發酵法生產可溶性膳食纖維乳飲料的工藝研究

李華麗，魏仲珊，羅玉，鄧萍（.湖南省畜牧獸醫研究所，湖南長沙403；.湖南優蜜食品科技有限公司，湖南長沙403）

發酵法生產可溶性膳食纖維乳飲料的工藝研究

李華麗1，魏仲珊1，羅玉2，鄧萍2
（1.湖南省畜牧獸醫研究所，湖南長沙410131；2.湖南優蜜食品科技有限公司，湖南長沙410131）

進行玉米皮膳食纖維乳飲料的研制，采用微生物發酵法使玉米皮中不可溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）轉化為可溶性膳食纖維（Solubledietary fiber，SDF），通過二級發酵工藝的單因素試驗確定工藝參數，結果為菌種接種量4.40%，二級發酵溫度為50.95℃，二級發酵時間為46.50min。改良后的玉米皮粉末與發酵乳混合，再通過均質與二次殺菌處理進一步轉化IDF為SDF。結果表明：26.5MPa/65℃為適宜均質條件，80℃～90℃為合適的二次殺菌溫度。在上述工藝條件下，膳食纖維乳飲料的SDF含量達到4.45%，較改良前的1.79%SDF含量有了大幅度提高。

發酵；玉米皮；可溶性膳食纖維；乳飲料

膳食纖維是指不能被人體消化道分泌的消化酶所消化的多糖之總稱，被稱為繼糖類、蛋白質、脂肪、維生素、礦物質和水之后的“第七營養素”［1］。按溶解性分，膳食纖維分為水溶性膳食纖維（Soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維（Insoluble dietary fiber，IDF）兩類。SDF是一種具有保健功能的特殊營養食品，是用來制造低熱量、低膽固醇、低鈉健康食品的重要原料，可以清除體內垃圾，起到防止便秘、脂肪排積的功效，可減少對有毒及致癌物質的吸收，又可調節膽固醇水平，此外還具有降低血脂和預防心腦血管疾病的作用。其作為食品配料要優于IDF，因為IDF只是填充料型膳食纖維，無實際生理功能，而SDF的比例才是影響總膳食纖維生理功能的一個重要因素。富含SDF的制品是一種高活性膳食纖維，目前已作為食品配料廣泛應用于食品加工中，如制備高纖維飲料、面包、糖果等健康食品［2］。玉米是我國的主要作物，但我國玉米加工業水平較低，玉米中的某些成分或組分（如玉米膳食纖維、玉米脂多糖、玉米黃體素和玉米黃素）未得到合理的利用。玉米細胞含有比麥麩和米糠更豐富的總纖維素、纖維素和半纖維素，是優良的膳食纖維天然原料。玉米中的膳食纖維大都存在玉米皮中，因此開發利用玉米皮是進一步提高玉米附加值，獲得玉米SDF的有效途徑［3］。許多研究表明在膳食纖維中水溶性成分卻起著關鍵性的作用，然而我國目前市場上的膳食纖維絕大多數是不溶性的。當膳食纖維具有溶解的特性后，不但應用范圍大，而且口感好。國內外對膳食纖維的改性做了一些工作，但報道不多，主要的方法是化學處理法、生物技術法和機械降解處理法，也可以應用其中兩種方法同時處理以獲得較高含量的水溶性膳食纖維。膳食纖維的改性是膳食纖維研究趨勢的重點之一［4-5］。本試驗選用玉米皮膳食纖維作為底物，采用處理條件溫和、成本較低的微生物發酵技術，進行生物轉化，使IDF轉化為SDF。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

低脂奶粉：市售；玉米皮粉末（已脫除脂肪、淀粉、蛋白質）：湖南省畜牧獸醫研究所提供；黃原膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉（食品級）：上海健鷹食品科技研究所提供；黑根霉：湖南省畜牧獸醫研究所畜產品加工研究室實驗室保藏菌株；乳酸菌（DM-511）：哈爾濱美華生物技術股份有限公司生。

95%乙醇、丙酮、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、冰乙酸、鹽酸、硫酸（均為分析純）：由國藥集團化學試劑有限公司提供。

1.2主要儀器設備

HY電控恒溫搖床：武漢匯誠生物科技有限公司；SKP-01電控恒溫箱、101電熱恒溫干燥箱：北京市永光明醫療儀器有限公司；DK-98-I1A電控恒溫水?。禾旖蚴刑┧固貎x器有限公司；80-2離心機：金壇市大地自動化儀器廠；DX-40小型電動粉碎機：廣州市大祥電子機械設備有限公司；TMP-1電子天平：長沙高新開發區湘儀天平儀器設備有限公司；722分光光度計：上海譜元儀器有限公司。

