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发酵法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的研究

2022-04-13刘俊红林青青刘瑞芳张苗玉王锟宇

河南城建学院学报 2022年1期
关键词:菌种可溶性膳食

刘俊红,林青青,刘瑞芳,张苗玉,王锟宇

(1.河南城建学院 生命科学与工程学院,河南 平顶山 467036;2.中国矿业大学 电力与动力工程学院,江苏 徐州 221116)

膳食纤维(Dietary Fiber,DF)是一种多糖,不能被肠道吸收,也不提供能量。研究表明,膳食纤维具有预防便秘和结肠癌,降低血糖,预防糖尿病,降低血清胆固醇,预防冠状动脉硬化等功能[1-3]。将膳食纤维作为食品添加剂添加到饮料中,可改善饮料的口感,例如可口可乐、雪碧等碳酸饮料都推出了“纤维+”等产品,满足了功能性食品的需求,成为当前饮料加工的一个新的发展方向[4]。

葡萄作为我国大宗消费水果,除了鲜食还可生产出各种深加工产品,在加工过程中产生的葡萄皮渣大部分都用作肥料,利用率低[5-8]。提取葡萄皮渣中的可溶性膳食纤维的方法很多,如酸法、活性酶法、发酵法等[9-11]。化学法操作方便但副产物多,影响提取物的含量,同时污染环境[9];酶法虽然污染小,但成本投入高,不利于大规模生产[12];发酵法污染小、产率高,制得的膳食纤维色泽、质地、气味、分散程度、持水力和得率均优于化学法[13-14]。虽然酶法、膜过滤和发酵法提取膳食纤维的技术尚不成熟,但反应条件温和,对环境的污染相对较小[15]。

目前,国内外提取膳食纤维以化学法为主,研究膳食纤维起步较早的国家,都在积极探索采用较为温和的工艺方法提取分离膳食纤维[16-18]。

本文以葡萄皮渣为原料,可溶性膳食纤维(SDF)的得率为指标,探究发酵法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的工艺条件,为葡萄皮渣的综合利用提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

葡萄皮渣:平顶山市德秀葡萄酒厂生产葡萄酒后的葡萄皮渣,干燥粉碎过60目筛备用。

1.2 主要试剂

95%乙醇(分析纯):洛阳化工厂;氢氧化钠(分析纯):西陇化工股份有限公司;保加利亚乳杆菌(CICC6045):广东省微生物菌种保藏中心;嗜热链球菌(IFFI6038):广东省微生物菌种保藏中心。

1.3 主要试验仪器

ME204E电子分析天平:梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;SHP-250生化培养箱:金坛市盛蓝仪器制造有限公司;MJ-78A高压灭菌锅:施都凯仪器设备(上海)有限公司;DHG-9123A鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司;DC-1044低速离心机:科大创新股份有限公司中佳分公司;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵:安徽予华仪器设备有限公司。

1.4 试验方法

将保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌冻干粉活化后扩大培养,接种到葡萄皮渣粉配制的培养基中。利用微生物发酵的特点,使葡萄皮渣中的糖类、脂质、蛋白质等消耗,因这两种菌无法消耗降解纤维素,故可制得膳食纤维。

将2 g粉碎过筛的葡萄皮渣按照一定的料液比混合,加入2%脱脂奶粉、1.5%白砂糖并调至合适的pH值,接种发酵,分析发酵时间、pH、菌种接种量、料液比对试验结果的影响,每个单因素做五个梯度,三组平行。

1.4.1 菌种的扩大培养

本试验用的菌种是保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌[19]。

(1)保加利亚乳杆菌的活化

利用灭菌的MRS培养基37 ℃培养48 h。首次活化,干粉用尽量少的复水液溶解。

(2)嗜热乳酸链球菌的活化

采用灭菌的10%脱脂牛奶培养基,37 ℃培养48 h。冻干粉首次活化时,干粉用尽量少的MRS培养液溶解。

(3)扩大培养基:10%的脱脂牛奶培养基

1.4.2 单因素试验

(1)菌种接种量对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

② 冷却至室温后分别接入菌种3.0%,混匀封口后放入恒温培养箱37 ℃培养24 h。

③ 培养结束后,将发酵液进行抽滤,取滤液,放入3倍体积78%乙醇后搅匀静置3 h,置于低温高速离心机中,室温下4 000 r/min离心10 min。所得沉淀55 ℃干燥至恒重后,记录试验结果即为SDF质量。

