發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維工藝研究

黃曉兵,彭芍丹,李積華,李 夢,劉琨毅,龔 霄,林麗靜,*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東湛江 524001;2.嶺南師范學院生命科學與技術(shù)學院,廣東湛江 524001;3.宜賓職業(yè)技術(shù)學院,四川宜賓 644003)

發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維工藝研究

黃曉兵1,彭芍丹1,李積華1,李 夢2,劉琨毅3,龔 霄1,林麗靜1,*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所,廣東湛江 524001;2.嶺南師范學院生命科學與技術(shù)學院,廣東湛江 524001;3.宜賓職業(yè)技術(shù)學院,四川宜賓 644003)

以芒果皮為原料,以1∶1比例混合的保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌作為發(fā)酵菌種,以菌種接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間對膳食纖維得率的影響為評價指標,通過單因素實驗和正交實驗對發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維的工藝條件進行優(yōu)化。結(jié)果表明,發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維的最佳工藝為:接種量3%,發(fā)酵溫度38 ℃,發(fā)酵時間3 h,在此條件下制備的膳食纖維得率為31.74%,其總膳食纖維含量為68.00%,持水力、持油力、溶脹度分別為11.19 g/g、5.11 g/g、1.07 mL/g,與發(fā)酵前相比,均有明顯提高,進一步說明發(fā)酵法是一種可行的芒果皮膳食纖維制備方法。

發(fā)酵法,芒果皮,膳食纖維,正交實驗

芒果是我國重要熱帶水果之一,在我國主要分布于廣東、廣西、海南、四川、云南、福建及臺灣等省區(qū)[1],是當?shù)亟?jīng)濟的重要組成部分和農(nóng)民收入的重要來源之一[2]。芒果加工過程中產(chǎn)生大量皮渣,約占鮮果重的9%～16%[3],但在加工過程中芒果皮往往被當作下腳料丟棄,既浪費資源,又污染環(huán)境[4]。研究表明,芒果皮中含有多種功能性成分,如多酚、膳食纖維、類胡蘿卜素等,其中膳食纖維含量可高達60%以上,是優(yōu)良的膳食纖維資源[5-6]。

膳食纖維作為一種功能性食品基料,具有多種生理功能,研究表明,膳食纖維具有清脂、減肥[7]、順腸通便[8-10]、調(diào)節(jié)控制血糖濃度[11]、降血脂[12-13]、降低血液膽固醇含量[14]、預防心血管疾病以及預防結(jié)腸癌[15]等生理功能,因此被稱作人類第七大營養(yǎng)因子[16]。目前,膳食纖維制備方法主要包括水洗法、酸堿處理法、生物發(fā)酵法和酶法等,而從成本投入、環(huán)境保護等方面考濾,微生物發(fā)酵法是一種相對安全、高效、低成本的膳食纖維制備方法[17]。保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌是酸奶生產(chǎn)所用常規(guī)菌種,成本低且安全可靠[18],目前國內(nèi)還沒有利用乳酸菌發(fā)酵制備芒果皮膳食纖維的研究報道,本研究以菌種接種量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間對膳食纖維得率的影響為評價指標,通過單因素實驗和正交實驗優(yōu)化發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維的工藝條件,并對發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維的組成、持水持油力及溶脹特性進行研究,以期為發(fā)酵法在芒果皮膳食纖維制備中的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

芒果皮 海南省海口市南北水果批發(fā)市場,八成熟澳洲芒果削皮即得;保加利亞乳酸桿菌、嗜熱鏈球菌混合菌種(1∶1) 安琪酵母股份有限公司;95%乙醇、鹽酸、石油醚、丙酮、硼酸、氫氧化鈉 國藥集團化學試劑有限公司,分析純;2-(N-嗎啉代)-磺酸基乙烷(MES)、三羥甲基氨基甲烷(TRIS) 上海源葉生物科技有限公司,分析純;K-TDFR膳食纖維試劑盒 愛爾蘭Megazyme公司,分析純。

