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(1.貴陽學院食品與制藥工程學院,貴州貴陽 550005;2.貴州省果品加工工程技術研究中心,貴州貴陽 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。已有報道刺梨果實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]。伴隨著對其活性成分的研究,現(xiàn)已作為貴州省區(qū)域重點藥食兩用植物資源進行大力研發(fā),刺梨正廣泛應用于食品、保健食品、醫(yī)藥領域[1,4]。目前,主要在刺梨飲料、果酒、果醋、刺梨果脯等方面進行深加工應用研究[3]。據(jù)報道刺梨果實經(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,而果渣作為一種來源豐富而又經(jīng)濟的資源,綜合開發(fā)利用刺梨果渣,既能提高果渣利用價值,延長果渣加工產(chǎn)業(yè)鏈,又能減少對環(huán)境的污染[5]。

膳食纖維因其具有預防肥胖癥、防止糖尿病、抑制有害菌等作用而日益受到關注[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%,無法達到膳食平衡要求。鑒于刺梨果渣是優(yōu)質膳食纖維的良好來源[10],因此嘗試采用不同的方法對膳食纖維進行改性,以提高可溶性纖維的含量和達到提高膳食纖維生理功能的目的是近幾年的研究熱點[11]。制備膳食纖維常見的方法,需要加入酸、堿、鹽等試劑[12],在處理過程中將產(chǎn)生大量陰、陽離子,而這會給膳食纖維的利用帶來一定不利的因素。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,還為刺梨果渣資源的高值轉化利用提供參考,從而達到綜合利用的目的。

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 中國菌種保藏中心。

AUW120D電子分析天平 日本島津公司;TGL-16C高速臺式離心機 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 上海博訊實業(yè)有限公司;SW-CJ-1G超凈工作臺 蘇凈集團蘇州安泰空氣技術有限公司;FW80萬能粉碎機 江陰市祥達機械制造有限公司。

1.2實驗方法

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],用血球計數(shù)板計數(shù),使菌數(shù)含量在107～108個·mL-1。

1.2.2 工藝流程 刺梨果渣→干燥→粉碎過篩(60目)→調料→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→醇析→抽濾→干燥→可溶性膳食纖維(SDF)[13]。

1.2.3 操作要點 粉碎過篩:取干燥后的刺梨果渣粉碎,過60目篩;調料: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,并調節(jié)pH后滅菌;接種:置于無菌室中,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)酵一定時間后取出即可;離心分離:采用離心機進行固液分離,轉速為6000 r/min,時間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 單因素實驗

1.2.4.1 接種量對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得率為評價指標,分析接種量對刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.2 發(fā)酵時間對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得率為評價指標,分析發(fā)酵時間對刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.3 料液比對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得率為評價指標,分析料液比對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得率為評價指標,分析發(fā)酵溫度對刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.4.5 pH對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得率為評價指標,分析pH對刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的影響。

1.2.5 正交實驗 在單因素實驗基礎上,以SDF得率為指標,選取五因素三水平的L18(35)正交實驗進行工藝條件優(yōu)化,因素水平見表1。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.2.6 驗證實驗 根據(jù)正交實驗分析確定的可溶性膳食纖維最佳工藝條件進行驗證實驗。

1.2.7 SDF得率的計算 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濾,待水滴干后,把結合了水的膳食纖維轉移至表面皿上稱重,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60目篩的膳食纖維0.1000 g,置于10 mL的量筒中,移液管準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)計分析

數(shù)據(jù)用平均值±標準差表示。用SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析,以p<0.05作為差異顯著性判斷標準。

2 結果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1 接種量對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,當接種量為10%時,可溶性膳食纖維的得率最高(p<0.05);當接種量大于10%時,可溶性膳食纖維的得率則呈下降趨勢。提示發(fā)酵菌種的量過低,菌體生長緩慢使得發(fā)酵不徹底,而接種量過大則導致菌體生長旺盛[13],發(fā)酵劇烈,使得培養(yǎng)基營養(yǎng)缺乏或溶氧不足,從而后續(xù)發(fā)酵動力不足[16],或者過多的菌種生長代謝旺盛的同時還會產(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。只有適宜的接種量可以縮短菌種繁殖達到高峰的時間,使產(chǎn)物的形成提前到來,并可減少雜菌的生長機會[17]。鑒于此,選擇10%、12%和14%的接種量作為下一步正交實驗的3個水平。

