發酵法制備葛根渣膳食纖維及其酥性餅干的研制

吳德智，郭偉，甘貴芳，吳孟，李小紅

(貴州理工學院，貴州 貴陽，550003)

發酵法制備葛根渣膳食纖維及其酥性餅干的研制

吳德智，郭偉，甘貴芳，吳孟，李小紅*

(貴州理工學院，貴州 貴陽，550003)

葛根渣為原料，以1∶1比例混合的保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌作為發酵菌種，以發酵溫度、發酵時間、菌種接種量對膳食纖維提取率的影響為評價指標，通過單因素試驗和Box-Behnken響應面法優化發酵法制備葛根渣膳食纖維的工藝條件及膳食纖維酥性餅干的配方。結果表明，發酵法制備葛根渣膳食纖維的最佳工藝為：發酵溫度35 ℃，發酵時間23.5 h，接種量5%(含活菌1.43×107CFU)，在此條件下制備的膳食纖維得率為(79.2±0.21)% ，其持水力、溶脹性、結合水力分別為(7.26±0.13)g/g、(5.79±0.06)mL/g、(5.82±0.15)g/g。酥性餅干的配方為膳食纖維添加量6%，疏松劑配比1.8，食用油添加量30%。葛根渣經發酵后，膳食纖維的純度和物化性質均得到一定的提高，其酥性餅干感官品質良好，硬度明顯提升，為葛根綜合開發利用提供借鑒。

葛根；發酵；膳食纖維；餅干；Box-Behnken響應面法

葛根為豆科植物野葛(Lobata(willd.)Ohwi)或甘葛藤(P.thomsoniiBenth.)的干燥根，是一種藥食同源的天然植物，有解肌退熱，透疹，生津止渴，升陽止瀉之功。主要含有葛根素等黃酮類物質以及蛋白質、氨基酸、膳食纖維等營養成分。我國葛根資源豐富，國內主要以開發葛根粉、葛根飲料、黃酮浸膏等粗級產品為主，但葛根膳食纖維含量達到70%以上，如何開發葛根膳食纖維系列營養保健產品已成為研究的熱點。

膳食纖維是以非消化性多糖為主的功能性食料，不能被小腸消化吸收，在大腸內可全部或部分吸收或發酵[1]，是人體平衡膳食結構必需的營養素之一，被稱為“第七大營養素”。膳食纖維作為食品添加劑不僅可以影響產品顏色、風味、保油性、保水性以及作為穩定劑和增稠劑，還具有降低血清中膽固醇含量、調節血糖水平、預防心血管疾病及大腸癌等重要的生理功能。隨著人們生活水平和健康意識的提高，膳食纖維已越來越多應用于食品的開發與應用[2-4]。國內外對膳食纖維的提取主要用物理化學方法，酶法和微生物發酵法等，其中微生物發酵法對膳食纖維的改性有很好的效果[5]。

本試驗以葛根渣為原料采用嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌混合發酵，以制備葛根渣膳食纖維，并在此基礎之上進一步開發葛根渣膳食纖維酥性餅干，提升廢棄物的利用，防止污染環境，為葛根渣的綜合利用提供參考借鑒，提高葛根的經濟效益。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

葛根渣：來源于廣西省藤縣野生粉葛根渣；脫脂乳粉：山東西唐生物科技有限公司；保加利亞乳桿菌(Lactobacillusbugaicus)、嗜熱鏈球菌(Streptococcusthermophilus)：購自南京益生源生物科技有限公司；其他試劑藥品為國產分析純。

低筋小麥面粉：安琪酵母股份有限公司；食用油：中糧集團；NaHCO3、NH4HCO3等輔料均為食品級。

TDZS-WS型離心機，濟南福的機械有限公司；LHS-250SC恒溫培養箱，上海析域儀器設備有限公司；FA1004B電子天平，上海越平科學儀器有限公司；手提式高壓滅菌鍋，上海上天精密儀器有限公司；TA.XT-plus食品物性測試儀，英國Stable Micro System公司。

1.2實驗方法

1.2.1 發酵劑的制備

將1∶1的嗜熱鏈球菌和保加利亞乳桿菌混合，于37 ℃、10%的脫脂乳100 mL中活化2次，加入50 mL葛根汁[葛根渣與蒸餾水料液比為1∶50(g∶mL)]和10%的脫脂乳50 mL，37 ℃培養至凝乳2次，再在90 mL葛根汁和10%的脫脂乳10 mL混合液37℃下培養至凝乳，無菌水制備菌懸液，保持乳酸菌數在107～108CFU/mL即為發酵劑。

