發酵法生產靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維的工藝優化

余有貴，李忠海，黃國華，李 金，周軍燕

(1.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.邵陽學院生物與化學工程系，湖南 邵陽 422004)

發酵法生產靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維的工藝優化

余有貴1,2，李忠海1，黃國華2，李 金2，周軍燕2

(1.中南林業科技大學食品科學與工程學院，湖南 長沙 410004；2.邵陽學院生物與化學工程系，湖南 邵陽 422004)

為了獲得發酵法制備靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維的最適工藝參數，以基質蕨渣比例、基質含水量和培養溫度為因子，以可溶性膳食纖維得率為響應值，采用響應面試驗設計進行試驗。結果表明：可溶性膳食纖維最適制備條件為基質蕨渣質量分數84%、基質含水量為63%、培養溫度27℃。在此條件下，可溶性膳食纖維得率的預測值為13.034%，驗證實驗所得可溶性膳食纖維得率為12.885%。回歸方程的預測值和實驗值差異不顯著，所得回歸模型擬合情況良好，達到設計要求。在本實驗優化的條件下，以發酵法制備靈芝-蕨渣菌質的可溶性膳食纖維得率(12.885%)顯著高于蕨渣原料的可溶性膳食纖維得率(1.733%)。

蕨渣；靈芝；發酵工藝；固體菌質；可溶性膳食纖維

膳食纖維按其水溶性可分為不溶性膳食纖維(insoluble dietary fiber，IDF)和可溶性膳食纖維(solubledietary fiber，SDF)兩類，可溶性膳食纖維在許多方面具有比不溶性膳食纖維更強的生理功能[1-2]。因此，制備可溶性膳食纖維具有特別重要的意義。食用菌膳食纖維的主要成分即真菌細胞壁的主要成分，包括β-葡聚糖、幾丁質、半纖維素、甘露糖等[3]。靈芝多糖在靈芝子實體和菌絲體中都存在[4]，具有免疫調節[5-6]、抑制腫瘤[7-8]、延緩衰老[9]、降血脂與抗病毒[10-11]等功效。

蕨(Pteridium aquilinum var. latiusculum Underw.)為蕨科Pteridaceae蕨屬Pteridium植物，在我國分布廣泛[12]。利用蕨根可加工成蕨粉，大量的蕨渣被棄之不用[13]。然而，鮮見有利用靈芝菌固態發酵蕨渣制備菌質復合膳食纖維的報道。本實驗以含膳食纖維豐富而可溶性膳食纖維極低的蕨渣[14]為主要原料，利用靈芝固態發酵對蕨渣膳食纖維進行改性[15]，從靈芝-蕨渣菌質中提取可溶性膳食纖維。在單因素試驗的基礎上，采用響應面試驗設計對菌質可溶性膳食纖維的發酵生產條件進行優化，為制備高產率可溶性膳食纖維提供參考。

1 材料與方法

1.1 菌種、材料與試劑

靈芝[Ganoderma lucidum(Leyss:Fr.)Karst] GL10購自廣東省微生物研究所微生物菌種保藏中心。

鮮蕨(Pteridium aquilinum var. latiusculum Underw.)根采自邵陽市近郊；麩皮 邵陽市農貿市場。

耐高溫α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶 丹麥Novo公司；三羧甲基氨基甲烷 美國 Amresco公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

GDE-CSF型膳食纖維測定儀 意大利Velp公司；KND-HYP8型消化爐、LNK-871型凱氏定氮儀 上海纖檢儀器有限公司；KSW-5-12A型馬弗爐 天津市中環實驗電爐有限公司；TDL-5Z型離心機 湖南星科科學儀器有限公司。

1.3 可溶性膳食纖維的制備

將鮮蕨根洗凈表面泥沙，破碎、搓洗去淀粉，收集的蕨渣經瀝水、60℃烘干、粉碎后，獲得過80目篩的蕨渣樣品。

以蕨渣為主要原料，輔以少量的麩皮和1%的石膏粉配制固體培養基，裝入大試管(18.5cm×2.5cm)于121℃滅菌30min，接種靈芝菌種后在一定條件下進行培養，將靈芝培養至開始現蕾時，取出固體菌質，60℃鼓風烘干、粉碎、過80目篩，得到靈芝-蕨渣菌質粉。

