發酵-超聲提取豆渣可溶性膳食纖維工藝優化

王兆為 ，解夢汐 ，于 淼 ，霍達非 ，李 程 ，張慧麗 *

（1.遼寧大學，沈陽 110036；2.遼寧省農業科學院，沈陽 110065；3.遼寧豆華天寶食品科技股份有限公司，沈陽 113000）

膳食纖維（dietary fiber，DF）被稱為第七大營養素。 DF 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)。與IDF 相比，SDF 具有更多的功能特性， 能提供更好的質地和口感，常用于食品加工。 豆渣（okara）是豆腐、豆漿生產中的副產物，作為大豆加工副產品[1]，含有豐富的蛋白質、脂肪、膳食纖維等[2]，是天然的膳食纖維來源。 然而豆渣中的膳食纖維大多是不溶性的，可溶性的膳食纖維含量較低，限制其在食品工業中的應用。 為提高豆渣中的SDF 含量，諸多研究人員探索提高SDF 含量的方法。 目前，膳食纖維的提取方法主要有物理法、化學法、生物法和多種方法聯用等。其中發酵法提取膳食纖維反應條件溫和，對產品的破壞性小。 利用超聲輔助米曲霉發酵，使豆渣中的IDF 轉化為SDF，再采用單因素試驗和正交試驗，以提取率為考察指標確定發酵-超聲提取的最佳提取條件和參數，旨在為SDF 的提取和利用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

豆渣（遼寧豆華天寶食品科技股份有限公司）、堿性蛋白酶（sigma）、α-淀粉酶（上海源葉生物科技有限公司）、葡萄糖苷酶（sigma）。

1.2 儀器與設備

DPH-9052 電熱恒溫培養箱：無錫馬瑞特科技有限公司；SB-5200DTD 超聲波清洗機： 寧波新芝生物科技有限公司；KQ-100VDB 三頻超聲波清洗機：昆山舒美超聲儀器有限公司；THZ-82 型數顯式電熱恒溫水浴鍋、GZX-DH-600 型電熱恒溫干燥箱：上海躍進醫療器械廠；FA2140N 型電子天平：上海精密科學儀器公司；PHS-3C 精密pH 計： 上海雷磁儀器廠；SHB-ⅢS 循環水式多用真空泵： 鄭州長城科工貿有限公司；島津IRAffinity-1S 傅里葉紅外光譜儀：日本島津儀器有限公司；CR22N 日立高速冷凍離心機：上海萊睿科學儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 SDF 提取方法取 20 g 新鮮豆渣， 于 121 ℃滅菌鍋中滅菌15~20 min，降至室溫。 將一定比例的米曲霉接種到豆渣中，攪拌均勻，在29~32 ℃恒溫培養箱中培養一段時間。將發酵豆渣在121 ℃滅菌鍋中滅菌15~20 min。 降至室溫后，按照固液比 1∶10 的比例加水，拌勻，超聲處理，過濾。 用旋轉蒸發儀將液體濃縮至一定量，加入4 倍體積的95%乙醇沉淀，離心，棄去上層清液，將剩余固體在60 ℃熱風中干燥至恒重，即為SDF。

1.3.2 單因素試驗在其他條件固定不變的情況下，采用單因素試驗考察發酵時間、發酵接種量、超聲時間、超聲功率、超聲頻率對SDF 提取率的影響。

1.3.3 正交試驗在單因素試驗的基礎上， 以發酵時間、發酵接種量、超聲時間、超聲功率、超聲頻率5 個因素為正交試驗因素， 設計5 因素3 水平正交試驗，以SDF 的提取率為考察指標確定最佳提取工藝。

2 結果與分析

2.1 發酵時間對SDF 提取率的影響

在豆渣發酵的過程中，控制其他變量不變，考察發酵時間（36，48，60，72，84 h）對 SDF 提取率的影響，結果如圖1 所示。

由圖1 可知：隨著發酵時間增加，提取率先增加后降低；提取時間為60 h 時，提取率最高。 在發酵過程中，菌體生長會產生酶系并作用于豆渣，使SDF 含量提升；時間超過60 h 后，菌體主要是繁殖，在84 h時可以發現較豐富的孢子粉，且發酵體系水分含量降低，產生的酶減少，提取率逐漸降低。