1.3方法

1.3.1玉米膳食纖維乳飲料工藝流程

1.3.2黑根霉擴大培養［6］

經預備試驗，進行菌種的擴大培養。取25 g脫脂奶粉，加水至250 g，調整pH為4.8，滅菌后接入黑根霉，振蕩均勻，28℃恒溫搖床培養4 d取出備用。

1.3.3發酵乳制作

以鮮牛奶為原料，經凈化、巴氏殺菌，42℃～43℃接種乳酸菌，接種量為鮮牛奶的2%，保溫發酵5.5 h，再經2℃～6℃后發酵10 h～12 h，得到發酵乳備用。

1.3.4影響玉米皮IDF轉化為SDF的工藝研究

1.3.4.1一級發酵接種量對玉米皮IDF轉化為SDF的影響

玉米皮粉末以質量比例1∶10與水混勻溶解，經巴氏殺菌、降溫后分別按溶解液的2%、3%、4%、5%、6%接種量加入菌種擴大培養液，攪拌均勻，40℃發酵30 min，測定SDF含量，確定接種量。

1.3.4.2二級發酵溫度對產品SDF含量的影響

玉米皮粉末水溶液經巴氏殺菌、降溫后接入4%的菌種擴大培養液，一級發酵完成后進行二級發酵，二級發酵分別在40、45、50、55、60℃條件下發酵45 min，再與發酵乳混合，混合物料經調配、均質、灌裝后于85℃～90℃二次殺菌30 min，即得成品，測成品SDF含量。

1.3.4.3二級發酵時間對產品SDF含量的影響

玉米皮粉末水溶液經巴氏殺菌、降溫后接入4%的菌種擴大培養液，一級發酵完成后進行二級發酵，在50℃條件下分別發酵30、35、40、45、50、55、60 min，再與發酵乳混合，混合物料經調配、均質、灌裝后于85℃～90℃二次殺菌30 min，即得成品，測成品SDF含量。

1.3.4.4均質壓力對半成品IDF轉化為SDF的影響

將玉米皮粉末發酵溶液與發酵乳混合，加入穩定劑等輔料進行調配，再將調配好的物料分別在不同的均質壓力20、30、40、50、60 MPa，65℃條件下均質，均質后取樣，測SDF轉化率。測定方法依據GB 5009.88-2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》。1.3.4.5二次殺菌溫度對產品SDF含量的影響

玉米皮粉末水溶液經巴氏殺菌、降溫后接入4%的菌種擴大培養液，一級發酵完成后進行二級發酵，再與發酵乳混合，混合物料經調配、均質、灌裝后于80、85、90、95、100℃殺菌30 min，即得成品，測成品SDF含量。

1.3.5玉米皮IDF轉化為SDF應用于乳飲料中最佳工藝參數的確定［7］

衡量SDF轉化量可以從可溶性膳食纖維含量指標考慮。根據單因素試驗結果，設計四因素三水平的響應面分析方法，選擇接種量、二級發酵溫度、二級發酵時間、均質壓力4個對SDF轉變率影響顯著的因素為自變量，共31個試驗點，以可溶性膳食纖維含量為響應值，Box-Benhnken試驗設計因素與水平見表1。

表1　Box-Benhnken試驗設計因素與水平Table 1　Factors and levels of Box-Benhnken lest

1.4檢測方法

水溶性膳食纖維（SDF）及不溶性膳食纖維（IDF）含量測定采用GB 5009.88-2014《食品安全國家標準食品中膳食纖維的測定》。

2　結果與分析

2.1產品改良前IDF和SDF含量的測定產品中IDF和SDF含量見表2。

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

2.2一級發酵接種量對玉米皮IDF轉化為SDF的影響結果

一級發酵接種量對SDF轉化率的影響見圖1。

圖1　一級發酵接種量對SDF轉化率的影響Fig.1　Effects of inoculum amount in primary fermentation on conversion rate of SDF

如圖1所示，一級發酵接種量在4%時，SDF的含量達到最高，相對2%與3%接種量增加顯著（P＜0.05），此后呈緩慢下降趨勢（P＞0.05）。黑根霉菌在適宜條件下產生的木聚糖酶可降解玉米皮膳食纖維，并把不溶性半纖維素轉化為可溶性半纖維素，同時玉米皮細胞壁的溶脹性、親水和親油能力相應得到改善［8］。但隨著接種量的增加，可溶性半纖維素降解成小分子低聚糖的速度超過了其生成速度，從而使SDF含量下降。

2.3二級發酵溫度對SDF含量的影響結果

二級發酵溫度對SDF轉化率的影響見圖2。

圖2　二級發酵溫度對SDF轉化率的影響Fig.2　Effects of secondary fermentation temperature on conversion rate of SDF