1.2.2 發酵法制備葛根渣膳食纖維

1.2.2.1 制備工藝流程

將葛根渣粉末和水按1∶10混合均勻，加入2%脫脂乳粉和1%白砂糖，攪拌溶解，于105 ℃滅菌15 min后快速冷卻至室溫。按比例將發酵劑加入液料，150 r/min恒溫搖床振蕩，在不同的發酵溫度、發酵時間及接種量的條件下發酵。加95%乙醇入發酵液料，室溫下靜置沉淀，過濾，收集濾渣。濾渣60 ℃干燥8 h，粉碎后過80目篩即為成品。以膳食纖維提取率為指標,響應面法優化提取工藝參數。

1.2.2.2 單因素考察

稱取5.0 g葛根渣粉末于50 mL發酵培養基中，選取發酵溫度、發酵時間及接種量的含量3個因素，經預試驗確定其固定水平分別為40 ℃，20 h和5%。單因素試驗中各因素的水平：發酵溫度32、36、40、44、48 ℃、發酵時間12、16、20、24、28 h及接種量3%、4%、5%、6%、7%，以膳食纖維得率為指標，進行單因素試驗，確定Box-Behnken響應曲面試驗所需的水平。

1.2.2.3 響應曲面試驗

在前期單因素試驗的基礎上，選取發酵溫度、發酵時間及接種量3個因素，采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Behnken試驗，以膳食纖維提取率為指標進行制備工藝參數的優化。

1.2.3 膳食纖維酥性餅干的制備

1.2.3.1 操作流程

疏松劑(NaHCO3、NH4HCO3)添加量為1%，烘烤底火和面火溫度均為180 ℃，烘烤時間約8 min(至餅干色澤變深且無焦黑色)。

1.2.3.2 單因素試驗

選取葛根膳食纖維添加量、食用油添加量和疏松劑配比為試驗因素，經預試驗確定其固定水平分別為6%，30%和2∶1。單因素試驗中各因素的水平：膳食纖維添加量為2%、4%、6%、8%、10%；食用油添加量為15%、20%、25%、30%、35%；疏松劑配比為1∶1、3∶2、2∶1、5∶2、3∶1。以感官評分為指標，進行單因素試驗，確定Box-Behnken響應曲面試驗所需的水平。

1.2.3.2 響應面設計優化配方

在前期單因素試驗的基礎上，以感官評分為評價指標，選取膳食纖維添加量、食用油添加量及疏松劑配比3個因素，采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Behnken試驗制備葛根膳食纖維酥性餅干，從而選出最佳工藝配方。

1.2.4 評價指標

1.2.4.1 感官評定標準

采用10名符合感官評定的人員(無特別口味偏好)進行感官評定，采用百分制對產品的形態(30分)、色澤(20分)、組織(20分)、滋味(30分)等進行感官評分。實驗安排與結果見表1。

表1 酥性餅干的感官評定

1.2.4.2 持水力測定[7]

精確稱量已烘干的待測定樣品，放入20 ℃水中浸泡1 h，濾紙濾干后轉置于表面皿上，稱量。

(1)

式中：m0，烘干樣品質量，g；m1,表面皿質量，g；m2,樣品和表面皿總質量，g。

1.2.4.3 溶脹力測定[7]

精確量取樣品體積，加入適量蒸餾水混勻后室溫下靜置24 h后記錄樣品體積。

(2)

式中：V1，樣品溶脹后體積，mL；V0，樣品溶脹前體積，mL；m，樣品質量，g。

1.2.4.4 結合水力測定[7]

準確稱量樣品置于20 ℃ 20 mL水中室溫下浸泡1 h，濾紙濾干后3 000 r/min、 5 min離心，棄去上清液后稱量樣品質量。

(3)

式中：m0，烘干樣品質量，g；m1，濕樣品質量，g。

1.2.4.5 餅干質構特征研究

酥性餅干采用物性測試儀進行質構特征研究。采用壓縮測試模式，測前速度5.00 mm/s，測中速度1.7 mm/s，測后速度10.0 mm/s，測定樣品硬度(g)及酥性(g·s)。

