发酵法制备芒果皮膳食纤维工艺研究

黄晓兵,彭芍丹,李积华,李 梦,刘琨毅,龚 霄,林丽静,*

(1.中国热带农业科学院农产品加工研究所,广东湛江 524001;2.岭南师范学院生命科学与技术学院,广东湛江 524001;3.宜宾职业技术学院,四川宜宾 644003)

发酵法制备芒果皮膳食纤维工艺研究

黄晓兵1,彭芍丹1,李积华1,李 梦2,刘琨毅3,龚 霄1,林丽静1,*

(1.中国热带农业科学院农产品加工研究所,广东湛江 524001;2.岭南师范学院生命科学与技术学院,广东湛江 524001;3.宜宾职业技术学院,四川宜宾 644003)

以芒果皮为原料,以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,以菌种接种量、发酵温度、发酵时间对膳食纤维得率的影响为评价指标,通过单因素实验和正交实验对发酵法制备芒果皮膳食纤维的工艺条件进行优化。结果表明,发酵法制备芒果皮膳食纤维的最佳工艺为:接种量3%,发酵温度38 ℃,发酵时间3 h,在此条件下制备的膳食纤维得率为31.74%,其总膳食纤维含量为68.00%,持水力、持油力、溶胀度分别为11.19 g/g、5.11 g/g、1.07 mL/g,与发酵前相比,均有明显提高,进一步说明发酵法是一种可行的芒果皮膳食纤维制备方法。

发酵法,芒果皮,膳食纤维,正交实验

芒果是我国重要热带水果之一,在我国主要分布于广东、广西、海南、四川、云南、福建及台湾等省区[1],是当地经济的重要组成部分和农民收入的重要来源之一[2]。芒果加工过程中产生大量皮渣,约占鲜果重的9%～16%[3],但在加工过程中芒果皮往往被当作下脚料丢弃,既浪费资源,又污染环境[4]。研究表明,芒果皮中含有多种功能性成分,如多酚、膳食纤维、类胡萝卜素等,其中膳食纤维含量可高达60%以上,是优良的膳食纤维资源[5-6]。

膳食纤维作为一种功能性食品基料,具有多种生理功能,研究表明,膳食纤维具有清脂、减肥[7]、顺肠通便[8-10]、调节控制血糖浓度[11]、降血脂[12-13]、降低血液胆固醇含量[14]、预防心血管疾病以及预防结肠癌[15]等生理功能,因此被称作人类第七大营养因子[16]。目前,膳食纤维制备方法主要包括水洗法、酸碱处理法、生物发酵法和酶法等,而从成本投入、环境保护等方面考滤,微生物发酵法是一种相对安全、高效、低成本的膳食纤维制备方法[17]。保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌是酸奶生产所用常规菌种,成本低且安全可靠[18],目前国内还没有利用乳酸菌发酵制备芒果皮膳食纤维的研究报道,本研究以菌种接种量、发酵温度、发酵时间对膳食纤维得率的影响为评价指标,通过单因素实验和正交实验优化发酵法制备芒果皮膳食纤维的工艺条件,并对发酵法制备芒果皮膳食纤维的组成、持水持油力及溶胀特性进行研究,以期为发酵法在芒果皮膳食纤维制备中的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

芒果皮 海南省海口市南北水果批发市场,八成熟澳洲芒果削皮即得;保加利亚乳酸杆菌、嗜热链球菌混合菌种(1∶1) 安琪酵母股份有限公司;95%乙醇、盐酸、石油醚、丙酮、硼酸、氢氧化钠 国药集团化学试剂有限公司,分析纯;2-(N-吗啉代)-磺酸基乙烷(MES)、三羟甲基氨基甲烷(TRIS) 上海源叶生物科技有限公司,分析纯;K-TDFR膳食纤维试剂盒 爱尔兰Megazyme公司,分析纯。

Kjeltec8400凯氏定氮仪 丹麦福斯公司;10-13A马弗炉 上海康路仪器设备有限公司;Color i5色差仪 爱色丽(上海)色彩科技有限公司;ALPHA 2-4冷冻干燥机 德国CHRIST公司;HWS28型电热恒温水浴锅 上海一恒科技有限公司;JYL-C010打浆机 九阳股份有限公司;FA2004N电子天平 上海精密科学仪器有限公司;DHG-9426A恒温干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;DFT-250高速万能粉碎机 上海鼎广机械设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程[19]

1.2.2 单因素实验 按照1.2.1的工艺流程,称取一定量的芒果皮分别接入1%、2%、3%、4%、5%的发酵菌种,在40 ℃条件下恒温培养15 h,考察接种量对芒果皮膳食纤维得率的影响;在接种量为3%的条件下,分别在38、39、40、41、42 ℃条件下培养15 h,考察发酵温度对芒果皮膳食纤维得率的影响;在接种量为3%、温度为40 ℃条件下分别发酵3、9、15、21、27 h,考察发酵时间对芒果皮膳食纤维得率的影响。

