吳德智，熊雨，唐承金，周興祝，李小紅

（貴州理工學院，貴州貴陽550003）

茯苓渣膳食纖維提取工藝研究及其在曲奇餅干中的應用

吳德智，熊雨，唐承金，周興祝，李小紅*

（貴州理工學院，貴州貴陽550003）

以茯苓渣為原料，按1∶1比例混合的保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌作為發(fā)酵菌種，以膳食纖維提取率為評價指標，通過單因素試驗考察發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間、菌種接種量后用Box-Behnken響應面優(yōu)化發(fā)酵法制備茯苓渣膳食纖維的工藝條件；并以感官評分為指標，通過混料試驗設計優(yōu)化該膳食纖維曲奇餅干的配方。結果表明，發(fā)酵法制備茯苓渣膳食纖維的最佳工藝為：發(fā)酵溫度40℃，接種量6%，發(fā)酵時間20h，此條件下膳食纖維提取率為（67.12±0.18）%，其持水力、溶脹性、結合水力分別（7.32±0.23）g/g、（5.31±0.08）mL/g、（5.65±0.19）g/g。曲奇餅干的配方為膳食纖維添加量5.4%、蛋液添加量14.5%、黃油添加量24.0%、細砂糖添加量11%。茯苓渣經(jīng)發(fā)酵后，膳食纖維的純度和物化性質(zhì)均得到提高，其曲奇餅干感官品質(zhì)良好，為茯苓綜合開發(fā)利用提供借鑒。

茯苓；發(fā)酵；膳食纖維；曲奇餅干；Box-Behnken響應面法；混料設計

茯苓為多孔菌科真菌茯苓Poria cocos（Schw.）Wolf的干燥菌核，是一種藥食同源的天然資源，具有利水滲濕、健脾寧心，主治水腫尿少、脾虛食少等[1]。茯苓中主要含有茯苓多糖、茯苓三萜以及富含膳食纖維、蛋白質(zhì)、微量元素、氨基酸等[2-3]?，F(xiàn)代藥理學研究表明茯苓具有利尿、免疫調(diào)節(jié)、保肝、抗腫瘤、抗氧化、抗炎、抗病毒等多種藥理作用[4-6]。我國茯苓資源豐富，被提取加工后茯苓皮渣中仍含有大量膳食纖維等功能性成分，但皮渣通常被當作肥料、飼料甚至垃圾處理，對環(huán)境、經(jīng)濟等方面造成重大影響，如何開發(fā)茯苓皮渣膳食纖維系列營養(yǎng)保健產(chǎn)品已成為研究的熱點。

膳食纖維是以非消化性多糖為主的功能性食料，不能被小腸消化吸收，在大腸內(nèi)可全部或部分吸收或發(fā)酵，是人體平衡膳食結構必需的營養(yǎng)素之一，被稱為“第七大營養(yǎng)素”[7]。膳食纖維作為食品添加劑不僅可以影響產(chǎn)品顏色、風味、保油性和保水性以及作為穩(wěn)定劑和增稠劑，還具有降低血清中膽固醇含量、調(diào)節(jié)血糖水平、預防心血管疾病及大腸癌等重要的生理功能[8-10]。隨著人們生活水平和健康意識的提高，膳食纖維已越來越多的被應用于食品開發(fā)。

微生物發(fā)酵是膳食纖維制備常用的方法，發(fā)酵處理能提高膳食纖維的理化特性，有利于發(fā)揮膳食纖維的生理功能。將發(fā)酵法運用到整個膳食纖維的提取工藝過程中，條件溫和且具有很強的連續(xù)性，理論上能夠使得整個工藝過程的損耗率大大降低，對環(huán)境污染較小，也使得酶的來源能夠有保障，發(fā)酵法已廣泛應用于膳食纖維的提取。

因此，本試驗以茯苓渣為原料采用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌混合發(fā)酵，以制備茯苓渣膳食纖維，并在此基礎上進一步開發(fā)茯苓渣膳食纖維曲奇餅干，提升廢棄物的利用，防止污染環(huán)境，為茯苓渣的綜合利用提供參考借鑒，提高茯苓的經(jīng)濟效益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

脫脂乳粉：山東西唐生物科技有限公司；保加利亞乳桿菌（Lactobacillus bugaicus）、嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）：購自南京益生源生物科技有限公司；其他試劑藥品為國產(chǎn)分析純。

