微生物发酵法提取大豆渣膳食纤维的研究

赵泰霞，朱杏玲

（武夷学院茶与食品学院，福建武夷山354300）



微生物发酵法提取大豆渣膳食纤维的研究

赵泰霞，朱杏玲

（武夷学院茶与食品学院，福建武夷山354300）

摘要：以新鲜豆渣为原料，以保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌（1∶1）为发酵剂，利用发酵法来提取大豆膳食纤维。以可溶性膳食纤维（SDF）得率为衡量指标，探讨发酵时间、发酵剂接种量、脱脂奶粉和白砂糖添加量以及发酵温度等因素对发酵工艺的影响，并利用正交试验进行工艺优化。结果表明，最佳工艺条件为：发酵时间30 h，发酵剂接种量5%，3%脱脂奶粉+0.5%白砂糖，发酵温度41℃，提取的DF得率为75.6%，SDF得率为17.2%。成品呈浅黄色，无豆腥味、并有一股淡淡的特殊香味。

关键词：大豆渣；膳食纤维；可溶性膳食纤维；发酵

豆渣是各类大豆制品如豆腐、腐乳、豆腐干、豆乳等生产加工过程中所产生的副产物［1-8］。据研究，相对于其他谷类作物来说，豆渣是一种十分理想的膳食纤维源，其含量达50%～70%，其纤维质感好、口感佳［9］，通过加工处理得到的食用大豆纤维粉，在众多天然膳食纤维源中是最价廉质高的，同时也是非常好的多功能蛋白——膳食纤维添加剂［10］。

我国大豆年消费量巨大，豆渣约占总重的15%～20%，但并未对豆渣进行大规模的深加工利用，更多的是将其用作猪饲料或遗弃。然而，由于新鲜豆渣含水量高，约70%～80%，容易腐败变质；更重要的是用豆渣喂猪非常麻烦，必须煮熟、控制使用量，且容易引起消化不良，若是误食变质的豆渣，严重者可造成死亡。因此，不少饲养员排斥使用豆渣饲料，这更加剧了豆渣资源的浪费。针对这种情况，将豆渣进行深加工，提取豆渣中的膳食纤维，研究如何提取质量好、纯度高、生理活性好的膳食纤维具有很高的实际应用价值。

目前，用微生物发酵法提取大豆渣膳食纤维的研究工艺尚未成熟。与化学分离法、化学试剂-酶结合分离法、超声波辅助提取法和膜分离法相比，用发酵法提取的膳食纤维更安全、纯度高，更重要的是提取过程简单、成本低、易实现工业化生产。因此，本文研究如何通过发酵法来获得更安全、口感佳，无豆腥味的膳食纤维。

1 材料与方法

1.1 供试材料

大豆渣、白砂糖均为市售；脱脂奶粉（完达山乳业股份有限公司）；菌种：保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌（实验室菌种库自备）；MRS：培养基广东环凯微生物有限公司，NaOH、HCL、Na2CO3、95%乙醇均为分析纯。

1.2 仪器设备

立式压力蒸汽灭菌器：上海东亚压力容器制造有限公司；电热恒温培养箱：上海智城分析仪器制造有限公司；电热恒温培养箱：上海智城分析仪器制造有限公司；超净工作台：苏州净化设备有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；真空泵：巩义市予华仪器有限责任公司。

2 试验方法

2.1 工艺流程

图1 工艺流程图

2.2 菌种活化和驯化

保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的适宜培养基为牛乳或脱脂乳粉，为使菌种能在大豆渣料液培养基中生长良好，须分别对其进行驯化［11］。具体方法如下：

