劉豪，王岸娜，吳立根

（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院，河南鄭州450001）

小麥麩皮作為小麥磨粉后的副產(chǎn)物，具有極大的產(chǎn)量[1]。其含有豐富的糖、脂肪、蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，也含有較多的膳食纖維，具有較高的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值[2-4]。現(xiàn)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(yīng)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(jié)合程度較差，而不利于麩皮作為食物被人食用[11-12]。國內(nèi)外學(xué)者，針對(duì)此種現(xiàn)象，分別用酸、酶、發(fā)酵等方法對(duì)麩皮進(jìn)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(fā)酵的方式，對(duì)發(fā)酵前后膳食纖維含量進(jìn)行了綜合系統(tǒng)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(yàn)材料

小麥（豫保1 號(hào)）：河南綠?？萍及l(fā)展有限公司；麩皮：谷物加工實(shí)驗(yàn)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(shè)備

LRMM-8040-3-D 布勒試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)：布勒（中國）投資有限公司；FDV 超微粉碎機(jī)：佑崎有限公司；TDL-40B 離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；GZX-9240 型電熱鼓風(fēng)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(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

將小麥原料用布勒大型試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)進(jìn)行磨粉，分別收集面粉和粗麩收集備用。使用粉碎機(jī)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(yàn)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(yàn)所需條件下，放入恒溫振蕩器中設(shè)置搖床轉(zhuǎn)速為120 r/min，進(jìn)行發(fā)酵。

1.3.2 麩皮中可溶性膳食纖維含量的測定

使用發(fā)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(zhì)即為可溶性膳食纖維[16]，稱重后計(jì)算可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量。

1.3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，以發(fā)酵麩皮中SDF 含量為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用Design Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確定發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間、料液比3 種因素間交互作用對(duì)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(yīng)面試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 5009.4-2003《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)糧食、油料中淀粉含量測定》分別測定麩皮發(fā)酵前后淀粉、蛋白質(zhì)、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(fā)酵的小麥麩皮和發(fā)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(zhì)量（g），按照下式計(jì)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(fā)酵前小麥麩皮和發(fā)酵后的麩皮各1.00 g，加入20 mL 的量筒中，搖動(dòng)樣品使其在量筒中平鋪均勻，記錄下此時(shí)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(shí)樣品的體積（mL），比兩者較溶脹力的變化并按下式計(jì)算：

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)麩皮中可溶性膳食纖維得率的影響

在酵母添加量為3%，發(fā)酵溫度為30 ℃、發(fā)酵時(shí)間為為18 h 的條件下，考察料液比對(duì)麩皮中可溶性膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 料液比對(duì)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(dāng)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(dòng)性逐漸增大，與底物接觸更加充分，反映更加徹底，因此當(dāng)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(xù)提升，對(duì)酵母等反應(yīng)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(shí)的消耗成本，選擇料液比為1 ∶10（g/mL）最為適宜。

2.1.2 發(fā)酵溫度對(duì)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(fā)酵時(shí)間18 h 的條件下，考察發(fā)酵溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 發(fā)酵溫度對(duì)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(fā)酵溫度的逐漸升高，可溶性膳食纖維的得率不斷增加，當(dāng)溫度為30 ℃時(shí)，麩皮中可溶性膳食纖維的得率達(dá)到最大。溫度繼續(xù)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(huì)對(duì)酵母的反應(yīng)活性有所抑制，且高溫對(duì)發(fā)酵活性的抑制比低溫強(qiáng)，溫度同樣對(duì)菌體產(chǎn)酶能力造成一定影響，而溫度對(duì)酶活的影響進(jìn)一步影響了最終的反應(yīng)結(jié)果。因此，將反應(yīng)溫度控制在30 ℃時(shí)較為適宜。

2.1.3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)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(fā)酵溫度30 ℃的條件下，考察發(fā)酵溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 發(fā)酵時(shí)間對(duì)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(shí)間的增加先增加后減少，并在發(fā)酵時(shí)間為24 h 是達(dá)到最大值。其原因可能為，發(fā)酵時(shí)間較短酵母菌尚處于生長期，隨著發(fā)酵時(shí)間的增加，酵母菌生長到達(dá)穩(wěn)定期，此時(shí)的酵解速度最快。繼續(xù)發(fā)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(fā)酵時(shí)間過長容易產(chǎn)酸等其它有害物質(zhì)影響產(chǎn)品品質(zhì)，因此將發(fā)酵時(shí)間設(shè)定為24 h 較為適宜。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化可溶性膳食纖維提取工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

