茯苓渣膳食纤维提取工艺研究及其在曲奇饼干中的应用

吴德智，熊雨，唐承金，周兴祝，李小红

（贵州理工学院，贵州贵阳550003）

茯苓渣膳食纤维提取工艺研究及其在曲奇饼干中的应用

吴德智，熊雨，唐承金，周兴祝，李小红*

（贵州理工学院，贵州贵阳550003）

以茯苓渣为原料，按1∶1比例混合的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌作为发酵菌种，以膳食纤维提取率为评价指标，通过单因素试验考察发酵温度、发酵时间、菌种接种量后用Box-Behnken响应面优化发酵法制备茯苓渣膳食纤维的工艺条件；并以感官评分为指标，通过混料试验设计优化该膳食纤维曲奇饼干的配方。结果表明，发酵法制备茯苓渣膳食纤维的最佳工艺为：发酵温度40℃，接种量6%，发酵时间20h，此条件下膳食纤维提取率为（67.12±0.18）%，其持水力、溶胀性、结合水力分别（7.32±0.23）g/g、（5.31±0.08）mL/g、（5.65±0.19）g/g。曲奇饼干的配方为膳食纤维添加量5.4%、蛋液添加量14.5%、黄油添加量24.0%、细砂糖添加量11%。茯苓渣经发酵后，膳食纤维的纯度和物化性质均得到提高，其曲奇饼干感官品质良好，为茯苓综合开发利用提供借鉴。

茯苓；发酵；膳食纤维；曲奇饼干；Box-Behnken响应面法；混料设计

茯苓为多孔菌科真菌茯苓Poria cocos（Schw.）Wolf的干燥菌核，是一种药食同源的天然资源，具有利水渗湿、健脾宁心，主治水肿尿少、脾虚食少等[1]。茯苓中主要含有茯苓多糖、茯苓三萜以及富含膳食纤维、蛋白质、微量元素、氨基酸等[2-3]。现代药理学研究表明茯苓具有利尿、免疫调节、保肝、抗肿瘤、抗氧化、抗炎、抗病毒等多种药理作用[4-6]。我国茯苓资源丰富，被提取加工后茯苓皮渣中仍含有大量膳食纤维等功能性成分，但皮渣通常被当作肥料、饲料甚至垃圾处理，对环境、经济等方面造成重大影响，如何开发茯苓皮渣膳食纤维系列营养保健产品已成为研究的热点。

膳食纤维是以非消化性多糖为主的功能性食料，不能被小肠消化吸收，在大肠内可全部或部分吸收或发酵，是人体平衡膳食结构必需的营养素之一，被称为“第七大营养素”[7]。膳食纤维作为食品添加剂不仅可以影响产品颜色、风味、保油性和保水性以及作为稳定剂和增稠剂，还具有降低血清中胆固醇含量、调节血糖水平、预防心血管疾病及大肠癌等重要的生理功能[8-10]。随着人们生活水平和健康意识的提高，膳食纤维已越来越多的被应用于食品开发。

微生物发酵是膳食纤维制备常用的方法，发酵处理能提高膳食纤维的理化特性，有利于发挥膳食纤维的生理功能。将发酵法运用到整个膳食纤维的提取工艺过程中，条件温和且具有很强的连续性，理论上能够使得整个工艺过程的损耗率大大降低，对环境污染较小，也使得酶的来源能够有保障，发酵法已广泛应用于膳食纤维的提取。

因此，本试验以茯苓渣为原料采用嗜热链球菌和保加利亚乳杆菌混合发酵，以制备茯苓渣膳食纤维，并在此基础上进一步开发茯苓渣膳食纤维曲奇饼干，提升废弃物的利用，防止污染环境，为茯苓渣的综合利用提供参考借鉴，提高茯苓的经济效益。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

脱脂乳粉：山东西唐生物科技有限公司；保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bugaicus）、嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus）：购自南京益生源生物科技有限公司；其他试剂药品为国产分析纯。

低筋小麦面粉：安琪酵母股份有限公司；食用油：中粮集团有限公司；碳酸氢钠、碳酸氢铵等辅料均为食品级。

TDZS-WS型离心机：济南福的机械有限公司；LHS-250SC型恒温培养箱：上海析域仪器设备有限公司；FA1004B型电子天平：上海越平科学仪器有限公司；手提式高压灭菌锅：上海上天精密仪器有限公司；TA.XT-plus食品物性测试仪：英国Stable Micro System公司。

