吳德智，郭偉，甘貴芳，吳孟，李小紅

(貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)，550003)

發(fā)酵法制備葛根渣膳食纖維及其酥性餅干的研制

吳德智，郭偉，甘貴芳，吳孟，李小紅*

(貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)，550003)

葛根渣為原料，以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，以發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間、菌種接種量對(duì)膳食纖維提取率的影響為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)和Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化發(fā)酵法制備葛根渣膳食纖維的工藝條件及膳食纖維酥性餅干的配方。結(jié)果表明，發(fā)酵法制備葛根渣膳食纖維的最佳工藝為：發(fā)酵溫度35 ℃，發(fā)酵時(shí)間23.5 h，接種量5%(含活菌1.43×107CFU)，在此條件下制備的膳食纖維得率為(79.2±0.21)% ，其持水力、溶脹性、結(jié)合水力分別為(7.26±0.13)g/g、(5.79±0.06)mL/g、(5.82±0.15)g/g。酥性餅干的配方為膳食纖維添加量6%，疏松劑配比1.8，食用油添加量30%。葛根渣經(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，其酥性餅干感官品質(zhì)良好，硬度明顯提升，為葛根綜合開發(fā)利用提供借鑒。

葛根；發(fā)酵；膳食纖維；餅干；Box-Behnken響應(yīng)面法

葛根為豆科植物野葛(Lobata(willd.)Ohwi)或甘葛藤(P.thomsoniiBenth.)的干燥根，是一種藥食同源的天然植物，有解肌退熱，透疹，生津止渴，升陽(yáng)止瀉之功。主要含有葛根素等黃酮類物質(zhì)以及蛋白質(zhì)、氨基酸、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)成分。我國(guó)葛根資源豐富，國(guó)內(nèi)主要以開發(fā)葛根粉、葛根飲料、黃酮浸膏等粗級(jí)產(chǎn)品為主，但葛根膳食纖維含量達(dá)到70%以上，如何開發(fā)葛根膳食纖維系列營(yíng)養(yǎng)保健產(chǎn)品已成為研究的熱點(diǎn)。

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[1]，是人體平衡膳食結(jié)構(gòu)必需的營(yíng)養(yǎng)素之一，被稱為“第七大營(yíng)養(yǎng)素”。膳食纖維作為食品添加劑不僅可以影響產(chǎn)品顏色、風(fēng)味、保油性、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(yù)防心血管疾病及大腸癌等重要的生理功能。隨著人們生活水平和健康意識(shí)的提高，膳食纖維已越來(lái)越多應(yīng)用于食品的開發(fā)與應(yīng)用[2-4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)膳食纖維的提取主要用物理化學(xué)方法，酶法和微生物發(fā)酵法等，其中微生物發(fā)酵法對(duì)膳食纖維的改性有很好的效果[5]。

本試驗(yàn)以葛根渣為原料采用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌混合發(fā)酵，以制備葛根渣膳食纖維，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步開發(fā)葛根渣膳食纖維酥性餅干，提升廢棄物的利用，防止污染環(huán)境，為葛根渣的綜合利用提供參考借鑒，提高葛根的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

葛根渣：來(lái)源于廣西省藤縣野生粉葛根渣；脫脂乳粉：山東西唐生物科技有限公司；保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbugaicus)、嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)：購(gòu)自南京益生源生物科技有限公司；其他試劑藥品為國(guó)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(tuán)；NaHCO3、NH4HCO3等輔料均為食品級(jí)。

TDZS-WS型離心機(jī)，濟(jì)南福的機(jī)械有限公司；LHS-250SC恒溫培養(yǎng)箱，上海析域儀器設(shè)備有限公司；FA1004B電子天平，上海越平科學(xué)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(cè)試儀，英國(guó)Stable Micro System公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 發(fā)酵劑的制備

將1∶1的嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌混合，于37 ℃、10%的脫脂乳100 mL中活化2次，加入50 mL葛根汁[葛根渣與蒸餾水料液比為1∶50(g∶mL)]和10%的脫脂乳50 mL，37 ℃培養(yǎng)至凝乳2次，再在90 mL葛根汁和10%的脫脂乳10 mL混合液37℃下培養(yǎng)至凝乳，無(wú)菌水制備菌懸液，保持乳酸菌數(shù)在107～108CFU/mL即為發(fā)酵劑。

1.2.2 發(fā)酵法制備葛根渣膳食纖維

1.2.2.1 制備工藝流程

將葛根渣粉末和水按1∶10混合均勻，加入2%脫脂乳粉和1%白砂糖，攪拌溶解，于105 ℃滅菌15 min后快速冷卻至室溫。按比例將發(fā)酵劑加入液料，150 r/min恒溫?fù)u床振蕩，在不同的發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間及接種量的條件下發(fā)酵。加95%乙醇入發(fā)酵液料，室溫下靜置沉淀，過(guò)濾，收集濾渣。濾渣60 ℃干燥8 h，粉碎后過(guò)80目篩即為成品。以膳食纖維提取率為指標(biāo),響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝參數(shù)。