④ 依次将菌种接种量改为2.0%、2.5%、3.5%、4.0%,重复①~③的操作。

(2)pH对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

依次将pH改为6.2、6.4、6.7、7.0、7.2,重复1.4.2(1)的试验。

(3)料液比对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

(4)发酵时间对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

依次将发酵时间改为16 h、18 h、20 h、22 h、24 h,重复1.4.2(1)的试验。

根据单因素试验结果,设计正交试验,探索发酵法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的最佳工艺[20]。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 菌种接种量对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

不同接种量对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响见图1。

由图1可知,SDF得率先增高后缓慢降低,接种量在3.0%时葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的得率最高。在菌种接种量为2.0%~2.5%时,可溶性膳食纤维的得率缓慢升高,说明接种量小的时候不能充分降解葡萄皮渣中的糖类、脂类、蛋白质等,在抽滤的时候部分生物大分子没有被抽滤下来;随着菌种接种量的增大,即接种量在2.5%~3.0%之间时,葡萄皮渣中的营养成分逐渐被菌种降解吸收,因此葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的得率快速上升;在菌种接种量为3.0%时,SDF的得率最高,达到22.5%;当接种量在3.0%~4.0%时,SDF得率缓慢降低,变化趋于平缓,说明在既定的发酵液中,含量恒定的营养物质在较高的接种量下被降解殆尽,葡萄皮渣中的可溶性膳食纤维得率变化不显著。

2.1.2 pH对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

pH对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响见图2。

图1 接种量对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

图2 pH对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

由图2可以看出,葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率先升高后降低,曲线的转折点在pH为6.4时,葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率最高。在pH为6.2~6.4时,葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率显著升高,pH为6.4时达到最大,说明此时的pH适合菌体的生长,各种酶的活性处于最高状态,对底物的消耗较为彻底,培养基中的可利用成分几近耗尽;在pH为6.4~7.2时,葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率逐渐下降,在pH为6.7后下降明显,说明pH过高,参与代谢反应的酶的活性受到抑制,酶促反应速率减缓,培养基中的营养成分降解率偏低,降低了葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的得率。

2.1.3 料液比对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

料液比对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响见图3。

由图3可知,料液比的增加使得葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率先升高后降低,料液比18时可溶性膳食纤维得率最高。

2.1.4 发酵时间对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

发酵时间对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响见图4。

图3 料液比对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

图4 发酵时间对葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率的影响

由图4可知,随着发酵时间的增加,可溶性膳食纤维的得率先增高后降低,20 h时达到最大,随后产物得率下降。发酵时间在16 h~20 h时,随着发酵时间的延长,菌种生长由延滞期进入对数期,比生长速率以指数级数增加,对底物的降解程度快速增加,表现为产物得率的持续上升;当发酵20 h时,底物的降解速率达到最大,此时产物得率最高;随着发酵时间的延长,经过对数期后,菌种的比生长速率趋于平缓,对底物的消耗速率下降;尤其是进入衰亡期后,菌种死亡速率增加,对底物的消耗程度下降,产物得率随之下降。

2.2 正交试验

在菌种接种量、pH、料液比、发酵时间四个单因素试验的基础上,确定菌种接种量3.0%、pH为6.4、料液比18、发酵时间20 h的基础上,使用正交软件设计正交试验,因素水平表和试验安排见表1和表2。

表1 正交试验设计的因素及水平

表2 正交试验安排与结果

续表2

由表2可知,影响试验结果的最敏感因素是pH,其次是料液比,在试验操作过程中应严格控制。

表2的试验结果显示:A1B2C2D2时可溶性膳食纤维的得率最高,即菌种接种量为2.5%,pH为6.4,料液比为18,发酵时间为20 h,此时葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的得率高达29%。均值分析表明最优的工艺条件为A1B2C1D2,即菌种接种量为2.5%,pH为6.4,料液比16,发酵时间20 h。验证试验显示:A1B2C1D2时葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率为29.2%,略高于A1B2C2D2的得率。

3 结论与讨论

本研究以葡萄皮渣粉为原料提取SDF,试验结果显示:菌种接种量为2.5%,pH为6.4,料液比为16(g·mL-1),发酵时间20 h时,葡萄皮渣中可溶性膳食纤维得率达到29.2%。

令博等[15]通过发酵法提取葡萄皮渣中的膳食纤维的工艺条件为发酵温度40 ℃、发酵时间21 h、接种量1%、料液比110,在此条件下SDF得率为(17.25±0.23)%;郭红珍等[16]用酶法提取葡萄皮渣中可溶性膳食纤维的最佳工艺为pH为7.0、50 ℃水浴条件下、加酶量50 μL·g-1,作用时间6 h,此条件下得到的可溶性膳食纤维为28.8%。

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