刺梨-紅棗果渣可溶性膳食纖維的制備工藝優化及特性分析

覃 引，龍鳳媛，張才貴，盧 麗，熊音如，邱樹毅*

（1.貴州理工學院食品藥品制造工程學院，貴州 貴陽 550003；2.貴州大學釀酒與食品工程學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學生命科學學院，貴州 貴陽 550025）

刺梨（Rosa roxburghiiTratt）屬薔薇科植物，廣泛種植于我國西南高原地區。刺梨果實中富含多種營養物質和功能性成分，如多糖、超氧化歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、維生素B（vitamin B，VB）、VC、黃酮、多酚和礦物質等，常被用于開發成飲料、果酒、藥茶和果醬等產品[1]。將成熟的刺梨果實進行壓榨，殘留的果渣量可達到50%[2]，而刺梨果渣富含膳食纖維（dietary fiber，DF）、維生素等物質，且來源豐富，廉價易得。紅棗（jujube）屬鼠里科植物棗樹的果實，廣泛種植于熱帶或亞熱帶地區。紅棗果實中含有大量的生物活性物質，除三萜酸、酚酸、氨基酸、皂苷、腦苷脂、黃酮類化合物、多糖和礦物質等外，還富含膳食纖維[3-4]。紅棗在被加工為紅棗果汁、紅棗果酒等產品過程中常伴有大量棗渣產生，棗渣多作為廢棄物或直接用作飼料處理，但棗渣中除含有豐富的蛋白質、淀粉、天然紅色素外，還含有3.1%的粗纖維[5]。

膳食纖維是一種不能被人體消化道酶分解的一種多糖類及木質素，根據其在水里的溶解性分為水溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）與非水溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）[6]。增加膳食纖維攝入量可以降低某些慢性疾病的風險，如糖尿病、胃腸道疾病和心血管疾病[7]。此外，膳食纖維的強吸水性可在人體進食后在小腸溶脹成膠狀物，增加飽腹感，從而有效控制肥胖[8]。膳食纖維生理功能與可溶性膳食纖維密切相關，通常天然纖維中SDF含量較低，無法達到膳食平衡，此時需從外界主動補充SDF，以保證人體正常工作狀態。

本研究利用貴州黔寶食品有限公司提供的刺梨果渣和紅棗果渣為原料，采用混合菌種嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）∶保加利亞乳酸桿菌（Lactobacillus bulgaricus）（1∶1）發酵制備水溶性膳食纖維，通過單因素試驗及響應面法對其發酵工藝進行優化，并考察水溶性膳食纖維的品質及特性，以期為刺梨果渣和紅棗果渣后續深加工和高效開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1.1.1 材料

刺梨果渣、紅棗果渣：貴州黔寶食品有限公司。

1.1.2 菌種

德氏乳桿菌保加利亞亞種（Lactobacillus delbrueckiisubsp.bulgaricus）（保藏編號CICC 6047）、嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）（保藏編號CICC 20673）：中國工業微生物菌種保藏管理中心。

1.1.3 試劑

MRS液體培養基：上海博微生物科技有限公司；無水乙醇（分析純）：天津市富宇精細化工有限公司；大豆油（食品級）：市售。

1.2 儀器與設備

JS3-005電子分析天平：上海浦春計量儀器有限公司；YB-400型高速多功能粉碎機：永康市速鋒工貿有限公司；HR/T16M高速離心機：湖南赫西儀器設備有限公司；DHG-9070B恒溫鼓風干燥箱：上?，槴\實驗設備有限公司；LDZX-50L立式自動壓力蒸汽滅菌器：致微（廈門）有限公司；LRH-70生化恒溫培養箱：成都瑞昌儀器制造有限公司；JB-CJ-2FXS潔凈工作臺：無錫優派科技有限公司；Nova Nano SEM 450熱場發射掃描電子顯微鏡：美國FEI公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 發酵菌種的制備

取保加利亞乳酸桿菌接種于MRS液體培養基中，37 ℃條件下靜置活化培養36 h；取嗜熱鏈球菌接種于MRS液體培養基中，37 ℃條件下靜置活化培養24 h；按菌種量1∶1取兩種菌種接種于MRS液體培養基中，37 ℃條件下混合培養2～3d，采用平板計數法計數，調整菌體濃度在107CFU/mL～108CFU/mL，備用。

