水酶法提取豆渣中水溶性多糖的工藝優(yōu)化

田瑞紅，江連洲,*，李 丹

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.寧德師范學(xué)院，福建 寧德 352100)

水酶法提取豆渣中水溶性多糖的工藝優(yōu)化

田瑞紅1，江連洲1,*，李 丹2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.寧德師范學(xué)院，福建 寧德 352100)

以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，對(duì)超聲輔助熱提水溶性大豆多糖的工藝進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇超聲功率、超聲時(shí)間、液固比、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度、提取溫度為自變量，水溶性大豆多糖提取率為響應(yīng)值，利用中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)和響應(yīng)面分析法，研究各變量對(duì)水溶性大豆多糖提取率的影響。結(jié)果模擬得到二次多項(xiàng)式回歸方程的預(yù)測(cè)模型，并確定超聲提取水溶性大豆多糖的條件為 超聲功率150W、提取溫度88℃、超聲時(shí)間17min、液固比28:1、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度2g/100mL，在此條件下，水溶性大豆多糖提取率的預(yù)測(cè)值為12.06%，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得水溶性大豆多糖的提取率為11.52%。優(yōu)化的工藝條件操作簡單、易行、提取率高，適宜在實(shí)踐中應(yīng)用。

水溶性大豆多糖；超聲波；響應(yīng)面分析法；水酶法

水溶性大豆多糖是一種酸性多糖，結(jié)構(gòu)類似于果膠，主要由酸性糖(半乳糖醛酸聚糖、鼠李二半乳糖醛酸聚糖)主鏈和中性糖(阿拉伯聚糖和半乳聚糖)支鏈組成[1]。一方面，水溶性大豆多糖作為一種天然的生物活性物質(zhì)，具有抗氧化和免疫活性[2]，預(yù)防心腦血管病、糖尿病、膽結(jié)石、肝炎等疾病的多種功能[3]；另一方面，作為一種良好的食品添加劑，水溶性大豆多糖具有分散性、乳化性[4]、穩(wěn)定性[5]和黏著性[6]等多種功能[7]，因此在食品行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)于水溶性大豆多糖的提取，從20世紀(jì)70年代開始國內(nèi)外就均有相關(guān)報(bào)道，但多集中于以加工大豆食品(如豆腐、腐竹、腐干、豆乳等)的副產(chǎn)物豆渣為原料[8]，目前還未見對(duì)水酶法提油后的豆渣中水溶性大豆多糖提取工藝的研究。水酶法提油由于具有設(shè)備簡單、操作安全、植物油無溶劑殘留、提油后的餅粕無毒[9-10]，以及可從油料中同時(shí)分離油和蛋白質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[11]，已逐漸成為植物油提取的研究熱點(diǎn)。超聲波提取作為一種先進(jìn)的水溶性大豆多糖提取方法，具有能耗低、提取時(shí)間短、效率高等特點(diǎn)[12]。本研究主要采用水酶法提油后的豆渣為原料，利用超聲波的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)及機(jī)械作用[13]加速細(xì)胞壁的破碎，從而促進(jìn)胞內(nèi)多糖的溶出，縮短提取時(shí)間。以水溶性大豆多糖提取率為指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化超聲波提取水溶性大豆多糖的工藝條件，為水酶法提油后豆渣中大豆水溶性多糖的開發(fā)利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆渣 實(shí)驗(yàn)室水酶法提油后的殘?jiān)徽麴s水、葡萄糖、苯酚、硫酸、無水乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

721分光光度計(jì) 上海第三分析儀器廠；BT224S型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；HWS28型數(shù)顯恒溫水浴鍋、101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司；LK-200A型中草藥粉碎機(jī) 浙江溫嶺儀器廠；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵 上海亞榮生化儀器廠；G1-21M離心機(jī) 上海市離心機(jī)械研究所；ES-2030型冷凍干燥儀 日本Hitachi公司；KQ-500DV型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 指標(biāo)分析測(cè)定

蛋白質(zhì)含量測(cè)定：參照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定方法》；脂肪含量測(cè)定：參照G B/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測(cè)定方法》；水分含量測(cè)定：參照GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測(cè)定方法》；淀粉含量測(cè)定：采用費(fèi)林試劑熱滴定定糖法；總膳食纖維含量測(cè)定：參照GB 22224—2008《食品中膳食纖維的測(cè)定方法》。