1.2.3 正交实验设计 在单因素实验基础上,以接种量、发酵温度和发酵时间为主要影响因素,以芒果皮膳食纤维(MPDF)得率为指标,进行3因素3水平正交实验设计(如表1所示),确定最佳发酵条件。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Levels and factors for orthogonal test analysis

1.2.4 膳食纤维含量的测定 根据GB 5009.88-2014 《食品安全国家标准 食品中膳食纤维的测定》的方法测定样品中的膳食纤维含量。

1.2.5 持水、持油力测定 准确称取1.000 g(m0)芒果皮粉或芒果皮膳食纤维样品置于100 mL烧杯中,加蒸馏水(或大豆油)40 mL,电磁搅拌24 h,转移至已称重离心管(m1)中,在3500 r/min的速度下离心30 min,取出上清液,擦干管壁附着的水分(或油),称其质量(m2),样品持水(油)力计算公式如下[20]:

式(1)

式(1)中:m0为初始样品质量,g;m1为离心管质量,g;m2为离心管与持水(油)后样品质量之和,g。

1.2.6 溶胀度的测定 按照朱丽云等[21]的方法进行测定,准确称取样品0.1 g(m0)于10 mL量筒中,振平后读取体积V0,准确量取5 mL蒸馏水加入其中,振荡均匀后在室温下放置24 h,读取液体中膳食纤维的体积V1,样品溶胀度计算公式如下:

式(2)

式(2)中:m0为初始样品质量,g;V0、V1分别为溶胀前后样品的体积,mL。

1.2.7 芒果皮膳食纤维得率计算 测定鲜芒果皮水分含量w,准确称取鲜芒果皮m0,经过发酵、醇沉等过程后,50 ℃干燥至恒重得m1,则芒果皮膳食纤维得率计算公式如下:

式(3)

式(3)中:w为鲜芒果皮含水量,%;m0、m1分别为发酵前后样品的质量,g。

1.3 统计分析

实验数据均重复三次取平均值,最终结果以平均值±标准差的方式表示,数据均采用Microsoft Excel2010和SPSS 17.0统计软件分析,多个样本间的显著性差异用Duncan法多重检验(p<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 发酵条件对芒果皮膳食纤维得率的影响

2.1.1 接种量对芒果皮膳食纤维得率的影响 由图1可知,随着接种量的增加,芒果皮膳食纤维得率也随之增加,表明发酵有利于提高膳食纤维得率,当接种量为4%时,膳食纤维得率最高为33.79%,但接种量超过4%时,膳食纤维得率开始下降。其原因可能是接种量过少时,乳酸菌活菌数不足以完成芒果皮的发酵,导致代谢产物减少,从而影响蛋白、淀粉等大分子的分解,阻碍了膳食纤维的富集过程,而当接种量较多时,菌体生长繁殖迅速,底物中营养物质不足以提供菌株的营养生长,导致可溶性膳食纤维的分解,从而使总膳食纤维得率降低,这与左茜等[22]和蒋丽[19]等的研究结果基本一致。

图1 接种量对膳食纤维得率的影响Fig.1 Effects of inoculation amount on yield of MPDF

2.1.2 发酵温度对芒果皮膳食纤维得率的影响 由图2可知,随着发酵温度的升高,芒果皮膳食纤维得率而先升高后降低再升高的波动现象。当温度在39 ℃时,膳食纤维得率最高为34.4%,当发酵温度高于39 ℃时,膳食纤维得率呈下降趋势,温度高于41 ℃时,膳食纤维得率开始上升,表明了温度对乳酸菌的生长有很大关系。波动的出现可能是由于发酵菌种是由保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌复合而成,而两个菌种之间存在拮抗作用,导致发酵过程产生波动[23]。

图2 发酵温度对膳食纤维得率的影响Fig.2 Effects of fermentation temperature on yield of MPDF

2.1.3 发酵时间对芒果皮膳食纤维得率的影响 由图3可知,随发酵时间延长,膳食纤维得率呈现先降低后升高的趋势。当发酵时间为3 h时,芒果皮膳食纤维得率最高为32.31%,当发酵时间超过3 h时,膳食纤维得率呈下降趋势,推测可能是随培养时间延长,菌株大量生长使营养消耗过快,从而使可溶性膳食纤维分解,导致膳食纤维得率下降,而后随着死亡菌株增多,部分活菌又回到适宜生长条件,代谢产物使菌体中多糖等物质溶出,从而出现了发酵后期,膳食纤维得率呈微弱上升趋势。

图3 发酵时间对膳食纤维得率的影响Fig.3 Effects of fermentation time on yield of MPDF

2.2 正交实验设计及发酵工艺优化

根据上述单因素的实验结果,以接种量、培养温度和培养时间为正交实验因素,以膳食纤维得率为考察指标,选用L9(34)正交实验进行发酵工艺优化,因素水平设计如表1所示,正交实验结果如表2所示。

