制備不溶性大豆膳食纖維底物條件優化

劉嫻，朱道林，周逢旭，林勝，戴永平，王池麗

（合肥職業技術學院生物應用技術系，安徽巢湖 238000）

膳食纖維（dietary fiber，DF）是一類不被人體消化酶消化的非淀粉類多糖[1]，膳食纖維分為不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）兩種[2]。膳食纖維可降低血液中膽固醇水平、調節血糖、防止便秘、預防結腸癌等，在對抗“文明病”方面起著重要作用[3-8]，被列為人類的“第七大營養素”從而受到不同領域的廣泛重視[9]。膳食纖維還有較強的持油、持水力以及增溶和誘導微生物的作用，愈發引起各國營養學家的關注[10]。不溶性膳食纖維可調節腸道菌群、促進腸胃消化、清除自由基、減肥和抗癌[11-12]。

我國是大豆的故鄉，是目前世界上非轉基因大豆的主要生產國，年產大豆2 000萬t，其副產物豆渣占豆干質量15%～20%，每生產1.0 kg豆腐，約產生1.2 kg鮮豆渣。豆渣經烘干后，膳食纖維含量高達50%以上[13]，豆渣中的不溶性膳食纖維含量為36.29%[14]，是生產不溶性膳食纖維的優秀原料[15-17]，由于我國對豆腐渣的基礎和應用研究還不夠深入，豆渣多被用作飼料或是作為廢棄物處理[18]。把豆渣用于生產IDF，不但做到了廢物利用，而且豆渣來源廣泛，有很好的發展前景。

不溶性膳食纖維的制備方法很多，如簡單的水洗法、酸堿法，酶解法或是幾種方法結合制備，但是用生物發酵法制備的例子不多，生物發酵法是制備膳食纖維的一個新方向，降解過程溫和[19]，且相對于化學法和酶法等其他制備方法，產品純度最高，生理活性最好（這在后續的論文中進行闡述）。

本課題以豆渣為原料，用本實驗室篩選的兩種乳酸菌（保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌）為混合菌種對豆渣進行發酵，分別從白砂糖的添加量、脫脂乳粉的添加量、混合菌種的接種比例和發酵液初始pH等方面進行研究，確定IDF得率高且品質優良的最佳發酵底物組合，以期為豆渣的加工利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌種

德氏乳桿菌保加利亞亞種：Lactobacillus delbrukeiisubsp.Bulgaricus，Lb；唾液鏈球菌嗜熱亞種：Streptococcus salivariussubsp.Thermophillus，St；凍干管：中國普通微生物菌種保藏中心購買，本實驗室篩選并保存。

1.1.2 原料

伊利脫脂乳粉：內蒙古伊利實業集團股份有限公司；豆渣：本實驗室制備；北京紅糖坊白砂糖：合肥昌達食品有限公司。

1.1.3 培養基

豆渣300.0 g，脫脂乳粉20.0 g，白砂糖10.0 g，用蒸餾水定容至1 000 mL，95℃水浴滅菌15 min。

1.2 儀器和設備

SHA-BA雙功能水浴恒溫振蕩器：江蘇金壇市杰瑞電器有限公司；YXQ-LS-18SI壓力蒸汽滅菌器筒：上海東亞壓力容器制造有限公司；K-S2-6電熱恒溫水浴鍋、ZHP-100智能恒溫振蕩培養箱、DHG-9101電熱恒溫鼓風干燥箱：上海三發科學食品有限公司；SW-JF超凈工作臺：蘇凈集團安泰公司；PHS-2C精密pH計：上海虹益儀器儀表有限公司；SF-130高速萬能粉碎機：江蘇泰州制藥機械廠。

1.3 試劑

無水亞硫酸鈉、石油醚、丙酮、甲苯、中性洗滌劑（乙二胺四乙酸二鈉、四硼酸鈉、十二烷基硫酸鈉、2-乙氧基乙醇、磷酸氫二鈉、磷酸）、十氫鈉、α-淀粉酶、pH7.0磷酸緩沖溶液：分析純。

1.4 發酵工藝流程[2]

1.5 實驗方法

1.5.1 菌種的活化及發酵劑的制備

將實驗室篩選的德氏乳桿菌保加利亞亞種、唾液鏈球菌嗜熱亞種斜面分別接入培養基中，接種量5%，37℃培養24 h，連續轉接3次。然后進行擴大培養，制成生產發酵劑。

1.5.2 IDF的測定

按GB 12394-90方法測定。準確稱取1.00 g豆渣于高型無嘴燒杯中，加入100 mL中性洗滌劑和0.5 g無水亞硫酸鈉，電爐加熱5 min～10 min內使其煮沸，并保持微沸1 h，趁熱倒入裝有玻璃棉且用110℃烘干至恒重的干燥潔凈耐酸玻璃濾器（m1），抽濾，洗凈濾器下部的液體和泡沫，塞上橡皮塞，加酶液，液面覆蓋纖維，加數滴甲苯，上蓋表玻皿，37℃培養過夜；抽濾，用熱水分數次洗去殘留酶液，用碘液檢查淀粉是否全部轉化，將濾器置烘箱中，110℃烘干至恒重，得m2，計算得樣品中不溶性膳食纖維的含量。

不溶性膳食纖維的含量=（m2-m1）/m，式中：m是樣品質量。

1.5.3 IDF持水力的測定[20]

準確稱取1.0g烘干至恒重IDF，加蒸餾水50.0mL，混勻，用磁力攪拌器25℃飽和24 h，3 000 r/min離心30 min，移去上清液，稱重，計算IDF持水力。

