山乳業(yè)股份有限公司）；菌種：保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌（實(shí)驗(yàn)室菌種庫自備）；MRS：培養(yǎng)基廣東環(huán)凱微生物有限公司，NaOH、HCL、Na2CO3、95%乙醇均為分析純。

1.2 儀器設(shè)備

立式壓力蒸汽滅菌器：上海東亞壓力容器制造有限公司；電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海智城分析儀器制造有限公司；電熱恒溫培養(yǎng)箱：上海智城分析儀器制造有限公司；超凈工作臺(tái)：蘇州凈化設(shè)備有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；真空泵：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

2 試驗(yàn)方法

2.1 工藝流程

圖1 工藝流程圖

2.2 菌種活化和馴化

保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的適宜培養(yǎng)基為牛乳或脫脂乳粉，為使菌種能在大豆渣料液培養(yǎng)基中生長良好，須分別對(duì)其進(jìn)行馴化［11］。具體方法如下：

圖2 菌種活化流程圖

2.3 操作要點(diǎn)

2.3.1 選料

選取新鮮的豆渣（生產(chǎn)豆腐下腳料，呈淡黃色，豆腥味濃），不能選擇已發(fā)酸、發(fā)臭、發(fā)霉的豆渣。

2.3.2 調(diào)料

稱取20 g豆渣，裝入100 mL錐形瓶中，并按照1∶2的料液比往錐形瓶中加入已溶解了適量脫脂奶粉和白砂糖的蒸餾水，混合均勻。

2.3.3 滅菌

95℃加熱滅菌15 min［3］。

2.3.4 接種

在無菌操作臺(tái)中，無菌加入適量的生產(chǎn)發(fā)酵劑。

2.3.5 發(fā)酵

在適宜溫度下培養(yǎng)一定時(shí)間，發(fā)酵至呈凝乳狀態(tài)、淡黃色、能聞到輕微的酸味。

2.2.6 調(diào)pH

將發(fā)酵好的豆渣用蒸餾水清洗1～2次，然后用2%的Na2CO3溶液將pH調(diào)至中性，pH為6.6～6.8［3］。

2.3.7 產(chǎn)品

將上述豆渣進(jìn)行真空抽濾，濾液和濾渣分別進(jìn)行如下處理：

a、不溶性膳食纖維（IDF）：將濾渣進(jìn)行70℃恒溫干燥，并干燥至恒重，粉碎過60目篩，即得IDF，備用。

b、可溶性膳食纖維（SDF）∶將濾液進(jìn)行濃縮，用4倍體積的95%乙醇溶液進(jìn)行沉淀［12］，沉淀1.5 h［13］，過濾取濾渣，于70℃干燥至恒重，粉碎過60目篩，即得SDF，備用。

2.4 單因素試驗(yàn)

該試驗(yàn)將發(fā)酵時(shí)間t（min）、菌種接種量、脫脂奶粉和白砂糖的添加量、發(fā)酵溫度T（℃）設(shè)為單因素，每個(gè)因素分別設(shè)5水平：發(fā)酵時(shí)間t（min）分別為12、24、36、48、60 h，菌種接種量為1%、3%、5%、7%、9%，脫脂奶粉和白砂糖的添加量為3.5%脫脂奶粉、3%脫脂奶粉+0.5%白砂糖、2%脫脂奶粉+1.5%白砂糖、1%脫脂奶粉+2.5%白砂糖、3.5%白砂糖，發(fā)酵溫度T（℃）為35、38、41、44、47℃。

2.5 正交試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)L9（34）正交試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀和方差分析，確定發(fā)酵法提取大豆膳食纖維的最佳工藝條件。交試驗(yàn)因素水平表見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)酵時(shí)間對(duì)膳食纖維得率的影響

由圖3可以看出，發(fā)酵時(shí)間在24 h前，大豆渣SDF的提取率隨著發(fā)酵時(shí)間的延長急劇增加；發(fā)酵時(shí)間在24 h時(shí)，大豆渣SDF的提取率達(dá)到最大，這說明適當(dāng)延長發(fā)酵時(shí)間有利于提高SDF的得率；發(fā)酵時(shí)間在24 h后，大豆渣SDF的提取率增幅不大，并稍微有些下降。

