制备不溶性大豆膳食纤维底物条件优化

刘娴，朱道林，周逢旭，林胜，戴永平，王池丽

（合肥职业技术学院生物应用技术系，安徽巢湖 238000）

膳食纤维（dietary fiber，DF）是一类不被人体消化酶消化的非淀粉类多糖[1]，膳食纤维分为不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）和可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）两种[2]。膳食纤维可降低血液中胆固醇水平、调节血糖、防止便秘、预防结肠癌等，在对抗“文明病”方面起着重要作用[3-8]，被列为人类的“第七大营养素”从而受到不同领域的广泛重视[9]。膳食纤维还有较强的持油、持水力以及增溶和诱导微生物的作用，愈发引起各国营养学家的关注[10]。不溶性膳食纤维可调节肠道菌群、促进肠胃消化、清除自由基、减肥和抗癌[11-12]。

我国是大豆的故乡，是目前世界上非转基因大豆的主要生产国，年产大豆2 000万t，其副产物豆渣占豆干质量15%～20%，每生产1.0 kg豆腐，约产生1.2 kg鲜豆渣。豆渣经烘干后，膳食纤维含量高达50%以上[13]，豆渣中的不溶性膳食纤维含量为36.29%[14]，是生产不溶性膳食纤维的优秀原料[15-17]，由于我国对豆腐渣的基础和应用研究还不够深入，豆渣多被用作饲料或是作为废弃物处理[18]。把豆渣用于生产IDF，不但做到了废物利用，而且豆渣来源广泛，有很好的发展前景。

不溶性膳食纤维的制备方法很多，如简单的水洗法、酸碱法，酶解法或是几种方法结合制备，但是用生物发酵法制备的例子不多，生物发酵法是制备膳食纤维的一个新方向，降解过程温和[19]，且相对于化学法和酶法等其他制备方法，产品纯度最高，生理活性最好（这在后续的论文中进行阐述）。

本课题以豆渣为原料，用本实验室筛选的两种乳酸菌（保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌）为混合菌种对豆渣进行发酵，分别从白砂糖的添加量、脱脂乳粉的添加量、混合菌种的接种比例和发酵液初始pH等方面进行研究，确定IDF得率高且品质优良的最佳发酵底物组合，以期为豆渣的加工利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 菌种

德氏乳杆菌保加利亚亚种：Lactobacillus delbrukeiisubsp.Bulgaricus，Lb；唾液链球菌嗜热亚种：Streptococcus salivariussubsp.Thermophillus，St；冻干管：中国普通微生物菌种保藏中心购买，本实验室筛选并保存。

1.1.2 原料

伊利脱脂乳粉：内蒙古伊利实业集团股份有限公司；豆渣：本实验室制备；北京红糖坊白砂糖：合肥昌达食品有限公司。

1.1.3 培养基

豆渣300.0 g，脱脂乳粉20.0 g，白砂糖10.0 g，用蒸馏水定容至1 000 mL，95℃水浴灭菌15 min。

1.2 仪器和设备

SHA-BA双功能水浴恒温振荡器：江苏金坛市杰瑞电器有限公司；YXQ-LS-18SI压力蒸汽灭菌器筒：上海东亚压力容器制造有限公司；K-S2-6电热恒温水浴锅、ZHP-100智能恒温振荡培养箱、DHG-9101电热恒温鼓风干燥箱：上海三发科学食品有限公司；SW-JF超净工作台：苏净集团安泰公司；PHS-2C精密pH计：上海虹益仪器仪表有限公司；SF-130高速万能粉碎机：江苏泰州制药机械厂。

1.3 试剂

无水亚硫酸钠、石油醚、丙酮、甲苯、中性洗涤剂（乙二胺四乙酸二钠、四硼酸钠、十二烷基硫酸钠、2-乙氧基乙醇、磷酸氢二钠、磷酸）、十氢钠、α-淀粉酶、pH7.0磷酸缓冲溶液：分析纯。

1.4 发酵工艺流程[2]

1.5 实验方法

1.5.1 菌种的活化及发酵剂的制备

将实验室筛选的德氏乳杆菌保加利亚亚种、唾液链球菌嗜热亚种斜面分别接入培养基中，接种量5%，37℃培养24 h，连续转接3次。然后进行扩大培养，制成生产发酵剂。

1.5.2 IDF的测定

按GB 12394-90方法测定。准确称取1.00 g豆渣于高型无嘴烧杯中，加入100 mL中性洗涤剂和0.5 g无水亚硫酸钠，电炉加热5 min～10 min内使其煮沸，并保持微沸1 h，趁热倒入装有玻璃棉且用110℃烘干至恒重的干燥洁净耐酸玻璃滤器（m1），抽滤，洗净滤器下部的液体和泡沫，塞上橡皮塞，加酶液，液面覆盖纤维，加数滴甲苯，上盖表玻皿，37℃培养过夜；抽滤，用热水分数次洗去残留酶液，用碘液检查淀粉是否全部转化，将滤器置烘箱中，110℃烘干至恒重，得m2，计算得样品中不溶性膳食纤维的含量。

不溶性膳食纤维的含量=（m2-m1）/m，式中：m是样品质量。

1.5.3 IDF持水力的测定[20]

准确称取1.0g烘干至恒重IDF，加蒸馏水50.0mL，混匀，用磁力搅拌器25℃饱和24 h，3 000 r/min离心30 min，移去上清液，称重，计算IDF持水力。

