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发酵佛手瓜渣产膳食纤维的工艺研究
李家洲 , 肖玉平 , 黄荣林 , 赵鑫 , 张冬青
(广东轻工职业技术学院食品与生物工程系 , 广州　510300)
　　摘　要:佛手瓜属于高产低值作物 , 需要通过深加工来提高其附加值。以佛手瓜榨汁后的残渣为原料 ,
用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌为菌种 , 混合发酵生产膳食纤维。经过单因素实验 , 选定接种量 (X1 =
9%)、 时间 (X2 =22h)和温度 (X3 =39℃)为中心点 , 以 X1 (8%, 10%)、 X2 (21h, 23h)、 X3 (38℃,
40℃)为空间 , 以产量为响应值 , 进行 Box-Behnken中心组合实验 , 最终确定生产的最佳工艺条件为接种量
9%、 发酵时间 21.89h、 发酵温度 38.99℃。经验证实验确证 , 在最优条件下膳食纤维产率为 1.50g/100g(原
料)。所得产品膳食纤维含量为 99.32%, 其平均持水性为 6.34g/g, 平均溶胀性为 7.73mL/g。
关键词:佛手瓜;膳食纤维;发酵;工艺
中图分类号:TS255.36　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-2513(2011)02-0000-05
Researchonproductionofdietaryfiberfrom
chayotesbyfermentation
LIJia-zhou, XIAOYu-ping, HUANGRong-lin, ZHOUXin, ZHANGDong-qing
(DepartmentofFoodandBiotechnologyEngineering, GuangdongIndustry
TechnicalColege, Guangzhou, 510300)
Abstract:Chayotesisakindofhighproductiveandlowvaluevegetableandneedsaddedvaluebydeepprocessing.
Withsqueezedchayotesresidueasmaterial, dietaryfiberwasproducedusingfermentationwithLactobacillusbulgaricus
andStreptococcusthermophilus.Withsinglefactorexperiments, inoculationamount(X1 =9%), time(X2 =22h)
andtemperature(X
3
=39℃)werechosenascenterpoint, X
1
(8%, 10%), X
2
(21h, 23h)andX
3
(38℃,
40℃)werechosenasspaceforBox-Behnkencentralcompositiondesignexperiments.Theoptimalprocessconditions
areinoculationamount9%, fermentationtime21.89handfermentationtemperature38.99℃.Withverificationexperi-
ments, underoptimalprocessconditions, productivitycouldbeashighas1.50g/100g(material).Thequalitiesof
finishedproductwere99.32% dietaryfiberwithaveragewaterholdingcapacityof6.34g/g, averageswellingproperty
7.73mL/g.
Keywords:chayotes;dietaryfiber;fermentation;process
佛手瓜 (Chayotes, Sechiumedule), 葫芦科
佛手瓜属栽培种 , 又名 “隼人瓜 ” 、 “菜肴梨 ”、
“合掌瓜 ”、 “拳头瓜 ” 等 , 多年生攀缘性草本植
物 [ 1] 。藤本 , 有分枝的卷须和块根;花单性同
株 , 小;雄花为具柄的小花束;雌花单生或双
生 , 具短柄 , 生于同一叶腋内;花冠杯状至近轮
收稿日期: 2010-12-19
基金项目:广东省农业攻关项目 (项目编号: 2005B20401011)。