1.2 方法

1.2.1 发酵剂制备

保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌按1∶1比例混合，于100mL、10%的脱脂乳中37℃活化2次，加入50 mL茯苓渣与蒸馏水混合液 1 ∶50（g∶mL）和 50 mL 10%的脱脂乳，凝乳2次后，37℃下加入90 mL茯苓汁和10 mL 10%的脱脂乳继续培养至凝乳，无菌水配制菌悬液，乳酸菌数保持在107CFU/mL～108CFU/mL即为发酵剂。

1.2.2 发酵法提取茯苓渣膳食纤维

1.2.2.1 提取工艺流程

称取茯苓渣粉末加4倍量90℃去离子水，沸水中加热5 min，以钝化其氧化酶。再加入10倍量水，混合均匀。加入2%脱脂乳和1%细砂糖，充分溶解后，105℃灭菌15 min，冷却至室温。按要求加入发酵剂，200 r/min恒温摇床振荡，按响应曲面设计要求进行发酵。加入95%乙醇室温下静置沉淀，离心过滤，收集滤渣。滤渣真空干燥后粉碎过100目筛即为成品。

1.2.2.2 单因素考察

本试验选取发酵温度（32、36、40、44、48 ℃）、接种量（3%、4%、5%、6%、7%）、发酵时间（12、16、20、24、28 h）3个膳食纤维提取需考察的因素。经预试验确定其固定水平分别为40℃，5%和20 h。保持其中2个变量固定不变，对另1个变量进行单因素试验，以膳食纤维得率为指标，以确定Box-Behnken响应曲面设计所需的水平范围。

1.2.2.3 响应曲面试验

在单因素试验的基础上，选取发酵温度、接种量及发酵时间3个因素，采用Design-Expert 8.0.6提供的Box-Behnken试验，以膳食纤维提取率为指标进行提取工艺参数的优化。

1.2.3 膳食纤维曲奇饼干的制备

1.2.3.1 操作流程

茯苓渣膳食纤维曲奇饼干[11-12]的制备工艺如下：黄油加热融化后搅打至黄油颜色均匀一致后将细砂糖分3次加入到搅打过的黄油中，充分搅拌均匀后再加入鸡蛋液搅打至浅黄色、蓬松状。按试验要求加入牛奶、低筋面粉、茯苓渣膳食纤维、碳酸氢钠，充分搅打。烘烤底火和面火温度均为180℃，烘烤时间约15 min左右（至饼干色泽变深且无焦黑色）。

1.2.3.2 单因素试验

制备曲奇饼干，固定低筋面粉的添加量为1 000 g，其他成分添加量按低筋面粉比例计算，固定10%牛奶添加量、1%碳酸氢钠添加量。选取茯苓膳食纤维添加量、蛋液添加量、黄油添加量、细砂糖添加量为试验因素，经预试验确定其固定水平分别为5%、10%、24%和15%。单因素试验中各因素的水平：膳食纤维添加量为1%、3%、5%、7%和9%；蛋液添加量为5%、10%、15%、20%和25%；黄油添加量6%、12%、18%、24%和30%；细砂糖添加量为5%、10%、15%、20%和25%。以感官评分为指标，进行单因素试验，确定Box-Behnken响应曲面试验所需的水平。

1.2.3.2 混料设计优化曲奇饼干配方

在前期单因素试验的基础上，以感官评分为评价指标，选取茯苓膳食纤维添加量（3%～7%）、蛋液添加量（10%～20%）、黄油添加量（12%～24%）、细砂糖添加量（10%～20%）4个因素，采用 Design-Expert 8.0.6提供的混料设计试验制备茯苓膳食纤维曲奇饼干，从而选出最佳工艺配方。

1.2.4 评价指标

1.2.4.1 感官评定标准

采用10名符合感官评定的人员（无特别口味偏好）进行感官评定，采用百分制对产品的形态（30分）、色泽（20分）、组织状态（20分）、滋味（30分）等进行感官评分。评分标准见表1。

表1 曲奇饼干的感官评定Table 1 Inedexes of sensory evaluation and their scores on cookies

1.2.4.2 持水力测定[13]

准确称量已烘干的待测定样品m0（g），加入20℃去离子水中浸泡1 h，滤纸滤干，将其置于表面皿m1（g），称其总质量m2（g）。持水力计算公式为：

1.2.4.3 溶胀力测定[13]

准确称取m g样品，测定其体积为V1（mL），加入适量蒸馏水混匀后室温下静置24 h后记录样品体积V0（mL）。溶胀力计算公式为：

1.2.4.4 结合水力测定[13]