原因分析：發(fā)酵前期時(shí)間過短，酶活性低，菌種發(fā)酵不完全，乳酸等代謝產(chǎn)物生成較少，影響IDF轉(zhuǎn)化為SDF；發(fā)酵時(shí)間適宜，IDF大量轉(zhuǎn)化為SDF，使SDF的提取率達(dá)到最大；但發(fā)酵時(shí)間過長，次級(jí)代謝產(chǎn)物及有害物質(zhì)增多，不利于菌體生長，同時(shí)一些結(jié)構(gòu)緊密的IDF不能再轉(zhuǎn)化為SDF，因此，SDF的提取率有所下降。

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)膳食纖維得率的影響

3.2 發(fā)酵劑接種量對(duì)膳食纖維得率的影響

由圖4可以看出，當(dāng)發(fā)酵劑接種量小于3%時(shí)，大豆渣SDF的提取率隨著接種量的增加而迅速提高；接種量為3%時(shí)，大豆渣SDF的提取率達(dá)到最大，這說明適當(dāng)增加發(fā)酵劑接種量有利于提高SDF的提取率；當(dāng)發(fā)酵劑接種量大于3%時(shí)，隨著接種量的增大，SDF提取率緩慢下降并趨于平緩。

原因分析：過少的發(fā)酵劑接種量，影響菌種生長繁殖，轉(zhuǎn)化速率低，SDF的提取率低；發(fā)酵劑接種量過多時(shí)，前期生長過快，衰老細(xì)胞增多，發(fā)酵產(chǎn)酸過多，影響乳酸菌代謝，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化動(dòng)力不足，影響SDF的提取率。

圖4 發(fā)酵劑接種量對(duì)膳食纖維得率的影響

3.3 脫脂奶粉和白砂糖添加量對(duì)膳食纖維得率的影響

從表2可以看出，對(duì)照組SDF的提取率最低，說明加入脫脂奶粉和白砂糖的豆渣培養(yǎng)基營養(yǎng)更豐富，更適合乳酸菌的生長。添加3%脫脂奶粉+0.5%白砂糖時(shí)，SDF提取率最高，原因可能是因?yàn)榇藭r(shí)乳酸菌對(duì)IDF的降解作用增強(qiáng)，使大量IDF轉(zhuǎn)化為SDF。

表2 脫脂奶粉和白砂糖添加量對(duì)膳食纖維得率的影響

3.4 發(fā)酵溫度對(duì)膳食纖維得率的影響

由圖5可以看出，發(fā)酵溫度低于41℃時(shí)，SDF的得率隨著發(fā)酵溫度的升高而大幅度提高；發(fā)酵溫度超過41℃時(shí)，SDF的提取率有所降低。說明溫度過低或過高都影響菌體的生長繁殖及乳酸菌等代謝產(chǎn)物的生成，導(dǎo)致SDF的提取率降低。

圖5 發(fā)酵溫度對(duì)膳食纖維得率的影響

3.5 發(fā)酵工藝條件的優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)了L9（34）正交試驗(yàn)。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀和方差分析，可確定提取大豆膳食纖維的最佳工藝條件。結(jié)果見表3和表4。

表3 直觀分析

從表3可以看出，發(fā)酵時(shí)間的極差R最大為2.200，是影響SDF提取率的最主要因素。主次順序?yàn)锳＞B＞D＞C，即發(fā)酵時(shí)間＞菌種接種量＞發(fā)酵溫度＞脫脂奶粉和白砂糖的添加量。由于脫脂奶粉和白砂糖添加量的極差最小，作為誤差列。

表4 方差分析

從表4可以看出，發(fā)酵時(shí)間和菌種接種量對(duì)可溶性膳食纖維的影響顯著，發(fā)酵溫度、脫脂奶粉和白砂糖的添加量對(duì)其影響不顯著。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)組合為A2B3D2C1，即最佳發(fā)酵工藝為：發(fā)酵時(shí)間30 h，菌種接種量5%，3%脫脂奶粉+0.5%白砂糖，發(fā)酵溫度41℃。