极差R值反映了各因素对膳食纤维得率影响的重要程度,由表2可知,各因素对发酵法制备芒果皮膳食纤维得率影响大小为:发酵温度(B)>接种量(A)>发酵时间(C),本实验发酵条件最优组合为A1B1C1,即接种量为3%,发酵温度为38 ℃,发酵时间为3 h时芒果皮膳食纤维得率最高为31.74%。以最优发酵条件做验证性实验,结果如表3所示,验证实验结果与正交实验最优值差异不明显,表明基于最优的发酵条件,芒果皮膳食纤维得率相对比较稳定。

表2 正交实验结果分析Table 2 Analysis of orthogonal test results

表3 正交实验结果验证Table 3 Verification of orthogonal test results

2.3 发酵对芒果皮膳食纤维理化特性的影响

2.3.1 发酵对芒果皮膳食纤维组成的影响 经过发酵,芒果皮中的糖类、蛋白类等物质作为乳酸菌的营养组分被吸收利用,代谢产酸后,又加速了淀粉、多糖等大分子水解生成低聚糖等可溶性膳食纤维,芒果皮中营养的消耗使膳食纤维得到有效富集[17],因此发酵可使膳食纤维含量增加。如图4所示,发酵后,芒果皮中膳食纤维的含量从53.35%提高到了68.00%,增幅达到了27.50%,不溶性膳食纤维从37.35%提高到了60.20%,增幅达61.2%,但可溶性膳食纤维从16.00%降到了7.80%,可能是乳酸发酵后期,营养消耗过快,部分可溶性多糖类被分解,从而导致可溶性膳食纤维含量降低[22]。

图4 发酵前后芒果皮膳食组成的变化Fig.4 Changes of composition of MPDF before and after fermentation

2.3.2 发酵对芒果皮膳食纤维持水持油特性的影响 由图5可知,发酵后,芒果皮的持油持水力及溶胀度均得到显著性提高,持油力由皮的1.90 g/g提高到发酵后5.11 g/g,提高约1.5倍,而持水力也由发酵前的5.85 g/g提高到发酵后11.19 g/g,增加约1倍,而溶胀度由发酵前的0.82 mL/g提高到1.07 mL/g。主要是由于微生物发酵可将膳食纤维大分子降解为小分子,使亲水基团暴露,从而可有效提高膳食纤维持水力等物化特性[24]。

图5 发酵前后芒果皮膳食纤维持水持油及溶胀性的变化Fig.5 Changes of WHC,OHC and SC of MPDF before and after fermentation

3 结论

本研究运用乳酸发酵法制备芒果皮膳食纤维,最优发酵条件为接种量3%,发酵温度38 ℃,发酵时间3 h,此时芒果皮膳食纤维得率可高达31.74%,与芒果皮干粉相比,发酵工艺生产的膳食纤维含量更高。然而,发酵后总膳食纤维及不溶性膳食纤维含量得到大幅提升,但可溶性膳食纤维含量降低,在后续研究中可通过改善发酵制备工艺或改性手段来提高可溶性膳食纤维比例,进一步为芒果皮膳食纤维的有效开发利用提供理论依据。

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Study on the preparation process of dietary fiber from mango peel by fermentation

HUANG Xiao-bing1,PENG Shao-dan1,LI Ji-hua1,LI Meng2,LIU Kun-yi3,GONG Xiao1,LIN Li-jing1,*

(1.Agricultural Products Processing Research Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524001,China;2.LinNang Normal University,Life Science & Technology School,Zhanjiang 524001,China;3.Yibin Vocational and Technical College,Yibin 644003,China)

Mango peel were fermented byLactobacillusbulgaricusandStreptococcusthermophiles(ratio 1∶1)to prepare mango peel dietary fiber(MPDF). Effect of inoculum sizee,fermentation temperature,fermentation time on yield of MPDF were investigated,and the fermentation conditions were optimized by single-factor experiments and orthogonal test. The results showed that the optimum conditions were 3% inoculation,fermentation temperature 38 ℃ and time 3 h.Under this condhions,the yield of MPDF was 31.74% with total dietary fiber content(TDF)68.00%. The water holding capacity,oil holding capacity and swelling capacity of the prepared MPDF were 11.19 g/g,5.11 g/g and 1.07 mL/g,respectively. Compared with non-fermented mango peel,the purity and physicochemical properties of prepared MPDF were improved,which indicated that fermentation method was a feasible method for MPDF preparation.

Fermentation method;mango peel;dietary fiber;orthogonal test

2017-01-20

黄晓兵(1986-),男,硕士研究生,助理研究员,研究方向:农业副产物综合利用,E-mail:huang5102@hotmail.com。

*通讯作者:林丽静(1978-),男,博士,副研究员,研究方向:农业副产物综合利用,E-mail:49031788@qq.com。

海南省自然科学基金项目(20163114);海南省自然科学基金项目(20163113);公益性行业(农业)科研专项(201503142)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)15-0153-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.029