准确称量样品m0（g），置于20℃20 mL水中室温下浸泡1 h，滤纸滤干后3 000 r/min离心5 min，弃去上清液后，样品质量为m1（g）。结合水力计算公式为：

2 结果与分析

2.1 茯苓渣膳食纤维提取的单因素试验结果

2.1.1 发酵温度对膳食纤维提取率的影响

发酵温度对膳食纤维提取率的影响见图1。

图1 发酵温度对膳食纤维提取率的影响Fig.1 Effect of fermentation temperature on DF yield

由图1可知，当发酵温度增加后，膳食纤维的提取率呈先上升再稳定在一定水平再出现下降的趋势。当发酵温度在40℃～44℃时，膳食纤维提取率稳定在58.5%左右波动。当继续增加发酵温度，提取率开始下降，与文献报道的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的适宜发酵温度一致[14]。因此选择发酵温度为36℃～44℃为响应面设计所需的水平范围。

2.1.2 接种量对膳食纤维提取率的影响

接种量对膳食纤维提取率的影响见图2。

图2 接种量对膳食纤维提取率的影响Fig.2 Effect of inoculum on DF yield

由图2可知，当接种量增加膳食纤维的提取率出现先升高后下降的趋势。当接种量为5%时，膳食纤维提取率已接近最大值61.2%，继续增加接种量提取率反而降低。主要是由于当接种量不足时，发酵剂不足以使茯苓反应完全，而影响膳食纤维的提取；当接种量过大时，由于前期反应消耗过多能量，后期能量不足以发酵持续发生[11]。因此4%～6%为响应曲面设计所需的水平范围。

2.1.3 发酵时间对膳食纤维提取率的影响

发酵时间对膳食纤维提取率的影响见图3。

图3 发酵时间对膳食纤维提取率的影响Fig.3 Effect of fermentation time on DF yield

由图3可知，当发酵时间增加膳食纤维的提取率先升高后稳定在一定水平的趋势。当发酵时间超过24 h以后，膳食纤维提取率稳定在60.3%左右，继续发酵提取率没有显著升高。主要是由于24 h后已基本发酵完全。因此选择发酵时间为20 h～24 h为响应面设计所需的水平范围。

2.2 响应曲面法优化膳食纤维提取工艺

茯苓渣膳食纤维提取的Box-Behnken响应曲面试验设计及评价指标见表2。

表2 茯苓渣膳食纤维提取的Box-Behnken响应曲面试验设计及评价指标Table 2 Box-Behnken response surface methodology and results with DF extraction parameters optimization

采用Design-Expert 8.0.6提供的Box-Behnken响应曲面设计，对各提取工艺参数进行拟合，得到多元回归方程为：R提取率=-1 071.702 5+51.928 1A+27.212 5B+0.4225C-0.2875AB+0.065 63AC-0.412 50BC-0.639 7A2-0.435 0B2-0.015 0C2

对茯苓膳食纤维提取率的回归模型进行方差及显著性分析，结果见表3。

表3 膳食纤维提取试验结果方差分析Table 3 Square and significant analysis of regression equation of DF extraction

该模型回归方程极显著（P＜0.000 1），失拟项不显著（P=0.282 6＞0.05），说明在本试验条件下，该回归模型所考察的因素足以反映试验中各提取工艺参数对膳食纤维提取率的影响。判定系数R2=0.994 6，R2adj=0.987 6，说明回归模型与试验值拟合均较好，可用于膳食纤维提取率的理论推测和分析。各因素影响大小依次为：发酵温度＞接种量＞发酵时间。由F检验可知，发酵温度、接种量对膳食纤维提取率具有极显著影响（P＜0.01），发酵时间对提取率的影响显著（P＞0.05）；在交互作用中，发酵温度与接种量、接种量与发酵时间对膳食纤维提取率均有显著影响（P＞0.05）；在二次项中发酵温度对膳食纤维提取率有极显著影响（P＜0.01）。与图4中3D效应面图反映出的各因素间的交互作用相吻合。

由Design-Expert 8.0.6软件得出茯苓渣膳食纤维提取的最佳工艺参数为：发酵温度为40.27℃，接种量6%，发酵时间20.00 h，预测的提取率为分别66.03%。为便于实际操作，提取的工艺参数定为发酵温度为40℃，接种量6%，发酵时间20 h。进一步验证试验，得出膳食纤维提取率为（67.12±0.18）%。该值与预测值比较接近，可作为茯苓渣膳食纤维提取的最佳工艺参数。