1.3.2 可溶性膳食纖維的制備工藝

參考文獻[9-10]的方法稍作修改，取紅棗果渣10 g和刺梨果渣10 g，放入80 ℃烘箱中烘干至恒質量，取烘干后的混合果渣過100目篩，按料液比1∶20加入適量蒸餾水，混合均勻后于120 ℃條件下滅菌25 min，待冷卻至室溫后，按10%的接種量接入40mL的發酵菌種，在40℃條件下發酵66h。

1.3.3 可溶性膳食纖維得率的計算

發酵結束后，轉移至50mL離心管，并在25 ℃、8000r/min的條件下離心20 min，離心后取上清液于20 ℃下靜置24 h，加入體積分數95%的無水乙醇200 mL轉入錐形瓶中進行醇析，醇析1 h后再次以相同條件離心，棄上清，收集沉淀，放入105 ℃烘箱中烘干至恒質量，即得SDF，計算SDF得率，其計算公式如下：

1.3.4 可溶性膳食纖維制備工藝優化單因素試驗

以可溶性膳食纖維得率為評價指標，采用單因素輪換法依次考察料液比（1∶15、1∶20、1∶25、1∶30、1∶35）、接種量（6%、8%、10%、12%和14%）、發酵溫度（31 ℃、34 ℃、37 ℃、40 ℃、43 ℃）、培養時間（48 h、54 h、60 h、66 h、72 h）、原料粒度（0.27 mm、0.25 mm、0.18 mm、0.15 mm、0.125 mm）對可溶性膳食纖維得率的影響。

1.3.5 可溶性膳食纖維制備工藝優化響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，以SDF得率為響應值，根據Box-Behnken試驗設計原理，選取5因素3水平進行響應面優化試驗，因素與水平見表1。

表1 可溶性膳食纖維制備工藝優化響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface tests for soluble dietary fiber preparation process optimization

1.3.6 可溶性膳食纖維理化性質的分析

持水力：參考LIU X等[11]的方法稍作修改。取可溶性膳食纖維1.00 g（m1），20 ℃條件下在蒸餾水中浸泡1 h，采用濾紙過濾，稱質量（m2），計算持水力（water holding capacity，WHC），其計算公式為：WHC=（m2-m1）/m1。

溶脹性：參考MA R等[12]的方法稍作修改。精確稱取烘干后所得的可溶性膳食纖維0.200 g（m），置于20 mL量筒中，測其體積V1。20 ℃下精確移取10 mL蒸餾水加入膳食纖維中輕微振蕩，使其保持均勻狀態，24 h后讀取液體中可溶性膳食纖維的體積V2，計算溶脹性（swelling ability，SW），其計算公式為：SW=（V2-V1）/m。

持油力：參考HUANG H等[13]的方法稍作修改。稱取膳食纖維樣品1.00 g（W1），室溫下置于離心管中，加入適量豆油，1 h后過濾，收集過濾后的沉淀，稱取沉淀濕質量（W2），計算持油力，其計算公式為：持油力=（W2-W1）/W1。

1.3.7 可溶性膳食纖維的掃描電鏡分析

取干燥后的發酵前后的可溶性膳食纖維樣品，研磨后，壓實，采用掃描電子顯微鏡觀察其顯微結構。

1.3.8 數據統計分析

數據采用“平均值±標準差”表示，每組試驗重復3次；用OriginPro9.0軟件繪圖；SPSS25.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 可溶性膳食纖維制備工藝優化單因素試驗

2.1.1 料液比對可溶性膳食纖維得率的影響

由圖1可知，隨著料液比的減小，可溶性膳食纖維得率呈先上升后下降的趨勢。當料液比達到1∶20（g∶mL），可溶性膳食纖維的得率達到最大，為11.12%。此時發酵瓶中的發酵條件充分滿足菌種的要求。隨著料液比的逐漸減小，紅棗刺梨果渣可溶性膳食纖維的得率開始慢慢降低，分析原因可能是由于菌種和果渣接觸面積不充分，導致發酵不徹底[14-15]，因此確定最佳料液比為1∶20（g∶mL）。

圖1 料液比對可溶性膳食纖維得率的影響Fig. 1 Effect of solid-liquid ratio on soluble dietary fiber yield