低筋小麥面粉：安琪酵母股份有限公司；食用油：中糧集團有限公司；碳酸氫鈉、碳酸氫銨等輔料均為食品級。

TDZS-WS型離心機：濟南福的機械有限公司；LHS-250SC型恒溫培養(yǎng)箱：上海析域儀器設備有限公司；FA1004B型電子天平：上海越平科學儀器有限公司；手提式高壓滅菌鍋：上海上天精密儀器有限公司；TA.XT-plus食品物性測試儀：英國Stable Micro System公司。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)酵劑制備

保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌按1∶1比例混合，于100mL、10%的脫脂乳中37℃活化2次，加入50 mL茯苓渣與蒸餾水混合液 1 ∶50（g∶mL）和 50 mL 10%的脫脂乳，凝乳2次后，37℃下加入90 mL茯苓汁和10 mL 10%的脫脂乳繼續(xù)培養(yǎng)至凝乳，無菌水配制菌懸液，乳酸菌數(shù)保持在107CFU/mL～108CFU/mL即為發(fā)酵劑。

1.2.2 發(fā)酵法提取茯苓渣膳食纖維

1.2.2.1 提取工藝流程

稱取茯苓渣粉末加4倍量90℃去離子水，沸水中加熱5 min，以鈍化其氧化酶。再加入10倍量水，混合均勻。加入2%脫脂乳和1%細砂糖，充分溶解后，105℃滅菌15 min，冷卻至室溫。按要求加入發(fā)酵劑，200 r/min恒溫搖床振蕩，按響應曲面設計要求進行發(fā)酵。加入95%乙醇室溫下靜置沉淀，離心過濾，收集濾渣。濾渣真空干燥后粉碎過100目篩即為成品。

1.2.2.2 單因素考察

本試驗選取發(fā)酵溫度（32、36、40、44、48 ℃）、接種量（3%、4%、5%、6%、7%）、發(fā)酵時間（12、16、20、24、28 h）3個膳食纖維提取需考察的因素。經(jīng)預試驗確定其固定水平分別為40℃，5%和20 h。保持其中2個變量固定不變，對另1個變量進行單因素試驗，以膳食纖維得率為指標，以確定Box-Behnken響應曲面設計所需的水平范圍。

1.2.2.3 響應曲面試驗

在單因素試驗的基礎上，選取發(fā)酵溫度、接種量及發(fā)酵時間3個因素，采用Design-Expert 8.0.6提供的Box-Behnken試驗，以膳食纖維提取率為指標進行提取工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1.2.3 膳食纖維曲奇餅干的制備

1.2.3.1 操作流程

茯苓渣膳食纖維曲奇餅干[11-12]的制備工藝如下：黃油加熱融化后攪打至黃油顏色均勻一致后將細砂糖分3次加入到攪打過的黃油中，充分攪拌均勻后再加入雞蛋液攪打至淺黃色、蓬松狀。按試驗要求加入牛奶、低筋面粉、茯苓渣膳食纖維、碳酸氫鈉，充分攪打。烘烤底火和面火溫度均為180℃，烘烤時間約15 min左右（至餅干色澤變深且無焦黑色）。

1.2.3.2 單因素試驗

制備曲奇餅干，固定低筋面粉的添加量為1 000 g，其他成分添加量按低筋面粉比例計算，固定10%牛奶添加量、1%碳酸氫鈉添加量。選取茯苓膳食纖維添加量、蛋液添加量、黃油添加量、細砂糖添加量為試驗因素，經(jīng)預試驗確定其固定水平分別為5%、10%、24%和15%。單因素試驗中各因素的水平：膳食纖維添加量為1%、3%、5%、7%和9%；蛋液添加量為5%、10%、15%、20%和25%；黃油添加量6%、12%、18%、24%和30%；細砂糖添加量為5%、10%、15%、20%和25%。以感官評分為指標，進行單因素試驗，確定Box-Behnken響應曲面試驗所需的水平。

1.2.3.2 混料設計優(yōu)化曲奇餅干配方

在前期單因素試驗的基礎上，以感官評分為評價指標，選取茯苓膳食纖維添加量（3%～7%）、蛋液添加量（10%～20%）、黃油添加量（12%～24%）、細砂糖添加量（10%～20%）4個因素，采用 Design-Expert 8.0.6提供的混料設計試驗制備茯苓膳食纖維曲奇餅干，從而選出最佳工藝配方。

