发酵-超声提取豆渣可溶性膳食纤维工艺优化

王兆为 ，解梦汐 ，于 淼 ，霍达非 ，李 程 ，张慧丽 *

（1.辽宁大学，沈阳 110036；2.辽宁省农业科学院，沈阳 110065；3.辽宁豆华天宝食品科技股份有限公司，沈阳 113000）

膳食纤维（dietary fiber，DF）被称为第七大营养素。 DF 分为可溶性膳食纤维 (soluble dietary fiber，SDF)和不溶性膳食纤维(insoluble dietary fiber，IDF)。与IDF 相比，SDF 具有更多的功能特性， 能提供更好的质地和口感，常用于食品加工。 豆渣（okara）是豆腐、豆浆生产中的副产物，作为大豆加工副产品[1]，含有丰富的蛋白质、脂肪、膳食纤维等[2]，是天然的膳食纤维来源。 然而豆渣中的膳食纤维大多是不溶性的，可溶性的膳食纤维含量较低，限制其在食品工业中的应用。 为提高豆渣中的SDF 含量，诸多研究人员探索提高SDF 含量的方法。 目前，膳食纤维的提取方法主要有物理法、化学法、生物法和多种方法联用等。其中发酵法提取膳食纤维反应条件温和，对产品的破坏性小。 利用超声辅助米曲霉发酵，使豆渣中的IDF 转化为SDF，再采用单因素试验和正交试验，以提取率为考察指标确定发酵-超声提取的最佳提取条件和参数，旨在为SDF 的提取和利用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 原料与试剂

豆渣（辽宁豆华天宝食品科技股份有限公司）、碱性蛋白酶（sigma）、α-淀粉酶（上海源叶生物科技有限公司）、葡萄糖苷酶（sigma）。

1.2 仪器与设备

DPH-9052 电热恒温培养箱：无锡马瑞特科技有限公司；SB-5200DTD 超声波清洗机： 宁波新芝生物科技有限公司；KQ-100VDB 三频超声波清洗机：昆山舒美超声仪器有限公司；THZ-82 型数显式电热恒温水浴锅、GZX-DH-600 型电热恒温干燥箱：上海跃进医疗器械厂；FA2140N 型电子天平：上海精密科学仪器公司；PHS-3C 精密pH 计： 上海雷磁仪器厂；SHB-ⅢS 循环水式多用真空泵： 郑州长城科工贸有限公司；岛津IRAffinity-1S 傅里叶红外光谱仪：日本岛津仪器有限公司；CR22N 日立高速冷冻离心机：上海莱睿科学仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 SDF 提取方法取 20 g 新鲜豆渣， 于 121 ℃灭菌锅中灭菌15~20 min，降至室温。 将一定比例的米曲霉接种到豆渣中，搅拌均匀，在29~32 ℃恒温培养箱中培养一段时间。将发酵豆渣在121 ℃灭菌锅中灭菌15~20 min。 降至室温后，按照固液比 1∶10 的比例加水，拌匀，超声处理，过滤。 用旋转蒸发仪将液体浓缩至一定量，加入4 倍体积的95%乙醇沉淀，离心，弃去上层清液，将剩余固体在60 ℃热风中干燥至恒重，即为SDF。

1.3.2 单因素试验在其他条件固定不变的情况下，采用单因素试验考察发酵时间、发酵接种量、超声时间、超声功率、超声频率对SDF 提取率的影响。

1.3.3 正交试验在单因素试验的基础上， 以发酵时间、发酵接种量、超声时间、超声功率、超声频率5 个因素为正交试验因素， 设计5 因素3 水平正交试验，以SDF 的提取率为考察指标确定最佳提取工艺。

2 结果与分析

2.1 发酵时间对SDF 提取率的影响

在豆渣发酵的过程中，控制其他变量不变，考察发酵时间（36，48，60，72，84 h）对 SDF 提取率的影响，结果如图1 所示。

由图1 可知：随着发酵时间增加，提取率先增加后降低；提取时间为60 h 时，提取率最高。 在发酵过程中，菌体生长会产生酶系并作用于豆渣，使SDF 含量提升；时间超过60 h 后，菌体主要是繁殖，在84 h时可以发现较丰富的孢子粉，且发酵体系水分含量降低，产生的酶减少，提取率逐渐降低。