以發(fā)酵溫度（A）、發(fā)酵時(shí)間（B）、料液比（C）為自變量，以可溶性膳食纖維的得率為響應(yīng)值，采用Box-Benhnken 中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)，進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)17 次試驗(yàn)，其中析因試驗(yàn)12 次，包含5 次中心組合重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

續(xù)表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)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(shè)計(jì)，得到可溶性膳食纖維得率的預(yù)測值與A、B、C 編碼值的二次回歸模擬方程為：

響應(yīng)面回歸模型的方差分析極顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，試驗(yàn)所選用模型顯著性極好（P＜0.000 1），說明擬合良好，預(yù)測值與試驗(yàn)值具有高度的相關(guān)性（R=0.999），失擬項(xiàng)不顯著，說明殘差均由隨機(jī)誤差引起，由此說明可以用此模型來分析和預(yù)測發(fā)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(xiàng)A、B、C 均為顯著狀態(tài)、二次項(xiàng) A2、B2、C2均為顯著狀態(tài)，說明各試驗(yàn)因素對(duì)得率的影響復(fù)雜。通過對(duì)F 值的分析可知，各個(gè)因素對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響大小依次為：料液比（C）＞發(fā)酵時(shí)間（B）＞發(fā)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(yīng)面以及等高線分析結(jié)果

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

由圖4 可知，發(fā)酵溫度在25.00 ℃～29.36 ℃發(fā)酵時(shí)間在18.00 h～25.16 h 范圍內(nèi)時(shí)交互作用隨著發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間的增大而升高。發(fā)酵溫度在29.36 ℃～35.00 ℃發(fā)酵時(shí)間在25.16 h～30.00 h 范圍內(nèi)時(shí)交互作用隨著發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間的增大而降低。

由圖5 可知，當(dāng)發(fā)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(nèi)交互作用隨著發(fā)酵溫度溶劑體積的增大而升高。發(fā)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(nèi)交互作用隨發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間的增加而降低。

圖4 發(fā)酵溫度和發(fā)酵時(shí)間之間的交互作用Fig.4 Interaction between fermentation temperature and fermentation time

圖5 發(fā)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(fā)酵時(shí)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(fā)酵時(shí)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(nèi)交互作用隨著發(fā)酵溫度及溶劑體積的增加而升高，發(fā)酵時(shí)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(nèi)交互作用隨發(fā)酵時(shí)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(fā)酵條件確定與驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)回歸模型，優(yōu)化的最佳工藝參數(shù)為發(fā)酵溫度29.36 ℃、發(fā)酵時(shí)間 25.16 h、料液比 1 ∶11.89（g/mL），SDF 得率為20.31%?？紤]到實(shí)際情況，確定最佳條件為發(fā)酵溫度 29 ℃、發(fā)酵時(shí)間 25 h、料液比 1 ∶12（g/mL）。在該條件下，進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，測得實(shí)際平均值為20.21%，與預(yù)測值相對(duì)誤差僅為0.39%，表明本試驗(yàn)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(duì)發(fā)酵前后麩皮中淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、灰分的含量進(jìn)行了測定，結(jié)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(fā)酵后的麩皮淀粉、脂肪含量變少，蛋白質(zhì)、灰分含量上升，其中蛋白質(zhì)和灰分的增加可能是因?yàn)榻湍傅奶砑铀鸬??？偠灾l(fā)酵對(duì)麩皮的組成成分改變顯著，改性作用明顯。

2.3.2 發(fā)酵麩皮性質(zhì)測定

對(duì)發(fā)酵前后麩皮的主要加工性質(zhì)進(jìn)行了測定，結(jié)果見表5。

表5 麩皮主要加工性質(zhì)對(duì)照表Table 5 The main processing properties of bran

如表5 所示，發(fā)酵后麩皮的持水性、溶脹性均增強(qiáng)，其中持水性的增強(qiáng)尤為顯著，從3.30 增長到4.32，表明發(fā)酵后對(duì)麩皮加工品質(zhì)有一定改善作用。原因可能為發(fā)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(jié)構(gòu)、切斷其大分子鏈結(jié)構(gòu)，形成數(shù)量較多、分子量較小、鏈長較短的分子鏈結(jié)構(gòu)。發(fā)酵還可能引起非水溶性膳食纖維分子中的親水基團(tuán)暴露率增大，從而提高麩皮的持水力、膨脹力和結(jié)合水能力。

3 結(jié)論

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

對(duì)發(fā)酵前后麩皮基本成分的分析可知，發(fā)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(fā)酵麩皮中蛋白質(zhì)灰分含量均略有升高。

發(fā)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(fā)酵后對(duì)麩皮的加工特性有明顯改善效果。