1.2.2.2 單因素考察

稱取5.0 g葛根渣粉末于50 mL發(fā)酵培養(yǎng)基中，選取發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間及接種量的含量3個(gè)因素，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定其固定水平分別為40 ℃，20 h和5%。單因素試驗(yàn)中各因素的水平：發(fā)酵溫度32、36、40、44、48 ℃、發(fā)酵時(shí)間12、16、20、24、28 h及接種量3%、4%、5%、6%、7%，以膳食纖維得率為指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)所需的水平。

1.2.2.3 響應(yīng)曲面試驗(yàn)

在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間及接種量3個(gè)因素，采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Behnken試驗(yàn)，以膳食纖維提取率為指標(biāo)進(jìn)行制備工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1.2.3 膳食纖維酥性餅干的制備

1.2.3.1 操作流程

疏松劑(NaHCO3、NH4HCO3)添加量為1%，烘烤底火和面火溫度均為180 ℃，烘烤時(shí)間約8 min(至餅干色澤變深且無(wú)焦黑色)。

1.2.3.2 單因素試驗(yàn)

選取葛根膳食纖維添加量、食用油添加量和疏松劑配比為試驗(yàn)因素，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定其固定水平分別為6%，30%和2∶1。單因素試驗(yàn)中各因素的水平：膳食纖維添加量為2%、4%、6%、8%、10%；食用油添加量為15%、20%、25%、30%、35%；疏松劑配比為1∶1、3∶2、2∶1、5∶2、3∶1。以感官評(píng)分為指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)所需的水平。

1.2.3.2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化配方

在前期單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以感官評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取膳食纖維添加量、食用油添加量及疏松劑配比3個(gè)因素，采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Behnken試驗(yàn)制備葛根膳食纖維酥性餅干，從而選出最佳工藝配方。

1.2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.2.4.1 感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

采用10名符合感官評(píng)定的人員(無(wú)特別口味偏好)進(jìn)行感官評(píng)定，采用百分制對(duì)產(chǎn)品的形態(tài)(30分)、色澤(20分)、組織(20分)、滋味(30分)等進(jìn)行感官評(píng)分。實(shí)驗(yàn)安排與結(jié)果見表1。

表1 酥性餅干的感官評(píng)定

1.2.4.2 持水力測(cè)定[7]

精確稱量已烘干的待測(cè)定樣品，放入20 ℃水中浸泡1 h，濾紙濾干后轉(zhuǎn)置于表面皿上，稱量。

(1)

式中：m0，烘干樣品質(zhì)量，g；m1,表面皿質(zhì)量，g；m2,樣品和表面皿總質(zhì)量，g。

1.2.4.3 溶脹力測(cè)定[7]

精確量取樣品體積，加入適量蒸餾水混勻后室溫下靜置24 h后記錄樣品體積。

(2)

式中：V1，樣品溶脹后體積，mL；V0，樣品溶脹前體積，mL；m，樣品質(zhì)量，g。

1.2.4.4 結(jié)合水力測(cè)定[7]

準(zhǔn)確稱量樣品置于20 ℃ 20 mL水中室溫下浸泡1 h，濾紙濾干后3 000 r/min、 5 min離心，棄去上清液后稱量樣品質(zhì)量。

(3)

式中：m0，烘干樣品質(zhì)量，g；m1，濕樣品質(zhì)量，g。

1.2.4.5 餅干質(zhì)構(gòu)特征研究

酥性餅干采用物性測(cè)試儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)特征研究。采用壓縮測(cè)試模式，測(cè)前速度5.00 mm/s，測(cè)中速度1.7 mm/s，測(cè)后速度10.0 mm/s，測(cè)定樣品硬度(g)及酥性(g·s)。

2 結(jié)果與分析

2.1葛根渣膳食纖維提取的單因素試驗(yàn)

2.1.1 發(fā)酵溫度對(duì)膳食纖維提取率的影響

由圖1(A)可知，隨著發(fā)酵溫度的升高，膳食纖維的提取率呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)酵溫度為40 ℃，膳食纖維提取率最大，為(75.6±0.32)%。這與文獻(xiàn)報(bào)道保加利亞乳桿菌適宜培養(yǎng)溫度為37 ℃和嗜熱鏈球?yàn)?2 ℃的結(jié)果一致[8-9]。因此選擇發(fā)酵溫度為40 ℃ 為其他單因素考察的最適宜溫度。