取一定量的菌質粉樣品，分別加入高溫α-淀粉酶、蛋白酶、淀粉葡萄糖苷酶進行水解。將酶的水解醪冷卻、4000r/min離心20min得到上清液，用4倍體積的95%乙醇沉淀，傾去上清液，取沉淀物在0.05MPa真空干燥2h，即可得到可溶性膳食纖維產品。

1.4 試驗設計

根據基質中蕨渣比例、水分含量和培養溫度等對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維影響的單因素試驗結果，采用Box-Behnken試驗設計方案，對靈芝發酵蕨渣制備菌質中可溶性膳食纖維的工藝條件進一步優化。選取基質蕨渣質量分數、基質含水量和培養溫度3個主要因素，每個因素取3個水平，以靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率(Y)為響應值進行響應面設計，因素水平與編碼見表1。

表1 響應面試驗因素水平與編碼Table 1 Factors and levels in response surface design

1.5 測定指標

水分含量測定：GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定》；灰分測定：GB/T 5009.4—2003《食品中灰分的測定》；蛋白質測定：GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白質的測定》；膳食纖維含量測定[16]：AOAC991.43《膳食纖維的測定》。

式中：m為SDF產品質量/g；ω為SDF產品中的SDF含量/%；m0為菌質粉樣品質量/g。

1.6 模型的驗證

通過響應面分析優化發酵法制備靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維的生產條件。在優化條件下制備可溶性膳食纖維，通過比較預測值和實驗值驗證模型的有效性。

2 結果與分析

2.1 響應面試驗結果

表2 響應面試驗設計安排及結果Table 2 Response surface design scheme and experimental results

按照中心復合設計方案，安排20組處理組合，每個處理組合設3個平行樣，分別測定各靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率(以絕干質量為基準)，結果見表2。實驗數據采用SAS9.0軟件進行處理[17]。

2.2 回歸模型的建立

通過分析自變量和因變量得到一個在給定的范圍內預測響應值的回歸方程。可溶性膳食纖維得率的初步回歸方程如式(1)。

對回歸方程進行檢驗，決定系數R2=96.24%，P＜0.01。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of the established regression equation

從表3可以看出，一次項、二次項具有極顯著性(P＜0.01)，交互項具有顯著性(P＜0.05)。失擬項檢驗不顯著(P＞0.05)，說明回歸方程與實驗結果擬合很好。

表4 回歸方程各項回歸系數顯著性檢驗Table 4 Significance test for each regression coefficient of the established regression equation

對回歸系數進行檢驗(表4)表明，X3以及X12、X22、X32的二次項對可溶性膳食纖維得率均有極顯著影響(P＜0.01)，其中X3為正效應，而X12、X22、X32的二次項均為負效應；X1X2對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率有顯著影響(P＜0.05)，為負效應；X2X3對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率有顯著影響(P＜0.01)，為正效應；X1X3對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率的影響不顯著(P＞0.05)。經優化后的回歸方程為：

經顯著性檢驗，決定系數為R2=95.83%，P＜0.01。表明自變量和因變量之間有極顯著的回歸關系，說明模型可用于靈芝-蕨渣菌質提取可溶性膳食纖維得率的預測，具有實際應用意義。

2.3 各因素交互作用對可溶性膳食纖維得率的影響

在回歸方程式(2)中，固定一個因素在零水平上，研究另外兩個因素間的交互效應，用SAS9.0編程制作出響應面和等高線圖，結果見圖1～3。

圖1 基質蕨渣質量分數與基質含水量對可溶性膳食纖維得率影響的等高線和響應曲面Fig.1 Contour plot and response surface plot for the effects of the amounts of destarch bracken roots and water in fermentation medium on SDF yield

由圖1可以看出，當把培養溫度固定于零水平時，隨著基質蕨渣質量分數的升高，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率呈現先上升后下降的趨勢；隨著基質含水量的升高，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率先快速上升然后陡然下降；曲面的最高點出現在X1∈[－0.5，0.5]，X2∈[－ 0.5，0.5]的區域內。

圖2 基質含水量與培養溫度對可溶性膳食纖維得率影響的等高線和響應曲面Fig.2 Contour plot and response surface plot for the effects of water amount in fermentation medium and culture temperature on SDF yield

由圖2可見，當把基質蕨渣質量分數固定于零水平時，隨著培養溫度的升高，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率先迅速上升然后緩慢下降；隨著基質含水量的升高，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率先迅速上升然后迅速下降；曲面的最高點出現在X2∈[－0.2，0.7]，X3∈[－ 0.2，1.1]的區域內。