Kjeltec8400凱氏定氮儀 丹麥福斯公司;10-13A馬弗爐 上海康路儀器設備有限公司;Color i5色差儀 愛色麗(上海)色彩科技有限公司;ALPHA 2-4冷凍干燥機 德國CHRIST公司;HWS28型電熱恒溫水浴鍋 上海一恒科技有限公司;JYL-C010打漿機 九陽股份有限公司;FA2004N電子天平 上海精密科學儀器有限公司;DHG-9426A恒溫干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;DFT-250高速萬能粉碎機 上海鼎廣機械設備有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程[19]

1.2.2 單因素實驗 按照1.2.1的工藝流程,稱取一定量的芒果皮分別接入1%、2%、3%、4%、5%的發(fā)酵菌種,在40 ℃條件下恒溫培養(yǎng)15 h,考察接種量對芒果皮膳食纖維得率的影響;在接種量為3%的條件下,分別在38、39、40、41、42 ℃條件下培養(yǎng)15 h,考察發(fā)酵溫度對芒果皮膳食纖維得率的影響;在接種量為3%、溫度為40 ℃條件下分別發(fā)酵3、9、15、21、27 h,考察發(fā)酵時間對芒果皮膳食纖維得率的影響。

1.2.3 正交實驗設計 在單因素實驗基礎上,以接種量、發(fā)酵溫度和發(fā)酵時間為主要影響因素,以芒果皮膳食纖維(MPDF)得率為指標,進行3因素3水平正交實驗設計(如表1所示),確定最佳發(fā)酵條件。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Levels and factors for orthogonal test analysis

1.2.4 膳食纖維含量的測定 根據(jù)GB 5009.88-2014 《食品安全國家標準 食品中膳食纖維的測定》的方法測定樣品中的膳食纖維含量。

1.2.5 持水、持油力測定 準確稱取1.000 g(m0)芒果皮粉或芒果皮膳食纖維樣品置于100 mL燒杯中,加蒸餾水(或大豆油)40 mL,電磁攪拌24 h,轉(zhuǎn)移至已稱重離心管(m1)中,在3500 r/min的速度下離心30 min,取出上清液,擦干管壁附著的水分(或油),稱其質(zhì)量(m2),樣品持水(油)力計算公式如下[20]:

式(1)

式(1)中:m0為初始樣品質(zhì)量,g;m1為離心管質(zhì)量,g;m2為離心管與持水(油)后樣品質(zhì)量之和,g。

1.2.6 溶脹度的測定 按照朱麗云等[21]的方法進行測定,準確稱取樣品0.1 g(m0)于10 mL量筒中,振平后讀取體積V0,準確量取5 mL蒸餾水加入其中,振蕩均勻后在室溫下放置24 h,讀取液體中膳食纖維的體積V1,樣品溶脹度計算公式如下:

式(2)

式(2)中:m0為初始樣品質(zhì)量,g;V0、V1分別為溶脹前后樣品的體積,mL。

1.2.7 芒果皮膳食纖維得率計算 測定鮮芒果皮水分含量w,準確稱取鮮芒果皮m0,經(jīng)過發(fā)酵、醇沉等過程后,50 ℃干燥至恒重得m1,則芒果皮膳食纖維得率計算公式如下:

式(3)

式(3)中:w為鮮芒果皮含水量,%;m0、m1分別為發(fā)酵前后樣品的質(zhì)量,g。

1.3 統(tǒng)計分析

實驗數(shù)據(jù)均重復三次取平均值,最終結(jié)果以平均值±標準差的方式表示,數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel2010和SPSS 17.0統(tǒng)計軟件分析,多個樣本間的顯著性差異用Duncan法多重檢驗(p<0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵條件對芒果皮膳食纖維得率的影響

2.1.1 接種量對芒果皮膳食纖維得率的影響 由圖1可知,隨著接種量的增加,芒果皮膳食纖維得率也隨之增加,表明發(fā)酵有利于提高膳食纖維得率,當接種量為4%時,膳食纖維得率最高為33.79%,但接種量超過4%時,膳食纖維得率開始下降。其原因可能是接種量過少時,乳酸菌活菌數(shù)不足以完成芒果皮的發(fā)酵,導致代謝產(chǎn)物減少,從而影響蛋白、淀粉等大分子的分解,阻礙了膳食纖維的富集過程,而當接種量較多時,菌體生長繁殖迅速,底物中營養(yǎng)物質(zhì)不足以提供菌株的營養(yǎng)生長,導致可溶性膳食纖維的分解,從而使總膳食纖維得率降低,這與左茜等[22]和蔣麗[19]等的研究結(jié)果基本一致。

