发酵法生产可溶性膳食纤维乳饮料的工艺研究

李华丽，魏仲珊，罗玉，邓萍（.湖南省畜牧兽医研究所，湖南长沙403；.湖南优蜜食品科技有限公司，湖南长沙403）

发酵法生产可溶性膳食纤维乳饮料的工艺研究

李华丽1，魏仲珊1，罗玉2，邓萍2
（1.湖南省畜牧兽医研究所，湖南长沙410131；2.湖南优蜜食品科技有限公司，湖南长沙410131）

进行玉米皮膳食纤维乳饮料的研制，采用微生物发酵法使玉米皮中不可溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）转化为可溶性膳食纤维（Solubledietary fiber，SDF），通过二级发酵工艺的单因素试验确定工艺参数，结果为菌种接种量4.40%，二级发酵温度为50.95℃，二级发酵时间为46.50min。改良后的玉米皮粉末与发酵乳混合，再通过均质与二次杀菌处理进一步转化IDF为SDF。结果表明：26.5MPa/65℃为适宜均质条件，80℃～90℃为合适的二次杀菌温度。在上述工艺条件下，膳食纤维乳饮料的SDF含量达到4.45%，较改良前的1.79%SDF含量有了大幅度提高。

发酵；玉米皮；可溶性膳食纤维；乳饮料

膳食纤维是指不能被人体消化道分泌的消化酶所消化的多糖之总称，被称为继糖类、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水之后的“第七营养素”［1］。按溶解性分，膳食纤维分为水溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纤维（Insoluble dietary fiber，IDF）两类。SDF是一种具有保健功能的特殊营养食品，是用来制造低热量、低胆固醇、低钠健康食品的重要原料，可以清除体内垃圾，起到防止便秘、脂肪排积的功效，可减少对有毒及致癌物质的吸收，又可调节胆固醇水平，此外还具有降低血脂和预防心脑血管疾病的作用。其作为食品配料要优于IDF，因为IDF只是填充料型膳食纤维，无实际生理功能，而SDF的比例才是影响总膳食纤维生理功能的一个重要因素。富含SDF的制品是一种高活性膳食纤维，目前已作为食品配料广泛应用于食品加工中，如制备高纤维饮料、面包、糖果等健康食品［2］。玉米是我国的主要作物，但我国玉米加工业水平较低，玉米中的某些成分或组分（如玉米膳食纤维、玉米脂多糖、玉米黄体素和玉米黄素）未得到合理的利用。玉米细胞含有比麦麸和米糠更丰富的总纤维素、纤维素和半纤维素，是优良的膳食纤维天然原料。玉米中的膳食纤维大都存在玉米皮中，因此开发利用玉米皮是进一步提高玉米附加值，获得玉米SDF的有效途径［3］。许多研究表明在膳食纤维中水溶性成分却起着关键性的作用，然而我国目前市场上的膳食纤维绝大多数是不溶性的。当膳食纤维具有溶解的特性后，不但应用范围大，而且口感好。国内外对膳食纤维的改性做了一些工作，但报道不多，主要的方法是化学处理法、生物技术法和机械降解处理法，也可以应用其中两种方法同时处理以获得较高含量的水溶性膳食纤维。膳食纤维的改性是膳食纤维研究趋势的重点之一［4-5］。本试验选用玉米皮膳食纤维作为底物，采用处理条件温和、成本较低的微生物发酵技术，进行生物转化，使IDF转化为SDF。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

低脂奶粉：市售；玉米皮粉末（已脱除脂肪、淀粉、蛋白质）：湖南省畜牧兽医研究所提供；黄原胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠（食品级）：上海健鹰食品科技研究所提供；黑根霉：湖南省畜牧兽医研究所畜产品加工研究室实验室保藏菌株；乳酸菌（DM-511）：哈尔滨美华生物技术股份有限公司生。