图4 不同因素之间的交互作用对膳食纤维提取率影响的3D效应面图谱Fig.4 3D response surface figures for effects of formulation proportions on different indexes

2.3 茯苓渣膳食纤维的理化性质

按筛选出的工艺参数制备茯苓渣膳食纤维，对其进行理化性质的测定，结果见表4。

表4 茯苓渣膳食纤维理化性质Table 4 Physocochemical properties of DF

茯苓渣富含膳食纤维，其中总膳食纤维量达到65%以上，开发茯苓渣膳食纤维系列营养保健产品具有重要的意义。由表4可知，发酵后得到的膳食纤维在持水力、结合水力、溶胀性等物化特性方面均有明显改善，扩大了其应用范围。

2.4 曲奇饼干配方研究的单因素试验

2.4.1 膳食纤维添加量对曲奇饼干感官指标的影响

膳食纤维添加量对曲奇饼干感官评分的影响见图5。

图5 膳食纤维添加量对曲奇饼干感官评分的影响Fig.5 Effect of DF addition on biscuits

由图5可知，随着膳食纤维添加量的增加，曲奇饼干的感官评分出现先增加后下降的趋势。当膳食纤维添加量为5%时，感官评分为88分。膳食纤维的用量的增加饼干的成型性得到明显改善，但继续增加导致口感下降。由此混料设计所需水平为膳食纤维添加量为3%～7%。

2.4.2 蛋液添加量对曲奇饼干感官指标的影响

蛋液添加量对曲奇饼干感官评分的影响见图6。

图6 蛋液添加量对曲奇饼干感官评分的影响Fig.6 Effect of egg on biscuits

由图6可知，随着蛋液添加量的增加，曲奇饼干的感官评分呈先增加后稳定在一定水平再出现下降的趋势。但当蛋液添加量为25%时，感官评分最高为87分。当蛋液添加量在10%～20%时，感官评分在88分左右波动。主要由于蛋液使曲奇饼干酥性、口感更佳，但继续增加饼干成型性不佳且有蛋腥味影响口感。由此混料设计所需的蛋液添加量水平为10%～20%。

2.4.3 黄油添加量对曲奇饼干感官指标的影响

黄油添加量对曲奇饼干感官评分的影响见图7。由图7可知，随着黄油添加量的增加，曲奇饼干的感官评分呈先增加后下降的趋势。当黄油添加量为18%时，感官评分最高为89分。主要由于黄油使饼干烘烤后酥脆、香醇，而继续黄油饼干易碎，成型性欠佳。由此混料设计所需的黄油添加量水平为12%～24%。

图7 黄油添加量对曲奇饼干感官评分的影响Fig.7 Effect of butter on biscuits

2.4.4 细砂糖添加量对曲奇饼干感官指标的影响

细砂糖添加量对曲奇饼干感官评分的影响见图8。

图8 细砂糖添加量对曲奇饼干感官评分的影响Fig.8 Effect of sugar on biscuits

由图8可见，随着细砂糖添加量的增加，曲奇饼干的感官评分呈先增加后下降的趋势。当细砂糖添加量为20%时，感官评分最高为89分，继续增加细砂糖用量，饼干过甜而影响口感。由此混料设计所需的细砂糖添加量水平为10%～20%。

2.5 混料设计优选曲奇饼干的配方

茯苓渣膳食纤维曲奇饼干配方研究的混料设计及评价指标见表5。

表5 膳食纤维曲奇饼干的混料试验设计及评价指标Table 5 Mixture design and results with formula of DF biscuits

续表5 膳食纤维曲奇饼干的混料试验设计及评价指标Continue table 5 Mixture design and results with formula of DF biscuits

采用Design-Expert 8.0.6提供混料设计试验，对配方各因素进行拟合，得到多元回归方程为：

对曲奇饼干配方感官评分的回归模型分别进行方差及显著性分析，结果见表6。

表6 曲奇饼干配方优化的试验结果方差分析Table 6 Square and significant analysis of regression equation of DF biscuits