图2 菌种活化流程图

2.3 操作要点

2.3.1 选料

选取新鲜的豆渣（生产豆腐下脚料，呈淡黄色，豆腥味浓），不能选择已发酸、发臭、发霉的豆渣。

2.3.2 调料

称取20 g豆渣，装入100 mL锥形瓶中，并按照1∶2的料液比往锥形瓶中加入已溶解了适量脱脂奶粉和白砂糖的蒸馏水，混合均匀。

2.3.3 灭菌

95℃加热灭菌15 min［3］。

2.3.4 接种

在无菌操作台中，无菌加入适量的生产发酵剂。

2.3.5 发酵

在适宜温度下培养一定时间，发酵至呈凝乳状态、淡黄色、能闻到轻微的酸味。

2.2.6 调pH

将发酵好的豆渣用蒸馏水清洗1～2次，然后用2%的Na2CO3溶液将pH调至中性，pH为6.6～6.8［3］。

2.3.7 产品

将上述豆渣进行真空抽滤，滤液和滤渣分别进行如下处理：

a、不溶性膳食纤维（IDF）：将滤渣进行70℃恒温干燥，并干燥至恒重，粉碎过60目筛，即得IDF，备用。

b、可溶性膳食纤维（SDF）∶将滤液进行浓缩，用4倍体积的95%乙醇溶液进行沉淀［12］，沉淀1.5 h［13］，过滤取滤渣，于70℃干燥至恒重，粉碎过60目筛，即得SDF，备用。

2.4 单因素试验

该试验将发酵时间t（min）、菌种接种量、脱脂奶粉和白砂糖的添加量、发酵温度T（℃）设为单因素，每个因素分别设5水平：发酵时间t（min）分别为12、24、36、48、60 h，菌种接种量为1%、3%、5%、7%、9%，脱脂奶粉和白砂糖的添加量为3.5%脱脂奶粉、3%脱脂奶粉+0.5%白砂糖、2%脱脂奶粉+1.5%白砂糖、1%脱脂奶粉+2.5%白砂糖、3.5%白砂糖，发酵温度T（℃）为35、38、41、44、47℃。

2.5 正交试验

在单因素实验的基础上，设计L9（34）正交试验，每个试验重复3次，对正交试验的数据进行直观和方差分析，确定发酵法提取大豆膳食纤维的最佳工艺条件。交试验因素水平表见表1。

表1 正交试验因素水平表

3 结果与分析

3.1 发酵时间对膳食纤维得率的影响

由图3可以看出，发酵时间在24 h前，大豆渣SDF的提取率随着发酵时间的延长急剧增加；发酵时间在24 h时，大豆渣SDF的提取率达到最大，这说明适当延长发酵时间有利于提高SDF的得率；发酵时间在24 h后，大豆渣SDF的提取率增幅不大，并稍微有些下降。

原因分析：发酵前期时间过短，酶活性低，菌种发酵不完全，乳酸等代谢产物生成较少，影响IDF转化为SDF；发酵时间适宜，IDF大量转化为SDF，使SDF的提取率达到最大；但发酵时间过长，次级代谢产物及有害物质增多，不利于菌体生长，同时一些结构紧密的IDF不能再转化为SDF，因此，SDF的提取率有所下降。

图3 发酵时间对膳食纤维得率的影响

3.2 发酵剂接种量对膳食纤维得率的影响

由图4可以看出，当发酵剂接种量小于3%时，大豆渣SDF的提取率随着接种量的增加而迅速提高；接种量为3%时，大豆渣SDF的提取率达到最大，这说明适当增加发酵剂接种量有利于提高SDF的提取率；当发酵剂接种量大于3%时，随着接种量的增大，SDF提取率缓慢下降并趋于平缓。

原因分析：过少的发酵剂接种量，影响菌种生长繁殖，转化速率低，SDF的提取率低；发酵剂接种量过多时，前期生长过快，衰老细胞增多，发酵产酸过多，影响乳酸菌代谢，导致转化动力不足，影响SDF的提取率。

图4 发酵剂接种量对膳食纤维得率的影响

3.3 脱脂奶粉和白砂糖添加量对膳食纤维得率的影响

从表2可以看出，对照组SDF的提取率最低，说明加入脱脂奶粉和白砂糖的豆渣培养基营养更丰富，更适合乳酸菌的生长。添加3%脱脂奶粉+0.5%白砂糖时，SDF提取率最高，原因可能是因为此时乳酸菌对IDF的降解作用增强，使大量IDF转化为SDF。

表2 脱脂奶粉和白砂糖添加量对膳食纤维得率的影响

3.4 发酵温度对膳食纤维得率的影响

由图5可以看出，发酵温度低于41℃时，SDF的得率随着发酵温度的升高而大幅度提高；发酵温度超过41℃时，SDF的提取率有所降低。说明温度过低或过高都影响菌体的生长繁殖及乳酸菌等代谢产物的生成，导致SDF的提取率降低。