95%乙醇、丙酮、氢氧化钠、重铬酸钾、冰乙酸、盐酸、硫酸（均为分析纯）：由国药集团化学试剂有限公司提供。

1.2主要仪器设备

HY电控恒温摇床：武汉汇诚生物科技有限公司；SKP-01电控恒温箱、101电热恒温干燥箱：北京市永光明医疗仪器有限公司；DK-98-I1A电控恒温水浴：天津市泰斯特仪器有限公司；80-2离心机：金坛市大地自动化仪器厂；DX-40小型电动粉碎机：广州市大祥电子机械设备有限公司；TMP-1电子天平：长沙高新开发区湘仪天平仪器设备有限公司；722分光光度计：上海谱元仪器有限公司。

1.3方法

1.3.1玉米膳食纤维乳饮料工艺流程

1.3.2黑根霉扩大培养［6］

经预备试验，进行菌种的扩大培养。取25 g脱脂奶粉，加水至250 g，调整pH为4.8，灭菌后接入黑根霉，振荡均匀，28℃恒温摇床培养4 d取出备用。

1.3.3发酵乳制作

以鲜牛奶为原料，经净化、巴氏杀菌，42℃～43℃接种乳酸菌，接种量为鲜牛奶的2%，保温发酵5.5 h，再经2℃～6℃后发酵10 h～12 h，得到发酵乳备用。

1.3.4影响玉米皮IDF转化为SDF的工艺研究

1.3.4.1一级发酵接种量对玉米皮IDF转化为SDF的影响

玉米皮粉末以质量比例1∶10与水混匀溶解，经巴氏杀菌、降温后分别按溶解液的2%、3%、4%、5%、6%接种量加入菌种扩大培养液，搅拌均匀，40℃发酵30 min，测定SDF含量，确定接种量。

1.3.4.2二级发酵温度对产品SDF含量的影响

玉米皮粉末水溶液经巴氏杀菌、降温后接入4%的菌种扩大培养液，一级发酵完成后进行二级发酵，二级发酵分别在40、45、50、55、60℃条件下发酵45 min，再与发酵乳混合，混合物料经调配、均质、灌装后于85℃～90℃二次杀菌30 min，即得成品，测成品SDF含量。

1.3.4.3二级发酵时间对产品SDF含量的影响

玉米皮粉末水溶液经巴氏杀菌、降温后接入4%的菌种扩大培养液，一级发酵完成后进行二级发酵，在50℃条件下分别发酵30、35、40、45、50、55、60 min，再与发酵乳混合，混合物料经调配、均质、灌装后于85℃～90℃二次杀菌30 min，即得成品，测成品SDF含量。

1.3.4.4均质压力对半成品IDF转化为SDF的影响

将玉米皮粉末发酵溶液与发酵乳混合，加入稳定剂等辅料进行调配，再将调配好的物料分别在不同的均质压力20、30、40、50、60 MPa，65℃条件下均质，均质后取样，测SDF转化率。测定方法依据GB 5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。1.3.4.5二次杀菌温度对产品SDF含量的影响

玉米皮粉末水溶液经巴氏杀菌、降温后接入4%的菌种扩大培养液，一级发酵完成后进行二级发酵，再与发酵乳混合，混合物料经调配、均质、灌装后于80、85、90、95、100℃杀菌30 min，即得成品，测成品SDF含量。

1.3.5玉米皮IDF转化为SDF应用于乳饮料中最佳工艺参数的确定［7］

衡量SDF转化量可以从可溶性膳食纤维含量指标考虑。根据单因素试验结果，设计四因素三水平的响应面分析方法，选择接种量、二级发酵温度、二级发酵时间、均质压力4个对SDF转变率影响显著的因素为自变量，共31个试验点，以可溶性膳食纤维含量为响应值，Box-Benhnken试验设计因素与水平见表1。

表1　Box-Benhnken试验设计因素与水平Table 1　Factors and levels of Box-Benhnken lest

1.4检测方法

水溶性膳食纤维（SDF）及不溶性膳食纤维（IDF）含量测定采用GB 5009.88-2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》。

