發酵改性對麩皮中可溶性膳食纖維含量的影響

劉豪，王岸娜，吳立根

（河南工業大學糧油食品學院，河南鄭州450001）

小麥麩皮作為小麥磨粉后的副產物，具有極大的產量[1]。其含有豐富的糖、脂肪、蛋白質、維生素等營養物質，也含有較多的膳食纖維，具有較高的發展潛力和應用價值[2-4]?，F代研究表明，膳食纖維具有減肥[5-6]、降低膽固醇[7-8]、清除自由基等生理活性功能，其應用前景巨大[9-10]。但麩皮中含有較多的不溶性膳食纖維，使其與蛋白、淀粉等結合程度較差，而不利于麩皮作為食物被人食用[11-12]。國內外學者，針對此種現象，分別用酸、酶、發酵等方法對麩皮進行改性處理，均獲得一些有益成果，有效的降低麩皮中不溶性膳食纖維含量，提高了可溶性膳食纖維含量[13-15]，增加了麩皮作為食品原料的可操作性。本文采用酵母菌發酵的方式，對發酵前后膳食纖維含量進行了綜合系統的研究，為麩皮的改性處理方法提供了新的借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥（豫保1 號）：河南綠?？萍及l展有限公司；麩皮：谷物加工實驗室自制；安琪高活性干酵母：安琪酵母股份有限公司；95%乙醇（分析純）：河南凱盛化工廠。

1.2 儀器與設備

LRMM-8040-3-D 布勒試驗磨粉機：布勒（中國）投資有限公司；FDV 超微粉碎機：佑崎有限公司；TDL-40B 離心機：上海安亭科學儀器廠；GZX-9240 型電熱鼓風干燥箱：上海右一儀器有限公司；SHA-BA 水浴恒溫振蕩器：上海漢諾儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品制備

將小麥原料用布勒大型試驗磨粉機進行磨粉，分別收集面粉和粗麩收集備用。使用粉碎機將麩皮粉碎，然后過80 目篩篩理。稱取5.000 g 粉碎后的小麥麩皮，按試驗所需料液比加水于250 mL 錐形瓶中混合均勻，加入3%的安琪高活性干酵母，在試驗所需條件下，放入恒溫振蕩器中設置搖床轉速為120 r/min，進行發酵。

1.3.2 麩皮中可溶性膳食纖維含量的測定

使用發酵好的麩皮離心后取上層的清液，加入4 倍體積的95%的乙醇溶液，靜置過夜，再次離心，收集沉淀物，并將其置于50 ℃的烘箱中干燥至恒重，所得干物質即為可溶性膳食纖維[16]，稱重后計算可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量。

1.3.3 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上設計響應面試驗，以發酵麩皮中SDF 含量為響應值，根據Box-Behnken 試驗設計原理，運用Design Expert 8.0.6 軟件進行設計，以確定發酵溫度、發酵時間、料液比3 種因素間交互作用對麩皮中可溶性膳食纖維含量的影響，因素水平見表1。

表1 響應面試驗因素水平及編碼Table 1 Factors and levels used in response surface experiments

1.3.4 小麥麩皮基本組成的測定

參照GB 5009.3-2010《食品安全國家標準食品中水分的測定》、GB/T 22427.10-2008《淀粉及其衍生物氮含量測定標準》、GB/T 5009.4-2003《食品安全國家標準食品中灰分的測定》、GB/T 14772-2008《食品中粗脂肪的測定》、GB/T 5514-2008《糧油檢驗糧食、油料中淀粉含量測定》分別測定麩皮發酵前后淀粉、蛋白質、灰分、脂肪的含量[17-19]。

1.3.5 小麥麩皮持水力的測定

取未發酵的小麥麩皮和發酵后的麩皮各1.00 g 分別置于100 mL 燒杯中，分別加入50 mL 蒸餾水，在室溫（25 ℃）下用磁力攪拌器攪拌30 min，完成攪拌后在3 500 r/min 的條件下離心20 min，除去上層水分，稱取殘留物的質量（g），按照下式計算持水力，并比較兩者之間持水力的變化：

1.3.6 小麥麩皮溶脹力測定

取發酵前小麥麩皮和發酵后的麩皮各1.00 g，加入20 mL 的量筒中，搖動樣品使其在量筒中平鋪均勻，記錄下此時干樣品的體積（mL），分別加入10 mL 蒸餾水，均勻震蕩后，在室溫25 ℃靜置24 h 后，分別記錄此時樣品的體積（mL），比兩者較溶脹力的變化并按下式計算：