圖1 接種量對膳食纖維得率的影響Fig.1 Effects of inoculation amount on yield of MPDF

2.1.2 發(fā)酵溫度對芒果皮膳食纖維得率的影響 由圖2可知,隨著發(fā)酵溫度的升高,芒果皮膳食纖維得率而先升高后降低再升高的波動現(xiàn)象。當溫度在39 ℃時,膳食纖維得率最高為34.4%,當發(fā)酵溫度高于39 ℃時,膳食纖維得率呈下降趨勢,溫度高于41 ℃時,膳食纖維得率開始上升,表明了溫度對乳酸菌的生長有很大關(guān)系。波動的出現(xiàn)可能是由于發(fā)酵菌種是由保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌復合而成,而兩個菌種之間存在拮抗作用,導致發(fā)酵過程產(chǎn)生波動[23]。

圖2 發(fā)酵溫度對膳食纖維得率的影響Fig.2 Effects of fermentation temperature on yield of MPDF

2.1.3 發(fā)酵時間對芒果皮膳食纖維得率的影響 由圖3可知,隨發(fā)酵時間延長,膳食纖維得率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。當發(fā)酵時間為3 h時,芒果皮膳食纖維得率最高為32.31%,當發(fā)酵時間超過3 h時,膳食纖維得率呈下降趨勢,推測可能是隨培養(yǎng)時間延長,菌株大量生長使營養(yǎng)消耗過快,從而使可溶性膳食纖維分解,導致膳食纖維得率下降,而后隨著死亡菌株增多,部分活菌又回到適宜生長條件,代謝產(chǎn)物使菌體中多糖等物質(zhì)溶出,從而出現(xiàn)了發(fā)酵后期,膳食纖維得率呈微弱上升趨勢。

圖3 發(fā)酵時間對膳食纖維得率的影響Fig.3 Effects of fermentation time on yield of MPDF

2.2 正交實驗設計及發(fā)酵工藝優(yōu)化

根據(jù)上述單因素的實驗結(jié)果,以接種量、培養(yǎng)溫度和培養(yǎng)時間為正交實驗因素,以膳食纖維得率為考察指標,選用L9(34)正交實驗進行發(fā)酵工藝優(yōu)化,因素水平設計如表1所示,正交實驗結(jié)果如表2所示。

極差R值反映了各因素對膳食纖維得率影響的重要程度,由表2可知,各因素對發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維得率影響大小為:發(fā)酵溫度(B)>接種量(A)>發(fā)酵時間(C),本實驗發(fā)酵條件最優(yōu)組合為A1B1C1,即接種量為3%,發(fā)酵溫度為38 ℃,發(fā)酵時間為3 h時芒果皮膳食纖維得率最高為31.74%。以最優(yōu)發(fā)酵條件做驗證性實驗,結(jié)果如表3所示,驗證實驗結(jié)果與正交實驗最優(yōu)值差異不明顯,表明基于最優(yōu)的發(fā)酵條件,芒果皮膳食纖維得率相對比較穩(wěn)定。

表2 正交實驗結(jié)果分析Table 2 Analysis of orthogonal test results

表3 正交實驗結(jié)果驗證Table 3 Verification of orthogonal test results

2.3 發(fā)酵對芒果皮膳食纖維理化特性的影響

2.3.1 發(fā)酵對芒果皮膳食纖維組成的影響 經(jīng)過發(fā)酵,芒果皮中的糖類、蛋白類等物質(zhì)作為乳酸菌的營養(yǎng)組分被吸收利用,代謝產(chǎn)酸后,又加速了淀粉、多糖等大分子水解生成低聚糖等可溶性膳食纖維,芒果皮中營養(yǎng)的消耗使膳食纖維得到有效富集[17],因此發(fā)酵可使膳食纖維含量增加。如圖4所示,發(fā)酵后,芒果皮中膳食纖維的含量從53.35%提高到了68.00%,增幅達到了27.50%,不溶性膳食纖維從37.35%提高到了60.20%,增幅達61.2%,但可溶性膳食纖維從16.00%降到了7.80%,可能是乳酸發(fā)酵后期,營養(yǎng)消耗過快,部分可溶性多糖類被分解,從而導致可溶性膳食纖維含量降低[22]。