2 結果與分析

2.1葛根渣膳食纖維提取的單因素試驗

2.1.1 發酵溫度對膳食纖維提取率的影響

由圖1(A)可知，隨著發酵溫度的升高，膳食纖維的提取率呈現先上升后降低的趨勢。當發酵溫度為40 ℃，膳食纖維提取率最大，為(75.6±0.32)%。這與文獻報道保加利亞乳桿菌適宜培養溫度為37 ℃和嗜熱鏈球為42 ℃的結果一致[8-9]。因此選擇發酵溫度為40 ℃ 為其他單因素考察的最適宜溫度。

圖1 不同條件對膳食纖維提取率的影響 (x±s，n=10)Fig.1 Effect of different conditions on DF extraction rate (x±s，n=10)

2.1.2 發酵時間對膳食纖維提取率的影響

由圖1(B)可知，隨著發酵時間的增加，膳食纖維的提取率出現先升高后維持在一定水平的趨勢。當發酵時間為20 h時，膳食纖維提取率已接近最大值，繼續發酵提取率趨于穩定并沒有顯著升高。這可能是由于發酵時間的增加，微生物所需的營養物質減少以及次生代謝產物阻礙菌體生長所致[10]。因此選擇發酵時間為20 h 為考察的最佳時間。

2.1.3 接種量對膳食纖維提取率的影響

由圖1(C)可知，隨著接種量的增加，膳食纖維的提取率呈現先升高后降低的狀態。當接種量為5%時，膳食纖維提取率已接近最大值(76.3±0.51)%，繼續增加接種量提取率反而降低。這是由于當接種量不足時發酵劑不足以使葛根完全發酵，當接種量過大時前期的反應消耗過多不足使反應持續[11]。因此選擇最佳接種量為5%。

2.2響應曲面法優化膳食纖維提取工藝

實驗設計及結果見表2。

采用Design-Expert 8.0.6 提供的Box-Behnken響應曲面設計，對各提取工藝參數進行擬合，得到多元回歸方程為：

R提取率=+29.9475-2.0165A+7.9675B-0.5125C-0.0150AB+0.1250AC-0.2000BC+0.0163A2-0.1294B2

表2 葛根渣膳食纖維提取的Box-Behnken響應曲面試驗設計及評價指標

圖2 不同提取參數之間的交互作用對提取率的影響響應面分析Fig.2 3D response surface figures for effects ofextraction rate on different indexes

由Design-Expert 8.0.6軟件得出葛根渣膳食纖維提取的最佳工藝參數為：發酵溫度為35.01 ℃，發酵時間23.47 h，接種量4.96%，預測的提取率為分別78.80%。為便于實際操作，提取的工藝參數定為發酵溫度為35 ℃，發酵時間23.5 h，接種量5%(含活菌1.43×107CFU)。進一步驗證實驗,得出膳食纖維提取率為(79.2±0.21)%。該值與預測值比較接近，可作為葛根渣膳食纖維提取的最佳工藝參數。

2.3葛根渣膳食纖維的理化性質

對按最佳工藝參數制備的葛根渣膳食纖維理化性質進行測定，結果見表3。

表3 膳食纖維理化性質(x±s，n=3)

由表3可知，葛根渣富含膳食纖維，其中總膳食纖維量達到70%以上，開發葛根渣膳食纖維系列營養保健產品具有重要的意義。發酵后膳食纖維的持水力、溶脹性、結合水力等物化特性均有明顯的改善，為產品開發利用提供有利條件。

2.4酥性餅干配方研究的單因素試驗

2.4.1 膳食纖維添加量對酥性餅干感官指標的影響

由圖3(A)可知，感官評分隨葛根渣膳食纖維添加量的增加呈現先增大后下降的趨勢，但當添加量為8%時感官評分最高，為86.52±0.39分。主要是因為膳食纖維的增加可以顯著改善餅干的組織及形態，但過量時餅干顏色過深和口感具有苦澀味。由此響應面設計適宜的膳食纖維添加量為6%～10%。

2.4.2 食用油添加量對酥性餅干感官指標的影響

由圖3(B)可知，感官評分隨食用油添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢。但當食用油添加量為25%時，感官評分最高為87.26±0.28分。當食用油不足時，產品硬度大，無酥性，表面光澤不足；當食用油過多時，產品易于碎裂，油膩。由此響應面設計適宜的食用油的添加量為20%～30%。

圖3 不同添加量對酥性餅干感官評分的影響(x±s，n=10)Fig.3 Effect of different addition on biscuits (x±s，n=10)