作者简介:李家洲 (1976～ ), 男 , 副教授 , 博士研究生 , 主要研究方向为食品加工工艺。
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状 , 5深裂;花药分离 , 但花丝合生;花柱合生;
果肉质 , 梨形 , 长 10 20cm, 有槽和皱纹 , 绿
色或淡白色 , 有大种子 1颗 。原产墨西哥和中美
洲 , 18世纪传入欧洲 , 后传入东南亚 , 20世纪初
自缅甸传入我国南方地区 , 在我国江南地区种
植 , 尤以广东 、广西 、 福建 、 浙江 、 云南等省最
为广泛 , 并逐渐传入我国北方作一年生蔬菜栽
培 。佛手瓜产量高 , 亩产可达 3000 4000kg[ 2] 。
膳食纤维是指植物性食物中不能被胃肠道酶消
化 , 但能被大肠内某些微生物部分利用的非淀粉
类多糖和木质素的统称[ 3] 。根据其溶解特性 , 膳
食纤维分为可溶性膳食纤维 (Solubledietaryfi-
ber, SDF)和不可溶性膳食纤维 (Insolubledieta-
ryfiber, IDF)。SDF主要是果胶和树胶等 , 存在
于植物细胞间质 。IDF主要是半纤维素 、 纤维素 、
木质素等 , 是植物细胞壁的组成部分。膳食纤维
是现在流行的功能性食品添加剂和保健品 , 具有
润便 、 调节血糖 [ 4] [ 5] 、 治疗肥胖 [ 6] 、 降胆固
醇 [ 7] 、预防心血管疾病 [ 8]与癌症 [ 9 -10]等作用 。
膳食纤维在食品 、 医药 、 保健 、 化工等行业
的需求量逐年上升。膳食纤维的生产均是以农产
品加工废料为原料 , 采用或酸碱处理法 、 或酶
法 、或微生物发酵法 [ 11] , 除去原料中所含的淀
粉 、蛋白质等杂质 , 然后收集膳食纤维。其中 ,
发酵法由于对环境压力低 , 经济效益好而受到重
视 。以佛手瓜榨汁后的渣为原料 , 采用发酵法生
产膳食纤维 , 既可开拓膳食纤维的生产渠道 , 又
可为提高佛手瓜综合加工效益提供支撑。
1　材料与方法
1.1　实验材料 、 试剂与仪器
1.1.1　材料
自广州市菜市场购买绿皮佛手瓜 , 经粉碎过
滤 , 滤液做其它用作 , 取滤渣 , 烘干 , 过 40目
筛 。
1.1.2　菌种
保加利亚乳杆菌 (Lactobacilusbulgaricus,
L.B), 嗜热链球菌 (Streptococcusthermophilus),
由本实验保存。
1.1.3　仪器
BT124S电子分析天平 (德国赛多利斯公
司);电热恒温水浴锅 (南京先欧仪器制造有限
公司);精密 pHS-25 (上海雷磁分析仪器厂);
电热恒温培养箱 (中捷实验仪器制造有限公司);
ZHWY-111B大容量恒温摇床 (上海智城分析仪
器制造有限公司)。
1.2　实验方法
1.2.1　佛手瓜膳食纤维提取工艺流程
榨汁的佛手瓜渣※接种菌种※固体发酵※洗
涤※干燥※质量检测
1.2.2　菌种制备
(1)斜面活化培养基 MRS培养基 [ 12] 。
(2)液体种子培养基:脱脂牛奶 60g, 佛手
瓜汁 200mL, 加水至 1L, 自然 pH, 121℃灭菌
15min, 分装三角瓶 , 同时接入保加利亚乳杆菌和
嗜热链球菌斜面菌种 , 120rpm培养 20h。
1.2.3　佛手瓜膳食纤维的特性检测
(1)膳 食 纤维 的 含 量 测 定 参 考国 标
GBT5009.88-2003。
(2)膳食纤维持水性测定 　准确称取
1.0000g膳食纤维于 100mL烧杯中 , 加蒸馏水
75mL, 在 25±2℃条件下 , 电磁搅拌过夜 , 然后
以 3000 4000r/min离心 30min, 取出 , 弃去上
清液 , 甩干水分 , 称重 。
持水性 (WHC) = [样品湿重 (g)—样品
干重 (g)] /样品干重 (g)
(3)膳食纤维溶胀性的测定 　准确称
0.1000g膳食纤维于 10mL量筒中 ,读取干品体积
(mL),然后加入 5mL蒸馏水 ,摇匀 ,在 18(3℃条件
下放置过夜 ,读溶胀后纤维的体积 ,计算溶胀性 。
溶胀性(SW)=[溶胀后的纤维体积(mL)—
干品体积(mL)] /样品干重(g)
1.2.4　单因素实验
(1)接种量的影响。取每份 500g佛手瓜渣 ,
依次接种入 5%、 6%、 7%、 8%、 9%、 10%、
11% (v/w)种子液 , 混合均匀 , 密封后 , 置于
40℃恒温培养箱培养 20h, 取出用蒸馏水冲洗至
中性 , 干燥至恒重 , 计算产率并测定持水性和溶