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對麩皮中可溶性膳食纖維得率的影響

在酵母添加量為3%，發酵溫度為30 ℃、發酵時間為為18 h 的條件下，考察料液比對麩皮中可溶性膳食纖維得率的影響，結果見圖1。

圖1 料液比對SDF 得率的影響Fig.1 Effect of ratio of liquid to liquid on SDF yield of wheat bran

從圖1 中可見，隨溶劑體積的不斷增大，麩皮中可溶性膳食纖維的得率開始增加，但當溶劑體積大于10 倍后，麩皮中可溶性膳食纖維的含量開始逐漸降低。隨著溶劑體積的增大，酵母的流動性逐漸增大，與底物接觸更加充分，反映更加徹底，因此當溶劑體積大于10 倍后可溶性膳食纖維的得率有了較大的提高。隨溶劑體積的繼續提升，對酵母等反應物有一定的稀釋作用，造成了可溶性膳食纖維得率的降低。此外，考慮到溶劑回收時的消耗成本，選擇料液比為1 ∶10（g/mL）最為適宜。

2.1.2 發酵溫度對麩皮中可溶性膳食纖維得率的影響

在干酵母添加量 3%、料液比 1 ∶10（g/mL）、發酵時間18 h 的條件下，考察發酵溫度對可溶性膳食纖維得率的影響，結果見圖2。

圖2 發酵溫度對小麥麩皮SDF 得率的影響Fig.2 Effect of fermentation temperature on SDF yield of wheat bran

如圖2 所示，隨著發酵溫度的逐漸升高，可溶性膳食纖維的得率不斷增加，當溫度為30 ℃時，麩皮中可溶性膳食纖維的得率達到最大。溫度繼續增加，可溶性膳食纖維的得率顯著下降。溫度過高或過低均會對酵母的反應活性有所抑制，且高溫對發酵活性的抑制比低溫強，溫度同樣對菌體產酶能力造成一定影響，而溫度對酶活的影響進一步影響了最終的反應結果。因此，將反應溫度控制在30 ℃時較為適宜。

2.1.3 發酵時間對麩皮中可溶性膳食纖維得率的影響

在干酵母添加量 3%、料液比 1 ∶10（g/mL）、發酵溫度30 ℃的條件下，考察發酵溫度對可溶性膳食纖維得率的影響，結果見圖3。

圖3 發酵時間對小麥麩皮SDF 得率的影響Fig.3 Effect of fermentation time on SDF yield of wheat bran

如圖3 所示，麩皮中可溶性膳食纖維的得率隨時間的增加先增加后減少，并在發酵時間為24 h 是達到最大值。其原因可能為，發酵時間較短酵母菌尚處于生長期，隨著發酵時間的增加，酵母菌生長到達穩定期，此時的酵解速度最快。繼續發酵可溶性膳食纖維也被微生物分解利用，造成其得率降低，而且發酵時間過長容易產酸等其它有害物質影響產品品質，因此將發酵時間設定為24 h 較為適宜。

2.2 響應面法優化可溶性膳食纖維提取工藝

2.2.1 響應面試驗設計與結果

以發酵溫度（A）、發酵時間（B）、料液比（C）為自變量，以可溶性膳食纖維的得率為響應值，采用Box-Benhnken 中心組合試驗設計安排試驗，進行三因素三水平響應面分析試驗，共設計17 次試驗，其中析因試驗12 次，包含5 次中心組合重復試驗，試驗設計方案及結果見表2。

表2 試驗設計方案及結果Table 2 Experimental design and results

續表2 試驗設計方案及結果Continue table 2 Experimental design and results

2.2.2 回歸模型的建立與分析

利用Design-Expert 8.0 軟件設計，得到可溶性膳食纖維得率的預測值與A、B、C 編碼值的二次回歸模擬方程為：

響應面回歸模型的方差分析極顯著性檢驗結果如表4 所示，試驗所選用模型顯著性極好（P＜0.000 1），說明擬合良好，預測值與試驗值具有高度的相關性（R=0.999），失擬項不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起，由此說明可以用此模型來分析和預測發酵法提取小麥麩皮可溶性膳食纖維的工藝條件。模型的一次項A、B、C 均為顯著狀態、二次項 A2、B2、C2均為顯著狀態，說明各試驗因素對得率的影響復雜。通過對F 值的分析可知，各個因素對可溶性膳食纖維得率的影響大小依次為：料液比（C）＞發酵時間（B）＞發酵溫度（A）。

表3 回歸方程的方差分析Table 3 Analysis of variance of regression equation

2.2.3 響應面以及等高線分析結果

根據回歸方程，采用Design Export 8.0 軟件繪制響應曲面圖，考察所擬合的響應曲面的形狀。圖4～6顯示了3 個因素間兩兩交互對可溶性膳食纖維得率影響的響應面曲線。