2.1.2 接種量對可溶性膳食纖維得率的影響

由圖2可知，隨著菌種接種量的增加，可溶性膳食纖維的得率呈先上升后下降的趨勢。當接種量為10%時，可溶性膳食纖維的得率達到最高，為11.30%。分析原因可能是當接種量＞10%以后，由于接種量過高，碳源及氧氣供不應求，導致發酵條件不足，最后可溶性膳食纖維產量降低。同時菌種的增加，導致大量代謝物慢慢積聚在一起，抑制了菌種的生長以及產物的生成[16-18]。因此，確定最優的接種量為10%。

圖2 接種量對可溶性膳食纖維得率的影響Fig. 2 Effect of inoculum on soluble dietary fiber yield

2.1.3 發酵溫度對可溶性膳食纖維得率的影響

由圖3可知，隨著發酵溫度的升高，可溶性膳食纖維的得率呈現先上升后下降的趨勢。當發酵溫度在40 ℃時，可溶性膳食纖維的得率最大，為11.39%。說明此時溫度增加到適宜菌種生長的溫度之后，菌種開始生長和代謝。當發酵溫度低于40 ℃之前，環境溫度達不到兩種菌種的生長溫度，發酵速度較慢，菌種不生長代謝，此時的膳食纖維只能由原料本身代謝，SDF得率較低；當發酵溫度高于40 ℃之后，可溶性膳食纖維得率下降，這可能是由于溫度升高，超過菌種的適宜環境，高溫在一定程度上抑制菌種的生長以及產物的活性，所以膳食纖維的得率降低[19-21]。因此確定最佳發酵溫度為40 ℃。

圖3 發酵溫度對可溶性膳食纖維得率的影響Fig. 3 Effect of fermentation temperature on soluble dietary fiber yield

2.1.4 發酵時間對可溶性膳食纖維得率的影響

由圖4可知，隨著發酵時間的增加，可溶性膳食纖維得率呈先上升后下降的趨勢。當發酵時間為66 h時，可溶性膳食纖維的得率最高，為11.41%。分析原因可能是當發酵時間較短時，可溶性膳食纖維中的原果膠不能充分溶解；當發酵時間過長時，發酵產物堆積，導致發酵環境pH值減小，進而影響菌體的生長及產物的產量[22]，同時，隨著發酵時間的不斷增加，菌種慢慢增長致使發酵產物不斷的積累，然后導致體系原料粒度不斷下降，抑制菌體的自身生長或產生菌體自溶，使菌體產酶效果下降從而導致發酵能力的下降[23]。因此，確定最優發酵時間為66 h。

圖4 發酵時間對可溶性膳食纖維得率的影響Fig. 4 Effect of fermentation time on soluble dietary fiber yield

2.1.5 原料粒度對可溶性膳食纖維得率的影響

由圖5可知，隨著原料粒度的增加，可溶性膳食纖維的得率呈現先上升后下降的趨勢。當原料粒度為0.15 mm時，可溶性膳食纖維得率達到最高，達到11.43%。當原料粒度＞0.15 mm之后，可溶性膳食纖維得率迅速下降。粒度決定比表面積，在合適的范圍內粒度變小，可溶性膳食纖維的比表面積較大，易于溶出；反之難于溶出。但如果粒度＜0.15 mm，破壞了膳食纖維的內部結構，同樣導致難于溶出[24-25]。因此，確定最佳粒度為0.15 mm。

圖5 原料粒度對可溶性膳食纖維得率的影響Fig. 5 Effect of raw material granularity on SDF yield

2.2 可溶性膳食纖維制備工藝優化響應面試驗結果與分析

可溶性膳食纖維制備工藝優化響應面試驗設計及結果見表2，方差分析結果見表3。

表2 Box-Behnken試驗設計及結果Table 2 Design and results of Box-behnken tests

續表

表3 響應面試驗方差分析結果Table 3 Variance analysis of response surface tests

續表

采用Design Expert 11軟件，選用Box-Behnken模型，對表2中的結果進行回歸擬合分析，得到回歸方程Y=11.33+0.063A+0.34B+0.43C+0.069D+0.2E+0.13AB+0.032AC+0.12AD+0.12AE+0.037BC-0.049BD+0.19BE+0.044CD-0.14CE+0.053DE-0.83A2-0.83B2-0.79C2-0.69D2-0.67E2。