1.2.4 評價指標

1.2.4.1 感官評定標準

采用10名符合感官評定的人員（無特別口味偏好）進行感官評定，采用百分制對產(chǎn)品的形態(tài)（30分）、色澤（20分）、組織狀態(tài)（20分）、滋味（30分）等進行感官評分。評分標準見表1。

表1 曲奇餅干的感官評定Table 1 Inedexes of sensory evaluation and their scores on cookies

1.2.4.2 持水力測定[13]

準確稱量已烘干的待測定樣品m0（g），加入20℃去離子水中浸泡1 h，濾紙濾干，將其置于表面皿m1（g），稱其總質(zhì)量m2（g）。持水力計算公式為：

1.2.4.3 溶脹力測定[13]

準確稱取m g樣品，測定其體積為V1（mL），加入適量蒸餾水混勻后室溫下靜置24 h后記錄樣品體積V0（mL）。溶脹力計算公式為：

1.2.4.4 結合水力測定[13]

準確稱量樣品m0（g），置于20℃20 mL水中室溫下浸泡1 h，濾紙濾干后3 000 r/min離心5 min，棄去上清液后，樣品質(zhì)量為m1（g）。結合水力計算公式為：

2 結果與分析

2.1 茯苓渣膳食纖維提取的單因素試驗結果

2.1.1 發(fā)酵溫度對膳食纖維提取率的影響

發(fā)酵溫度對膳食纖維提取率的影響見圖1。

圖1 發(fā)酵溫度對膳食纖維提取率的影響Fig.1 Effect of fermentation temperature on DF yield

由圖1可知，當發(fā)酵溫度增加后，膳食纖維的提取率呈先上升再穩(wěn)定在一定水平再出現(xiàn)下降的趨勢。當發(fā)酵溫度在40℃～44℃時，膳食纖維提取率穩(wěn)定在58.5%左右波動。當繼續(xù)增加發(fā)酵溫度，提取率開始下降，與文獻報道的保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌的適宜發(fā)酵溫度一致[14]。因此選擇發(fā)酵溫度為36℃～44℃為響應面設計所需的水平范圍。

2.1.2 接種量對膳食纖維提取率的影響

接種量對膳食纖維提取率的影響見圖2。

圖2 接種量對膳食纖維提取率的影響Fig.2 Effect of inoculum on DF yield

由圖2可知，當接種量增加膳食纖維的提取率出現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當接種量為5%時，膳食纖維提取率已接近最大值61.2%，繼續(xù)增加接種量提取率反而降低。主要是由于當接種量不足時，發(fā)酵劑不足以使茯苓反應完全，而影響膳食纖維的提?。划斀臃N量過大時，由于前期反應消耗過多能量，后期能量不足以發(fā)酵持續(xù)發(fā)生[11]。因此4%～6%為響應曲面設計所需的水平范圍。

2.1.3 發(fā)酵時間對膳食纖維提取率的影響

發(fā)酵時間對膳食纖維提取率的影響見圖3。

圖3 發(fā)酵時間對膳食纖維提取率的影響Fig.3 Effect of fermentation time on DF yield

由圖3可知，當發(fā)酵時間增加膳食纖維的提取率先升高后穩(wěn)定在一定水平的趨勢。當發(fā)酵時間超過24 h以后，膳食纖維提取率穩(wěn)定在60.3%左右，繼續(xù)發(fā)酵提取率沒有顯著升高。主要是由于24 h后已基本發(fā)酵完全。因此選擇發(fā)酵時間為20 h～24 h為響應面設計所需的水平范圍。

2.2 響應曲面法優(yōu)化膳食纖維提取工藝

茯苓渣膳食纖維提取的Box-Behnken響應曲面試驗設計及評價指標見表2。

表2 茯苓渣膳食纖維提取的Box-Behnken響應曲面試驗設計及評價指標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響應曲面設計，對各提取工藝參數(shù)進行擬合，得到多元回歸方程為：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

對茯苓膳食纖維提取率的回歸模型進行方差及顯著性分析，結果見表3。

表3 膳食纖維提取試驗結果方差分析Table 3 Square and significant analysis of regression equation of DF extraction