圖1 發酵時間對于提取率的影響Figure 1 Effect of fermentation time on extraction rate

2.2 發酵接種量對SDF 提取率的影響

在豆渣發酵過程中，控制其他變量不變，考察發酵接種量 （0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%）對SDF 的影響，結果如圖2 所示。

圖2 發酵接種量對于提取率的影響Figure 2 Effect of fermentation inoculation quantity on extraction rate

由圖2 可知： 隨著接種量的增大，SDF 提取率先增加后降低。接種量為0.03%時，提取率最高；接種量超過0.03%后，SDF 提取率逐漸降低，菌絲呈深綠色。接種量過大，會導致菌種生長過快，導致物質環境營養供給不足，菌內競爭使代謝產物減少。

2.3 超聲時間對SDF 提取率的影響

在超聲處理過程中，控制其他變量不變，考察超聲時間（20，25，30，35，40 min）對 SDF 提取率的影響，結果如圖3 所示。

由圖3 可知： 隨著超聲時間的增加，SDF 提取率呈上升趨勢， 在25~30 min 時提取率較高，30 min 后提取率下降。 這可能是膳食纖維內部結構被打開，果膠、低聚糖等單糖物質溶出，進而使提取率下降。

圖3 超聲時間對于提取率的影響Figure 3 Effect of ultrasonic time on extraction rate

2.4 超聲功率對SDF 提取率的影響

在超聲處理過程中，控制其他變量不變，考察超聲功率（120，160，200，240，280 W）對 SDF 提取率的影響，結果如圖4 所示。

圖4 超聲功率對于提取率的影響Figure 4 Effect of ultrasonic power on extraction rate

由圖4 可知： 隨著功率增加，SDF 提取率呈上升趨勢，在200 W 時達最大值；隨功率繼續增加時，SDF提取率開始下降。 其原因在于：超聲的共振作用和空化效應會影響膳食纖維的內部結構，超聲波功率較高時，機械剪切作用會破壞單糖的鏈結構。

2.5 超聲頻率對SDF 提取率的影響

在超聲處理過程中，控制其他變量不變，考察超聲頻率（25，40，59，80，100 kHz）對 SDF 提取率的影響，結果如圖5 所示。

由圖5 可知：隨著超聲頻率的增加，超聲作用逐漸增強，SDF 提取率先升高后降低，在40 kHz 時達到最大值。超聲頻率過高，可能會進一步破壞多糖結構，減少SDF 含量，使提取率降低。

圖5 超聲頻率對于提取率的影響Figure 5 Effect of ultrasonic frequency on extraction rate

2.6 最佳提取工藝

正交試驗因素與水平設計見表1，試驗結果見表2。

表1 正交試驗設計Table 1 Orthogonal test design

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results

由正交試驗結果可知，SDF 的最優提取工藝是發酵時間60 h、發酵接種量0.04%、超聲頻率40 kHz、超聲時間25 min、超聲功率200 W。 按此條件進行試驗驗證，得到SDF 的平均提取率為18.06%。

3 結論與討論

豆渣中的主要成分是膳食纖維，食用后可以在一定程度上調節血糖和膽固醇，增加飽腹感。 我國豆渣年產量高且價格低廉， 但因SDF 含量較低而很少在食品中應用。 近年來， 諸多研究報道探索豆渣中的SDF 提取工藝及將IDF 轉化為SDF 的方法。 例如：Wu 等[3]使用空化射流技術加工提取豆渣中的SDF；郭敏[4]采用碳酸鈉浸提的方法從大豆豆渣中提取SDF；Hu 等[5]利用K. marxianus 發酵豆渣提高SDF 含量；Fan 等[6]用胰蛋白酶水解超聲波處理的豆渣提取膳食纖維。

選用反應條件溫和、 對產品破壞性小的發酵法，利用超聲輔助米曲霉發酵提取SDF。通過單因素試驗選出最優水平， 再由正交試驗得出最優提取工藝為：發酵接種量 0.04%， 發酵時間 60 h， 超聲頻率 40 kHz，超聲功率200 W，超聲時間25 min。 此條件下所得的SDF 提取率最高，平均提取率為18.06%。