该模型方程显著（P<0.000 4），失拟项（P=0.121 2>0.05）不显著，说明在本试验条件下，该回归模型所考察的因素足以反映试验中各配方对曲奇饼干感官评分的影响。判定系数R2=0.982 3，R2adj=0.943 8，说明回归模型与试验值拟合均较好，可用于曲奇饼干感官评分的理论推测和分析。由F检验可知，在二项式中，膳食纤维与黄油添加量之间的交互作用对曲奇饼干感官评分影响显著（P＜0.05），膳食纤维与细砂糖添加量、蛋液与黄油添加量、蛋液与细砂糖添加量之间的交互作用对曲奇饼干感官评分影响极显著（P＜0.01）；在三项式中，膳食纤维、蛋液和黄油添加量，膳食纤维、蛋液与细砂糖添加量，膳食纤维、黄油与细砂糖添加量，蛋液、黄油与细砂糖添加量之间的交互作用对曲奇饼干感官评分的影响极显著（P＜0.01），其他添加量之间的交互作用对曲奇饼干感官评分的影响均不显著（P>0.05）。与图9中3D效应面图反映出的各因素间的交互作用相吻合。

由Design-Expert 8.0.6软件得出茯苓渣膳食纤维曲奇饼干最佳配方为：膳食纤维添加量5.61%、蛋液添加量14.53%、黄油添加量23.99%、细砂糖添加量10.86%，预测的感官评分为93。为便于实际操作，膳食纤维添加量5.4%、蛋液添加量14.5%、黄油添加量24.0%、细砂糖添加量11%。进一步验证试验，得出的感官评分为93。该值与预测值比较接近，可作为茯苓渣膳食纤维提取的最佳工艺参数。

图9 不同配方之间的交互作用对感官评分影响的3D效应面图谱Fig.4 3D response surface figures for effects of formulation proportions on different indexes

3 结论

响应面法主要用于工艺及配方研究，目前已广泛应用于化工、食品、农林、冶金等各领域，具有试验次数少，设计简便等优点。本试验通过茯苓渣膳食纤维提取率为指标，运用Box-Behnken响应面法优化发酵法制备茯苓渣膳食纤维的工艺条件，最佳工艺条件是发酵温度40℃，接种量6%，发酵时间20 h，此条件下膳食纤维提取率为（67.12±0.18）%，其持水力、溶胀性、结合水力分别（7.32±0.23）g/g、（5.31±0.08）mL/g、（5.65±0.19）g/g。并以制备的茯苓渣膳食纤维进行曲奇饼干的研制，以感官评分为指标，通过混料设计优化饼干的配方。得到的曲奇饼干的配方为膳食纤维添加量5.4%、蛋液添加量14.5%、黄油添加量24.0%、细砂糖添加量11%。本试验通过茯苓渣经发酵后，膳食纤维的纯度和物化性质均得到一定的提高，其曲奇饼干感官品质良好，硬度明显提升，为茯苓综合开发利用提供借鉴。

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The Preparation of Poria cocos Residue Dietary Fiber by Fermentation and Its Application in Cookies

WU De-zhi，XIONG Yu，TANG Cheng-jin，ZHOU Xing-zhu，LI Xiao-hong*
（Guizhou Institute of Technology，Guiyang 550003，Guizhou，China）

Poria cocos residue were fermented by Lactobacillus bugaicus and Streptococcus thermophilus（ratio 1 ∶1）to prepared dietary fiber （DF）.On the basis of single factor experiment，effects of amounts of fermentation temperature，time and inoculum were studied via Box-Behnken response surface methodology.And then formula optimization of cookies was determined by mixture design.Study results showed that the optimized extraction parameters were fermentation temperature 40℃，fermentation time 20 h，inoculum 6%.Under the conditions，the yield of prepared DF was（67.12±0.18）%.The water holding capacity，swelling capacity，water binding capacity of the prepared DF were（7.32±0.23）g/g，（5.31±0.08）mL/g，（5.65±0.19）g/g，respectively.The optimized formula of cookies was confirmed to be as followings：DF addition 5.4%，egg addition 14.5%，butter addition 24.0%，and sugar addition 11%.After Poria cocos residue fermentation，the purity and physicochemical properties of the DF were improved，which indicated that fermentation method was a feasible method of DF preparation.And cookies could significantly enhance taste.This study could be used as a reference for the development of Poria cocos residue.

Poria cocos residue；fermentation；dietary fiber；cookies；Box-Behnken response surface methodology；mixture design

2017-02-14

阳市科技局“创客空间”项目（筑科合同[20151001]2-7号）；贵州省科学技术基金计划（黔科合LH字[2016]7094）；贵州省大学生创新创业项目（201514440020）

吴德智（1983—），男（汉），副教授，博士，研究方向：食品与药品研究与开发。

*通信作者：李小红（1984—），女（汉），副教授，博士，研究方向：食品与药品研究与开发。

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.13.018