該模型回歸方程極顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P=0.282 6＞0.05），說明在本試驗條件下，該回歸模型所考察的因素足以反映試驗中各提取工藝參數(shù)對膳食纖維提取率的影響。判定系數(shù)R2=0.994 6，R2adj=0.987 6，說明回歸模型與試驗值擬合均較好，可用于膳食纖維提取率的理論推測和分析。各因素影響大小依次為：發(fā)酵溫度＞接種量＞發(fā)酵時間。由F檢驗可知，發(fā)酵溫度、接種量對膳食纖維提取率具有極顯著影響（P＜0.01），發(fā)酵時間對提取率的影響顯著（P＞0.05）；在交互作用中，發(fā)酵溫度與接種量、接種量與發(fā)酵時間對膳食纖維提取率均有顯著影響（P＞0.05）；在二次項中發(fā)酵溫度對膳食纖維提取率有極顯著影響（P＜0.01）。與圖4中3D效應面圖反映出的各因素間的交互作用相吻合。

由Design-Expert 8.0.6軟件得出茯苓渣膳食纖維提取的最佳工藝參數(shù)為：發(fā)酵溫度為40.27℃，接種量6%，發(fā)酵時間20.00 h，預測的提取率為分別66.03%。為便于實際操作，提取的工藝參數(shù)定為發(fā)酵溫度為40℃，接種量6%，發(fā)酵時間20 h。進一步驗證試驗，得出膳食纖維提取率為（67.12±0.18）%。該值與預測值比較接近，可作為茯苓渣膳食纖維提取的最佳工藝參數(shù)。

圖4 不同因素之間的交互作用對膳食纖維提取率影響的3D效應面圖譜Fig.4 3D response surface figures for effects of formulation proportions on different indexes

2.3 茯苓渣膳食纖維的理化性質(zhì)

按篩選出的工藝參數(shù)制備茯苓渣膳食纖維，對其進行理化性質(zhì)的測定，結果見表4。

表4 茯苓渣膳食纖維理化性質(zhì)Table 4 Physocochemical properties of DF

茯苓渣富含膳食纖維，其中總膳食纖維量達到65%以上，開發(fā)茯苓渣膳食纖維系列營養(yǎng)保健產(chǎn)品具有重要的意義。由表4可知，發(fā)酵后得到的膳食纖維在持水力、結合水力、溶脹性等物化特性方面均有明顯改善，擴大了其應用范圍。

2.4 曲奇餅干配方研究的單因素試驗

2.4.1 膳食纖維添加量對曲奇餅干感官指標的影響

膳食纖維添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖5。

圖5 膳食纖維添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.5 Effect of DF addition on biscuits

由圖5可知，隨著膳食纖維添加量的增加，曲奇餅干的感官評分出現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當膳食纖維添加量為5%時，感官評分為88分。膳食纖維的用量的增加餅干的成型性得到明顯改善，但繼續(xù)增加導致口感下降。由此混料設計所需水平為膳食纖維添加量為3%～7%。

2.4.2 蛋液添加量對曲奇餅干感官指標的影響

蛋液添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖6。

圖6 蛋液添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.6 Effect of egg on biscuits

由圖6可知，隨著蛋液添加量的增加，曲奇餅干的感官評分呈先增加后穩(wěn)定在一定水平再出現(xiàn)下降的趨勢。但當?shù)耙禾砑恿繛?5%時，感官評分最高為87分。當?shù)耙禾砑恿吭?0%～20%時，感官評分在88分左右波動。主要由于蛋液使曲奇餅干酥性、口感更佳，但繼續(xù)增加餅干成型性不佳且有蛋腥味影響口感。由此混料設計所需的蛋液添加量水平為10%～20%。

2.4.3 黃油添加量對曲奇餅干感官指標的影響

黃油添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖7。由圖7可知，隨著黃油添加量的增加，曲奇餅干的感官評分呈先增加后下降的趨勢。當黃油添加量為18%時，感官評分最高為89分。主要由于黃油使餅干烘烤后酥脆、香醇，而繼續(xù)黃油餅干易碎，成型性欠佳。由此混料設計所需的黃油添加量水平為12%～24%。

圖7 黃油添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.7 Effect of butter on biscuits

2.4.4 細砂糖添加量對曲奇餅干感官指標的影響

細砂糖添加量對曲奇餅干感官評分的影響見圖8。

圖8 細砂糖添加量對曲奇餅干感官評分的影響Fig.8 Effect of sugar on biscuits

由圖8可見，隨著細砂糖添加量的增加，曲奇餅干的感官評分呈先增加后下降的趨勢。當細砂糖添加量為20%時，感官評分最高為89分，繼續(xù)增加細砂糖用量，餅干過甜而影響口感。由此混料設計所需的細砂糖添加量水平為10%～20%。