圖3 基質蕨渣質量分數與培養溫度對可溶性膳食纖維得率影響的等高線和響應曲面Fig.3 Contour plot and response surface plot for the effects of the amount of destarch bracken roots in fermentation medium and culture temperature on SDF yield

由圖3可見，當把基質含水量固定于零水平時，隨著基質蕨渣質量分數的升高，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率先緩慢上升然后迅速下降；隨著培養溫度的升高，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率先迅速上升然后緩慢下降；曲面的最高點出現在X1∈[－0.7，0.5]，X3∈[－ 0.5，1.5]的區域內。

2.4 可溶性膳食纖維生產工藝的驗證

利用SAS9.0確定各因素水平的最佳取值為X1=－0.179，X2=0.254，X3=0.513，轉化為編碼前的水平為：基質蕨渣質量分數84.11%，基質含水量為63.13%，培養溫度27.03℃。其對應的靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率響應值為13.034%。考慮到實際操作的便利，將靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維生產工藝條件修正為：基質蕨渣質量分數84%，基質含水量為63%，培養溫度27℃。從理論求得的最佳組合未包含在所設計的20個試驗處理組合中，為了進一步對該生產條件進行驗證，以聚丙烯塑料袋(18cm×35cm)裝料(0.5kg/袋，以干料計)接種靈芝菌種，培養至現蕾時檢測靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率，做3次重復實驗，測得靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率為12.885%，誤差為1.235%，與模擬值非常接近，進一步驗證了模型的可靠性。

在本實驗優化的條件下，采用靈芝菌對蕨渣固態發酵所制備的靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維得率(12.885%)顯著高于蕨渣原料中的可溶性膳食纖維的得率(1.733%)[14]。因此，采用靈芝菌對蕨渣進行膳食纖維改性的方法是可行的，而且效果良好。

3 結 論

通過響應面試驗建立的靈芝發酵蕨渣條件中基質蕨渣比例、基質含水量、培養溫度與靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維得率之間的回歸模型高度顯著，可用于生產預測。

培養溫度對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率有極顯著影響(P＜0.01)，基質含水量對靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維得率有顯著影響(P＜0.05)，而基質蕨渣質量分數對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率影響不顯著(P＞0.05)；基質蕨渣質量分數與基質含水量之間的交互作用、基質含水量與培養溫度之間的交互作用對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率有顯著影響(P＜0.05)，而基質蕨渣質量分數與培養溫度之間的交互作用對靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率影響不顯著(P ＞0.05)。

發酵法制備靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維時，優化的最適生產工藝條件為：基質蕨渣質量分數84%，基質含水量為63%，培養溫度27℃。在此條件下，靈芝-蕨渣菌質中可溶性膳食纖維得率為12.885%，高于蕨渣原料。表明靈芝固態發酵蕨渣生產靈芝-蕨渣菌質可溶性膳食纖維的產率較高，具有良好的發展前景。

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Optimization of Solid-state Fermentation Conditions of Destarched Bracken Roots by Ganoderma lucidum for Production of Soluble Dietary Fiber

YU You-gui1,2，LI Zhong-hai1，HUANG Guo-hua2，LI Jin2，ZHOU Jun-yan2
(1. College of Food Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China；2. Department of Biological and Chemical Engineering，Shaoyang University, Shaoyang 422004, China)

Destarched bracken roots were solid-state fermented with Ganoderma lucidum and the fermentation residue was harvested and submitted to enzymatic hydrolysis and subsequent absolute ethanol precipitation to obtain soluble dietary fiber(SDF). The amounts of destarch bracken roots and water in fermentation medium and culture temperature were identified as main factors that influence SDF yield, and optimized by response surface methodology combined with central composite design.The results showed that the optimum amounts of destarch bracken roots and water in fermentation medium and culture temperature were 84%, 63% and 27 ℃, respectively. Under these conditions, the predicted and experimental values of SDF yield were 13.034% and 12.885%, respectively. The fact that they were not significantly different demonstrated that the developed regression model could experimental data well and was qualified. Moreover, the experimental value of SDF yield(12.885%) was significantly higher than the value of 1.733% obtained without Ganoderma lucidum fermentation before enzymatic hydrolysis.

destarched bracken roots；Ganoderma lucidum；fermentation process；solid-sate；soluble dietary fiber

TQ920.4

A

1002-6630(2011)05-0187-05

2010-05-18

余有貴(1964—)，男，教授，博士研究生，研究方向為食品發酵技術。E-mail：yufly225@yahoo.com.cn