圖2為玉米皮粉末液接種菌種擴大培養液發酵，二級發酵溫度對SDF含量的影響結果。從試驗結果可看出，整體呈現先上升后下降的趨勢，50℃條件下SDF含量最高，在此溫度下，酶對IDF轉化為SDF的效果最好，且相對40、45℃與55℃條件下的SDF轉化率差異顯著（P＜0.05）。說明此木聚糖酶在50℃條件下活力最強，把不溶性半纖維素轉化為可溶性半纖維素。因為一種酶有其特定的適宜溫度，只有在適宜溫度下才能發揮其最強的活力。

2.4二級發酵時間對SDF含量的影響結果

二級發酵時間對SDF轉化率的影響見圖3。

圖3　二級發酵時間對SDF轉化率的影響Fig.3　Effects of secondary fermentation time on conversion rate of SDF

圖3為在50℃的二級發酵溫度下，二級發酵時間對SDF含量的影響結果。結果表明，二級發酵時間為45 min時，SDF含量最高，接近4.5%；隨發酵時間延長，SDF含量顯著下降（P＜0.05）。因為發酵處理時間過長，半纖維素將被水解成小分子糖類，其不構成膳食纖維成分。因此，在4%的接種量條件下，45 min是最佳發酵時間。

2.5均質壓力對IDF轉化為SDF的影響結果

均質壓力對SDF轉化率的影響圖4。

從圖4可看出，均質壓力在30 MPa的條件下，SDF的轉化率達到最大。但隨著均質壓力的增大，SDF含量又顯著下降（P＜0.05）。這是因為玉米皮膳食纖維經微射流均質機的瞬時高壓作用（Instantaneous HighPressure，IHP），纖維高聚物糖苷鍵斷裂，SDF的含量就增加［9］。在不同的壓力作用下產生不同粒徑和密度，物料粒徑隨壓力的增大呈顯著下降，物料密度隨之增大，SDF含量隨之增加。這可能是因為瞬間巨大的壓力差作用，物料顆粒離子鍵遭到嚴重破壞，使物料顆粒發生細化、膨化作用。但當顆粒小到一定程度，分子間的碰撞作用加劇，范德華力、氫鍵在顆粒間起主要作用，當均質壓力達到一定程度后，細小的物料顆粒重新聚集，形成大的顆粒，所以在均質壓力超過30 MPa 后SDF含量是逐漸減小的。

圖4　均質壓力對SDF轉化率的影響Fig.4　Effects of homogeneity pressure on conversion rate of SDF

2.6二次殺菌溫度對SDF含量的影響結果

二次殺菌溫度對SDF轉化率的影響圖5。

圖5　二次殺菌溫度對SDF轉化率的影響Fig.5　Effects of secondary sterilization temperature on conversion rate of SDF

圖5為發酵完成后，二次殺菌溫度對SDF轉化率的影響。從結果可以看出，溫度在80℃～100℃的條件下對SDF的轉化率無明顯影響，差異不顯著（P＞0.05）。從節約能源出發，并結合實踐操作可行性，確定80℃～90℃為合適的二次殺菌溫度。

2.7玉米皮IDF轉化為SDF應用于乳飲料中最佳工藝參數的確定

根據表1的試驗因素與水平的設計，按照接種量、二級發酵溫度、二級發酵時間、均質壓力的具體水平進行試驗，結果見表3。

表3　Box-Benhnken試驗設計結果Table 3　Results of Box-Benhnken lest

對接種量、二級發酵溫度、二級發酵時間、均質壓力作如下變換：

X1=（Z1-4），X2=（Z2-50）/5，X3=（Z3-45）/5，X4=（Z4-30）/10，以SDF含量為響應值（Y），以相應的的響應為Z坐標作出三維空間曲面。試驗設計與結果見表4。

表4　SDF含量的估計回歸系數Table 4　Effect estimate for SDF

為使模型更好的反應優化條件，模型中仍然保留各項系數的存在。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

通過F檢驗來判定回歸方程中各變量吸光度影響的顯著性，概率P的值愈小，則相應變量的顯著程度愈高。接種量、二級發酵溫度和均質壓力的P值都小于0.01，表明其對SDF含量的影響極顯著，其中接種量的P值為0.000，表明其對SDF含量的影響極顯著；二級發酵時間的P值小于0.05，表明其也對飲料SDF含量的影響較顯著。整體回歸方程的P值小于0.05，是極顯著的。相關性R2=0.838 735/0.924 052= 90.77%，說明SDF含量的變化因素有90.77%來源于接種量、二級發酵溫度、二級發酵時間、均質壓力。因此，回歸方程可以較好地描述各因素與SDF含量之間的真實關系，可以利用回歸方程確定最佳轉化條件。解得到：Z1=4.40，Z2=50.95，Z3=46.50，Z4=26.50。在此工藝條件下進行驗證，飲料的SDF含量為4.45%。為了驗證二次回歸方程的可靠性，對方程進行方差分析，結果見表5。