按以上最佳組合方案A2B3D2C1作驗(yàn)證試驗(yàn)，經(jīng)三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測得的大豆渣總膳食纖維的平均得率為75.6%，SDF占總膳食纖維的比例為17.2%，且持水力為6.19 g/g，溶脹性為8.14 mL/g。

4 結(jié)論與討論

大豆渣是一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的膳食纖維源，本文以新鮮豆渣為原料，利用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1∶1）混合菌種發(fā)酵制備的膳食纖維是一種呈淺黃色、無豆腥味，并帶有一種特殊香味的粉末。通過單因素和正交試驗(yàn)，最佳工藝條件是：發(fā)酵時(shí)間30 h，菌種接種量5%，3%脫脂奶粉+0.5%白砂糖，發(fā)酵溫度41℃。

膳食纖維持水力和溶脹性的大小是衡量膳食纖維品質(zhì)好壞的兩個(gè)重要特性，持水力和溶脹性越大則表示膳食纖維的吸水、吸油能力越強(qiáng)，表面積及吸附性也越大，因而膳食纖維的生理活性也越好。按上述發(fā)酵條件制備的膳食纖維持水力高、吸水性強(qiáng)，持水力和溶脹性也較為理想；制取的總膳食纖維（TDF）提取率為75.6%，且可溶性膳食纖維（SDF）占TDF的比例高達(dá)17.2%，是一種優(yōu)質(zhì)的膳食纖維。

在本實(shí)驗(yàn)中，并沒有除去豆渣中的蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉。具體原因如下：

據(jù)研究，豆渣中脂肪以及淀粉含量都特別低，不會(huì)對(duì)發(fā)酵過程產(chǎn)生影響，因此沒有必要除去。如在涂宗財(cái)［3］等對(duì)豆渣原料成分的分析中發(fā)現(xiàn)脂肪含量只有2.5%；在王波等［16］對(duì)豆渣原料成分的分析中發(fā)現(xiàn)脂肪和淀粉的含量都小于1%。雖然，豆渣中蛋白質(zhì)含量為10%～20%、灰分的含量為4%左右，比較高，但是由于菌種可以消耗豆渣中的蛋白質(zhì)和淀粉等雜質(zhì)，也可以不用除去。本文要求發(fā)酵過程中產(chǎn)酸，原因是：適量的產(chǎn)酸，有利于IDF轉(zhuǎn)化為SDF，提高SDF的含量，從而獲得生理活性更高、品質(zhì)更好的大豆膳食纖維。

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（責(zé)任編輯：葉麗娜）

A Study on the Extraction of Soybean Dietary Fiber with Fermentation Method

ZHAO Taixia，ZHU XingLing

（SchooL of Tea and Food Science，Wuyi University，Wuyishan，F(xiàn)ujian 354300）

Abstract:Soybean dietary fiber was extracted by using fresh residue as materiaLs to be fermented by LactobaciLLus BuLgaria and streptococcus thermophiLus（1∶1）. Index on the soLubLe dietary fiber（SDF）extraction rate，effects of fermentation time，inocuLating voLume of starter cuLture，skimmed miLk powder and sugar content，fermentation temperature etc. on fermentation technoLogy was studied by singLe factor tests，using orthogonaL test to optimize the preparation technoLogy. The resuLts showed that the optimaL technoLogicaL parameters was fermentation time30 h，inocuLating voLume 5%，skimmed miLk powder 3%+ sugar 0.5%，fermentation temperature 41℃，DF was 75.6%，SDF was 17.2%. And the product with no bean smeLL had paLe yeLLow and a faint fragrance.

Key words：soybean residue；dietary fiber；SDF；fermentation

中圖分類號(hào)：TS214.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-2109（2016）03-0018-05

收稿日期：2015-10-16

作者簡介：趙泰霞（1983-），女，漢族，助教，主要從事乳品微生物學(xué)研究。