2　结果与分析

2.1产品改良前IDF和SDF含量的测定产品中IDF和SDF含量见表2。

表2　产品中IDF和SDF含量Table 2　IDF content and SDF content of product

2.2一级发酵接种量对玉米皮IDF转化为SDF的影响结果

一级发酵接种量对SDF转化率的影响见图1。

图1　一级发酵接种量对SDF转化率的影响Fig.1　Effects of inoculum amount in primary fermentation on conversion rate of SDF

如图1所示，一级发酵接种量在4%时，SDF的含量达到最高，相对2%与3%接种量增加显著（P＜0.05），此后呈缓慢下降趋势（P＞0.05）。黑根霉菌在适宜条件下产生的木聚糖酶可降解玉米皮膳食纤维，并把不溶性半纤维素转化为可溶性半纤维素，同时玉米皮细胞壁的溶胀性、亲水和亲油能力相应得到改善［8］。但随着接种量的增加，可溶性半纤维素降解成小分子低聚糖的速度超过了其生成速度，从而使SDF含量下降。

2.3二级发酵温度对SDF含量的影响结果

二级发酵温度对SDF转化率的影响见图2。

图2　二级发酵温度对SDF转化率的影响Fig.2　Effects of secondary fermentation temperature on conversion rate of SDF

图2为玉米皮粉末液接种菌种扩大培养液发酵，二级发酵温度对SDF含量的影响结果。从试验结果可看出，整体呈现先上升后下降的趋势，50℃条件下SDF含量最高，在此温度下，酶对IDF转化为SDF的效果最好，且相对40、45℃与55℃条件下的SDF转化率差异显著（P＜0.05）。说明此木聚糖酶在50℃条件下活力最强，把不溶性半纤维素转化为可溶性半纤维素。因为一种酶有其特定的适宜温度，只有在适宜温度下才能发挥其最强的活力。

2.4二级发酵时间对SDF含量的影响结果

二级发酵时间对SDF转化率的影响见图3。

图3　二级发酵时间对SDF转化率的影响Fig.3　Effects of secondary fermentation time on conversion rate of SDF

图3为在50℃的二级发酵温度下，二级发酵时间对SDF含量的影响结果。结果表明，二级发酵时间为45 min时，SDF含量最高，接近4.5%；随发酵时间延长，SDF含量显著下降（P＜0.05）。因为发酵处理时间过长，半纤维素将被水解成小分子糖类，其不构成膳食纤维成分。因此，在4%的接种量条件下，45 min是最佳发酵时间。

2.5均质压力对IDF转化为SDF的影响结果

均质压力对SDF转化率的影响图4。

从图4可看出，均质压力在30 MPa的条件下，SDF的转化率达到最大。但随着均质压力的增大，SDF含量又显著下降（P＜0.05）。这是因为玉米皮膳食纤维经微射流均质机的瞬时高压作用（Instantaneous HighPressure，IHP），纤维高聚物糖苷键断裂，SDF的含量就增加［9］。在不同的压力作用下产生不同粒径和密度，物料粒径随压力的增大呈显著下降，物料密度随之增大，SDF含量随之增加。这可能是因为瞬间巨大的压力差作用，物料颗粒离子键遭到严重破坏，使物料颗粒发生细化、膨化作用。但当颗粒小到一定程度，分子间的碰撞作用加剧，范德华力、氢键在颗粒间起主要作用，当均质压力达到一定程度后，细小的物料颗粒重新聚集，形成大的颗粒，所以在均质压力超过30 MPa 后SDF含量是逐渐减小的。

图4　均质压力对SDF转化率的影响Fig.4　Effects of homogeneity pressure on conversion rate of SDF

2.6二次杀菌温度对SDF含量的影响结果

二次杀菌温度对SDF转化率的影响图5。

图5　二次杀菌温度对SDF转化率的影响Fig.5　Effects of secondary sterilization temperature on conversion rate of SDF

图5为发酵完成后，二次杀菌温度对SDF转化率的影响。从结果可以看出，温度在80℃～100℃的条件下对SDF的转化率无明显影响，差异不显著（P＞0.05）。从节约能源出发，并结合实践操作可行性，确定80℃～90℃为合适的二次杀菌温度。