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

從表5的方差分析來看，在本試驗體系中，對應回歸項P值為0.000，表明總體來說此模型是有效的，可以拒絕原假設。再分析方差表中的失擬現象，本試驗體系的失擬較顯著，表明不能拒絕原假設，判定本模型沒有失擬現象。

根據擬合函數，每兩個因素對SDF含量作響應面?？紤]到分析各因素與SDF含量的關系，固定另外兩個因素時，均做“0”處理，具體因素水平見表1，圖6～圖11直觀地反映了各因素對響應值的影響。

圖6　接種量、二級發酵溫度及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面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

圖7　接種量、二級發酵時間及其交互作用對SDF含量影響的響應曲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

圖8　接種量、均質壓力及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲Fig.8　Response surface plot of the effect of inoculum amount& homogeneity pressure and their mutual interactions on the SDF content of the beverage

圖6為接種量、二級發酵溫度及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面，顯示在二級發酵時間為45 min、均質壓力為30 MPa時，接種量與二級發酵溫度對飲料SDF含量的交互影響效應?？梢?，SDF含量隨著接種量的增加先增大后減小，在接種量為4.40%，飲料的SDF含量達到最大值，在此范圍內接種量佳值為4.40%。二級發酵溫度在45℃～55℃變化時，SDF含量隨著發酵溫度的增加先增大后減小，在50.95℃時，飲料的SDF含量最大。

圖9　二級發酵溫度、二級發酵時間及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面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

圖10　二級發酵溫度、均質壓力及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面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

圖11　二級發酵時間、均質壓力及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面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

圖7為接種量、二級發酵時間及其交互作用對SDF含量影響的響應曲面，表示在二級發酵溫度為50℃、均質壓力為30 MPa時，接種量與二級發酵時間對飲料SDF含量的交互影響效應。飲料的SDF含量隨著接種量的增加呈先增大后減小的趨勢，添加量為4.40%時，SDF含量值最高，所以4.40%是接種量的最佳值。二級發酵時間在40 min～50 min范圍內變化，SDF含量呈現先增大后減小的趨勢，在46.50 min時，SDF含量最大，所以最佳二級發酵時間為46.50 min。

圖8為接種量、均質壓力及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面，在二級發酵溫度50℃、二級發酵時間45 min時，接種量與均質壓力對飲料SDF含量的交互影響效應。均質壓力在20 MPa～40 MPa范圍變化時，接種量對SDF含量的影響較小，變化曲面較平緩，在接種量為4.40%時，飲料的SDF含量達到了一個較高的值。接種量在3%～5%范圍變化時，隨著均質壓力的增加，飲料的SDF含量先上升再下降，在26.5 MPa時其含量最高。

圖9為二級發酵溫度、二級發酵時間及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面，在接種量4%、均質壓力30 MPa時，二級發酵溫度與二級發酵時間對飲料SDF含量的交互影響效應。二級發酵溫度對SDF含量影響較大，表現為曲線變化幅度較大，在50.95℃時，SDF含量達最大值；二級發酵時間在40 min～50 min范圍內變化時，SDF含量先增加后減小，在46.5 min時，其數值最大，所以最佳二級發酵時間為46.5 min。

圖10為二級發酵溫度、均質壓力及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面，顯示接種量4%、二級發酵時間45 min時，二級發酵溫度與均質壓力對飲料SDF含量的交互影響效應。二級發酵溫度與均質壓力變化的同時相互影響，分別在發酵溫度50.95℃、均質壓力26.5 MPa時對應的SDF含量最高。

圖11為二級發酵時間、均質壓力及其交互作用對飲料SDF含量影響的響應曲面，顯示接種量4%、二級發酵溫度50℃時，二級發酵時間與均質壓力對飲料SDF含量的交互影響效應，兩者相互作用，分別在二級發酵時間46.5 min、均質壓力26.5 MPa時對應的SDF含量最高。

3　結論

本研究以SDF含量為指標，通過響應面分析，得到可溶性膳食纖維乳飲料玉米皮IDF轉化為SDF應用于乳飲料中最佳工藝參數：接種量為4.40%，二級發酵溫度為50.95℃，二級發酵時間為46.50 min，均質壓力為26.5 MPa，二次殺菌溫度為80℃～90℃。在此工藝條件下，飲料的SDF含量達到4.45%，大大提高了乳飲料中的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

李華麗（1979—），女（漢），助理研究員，博士，食品微生物學專業。

2014-10-24