图1 发酵时间对于提取率的影响Figure 1 Effect of fermentation time on extraction rate

2.2 发酵接种量对SDF 提取率的影响

在豆渣发酵过程中，控制其他变量不变，考察发酵接种量 （0.02%，0.03%，0.04%，0.05%，0.06%）对SDF 的影响，结果如图2 所示。

图2 发酵接种量对于提取率的影响Figure 2 Effect of fermentation inoculation quantity on extraction rate

由图2 可知： 随着接种量的增大，SDF 提取率先增加后降低。接种量为0.03%时，提取率最高；接种量超过0.03%后，SDF 提取率逐渐降低，菌丝呈深绿色。接种量过大，会导致菌种生长过快，导致物质环境营养供给不足，菌内竞争使代谢产物减少。

2.3 超声时间对SDF 提取率的影响

在超声处理过程中，控制其他变量不变，考察超声时间（20，25，30，35，40 min）对 SDF 提取率的影响，结果如图3 所示。

由图3 可知： 随着超声时间的增加，SDF 提取率呈上升趋势， 在25~30 min 时提取率较高，30 min 后提取率下降。 这可能是膳食纤维内部结构被打开，果胶、低聚糖等单糖物质溶出，进而使提取率下降。

图3 超声时间对于提取率的影响Figure 3 Effect of ultrasonic time on extraction rate

2.4 超声功率对SDF 提取率的影响

在超声处理过程中，控制其他变量不变，考察超声功率（120，160，200，240，280 W）对 SDF 提取率的影响，结果如图4 所示。

图4 超声功率对于提取率的影响Figure 4 Effect of ultrasonic power on extraction rate

由图4 可知： 随着功率增加，SDF 提取率呈上升趋势，在200 W 时达最大值；随功率继续增加时，SDF提取率开始下降。 其原因在于：超声的共振作用和空化效应会影响膳食纤维的内部结构，超声波功率较高时，机械剪切作用会破坏单糖的链结构。

2.5 超声频率对SDF 提取率的影响

在超声处理过程中，控制其他变量不变，考察超声频率（25，40，59，80，100 kHz）对 SDF 提取率的影响，结果如图5 所示。

由图5 可知：随着超声频率的增加，超声作用逐渐增强，SDF 提取率先升高后降低，在40 kHz 时达到最大值。超声频率过高，可能会进一步破坏多糖结构，减少SDF 含量，使提取率降低。

图5 超声频率对于提取率的影响Figure 5 Effect of ultrasonic frequency on extraction rate

2.6 最佳提取工艺

正交试验因素与水平设计见表1，试验结果见表2。

表1 正交试验设计Table 1 Orthogonal test design

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal test results

由正交试验结果可知，SDF 的最优提取工艺是发酵时间60 h、发酵接种量0.04%、超声频率40 kHz、超声时间25 min、超声功率200 W。 按此条件进行试验验证，得到SDF 的平均提取率为18.06%。

3 结论与讨论

豆渣中的主要成分是膳食纤维，食用后可以在一定程度上调节血糖和胆固醇，增加饱腹感。 我国豆渣年产量高且价格低廉， 但因SDF 含量较低而很少在食品中应用。 近年来， 诸多研究报道探索豆渣中的SDF 提取工艺及将IDF 转化为SDF 的方法。 例如：Wu 等[3]使用空化射流技术加工提取豆渣中的SDF；郭敏[4]采用碳酸钠浸提的方法从大豆豆渣中提取SDF；Hu 等[5]利用K. marxianus 发酵豆渣提高SDF 含量；Fan 等[6]用胰蛋白酶水解超声波处理的豆渣提取膳食纤维。

选用反应条件温和、 对产品破坏性小的发酵法，利用超声辅助米曲霉发酵提取SDF。通过单因素试验选出最优水平， 再由正交试验得出最优提取工艺为：发酵接种量 0.04%， 发酵时间 60 h， 超声频率 40 kHz，超声功率200 W，超声时间25 min。 此条件下所得的SDF 提取率最高，平均提取率为18.06%。