胀性 。
(2)发酵时间的影响 。取每份 500g佛手瓜
渣 , 以上述确定的最优接种量接种佛手瓜渣 , 分
别 40℃恒温培养箱培养 14h、 16h、 18h、 20h、
22h、 24h、 26h、 30h, 取出用蒸馏水冲洗至中
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性 , 干燥至恒重 , 计算产率并测定持水性和溶胀
性 。
(3)发酵温度的影响。取每份 500g佛手瓜
渣 , 以上述确定的最优接种量和发酵时间为准 ,
分别置于 34℃、 36℃、 38℃、 40℃、 42℃发酵 ,
然后取出用蒸馏水冲洗至中性 , 干燥至恒重 , 计
算产率并测定持水性和溶胀性 。
1.2.5　中心组合实验
根据单因素实验结果 , 选择合适的因素水平
做中心组合实验 。中心组合实验用 Minitab15软件
进行设计分析[ 13] 。
1.2.6　验证实验
根据单因素实验和中心组合实验的结果 , 选
择最优条件进行验证 , 以确定实验结果的可靠
性 。
2　实验结果与分析
2.1　菌种培养
在种子培养的培养基中添加佛手瓜汁 , 目的
是为了对种子进行驯化 , 使种子适应佛手瓜渣的
发酵环境。由于保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌均
为兼性 , 采用摇瓶方式培养可使种子生长速度
快 , 缩短种子培养时间。
2.2　接种量的影响
接种量是以 100g佛手瓜渣接入的种子体积表
示 。接种量对膳食纤维素产量 (g/500g)、 持水
性 (g/g)和溶胀性 (mL/g)的影响见图 1。
图 1　接种量对膳食纤维产量及其特性的影响
Fig.1　Effectsofinoculationamountondietary
fiberyieldandit scharacteristic
从图中可以看出 , 膳食纤维的产量随接种量
的上升缓慢降低 , 总体上接种量对产量无显著影
响 。持水量与溶胀性均随接种量上升而上升 , 但
在 9%后 , 均无显著上升。这主要是由于随接种
量的上升 , 菌种发酵能力提高 , 能更有效降解淀
粉 、 蛋白质等可降解杂质 , 使膳食纤维的杂质含
量更低 , 纯度更高 , 从而使产品性能也不断升
高。接种量达 9%后 , 膳食纤维纯度达到最大值 ,
再继续提高接种量 , 对产品产量及其特性均不会
再产生影响。
2.3　发酵时间的影响
发酵时间对膳食纤维素产量 (g/500g)、 持
水性 (g/g)和溶胀性 (mL/g)的影响见图 2。
从图中可以看出 , 发酵时间的影响规律与接种量
类似 。从缩短生产周期考虑 , 宜选择的发酵时间
为 22h左右。发酵时间的影响机理也与接种量类
似 , 在时间低于 20h时 , 由于发酵不充分 , 使产
品杂质含量高 , 影响了产品的性能。
图 2　发酵时间对膳食纤维产量及其特性的影响
Fig.2　Effectsoffermentationtimeondietary
fiberyieldandit scharacteristic
2.4　发酵温度的影响
发酵温度对膳食纤维素产量 (g/500g)、 持
水性 (g/g)和溶胀性 (mL/g)的影响见图 3。
从图中可以看出 , 温度位于 38 40℃之间时 , 膳
食纤维素的产量达到最小值 , 同时其产品的特性
却达到了最优 。在该温度范围内 , 由于菌种生长
良好 , 故对可降解性杂质的去除效果好 , 产品纯
度高 , 产品的性能也高 。
2.5　中心组合实验
设接种量为 X1 , 时间为 X2 , 温度为 X3 , 根
据单因素实验结果 , 选择 (X1 =9%, X2 =22h,
X3 =39℃)为中心点 , 以 X1 (8%, 10%)、 X2
(21h, 23h)、 X3 (38℃, 40℃)为空间 , 采用
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Box-Behnken中心组合设计 , 结果见表 1。从单
因素的实验结果看 , 持水性 、溶胀性两个结果与
产量之间存在很强的相关性 , 因此 , 在中心组合
实验中 , 为了方便 , 只选择产量作为响应值。
图 3　发酵温度对膳食纤维素产量及其特性的影响
Fig.3　Effectsoffermentationtemperatureon
dietaryfiberyieldandit scharacteristic
上表的曲面分析结果见表 2。
从表 2中可以看出 , 接种量与实验结果拟合