圖1 不同條件對(duì)膳食纖維提取率的影響 (x±s，n=10)Fig.1 Effect of different conditions on DF extraction rate (x±s，n=10)

2.1.2 發(fā)酵時(shí)間對(duì)膳食纖維提取率的影響

由圖1(B)可知，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，膳食纖維的提取率出現(xiàn)先升高后維持在一定水平的趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)酵時(shí)間為20 h時(shí)，膳食纖維提取率已接近最大值，繼續(xù)發(fā)酵提取率趨于穩(wěn)定并沒有顯著升高。這可能是由于發(fā)酵時(shí)間的增加，微生物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少以及次生代謝產(chǎn)物阻礙菌體生長(zhǎng)所致[10]。因此選擇發(fā)酵時(shí)間為20 h 為考察的最佳時(shí)間。

2.1.3 接種量對(duì)膳食纖維提取率的影響

由圖1(C)可知，隨著接種量的增加，膳食纖維的提取率呈現(xiàn)先升高后降低的狀態(tài)。當(dāng)接種量為5%時(shí)，膳食纖維提取率已接近最大值(76.3±0.51)%，繼續(xù)增加接種量提取率反而降低。這是由于當(dāng)接種量不足時(shí)發(fā)酵劑不足以使葛根完全發(fā)酵，當(dāng)接種量過(guò)大時(shí)前期的反應(yīng)消耗過(guò)多不足使反應(yīng)持續(xù)[11]。因此選擇最佳接種量為5%。

2.2響應(yīng)曲面法優(yōu)化膳食纖維提取工藝

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，對(duì)各提取工藝參數(shù)進(jìn)行擬合，得到多元回歸方程為：

R提取率=+29.9475-2.0165A+7.9675B-0.5125C-0.0150AB+0.1250AC-0.2000BC+0.0163A2-0.1294B2

表2 葛根渣膳食纖維提取的Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖2 不同提取參數(shù)之間的交互作用對(duì)提取率的影響響應(yīng)面分析Fig.2 3D response surface figures for effects ofextraction rate on different indexes

由Design-Expert 8.0.6軟件得出葛根渣膳食纖維提取的最佳工藝參數(shù)為：發(fā)酵溫度為35.01 ℃，發(fā)酵時(shí)間23.47 h，接種量4.96%，預(yù)測(cè)的提取率為分別78.80%。為便于實(shí)際操作，提取的工藝參數(shù)定為發(fā)酵溫度為35 ℃，發(fā)酵時(shí)間23.5 h，接種量5%(含活菌1.43×107CFU)。進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),得出膳食纖維提取率為(79.2±0.21)%。該值與預(yù)測(cè)值比較接近，可作為葛根渣膳食纖維提取的最佳工藝參數(shù)。

2.3葛根渣膳食纖維的理化性質(zhì)

對(duì)按最佳工藝參數(shù)制備的葛根渣膳食纖維理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3 膳食纖維理化性質(zhì)(x±s，n=3)

由表3可知，葛根渣富含膳食纖維，其中總膳食纖維量達(dá)到70%以上，開發(fā)葛根渣膳食纖維系列營(yíng)養(yǎng)保健產(chǎn)品具有重要的意義。發(fā)酵后膳食纖維的持水力、溶脹性、結(jié)合水力等物化特性均有明顯的改善，為產(chǎn)品開發(fā)利用提供有利條件。

2.4酥性餅干配方研究的單因素試驗(yàn)

2.4.1 膳食纖維添加量對(duì)酥性餅干感官指標(biāo)的影響

由圖3(A)可知，感官評(píng)分隨葛根渣膳食纖維添加量的增加呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢(shì)，但當(dāng)添加量為8%時(shí)感官評(píng)分最高，為86.52±0.39分。主要是因?yàn)樯攀忱w維的增加可以顯著改善餅干的組織及形態(tài)，但過(guò)量時(shí)餅干顏色過(guò)深和口感具有苦澀味。由此響應(yīng)面設(shè)計(jì)適宜的膳食纖維添加量為6%～10%。

2.4.2 食用油添加量對(duì)酥性餅干感官指標(biāo)的影響

由圖3(B)可知，感官評(píng)分隨食用油添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。但當(dāng)食用油添加量為25%時(shí)，感官評(píng)分最高為87.26±0.28分。當(dāng)食用油不足時(shí)，產(chǎn)品硬度大，無(wú)酥性，表面光澤不足；當(dāng)食用油過(guò)多時(shí)，產(chǎn)品易于碎裂，油膩。由此響應(yīng)面設(shè)計(jì)適宜的食用油的添加量為20%～30%。

圖3 不同添加量對(duì)酥性餅干感官評(píng)分的影響(x±s，n=10)Fig.3 Effect of different addition on biscuits (x±s，n=10)