图5 发酵温度对膳食纤维得率的影响

3.5 发酵工艺条件的优化

根据单因素试验的结果，设计了L9（34）正交试验。通过对数据进行直观和方差分析，可确定提取大豆膳食纤维的最佳工艺条件。结果见表3和表4。

表3 直观分析

从表3可以看出，发酵时间的极差R最大为2.200，是影响SDF提取率的最主要因素。主次顺序为A＞B＞D＞C，即发酵时间＞菌种接种量＞发酵温度＞脱脂奶粉和白砂糖的添加量。由于脱脂奶粉和白砂糖添加量的极差最小，作为误差列。

表4 方差分析

从表4可以看出，发酵时间和菌种接种量对可溶性膳食纤维的影响显著，发酵温度、脱脂奶粉和白砂糖的添加量对其影响不显著。正交试验结果表明，最优组合为A2B3D2C1，即最佳发酵工艺为：发酵时间30 h，菌种接种量5%，3%脱脂奶粉+0.5%白砂糖，发酵温度41℃。

按以上最佳组合方案A2B3D2C1作验证试验，经三次重复实验，测得的大豆渣总膳食纤维的平均得率为75.6%，SDF占总膳食纤维的比例为17.2%，且持水力为6.19 g/g，溶胀性为8.14 mL/g。

4 结论与讨论

大豆渣是一种质优价廉的膳食纤维源，本文以新鲜豆渣为原料，利用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌（1∶1）混合菌种发酵制备的膳食纤维是一种呈浅黄色、无豆腥味，并带有一种特殊香味的粉末。通过单因素和正交试验，最佳工艺条件是：发酵时间30 h，菌种接种量5%，3%脱脂奶粉+0.5%白砂糖，发酵温度41℃。

膳食纤维持水力和溶胀性的大小是衡量膳食纤维品质好坏的两个重要特性，持水力和溶胀性越大则表示膳食纤维的吸水、吸油能力越强，表面积及吸附性也越大，因而膳食纤维的生理活性也越好。按上述发酵条件制备的膳食纤维持水力高、吸水性强，持水力和溶胀性也较为理想；制取的总膳食纤维（TDF）提取率为75.6%，且可溶性膳食纤维（SDF）占TDF的比例高达17.2%，是一种优质的膳食纤维。

在本实验中，并没有除去豆渣中的蛋白质、脂肪和淀粉。具体原因如下：

据研究，豆渣中脂肪以及淀粉含量都特别低，不会对发酵过程产生影响，因此没有必要除去。如在涂宗财［3］等对豆渣原料成分的分析中发现脂肪含量只有2.5%；在王波等［16］对豆渣原料成分的分析中发现脂肪和淀粉的含量都小于1%。虽然，豆渣中蛋白质含量为10%～20%、灰分的含量为4%左右，比较高，但是由于菌种可以消耗豆渣中的蛋白质和淀粉等杂质，也可以不用除去。本文要求发酵过程中产酸，原因是：适量的产酸，有利于IDF转化为SDF，提高SDF的含量，从而获得生理活性更高、品质更好的大豆膳食纤维。

参考文献：

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（责任编辑：叶丽娜）

A Study on the Extraction of Soybean Dietary Fiber with Fermentation Method

ZHAO Taixia，ZHU XingLing

（SchooL of Tea and Food Science，Wuyi University，Wuyishan，Fujian 354300）

Abstract:Soybean dietary fiber was extracted by using fresh residue as materiaLs to be fermented by LactobaciLLus BuLgaria and streptococcus thermophiLus（1∶1）. Index on the soLubLe dietary fiber（SDF）extraction rate，effects of fermentation time，inocuLating voLume of starter cuLture，skimmed miLk powder and sugar content，fermentation temperature etc. on fermentation technoLogy was studied by singLe factor tests，using orthogonaL test to optimize the preparation technoLogy. The resuLts showed that the optimaL technoLogicaL parameters was fermentation time30 h，inocuLating voLume 5%，skimmed miLk powder 3%+ sugar 0.5%，fermentation temperature 41℃，DF was 75.6%，SDF was 17.2%. And the product with no bean smeLL had paLe yeLLow and a faint fragrance.

Key words：soybean residue；dietary fiber；SDF；fermentation

中图分类号：TS214.2

文献标识码：A

文章编号：1674-2109（2016）03-0018-05

收稿日期：2015-10-16

作者简介：赵泰霞（1983-），女，汉族，助教，主要从事乳品微生物学研究。