2.5 混料設計優(yōu)選曲奇餅干的配方

茯苓渣膳食纖維曲奇餅干配方研究的混料設計及評價指標見表5。

表5 膳食纖維曲奇餅干的混料試驗設計及評價指標Table 5 Mixture design and results with formula of DF biscuits

續(xù)表5 膳食纖維曲奇餅干的混料試驗設計及評價指標Continue table 5 Mixture design and results with formula of DF biscuits

采用Design-Expert 8.0.6提供混料設計試驗，對配方各因素進行擬合，得到多元回歸方程為：

對曲奇餅干配方感官評分的回歸模型分別進行方差及顯著性分析，結果見表6。

表6 曲奇餅干配方優(yōu)化的試驗結果方差分析Table 6 Square and significant analysis of regression equation of DF biscuits

該模型方程顯著（P<0.000 4），失擬項（P=0.121 2>0.05）不顯著，說明在本試驗條件下，該回歸模型所考察的因素足以反映試驗中各配方對曲奇餅干感官評分的影響。判定系數(shù)R2=0.982 3，R2adj=0.943 8，說明回歸模型與試驗值擬合均較好，可用于曲奇餅干感官評分的理論推測和分析。由F檢驗可知，在二項式中，膳食纖維與黃油添加量之間的交互作用對曲奇餅干感官評分影響顯著（P＜0.05），膳食纖維與細砂糖添加量、蛋液與黃油添加量、蛋液與細砂糖添加量之間的交互作用對曲奇餅干感官評分影響極顯著（P＜0.01）；在三項式中，膳食纖維、蛋液和黃油添加量，膳食纖維、蛋液與細砂糖添加量，膳食纖維、黃油與細砂糖添加量，蛋液、黃油與細砂糖添加量之間的交互作用對曲奇餅干感官評分的影響極顯著（P＜0.01），其他添加量之間的交互作用對曲奇餅干感官評分的影響均不顯著（P>0.05）。與圖9中3D效應面圖反映出的各因素間的交互作用相吻合。

由Design-Expert 8.0.6軟件得出茯苓渣膳食纖維曲奇餅干最佳配方為：膳食纖維添加量5.61%、蛋液添加量14.53%、黃油添加量23.99%、細砂糖添加量10.86%，預測的感官評分為93。為便于實際操作，膳食纖維添加量5.4%、蛋液添加量14.5%、黃油添加量24.0%、細砂糖添加量11%。進一步驗證試驗，得出的感官評分為93。該值與預測值比較接近，可作為茯苓渣膳食纖維提取的最佳工藝參數(shù)。

圖9 不同配方之間的交互作用對感官評分影響的3D效應面圖譜Fig.4 3D response surface figures for effects of formulation proportions on different indexes

3 結論

響應面法主要用于工藝及配方研究，目前已廣泛應用于化工、食品、農(nóng)林、冶金等各領域，具有試驗次數(shù)少，設計簡便等優(yōu)點。本試驗通過茯苓渣膳食纖維提取率為指標，運用Box-Behnken響應面法優(yōu)化發(fā)酵法制備茯苓渣膳食纖維的工藝條件，最佳工藝條件是發(fā)酵溫度40℃，接種量6%，發(fā)酵時間20 h，此條件下膳食纖維提取率為（67.12±0.18）%，其持水力、溶脹性、結合水力分別（7.32±0.23）g/g、（5.31±0.08）mL/g、（5.65±0.19）g/g。并以制備的茯苓渣膳食纖維進行曲奇餅干的研制，以感官評分為指標，通過混料設計優(yōu)化餅干的配方。得到的曲奇餅干的配方為膳食纖維添加量5.4%、蛋液添加量14.5%、黃油添加量24.0%、細砂糖添加量11%。本試驗通過茯苓渣經(jīng)發(fā)酵后，膳食纖維的純度和物化性質(zhì)均得到一定的提高，其曲奇餅干感官品質(zhì)良好，硬度明顯提升，為茯苓綜合開發(fā)利用提供借鑒。

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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

陽市科技局“創(chuàng)客空間”項目（筑科合同[20151001]2-7號）；貴州省科學技術基金計劃（黔科合LH字[2016]7094）；貴州省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201514440020）

吳德智（1983—），男（漢），副教授，博士，研究方向：食品與藥品研究與開發(fā)。

*通信作者：李小紅（1984—），女（漢），副教授，博士，研究方向：食品與藥品研究與開發(fā)。

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.13.018