2.4.3 疏松劑配比對(duì)酥性餅干感官指標(biāo)的影響

由圖3(C)可知，感官評(píng)分隨疏松劑配比的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)配比為2∶1時(shí)，感官評(píng)分最高為87.67±0.63分。當(dāng)NaHCO3過(guò)多，餅干堿性大，味苦；當(dāng)碳酸氫銨量過(guò)大時(shí)，餅干疏松，有較多大孔。由此響應(yīng)面設(shè)計(jì)適宜的疏松劑配比為1∶1～3∶1。

2.5響應(yīng)曲面法優(yōu)選酥性餅干的配方

采用Design-Expert 8.0.6 提供Box-Behnken響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，對(duì)配方各因素進(jìn)行擬合，得到多元回歸方程為：

R感官評(píng)分= +75.225-3.925A+29.200B+0.250C-0.125AB+0.025AC-0.450BC+0.081A2-4.175B2+0.013C2

表4 膳食纖維酥性餅干的Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖4 處方比例對(duì)感官評(píng)分影響的響應(yīng)面分析Fig.4 Response surface figures for effects of formulation proportions on different indexes

葛根渣膳食纖維酥性餅干最佳配方為：膳食纖維添加量為6%，疏松劑配比為1.79，食用油添加量為30%，預(yù)測(cè)的感官評(píng)分為91.68。為便于實(shí)際操作，膳食纖維添加量為6%，疏松劑配比為1.8，食用油添加量為30%。進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得出的感官評(píng)分為92.34±0.48。該值與預(yù)測(cè)值比較接近，可作為葛根渣膳食纖維酥性餅干的最佳配方。

2.6膳食纖維添加對(duì)酥性餅干質(zhì)構(gòu)的影響

由表5可見，葛根渣膳食纖維餅干對(duì)酥性無(wú)顯著影響，但對(duì)于餅干硬度明顯增強(qiáng)。餅干的硬度對(duì)成型性以及咀嚼時(shí)的口感有極大提升。

表5 膳食纖維酥性餅干的質(zhì)構(gòu)影響

3 結(jié)論

本試驗(yàn)通過(guò)葛根渣膳食纖維提取率為指標(biāo)，運(yùn)用Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化發(fā)酵法制備葛根渣膳食纖維的工藝條件，最佳工藝條件是發(fā)酵溫度35 ℃，發(fā)酵時(shí)間23.5 h，接種量5%(含活菌1.43×107CFU)。并以制備的葛根渣膳食纖維進(jìn)行酥性餅干的研制，以感官評(píng)分為指標(biāo)，通過(guò)Box-Behnken響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化該膳食纖維酥性餅干的配方。得到的酥性餅干的配方為膳食纖維添加量6%，疏松劑配比1.8，食用油添加量30%。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)葛根渣經(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，其酥性餅干感官品質(zhì)良好，硬度明顯提升，為葛根綜合開發(fā)利用提供借鑒。

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DietaryfiberpreparationbyPuerariaresiduefermentationandformulaoptimizationofbiscuit

WU De-zhi, GUO Wei, GAN Gui-fang, WU Meng, LI Xiao-hong*

(Guizhou Institute of Technology, Guizhou Guiyang 550003, China)

Puerariaresidue was fermented byLactobacillusbugaicusandStreptococcusthermophilus(ratio 1∶1) to prepared dietary fiber (DF). On the basis of single factor experiment, effects of fermentation temperature, time and amount of inoculum were studied via Box-Behnken response surface methodology. And then the formula optimization of biscuit was determined by Box-Behnken response surface methodology. Results showed that the optimized extraction parameters were fermentation temperature 35 ℃, fermentation time 23.5 h and inoculum 5%.Under the conditions, the yield of prepared DF was 79.20.21%. The water holding capacity, swelling capacity and water binding capacity of the prepared DF were 7.260.13 g/g, 5.790.06 mL/g, 5.820.15 g/g, respectively. The optimized formula of biscuits was confirmed to be as followings: DF addition was 6%, oil addition was 30 % and ratio of baking soda to ammonium bicarbonate was 1.8. After P. praecox dregs fermentation, the purity and physicochemical properties of the DF were improved, thus indicated that this fermentation method was feasible. Moreover, DF could significantly enhance the hardness of biscuit. This study provided reference for the development ofPuerariaresidue.

Puerariaresidue; fermentation; dietary fiber; biscuit; Box-Behnken response surface methodology

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013947

博士，副教授(李小紅副教授為通訊作者,E-mail:370145344@qq.com)。

貴陽(yáng)市科技局眾創(chuàng)空間(筑科合同[20151001]2-7號(hào))；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201614440035)

2017-01-25，改回日期：2017-04-09