持水力=（樣品濕重-樣品干重）/樣品干重

1.5.4 IDF溶脹性的測定[20]

準確稱取1.0 g烘干至恒重IDF于10 mL量筒，加蒸餾水5.0 mL，放置24 h，讀量筒下端IDF體積，并計算IDF溶脹性。

溶脹性=（溶脹后體積-干品體積）/樣品干重

1.5.5 pH的測定

用PHS-2C精密pH計直接讀數。

1.5.6 單因素及正交試驗

試驗分別以IDF得率、IDF品質（持水力和溶脹性）為評價指標，通過對白砂糖的添加量、脫脂乳添加量、混合菌種的接種比例、發酵液初始pH等4種影響因素進行單因素和正交試驗，確定最佳底物構成。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 白砂糖添加量對IDF得率和品質的影響

將白砂糖分別按2%，4%，6%，8%，10%不同比例添加至發酵液，在豆渣：水=1：3，脫脂乳粉4%，混合發酵劑接種量4%，Lb：St=1：1，發酵液初始pH為6.35的底物條件下，于42℃進行徹底發酵，研究白砂糖對IDF得率和品質的影響。結果見圖1。

由圖1可以看出，當白砂糖添加量為4%時，IDF得率和持水力最高，當白砂糖添加量為6%時，IDF溶脹性最好。

圖1 白砂糖添加量對IDF得率和品質的影響Fig.1 Effect of conversion ratio of IDF and quality on sugar

2.1.2 脫脂乳粉添加量對IDF得率和品質的影響

將脫脂乳粉分別按2%、4%、6%、8%、10%不同比例添加至發酵液，在豆渣：水=1∶3，白砂糖2%，混合發酵劑接種量4%，Lb：St=1∶1，發酵液初始pH為6.35的底物條件下，于42℃進行徹底發酵，研究脫脂乳添加量對IDF得率和品質的影響，結果見圖2。

圖2 脫脂乳添加量對IDF得率和品質的影響Fig.2 Effect of conversion ratio of IDF and quality on skim milk additives

圖2顯示，當脫脂乳添加量為4%時，IDF得率、持水力和溶脹性均最高。

2.1.3 混合菌種的接種比例對IDF得率和品質的影響

將菌種分別按 Lb：St=1 ∶3，1∶2，1 ∶1，2 ∶1，3 ∶1 的比例接入發酵液，在豆渣：水=1∶3，脫脂乳粉4%，白砂糖4%，混合發酵劑接種量4%，發酵液初始pH為

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.35的底物條件下，于42℃進行徹底發酵，研究混合菌種的接種比例對IDF得率和品質的影響。結果見圖3。

圖3 混合菌種的接種比例對IDF得率和品質的影響Fig.3 Effect of conversion ratio of IDF on mixed bacteria vaccination

由圖3可以看出，當Lb：St=1∶1時，IDF得率、持水力和溶脹性均最高。

2.1.4 發酵液初始pH對IDF得率和品質的影響

調節發酵液初始 pH 為 6.20，6.25，6.30，6.35，6.40，6.45，在豆渣 ∶水=1∶3，脫脂乳粉4%，白砂糖 4%，混合發酵劑接種量4%的底物條件下，于42℃進行徹底發酵，研究發酵液初始pH對IDF得率和品質的影響。結果見圖4。

圖4 混合菌種的接種比例對IDF得率和品質的影響Fig.4 Effect of conversion ratio of IDF on initial pH value

圖4顯示，當發酵液初始pH為6.35時，IDF得率和溶脹性均最高，此時IDF持水力也相對較高。

2.2 發酵工藝正交試驗

在單因素試驗的基礎上，以IDF得率和IDF品質（持水力和溶脹性）為考察指標，選取白砂糖的添加量、脫脂乳粉的添加量、混合發酵劑的接種比例和發酵液初始pH等4個因素，選定四因素三水平作正交試驗，正交試驗水平和正交試驗結果分別見表1和表2。

表1 正交因素水平表Table 1 Factkrs and levels

表2可以看出，4種因素對IDF得率影響的順序為C＞D＞B＞A，即混合菌種的接種比例對IDF得率影響最大，然后依次是發酵液初始pH和脫脂乳添加量，對IDF得率影響最小的是白砂糖添加量，IDF得率指標的最優組合為A2B2C2D1；因素對IDF持水力影響的順序為C＞B＞A＞D，即混合菌種的接種比例對IDF持水力影響最大，然后依次是脫脂乳添加量、白砂糖添加量和發酵液初始 pH，IDF持水力指標的最優組合為A2B2C2D3；因素對IDF溶脹性影響的順序為 A＞C＞B＞D，即白砂糖添加量對IDF溶脹性影響最大，然后依次是混合菌種的接種比例、脫脂乳添加量和發酵液初始pH值，IDF溶脹性指標的最優組合為A1B2C2D2。分析三種指標的綜合影響，選取最優發酵底物組合為：A2B2C2D2，即白砂糖添加量4%、脫脂乳粉添加量4%、混合菌種的接種比例Lb：St=1：1、發酵液初始pH6.35。經過實驗，測得在此底物條件下IDF得率為83.75%，持水力為83.21%，溶脹性為2.9 mL/g。

表2 正交試驗方案與結果Table 2 Design and result of orthogonal experiment

3 結論

利用大豆制品加工的副產物豆渣生產不溶性膳食纖維，開發高附加值的功能基料，不僅可以改善人類的營養健康水平，也為大豆加工企業的資源綜合利用提供了新的有效途徑。本實驗通過單因素和正交試驗，確定影響IDF得率和IDF品質（持水力和溶脹性）最優底物構成分別是白砂糖添加量4%、脫脂乳添加量4%、混合菌種的接種比例Lb：St=1：1和發酵液初始pH6.35。此時IDF得率為83.75%，IDF持水力為83.21%，IDF溶脹性為2.9 mL/g。

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