由表3可知，模型極顯著（P＜0.000 1），失擬項不顯著（P＞0.05），說明該模型的擬合程度較好。模型的決定系數R2=0.942 7，調整決定系數R2Adj=0.962 2，說明該模型試驗值與預測值間相關性較高。由表3亦可知，一次項B、C、E及二次項A2、B2、C2、D2、E2均對SDF得率的影響極顯著（P＜0.01）；一次項D及交互項AB、BE、CE對SDF得率的影響顯著（P＜0.05），其余項對SDF得率的影響不顯著（P＞0.05），說明試驗因素對SDF得率的影響不是簡單的線性關系[26]。

為考察交互項AB、BE、CE對SDF得率的影響，利用Design-Expert 11軟件做出兩因素交互作用的響應面及等高線圖，結果見圖6。

由圖6可知，交互作用AB、BE、CE的響應面呈凸面，等高線呈橢圓形，對可溶性膳食纖維得率的影響顯著，該結果與方差分析結果一致。采用Design-Expert 11軟件對回歸方程進行求解，得到發酵法制取紅棗刺梨果渣SDF的最佳工藝參數為料液比1∶22（g∶mL）、接種量10.39%、發酵溫度40.25 ℃、發酵時間65.28 h、原料粒度0.16 mm，在此條件下，SDF得率的理論值為11.44%。為便于實際操作，將最佳工藝參數調整為料液比1∶22（g∶mL）、菌株接種量10%、發酵溫度40 ℃、發酵時間65 h、原料粒度0.16 mm。在此條件下進行驗證試驗，經過3次平行試驗驗證，得到刺梨-紅棗果渣SDF的得率為（11.47±0.04）%，與模型預測結果基本一致，進一步說明了該模型適用于預測發酵法制備可溶性膳食纖維的研究。

圖6 各因素交互作用對可溶性膳食纖維得率影響的響應面及等高線Fig. 6 Response surface plots and contour lines of the effect of interaction between various factors on soluble dietary fiber yield

2.3 可溶性膳食纖維特性分析

新鮮果渣與發酵后果渣中可溶性膳食纖維的特性分析結果見表4。

表4 發酵前后刺梨-紅棗果渣中可溶性膳食纖維特性分析結果Table 4 Analysis result characteristics of soluble dietary fiber from Rosa roxburghii-jujube pomace before and after fermentation

由表4可知，經微生物發酵處理后刺梨-紅棗果渣中可溶性膳食纖維的持水力為18.22 g/g、膨脹力為14.13 mL/g、持油力為3.21 g/g，均顯著高于新鮮果渣可溶性膳食纖維。說明利用發酵法制備的刺梨-紅棗果渣可溶性膳食纖維品質有明顯的提升。

2.4 可溶性膳食纖維掃描電鏡分析

新鮮果渣與發酵后果渣中可溶性膳食纖維的掃描電鏡結果見圖7。

圖7 發酵前后刺梨-紅棗果渣中可溶性膳食纖維的掃描電鏡圖Fig. 7 Scanning electron microscopy of soluble dietary fiber from Rosa roxburghii-jujube pomace before and after fermentation

由圖7可知，刺梨-紅棗果渣經保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1∶1）發酵后可溶性膳食纖維表面較新鮮果渣中可溶性膳食纖維疏松，形成了較多孔隙，SDF的比表面積增大，并呈現出復雜的束狀多孔性空間網絡結構，暴露出更多的親水親油基團，這利于水分滲入，直接導致了持水性、持油性和吸附能力的顯著增加。這與李天等[27-28]的膳食纖維改性的結果相符。由圖7d亦可知，刺梨-紅棗果渣中可溶性膳食纖維的平均粒徑為100 μm。

3 結論

以保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌（1∶1）為發酵菌種，采用響應面法優化得到刺梨-紅棗果渣膳食纖維的最優發酵制備條件：料液比1∶22、接種量10%、發酵溫度40 ℃、發酵時間65 h、原料粒度0.16 mm，在此條件下，可溶性膳食纖維的得率為11.47%。本試驗制備的可溶性膳食纖維持水力、膨脹力和持油力分別為18.22 g/g、13.14 mL/g、3.21 g/g，均顯著高于未發酵刺梨-紅棗果渣可溶性膳食纖維（P＜0.05）。經掃描電鏡分析，SDF呈疏松、束狀多孔的內部結構，較原有的SDF結構更為疏松，滲水性更好，平均粒徑為100 μm。本試驗為推動刺梨-紅棗果渣資源的充分利用，開發新型膳食纖維產品提供基本思路，同時證明利用微生物發酵法可獲得高品質膳食纖維提供理論依據。