2.4.3 疏松劑配比對酥性餅干感官指標的影響

由圖3(C)可知，感官評分隨疏松劑配比的增加呈現先增大后減小的趨勢。當配比為2∶1時，感官評分最高為87.67±0.63分。當NaHCO3過多，餅干堿性大，味苦；當碳酸氫銨量過大時，餅干疏松，有較多大孔。由此響應面設計適宜的疏松劑配比為1∶1～3∶1。

2.5響應曲面法優選酥性餅干的配方

采用Design-Expert 8.0.6 提供Box-Behnken響應曲面設計，對配方各因素進行擬合，得到多元回歸方程為：

R感官評分= +75.225-3.925A+29.200B+0.250C-0.125AB+0.025AC-0.450BC+0.081A2-4.175B2+0.013C2

表4 膳食纖維酥性餅干的Box-Behnken響應曲面試驗設計及評價指標

圖4 處方比例對感官評分影響的響應面分析Fig.4 Response surface figures for effects of formulation proportions on different indexes

葛根渣膳食纖維酥性餅干最佳配方為：膳食纖維添加量為6%，疏松劑配比為1.79，食用油添加量為30%，預測的感官評分為91.68。為便于實際操作，膳食纖維添加量為6%，疏松劑配比為1.8，食用油添加量為30%。進一步驗證實驗，得出的感官評分為92.34±0.48。該值與預測值比較接近，可作為葛根渣膳食纖維酥性餅干的最佳配方。

2.6膳食纖維添加對酥性餅干質構的影響

由表5可見，葛根渣膳食纖維餅干對酥性無顯著影響，但對于餅干硬度明顯增強。餅干的硬度對成型性以及咀嚼時的口感有極大提升。

表5 膳食纖維酥性餅干的質構影響

3 結論

本試驗通過葛根渣膳食纖維提取率為指標，運用Box-Behnken響應面法優化發酵法制備葛根渣膳食纖維的工藝條件，最佳工藝條件是發酵溫度35 ℃，發酵時間23.5 h，接種量5%(含活菌1.43×107CFU)。并以制備的葛根渣膳食纖維進行酥性餅干的研制，以感官評分為指標，通過Box-Behnken響應面實驗設計優化該膳食纖維酥性餅干的配方。得到的酥性餅干的配方為膳食纖維添加量6%，疏松劑配比1.8，食用油添加量30%。本實驗通過葛根渣經發酵后，膳食纖維的純度和物化性質均得到一定的提高，其酥性餅干感官品質良好，硬度明顯提升，為葛根綜合開發利用提供借鑒。

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DietaryfiberpreparationbyPuerariaresiduefermentationandformulaoptimizationofbiscuit

WU De-zhi, GUO Wei, GAN Gui-fang, WU Meng, LI Xiao-hong*

(Guizhou Institute of Technology, Guizhou Guiyang 550003, China)

Puerariaresidue was fermented byLactobacillusbugaicusandStreptococcusthermophilus(ratio 1∶1) to prepared dietary fiber (DF). On the basis of single factor experiment, effects of fermentation temperature, time and amount of inoculum were studied via Box-Behnken response surface methodology. And then the formula optimization of biscuit was determined by Box-Behnken response surface methodology. Results showed that the optimized extraction parameters were fermentation temperature 35 ℃, fermentation time 23.5 h and inoculum 5%.Under the conditions, the yield of prepared DF was 79.20.21%. The water holding capacity, swelling capacity and water binding capacity of the prepared DF were 7.260.13 g/g, 5.790.06 mL/g, 5.820.15 g/g, respectively. The optimized formula of biscuits was confirmed to be as followings: DF addition was 6%, oil addition was 30 % and ratio of baking soda to ammonium bicarbonate was 1.8. After P. praecox dregs fermentation, the purity and physicochemical properties of the DF were improved, thus indicated that this fermentation method was feasible. Moreover, DF could significantly enhance the hardness of biscuit. This study provided reference for the development ofPuerariaresidue.

Puerariaresidue; fermentation; dietary fiber; biscuit; Box-Behnken response surface methodology

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013947

博士，副教授(李小紅副教授為通訊作者,E-mail:370145344@qq.com)。

貴陽市科技局眾創空間(筑科合同[20151001]2-7號)；國家級大學生創新創業項目(201614440035)

2017-01-25，改回日期：2017-04-09