性很差 , 其 P远大于 0.05。这可能是因为接种量
在所选空间内不是一个显著性影响因子所引起 。
发酵时间 、 发酵温度与实验结果的拟合性非常
高 , P<0.01。对上述实验结果进行回归 , 以 y表
示膳食纤维产量 , 可得到下述回归方程:
y=132.123+0.0412168X1 -1.72076X2 -5.42733X3
-0.0195273X21 +0.0410772X22 +0.0690787X23
表 1　Box-Behken实验设计及结果
Table1　Box-BehnkenDesign
ofexperimentandtheresults
接种量
(%)
发酵时间
(h)
发酵温度
(℃)
产量
(g/500g)
8 21 39 7.5612
9 21 38 7.6401
8 22 40 7.5804
9 23 38 7.6795
9 22 39 7.5498
8 22 38 7.603
8 22 38 7.6099
9 22 39 7.5394
10 22 40 7.6001
10 21 39 7.5613
9 21 40 7.6291
8 23 39 7.5715
10 23 40 7.6489
10 23 39 7.5597
9 22 39 7.5411
表 2　Box-Behnken实验设计结果分析
Table2　AnalysisofBox-Behnkenexperimentalresults
项 系数 系数标准误 T P
常量 132.128 11.3489 11.642 0.000
接种量 (%) 0.041 0.2814 0.146 0.123
发酵时间 (h) -1.721 0.3953 -4.353 0.007
发酵温度 (℃) -5.427 0.5195 -10.448 0.000
接种量 (%)＊接种量 (%) -0.020 0.0075 -2.597 0.048
发酵时间 (h)＊发酵时间 (h) 0.041 0.0067 6.098 0.002
发酵温度 (℃)＊发酵温度 (℃) 0.069 0.0066 10.428 0.000
接种量 (%)＊发酵时间 (h) -0.000 0.0056 -0.081 0.342
接种量 (%)＊发酵温度 (℃) 0.008 0.0075 1.098 0.322
发酵时间 (h)＊发酵温度 (℃) -0.002 0.0064 -0.290 0.234
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该式中由于交叉项的系数接近于 0, 故省略 。
该方程 R2 =97.44%, 说明该方程对实验结果的
拟合性高。在选定的空间内 , 接种量非显著影响
因子 , 因此以产量为响应值 , 对发酵时间和发酵
温度做图 , 可得一凹面曲图 , 如图 4:
图 4　Box-Behnken实验实验发酵时间
与发酵温度对产量的影响
Fig.4　Dietaryfiberyieldaffectedbyfermentation
timeandtemperatureinBox-Behnkenexperiments
对图 4中的响应曲面进行响应优化分析 , 可
得 y最小 =7.5210, 相对应的因素值分别为 X2 =
21.89, X3 =38.99。在该点进行多次重复实验 ,
均接近模型值 , 这证实了该模型的可靠性 。
2.6　验证实验
根据单因素与 Box-Behken中心组合实验结
果 , 确定佛手瓜渣发酵生产膳食纤维的条件为接
种量 9%、发酵时间 21.89h、发酵温度 38.99℃。
经过多次重复实验 , 500g原料生产膳食纤维的产
量为 7.52g。所得产品经检测 , 不溶性膳食纤维
含量为 99.32%, 其平均持水性为 6.34g/g, 平均
溶胀性为 7.73mL/g。
3　结论
佛手瓜是一种营养丰富但口感一般的易种植
作物 , 需要通过深加工来提高其附加值。利用佛
手瓜榨汁后的残渣为原料生产膳食纤维 , 可有效
利用资源 , 提高佛手瓜综合开发的经济效益 。通
过实验研究 , 确定以保加利亚乳杆菌和嗜热链球
菌为菌种进行发酵生产膳食纤维 , 其最优条件为
接种量 9%、发酵时间 21.89h、发酵温度 38.99℃。
在最优条件下膳食纤维产率为 1.50g/100g(原料)。
所得产品膳食纤维含量为 99.32%,其平均持水性为
6.34g/g,平均溶胀性为 7.73mL/g。
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