2.7玉米皮IDF转化为SDF应用于乳饮料中最佳工艺参数的确定

根据表1的试验因素与水平的设计，按照接种量、二级发酵温度、二级发酵时间、均质压力的具体水平进行试验，结果见表3。

表3　Box-Benhnken试验设计结果Table 3　Results of Box-Benhnken lest

对接种量、二级发酵温度、二级发酵时间、均质压力作如下变换：

X1=（Z1-4），X2=（Z2-50）/5，X3=（Z3-45）/5，X4=（Z4-30）/10，以SDF含量为响应值（Y），以相应的的响应为Z坐标作出三维空间曲面。试验设计与结果见表4。

表4　SDF含量的估计回归系数Table 4　Effect estimate for SDF

为使模型更好的反应优化条件，模型中仍然保留各项系数的存在。模型方程如下：

Y=4.423 33+0.129 17X1+0.089 17X2+0.065 83X3-0.099 17X4-0.138 33X12-0.243 33X22-0.128 33X32-0.140 83X42-0.007 50X1X2-0.027 50X1X3+0.022 50X1X4+ 0.045 00X2X3+0.015 00X2X4-0.040 00X3X4

通过F检验来判定回归方程中各变量吸光度影响的显著性，概率P的值愈小，则相应变量的显著程度愈高。接种量、二级发酵温度和均质压力的P值都小于0.01，表明其对SDF含量的影响极显著，其中接种量的P值为0.000，表明其对SDF含量的影响极显著；二级发酵时间的P值小于0.05，表明其也对饮料SDF含量的影响较显著。整体回归方程的P值小于0.05，是极显著的。相关性R2=0.838 735/0.924 052= 90.77%，说明SDF含量的变化因素有90.77%来源于接种量、二级发酵温度、二级发酵时间、均质压力。因此，回归方程可以较好地描述各因素与SDF含量之间的真实关系，可以利用回归方程确定最佳转化条件。解得到：Z1=4.40，Z2=50.95，Z3=46.50，Z4=26.50。在此工艺条件下进行验证，饮料的SDF含量为4.45%。为了验证二次回归方程的可靠性，对方程进行方差分析，结果见表5。

表5　对于SDF含量的方差分析（ANOVA）Table 5　ANOVA for the precipitation rate of SDF

从表5的方差分析来看，在本试验体系中，对应回归项P值为0.000，表明总体来说此模型是有效的，可以拒绝原假设。再分析方差表中的失拟现象，本试验体系的失拟较显著，表明不能拒绝原假设，判定本模型没有失拟现象。

根据拟合函数，每两个因素对SDF含量作响应面。考虑到分析各因素与SDF含量的关系，固定另外两个因素时，均做“0”处理，具体因素水平见表1，图6～图11直观地反映了各因素对响应值的影响。

图6　接种量、二级发酵温度及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面Fig.6　Response surface plot of the effect of inoculum amount &secondary fermentation temperature and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

图7　接种量、二级发酵时间及其交互作用对SDF含量影响的响应曲Fig.7　Response surface plot of the effect of inoculum amount &secondary fermentation time and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

图8　接种量、均质压力及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲Fig.8　Response surface plot of the effect of inoculum amount& homogeneity pressure and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

图6为接种量、二级发酵温度及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面，显示在二级发酵时间为45 min、均质压力为30 MPa时，接种量与二级发酵温度对饮料SDF含量的交互影响效应。可见，SDF含量随着接种量的增加先增大后减小，在接种量为4.40%，饮料的SDF含量达到最大值，在此范围内接种量佳值为4.40%。二级发酵温度在45℃～55℃变化时，SDF含量随着发酵温度的增加先增大后减小，在50.95℃时，饮料的SDF含量最大。

图9　二级发酵温度、二级发酵时间及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面Fig.9　Response surface plot of the effect of secondary fermentation temperature&secondary fermentation time and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

图10　二级发酵温度、均质压力及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面Fig.10　Response surface plot of the effect of secondary fermentation temperature&homogeneity pressure and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