由圖4 可知，發酵溫度在25.00 ℃～29.36 ℃發酵時間在18.00 h～25.16 h 范圍內時交互作用隨著發酵溫度和發酵時間的增大而升高。發酵溫度在29.36 ℃～35.00 ℃發酵時間在25.16 h～30.00 h 范圍內時交互作用隨著發酵溫度和發酵時間的增大而降低。

由圖5 可知，當發酵溫度在25.00 ℃～29.36 ℃、料液比 1 ∶10.00（g/mL）～1 ∶11.89（g/mL）的范圍內交互作用隨著發酵溫度溶劑體積的增大而升高。發酵溫度在29.36 ℃～35.00 ℃、料液比在 1 ∶11.89（g/mL）～1 ∶15.00（g/mL）的范圍內交互作用隨發酵溫度和發酵時間的增加而降低。

圖4 發酵溫度和發酵時間之間的交互作用Fig.4 Interaction between fermentation temperature and fermentation time

圖5 發酵溫度和料液比間的交互作用Fig.5 Interaction between fermentation temperature and solid-liquid ratio

圖6 發酵時間和料液比間的交互作用Fig.6 Interaction between fermentation time and solid-liquid ratio

由圖6 可知，發酵時間在18.00 h～25.16 h、料液比在 1 ∶10.00（g/mL）～1 ∶11.89（g/mL）的范圍內交互作用隨著發酵溫度及溶劑體積的增加而升高，發酵時間在25.16 h～30.00 h、料液比 1 ∶11.89（g/mL）～1 ∶15.00（g/mL）的范圍內交互作用隨發酵時間料液比的增大而降低。

2.2.4 小麥麩皮中膳食纖維得率的最佳發酵條件確定與驗證試驗

根據回歸模型，優化的最佳工藝參數為發酵溫度29.36 ℃、發酵時間 25.16 h、料液比 1 ∶11.89（g/mL），SDF 得率為20.31%?？紤]到實際情況，確定最佳條件為發酵溫度 29 ℃、發酵時間 25 h、料液比 1 ∶12（g/mL）。在該條件下，進行3 次平行試驗，測得實際平均值為20.21%，與預測值相對誤差僅為0.39%，表明本試驗所得回歸模型擬合較好。

2.3 小麥麩皮加工性能的測定

2.3.1 小麥麩皮組分測定

對發酵前后麩皮中淀粉、蛋白質、脂肪、灰分的含量進行了測定，結果見表4。

表4 小麥麩皮主要成分表Table 4 Main component of wheat bran

由表4 看出發酵后的麩皮淀粉、脂肪含量變少，蛋白質、灰分含量上升，其中蛋白質和灰分的增加可能是因為酵母的添加所引起的?？偠灾?，發酵對麩皮的組成成分改變顯著，改性作用明顯。

2.3.2 發酵麩皮性質測定

對發酵前后麩皮的主要加工性質進行了測定，結果見表5。

表5 麩皮主要加工性質對照表Table 5 The main processing properties of bran

如表5 所示，發酵后麩皮的持水性、溶脹性均增強，其中持水性的增強尤為顯著，從3.30 增長到4.32，表明發酵后對麩皮加工品質有一定改善作用。原因可能為發酵使物料的粒度減小、比表面積增大[20]。并在一定程度上分解非水溶性膳食纖維微粒結構、切斷其大分子鏈結構，形成數量較多、分子量較小、鏈長較短的分子鏈結構。發酵還可能引起非水溶性膳食纖維分子中的親水基團暴露率增大，從而提高麩皮的持水力、膨脹力和結合水能力。

3 結論

以麩皮為原料，采用發酵的方法，在單因素試驗的基礎上，采用響應面分析法得到小麥麩皮可溶性膳食纖維含量為指標的麩皮發酵的最佳制取工藝參數：料液比 1 ∶12（g/mL）、發酵溫度 29 ℃、發酵時間 25 h，該條件下麩皮中可溶性膳食纖維的含量為20.21%。

對發酵前后麩皮基本成分的分析可知，發酵后的麩皮不溶性膳食纖維含量顯著降低，可溶性膳食纖維含量顯著提升，發酵麩皮中蛋白質灰分含量均略有升高。

發酵麩皮的溶脹性顯著提高，從2.5（mL/g）提高到3.5（mL/g），持水性從 3.30（g/g）提高到 4.32（g/g）說明發酵后對麩皮的加工特性有明顯改善效果。