圖1 接種量對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)酵時間對SDF得率的影響 隨著發(fā)酵時間延長,刺梨果渣可溶性膳食纖維得率一直呈現(xiàn)上升趨勢,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)酵時間短,原果膠不能充分溶解出來[18]。發(fā)酵到48 h后,三個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)緩慢增長趨勢,可能由于時間過長,會使果膠裂解,且果膠在水中被氫離子水解[18];另外,由于發(fā)酵時間的增加,菌種增長致使發(fā)酵產(chǎn)物不斷的積累,體系pH不斷下降,抑制菌體自身生長或產(chǎn)生菌體自溶,使菌體產(chǎn)酶效果下降從而導致發(fā)酵能力的下降[16-17]。另外,從經(jīng)濟角度考慮發(fā)酵時間過長導致能耗過高、發(fā)酵周期太長均不利于實際生產(chǎn)。因此,選擇48、60和72 h的發(fā)酵時間作為下一步正交實驗的3個水平。

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

2.1.3 料液比對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。當料液比達到1∶25時刺梨果渣可溶性膳食纖維含量開始降低,但與1∶20料液比時含量變化差異不顯著(p>0.05),可能由于原料吸水膨脹,導致透氣性下降,同時浸提液體積過大,不利于后期的濃縮分離,增大成本[13]。而料液比低于1∶20時,由于菌種和原料接觸不充分,導致發(fā)酵不徹底。因此,選擇料液比為1∶20、1∶25和1∶30作為下一步正交實驗的3個水平。

圖3 料液比對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SDF得率的影響 由圖4可知,34 ℃時發(fā)酵速度較慢,且制取率較低(p<0.05),38～42 ℃時發(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 ℃時的得率(p<0.05),提示在這個溫度區(qū)間進行發(fā)酵較適于保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌發(fā)酵菌種的生長和代謝;當溫度過高時,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致其本身分子結構受到破壞[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SDF 得率的影響Fig.4 Effects of fermentation temperature on the SDF yield

2.1.5 pH對SDF得率的影響 pH對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(p<0.05);當起始pH6.0時,可溶性膳食纖維的得率達到最大(p<0.05);pH高于6.0時,得率迅速下降(p<0.05),并且比pH低于6.0時的得率(p<0.05)少,這可能由于較低的pH時,發(fā)酵菌種乳酸菌的耐酸性較強,而pH過高抑制了菌體自身生長或產(chǎn)生菌體自溶,使菌體產(chǎn)酶效果下降從而導致發(fā)酵能力下降。因此,選擇pH為4.0、5.0、6.0作為下一步正交實驗的3個水平。

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

2.2正交實驗

通過對影響刺梨果渣可溶性膳食纖維得率的各個因素進行初步分析后,選取發(fā)酵時間、發(fā)酵溫度、接種量、料液比和pH這5個因素,并根據(jù)這5個因素的單因素實驗所確定的三個較優(yōu)水平進行正交優(yōu)化實驗,具體設計見表1。實驗結果及直觀分析見表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)酵時間48 h、料液比1∶25、發(fā)酵溫度40 ℃。

表2 正交實驗結果分析表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:標注不同字母的表示差異顯著(p<0.05)。

2.3驗證實驗

根據(jù)正交實驗所得的最優(yōu)工藝條件進行驗證實驗,由保加利亞乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌(1∶1)進行微生物發(fā)酵,刺梨果渣可溶性膳食纖維的平均得率可達到(16.81±0.99)%,可溶性膳食纖維產(chǎn)品呈淡黃色、質構蓬松、無味。

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的2個重要指標,其值越大就表示膳食纖維的吸附性能越強,就保健功能而言,膳食纖維的持水力高,則進食后其排出物體積大,質地軟,有利于防止便秘和結腸癌的發(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]?？梢?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 結論

本實驗在單因素實驗(接種量、起始pH、料液比、發(fā)酵時間和溫度)的基礎上,通過L18(35)正交實驗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(實驗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)保健食品的應用提供了一定的理論依據(jù)。

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