图11　二级发酵时间、均质压力及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面Fig.11　Response surface plot of the effect of secondary fermentation time&homogeneity pressure and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

图7为接种量、二级发酵时间及其交互作用对SDF含量影响的响应曲面，表示在二级发酵温度为50℃、均质压力为30 MPa时，接种量与二级发酵时间对饮料SDF含量的交互影响效应。饮料的SDF含量随着接种量的增加呈先增大后减小的趋势，添加量为4.40%时，SDF含量值最高，所以4.40%是接种量的最佳值。二级发酵时间在40 min～50 min范围内变化，SDF含量呈现先增大后减小的趋势，在46.50 min时，SDF含量最大，所以最佳二级发酵时间为46.50 min。

图8为接种量、均质压力及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面，在二级发酵温度50℃、二级发酵时间45 min时，接种量与均质压力对饮料SDF含量的交互影响效应。均质压力在20 MPa～40 MPa范围变化时，接种量对SDF含量的影响较小，变化曲面较平缓，在接种量为4.40%时，饮料的SDF含量达到了一个较高的值。接种量在3%～5%范围变化时，随着均质压力的增加，饮料的SDF含量先上升再下降，在26.5 MPa时其含量最高。

图9为二级发酵温度、二级发酵时间及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面，在接种量4%、均质压力30 MPa时，二级发酵温度与二级发酵时间对饮料SDF含量的交互影响效应。二级发酵温度对SDF含量影响较大，表现为曲线变化幅度较大，在50.95℃时，SDF含量达最大值；二级发酵时间在40 min～50 min范围内变化时，SDF含量先增加后减小，在46.5 min时，其数值最大，所以最佳二级发酵时间为46.5 min。

图10为二级发酵温度、均质压力及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面，显示接种量4%、二级发酵时间45 min时，二级发酵温度与均质压力对饮料SDF含量的交互影响效应。二级发酵温度与均质压力变化的同时相互影响，分别在发酵温度50.95℃、均质压力26.5 MPa时对应的SDF含量最高。

图11为二级发酵时间、均质压力及其交互作用对饮料SDF含量影响的响应曲面，显示接种量4%、二级发酵温度50℃时，二级发酵时间与均质压力对饮料SDF含量的交互影响效应，两者相互作用，分别在二级发酵时间46.5 min、均质压力26.5 MPa时对应的SDF含量最高。

3　结论

本研究以SDF含量为指标，通过响应面分析，得到可溶性膳食纤维乳饮料玉米皮IDF转化为SDF应用于乳饮料中最佳工艺参数：接种量为4.40%，二级发酵温度为50.95℃，二级发酵时间为46.50 min，均质压力为26.5 MPa，二次杀菌温度为80℃～90℃。在此工艺条件下，饮料的SDF含量达到4.45%，大大提高了乳饮料中的SDF含量。

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Study on Production Process of Milk Beverage with SDF by Fermentation

LI Hua-li1，WEI Zhong-shan1，LUO Yu2，DENG Ping2
（1.Hunan Institute of Animal and Veterinary Science，Changsha 410131，Hunan，China；2.Hunan Youme Food Science and Technology Co.，Ltd.，Changsha 410131，Hunan，China）

This paper was researched for corn bran fiber milk beverage，and IDF was exchanged to SDF by fermentation.Through single factor experiments，the two step fermented process was determined that starter culture dose 4.40%，secondary fermentation temperature 50.95℃，secondary fermentation time 46.50 min.After the improved corn powder and fermented milk were mixed，IDF was exchanged further to SDF by homogeneity and secondary sterilization.The test result showed that appropriate homogeneity condition was 26.5 MPa/65℃，and secondary sterilization condition was 80℃～90℃.Under the condition of aforementioned process，SDF content of milk beverage was enhanced greatly to 4.45%，which was compared with 1.79%before.

fermentation；cornbran；solubledietaryfiber；milkbeverage

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.15.032

李华丽（1979—），女（汉），助理研究员，博士，食品微生物学专业。

2014-10-24