持水力=（样品湿重-样品干重）/样品干重

1.5.4 IDF溶胀性的测定[20]

准确称取1.0 g烘干至恒重IDF于10 mL量筒，加蒸馏水5.0 mL，放置24 h，读量筒下端IDF体积，并计算IDF溶胀性。

溶胀性=（溶胀后体积-干品体积）/样品干重

1.5.5 pH的测定

用PHS-2C精密pH计直接读数。

1.5.6 单因素及正交试验

试验分别以IDF得率、IDF品质（持水力和溶胀性）为评价指标，通过对白砂糖的添加量、脱脂乳添加量、混合菌种的接种比例、发酵液初始pH等4种影响因素进行单因素和正交试验，确定最佳底物构成。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 白砂糖添加量对IDF得率和品质的影响

将白砂糖分别按2%，4%，6%，8%，10%不同比例添加至发酵液，在豆渣：水=1：3，脱脂乳粉4%，混合发酵剂接种量4%，Lb：St=1：1，发酵液初始pH为6.35的底物条件下，于42℃进行彻底发酵，研究白砂糖对IDF得率和品质的影响。结果见图1。

由图1可以看出，当白砂糖添加量为4%时，IDF得率和持水力最高，当白砂糖添加量为6%时，IDF溶胀性最好。

图1 白砂糖添加量对IDF得率和品质的影响Fig.1 Effect of conversion ratio of IDF and quality on sugar

2.1.2 脱脂乳粉添加量对IDF得率和品质的影响

将脱脂乳粉分别按2%、4%、6%、8%、10%不同比例添加至发酵液，在豆渣：水=1∶3，白砂糖2%，混合发酵剂接种量4%，Lb：St=1∶1，发酵液初始pH为6.35的底物条件下，于42℃进行彻底发酵，研究脱脂乳添加量对IDF得率和品质的影响，结果见图2。

图2 脱脂乳添加量对IDF得率和品质的影响Fig.2 Effect of conversion ratio of IDF and quality on skim milk additives

图2显示，当脱脂乳添加量为4%时，IDF得率、持水力和溶胀性均最高。

2.1.3 混合菌种的接种比例对IDF得率和品质的影响

将菌种分别按 Lb：St=1 ∶3，1∶2，1 ∶1，2 ∶1，3 ∶1 的比例接入发酵液，在豆渣：水=1∶3，脱脂乳粉4%，白砂糖4%，混合发酵剂接种量4%，发酵液初始pH为

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.35的底物条件下，于42℃进行彻底发酵，研究混合菌种的接种比例对IDF得率和品质的影响。结果见图3。

图3 混合菌种的接种比例对IDF得率和品质的影响Fig.3 Effect of conversion ratio of IDF on mixed bacteria vaccination

由图3可以看出，当Lb：St=1∶1时，IDF得率、持水力和溶胀性均最高。

2.1.4 发酵液初始pH对IDF得率和品质的影响

调节发酵液初始 pH 为 6.20，6.25，6.30，6.35，6.40，6.45，在豆渣 ∶水=1∶3，脱脂乳粉4%，白砂糖 4%，混合发酵剂接种量4%的底物条件下，于42℃进行彻底发酵，研究发酵液初始pH对IDF得率和品质的影响。结果见图4。

图4 混合菌种的接种比例对IDF得率和品质的影响Fig.4 Effect of conversion ratio of IDF on initial pH value

图4显示，当发酵液初始pH为6.35时，IDF得率和溶胀性均最高，此时IDF持水力也相对较高。

2.2 发酵工艺正交试验

在单因素试验的基础上，以IDF得率和IDF品质（持水力和溶胀性）为考察指标，选取白砂糖的添加量、脱脂乳粉的添加量、混合发酵剂的接种比例和发酵液初始pH等4个因素，选定四因素三水平作正交试验，正交试验水平和正交试验结果分别见表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种因素对IDF得率影响的顺序为C＞D＞B＞A，即混合菌种的接种比例对IDF得率影响最大，然后依次是发酵液初始pH和脱脂乳添加量，对IDF得率影响最小的是白砂糖添加量，IDF得率指标的最优组合为A2B2C2D1；因素对IDF持水力影响的顺序为C＞B＞A＞D，即混合菌种的接种比例对IDF持水力影响最大，然后依次是脱脂乳添加量、白砂糖添加量和发酵液初始 pH，IDF持水力指标的最优组合为A2B2C2D3；因素对IDF溶胀性影响的顺序为 A＞C＞B＞D，即白砂糖添加量对IDF溶胀性影响最大，然后依次是混合菌种的接种比例、脱脂乳添加量和发酵液初始pH值，IDF溶胀性指标的最优组合为A1B2C2D2。分析三种指标的综合影响，选取最优发酵底物组合为：A2B2C2D2，即白砂糖添加量4%、脱脂乳粉添加量4%、混合菌种的接种比例Lb：St=1：1、发酵液初始pH6.35。经过实验，测得在此底物条件下IDF得率为83.75%，持水力为83.21%，溶胀性为2.9 mL/g。

表2 正交试验方案与结果Table 2 Design and result of orthogonal experiment

3 结论

利用大豆制品加工的副产物豆渣生产不溶性膳食纤维，开发高附加值的功能基料，不仅可以改善人类的营养健康水平，也为大豆加工企业的资源综合利用提供了新的有效途径。本实验通过单因素和正交试验，确定影响IDF得率和IDF品质（持水力和溶胀性）最优底物构成分别是白砂糖添加量4%、脱脂乳添加量4%、混合菌种的接种比例Lb：St=1：1和发酵液初始pH6.35。此时IDF得率为83.75%，IDF持水力为83.21%，IDF溶胀性为2.9 mL/g。

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