圖4 發(fā)酵前后芒果皮膳食組成的變化Fig.4 Changes of composition of MPDF before and after fermentation

2.3.2 發(fā)酵對芒果皮膳食纖維持水持油特性的影響 由圖5可知,發(fā)酵后,芒果皮的持油持水力及溶脹度均得到顯著性提高,持油力由皮的1.90 g/g提高到發(fā)酵后5.11 g/g,提高約1.5倍,而持水力也由發(fā)酵前的5.85 g/g提高到發(fā)酵后11.19 g/g,增加約1倍,而溶脹度由發(fā)酵前的0.82 mL/g提高到1.07 mL/g。主要是由于微生物發(fā)酵可將膳食纖維大分子降解為小分子,使親水基團暴露,從而可有效提高膳食纖維持水力等物化特性[24]。

圖5 發(fā)酵前后芒果皮膳食纖維持水持油及溶脹性的變化Fig.5 Changes of WHC,OHC and SC of MPDF before and after fermentation

3 結(jié)論

本研究運用乳酸發(fā)酵法制備芒果皮膳食纖維,最優(yōu)發(fā)酵條件為接種量3%,發(fā)酵溫度38 ℃,發(fā)酵時間3 h,此時芒果皮膳食纖維得率可高達31.74%,與芒果皮干粉相比,發(fā)酵工藝生產(chǎn)的膳食纖維含量更高。然而,發(fā)酵后總膳食纖維及不溶性膳食纖維含量得到大幅提升,但可溶性膳食纖維含量降低,在后續(xù)研究中可通過改善發(fā)酵制備工藝或改性手段來提高可溶性膳食纖維比例,進一步為芒果皮膳食纖維的有效開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

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Study on the preparation process of dietary fiber from mango peel by fermentation

HUANG Xiao-bing1,PENG Shao-dan1,LI Ji-hua1,LI Meng2,LIU Kun-yi3,GONG Xiao1,LIN Li-jing1,*

(1.Agricultural Products Processing Research Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524001,China;2.LinNang Normal University,Life Science & Technology School,Zhanjiang 524001,China;3.Yibin Vocational and Technical College,Yibin 644003,China)

Mango peel were fermented byLactobacillusbulgaricusandStreptococcusthermophiles(ratio 1∶1)to prepare mango peel dietary fiber(MPDF). Effect of inoculum sizee,fermentation temperature,fermentation time on yield of MPDF were investigated,and the fermentation conditions were optimized by single-factor experiments and orthogonal test. The results showed that the optimum conditions were 3% inoculation,fermentation temperature 38 ℃ and time 3 h.Under this condhions,the yield of MPDF was 31.74% with total dietary fiber content(TDF)68.00%. The water holding capacity,oil holding capacity and swelling capacity of the prepared MPDF were 11.19 g/g,5.11 g/g and 1.07 mL/g,respectively. Compared with non-fermented mango peel,the purity and physicochemical properties of prepared MPDF were improved,which indicated that fermentation method was a feasible method for MPDF preparation.

Fermentation method;mango peel;dietary fiber;orthogonal test

2017-01-20

黃曉兵(1986-),男,碩士研究生,助理研究員,研究方向:農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物綜合利用,E-mail:huang5102@hotmail.com。

*通訊作者:林麗靜(1978-),男,博士,副研究員,研究方向:農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物綜合利用,E-mail:49031788@qq.com。

海南省自然科學基金項目(20163114);海南省自然科學基金項目(20163113);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503142)。

TS255.1

A

1002-0306(2017)15-0153-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.029