1.3.2 豆渣的預(yù)處理工藝流程

水酶法提油后的殘?jiān)娓伞鬯?過40目篩)→索式提取(乙醚脫脂)→干燥→粉碎→豆渣粉

1.3.3 水溶性大豆多糖提取工藝流程

豆渣粉→超聲波處理→熱水浸提→多次抽濾→離心→上清液→減壓濃縮至原體積的1/4→醇析→離心→洗滌干燥→多糖粗品

1.3.4 超聲提取操作要點(diǎn)

準(zhǔn)確稱取20g經(jīng)預(yù)處理的豆渣粉于錐形瓶內(nèi)，按一定液固比加入六偏磷酸鈉溶液，用2mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值后在一定功率超聲波下處理一定時(shí)間，放入數(shù)顯恒溫水浴鍋。在一定溫度下提取一定時(shí)間，提取完畢后趁熱進(jìn)行多次抽濾除渣，濾液經(jīng)4000r/min離心15min[14]，溶液分為上清液、中間蛋白及下層有機(jī)相，取上清液，反復(fù)多次。將上清液減壓濃縮為原體積的1/4后加入3倍體積的95%乙醇，靜置過夜，4000r/min離心15min得沉淀，沉淀經(jīng)丙酮、乙醇洗滌后，烘干即得大豆粗多糖粗品。

1.3.5 水溶性大豆多糖提取率的計(jì)算

采用苯酚-硫酸法對(duì)多糖含量進(jìn)行測(cè)定[15]，然后按下式計(jì)算水溶性大豆多糖的提取率：

1.3.6 中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)，選取超聲功率、超聲時(shí)間、液固比、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度和提取溫度5個(gè)因素為自變量(Xi)，以水溶性大豆多糖的提取率為響應(yīng)值，通過Design Expert 7.1軟件采用了中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)[16]，共32個(gè)試驗(yàn)。各因素的零水平和波動(dòng)區(qū)根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選定。每個(gè)試驗(yàn)均做3個(gè)平行樣，取其平均值。因素水平編碼見表1。

表1 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素水平編碼表Table 1 Factors and levels in central composite rotary design

1.3.7 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Desing-Expert 7.1軟件、SAS 9.1軟件處理數(shù)據(jù)。

1.3.8 模型的驗(yàn)證

在優(yōu)化條件下制備水溶性大豆多糖，通過比較預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)值來驗(yàn)證模型的有效性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水溶性大豆多糖產(chǎn)率的比較

以水酶法提油后的豆渣為原料，分別采用超聲波輔助熱水法處理工藝(超聲處理?xiàng)l件為超聲功率150W、超聲時(shí)間25min、液固比40:1、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度2g/100mL、提取溫度90℃、提取時(shí)間3h)和熱水浸提工藝(提取溫度90℃、液固比40:1、提取時(shí)間3h)制備水溶性大豆多糖，其產(chǎn)率見表2。

由表2可知，以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，不同的提取方法，SSPS的產(chǎn)率差異極顯著，超聲波輔助熱提法提取SSPS的提取率明顯優(yōu)越于以單一熱水浸提工藝的提取率。以水酶法提油后的豆渣為原料，采用超聲波輔助熱水法提取水溶性大豆多糖提取率高，故超聲處理參數(shù)應(yīng)重新加以優(yōu)化，以便進(jìn)一步提高其產(chǎn)率。

表2 水溶性大豆多糖產(chǎn)率的比較Table 2 Comparison of SSPS extraction yields by hot water extraction with and without ultrasonic assistance

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

表3 中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 3 Central composite rotary design and corresponding experimental results

采用響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)建立一個(gè)模型來優(yōu)化超聲波輔助熱水法制備水酶法提油副產(chǎn)物豆渣中水溶大豆多糖的工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)條件和響應(yīng)值見表3，其中試驗(yàn)號(hào)1～26為析因試驗(yàn)，27～36為10個(gè)中心試驗(yàn)，用以估計(jì)試驗(yàn)誤差。

通過分析自變量和因變量得到一個(gè)能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)響應(yīng)值的回歸方程，水溶性大豆多糖提取率的回歸方程如下：Y＝10.26＋1.31X1－0.88X2＋0.75X3＋0.56X4＋1.28X5－0.63X1X2－0.83X1X3－0.012X1X4＋0.34X1X5＋0.068X2X3＋0.089X2X4＋0.34X2X5＋0.94X3X4＋0.20X3X5－0.11X4X5－1.02X12－1.00X22－0.40X32－0.21X42－0.17X52。

中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的方差分析見表4。模擬度可通過決定系數(shù)來衡量，決定系數(shù)至少為0.80[17]。本研究所得模型的決定系數(shù)為0.9771，且模型回歸極顯著(P＜0.0001)，失擬項(xiàng)不顯著，說明模型與實(shí)驗(yàn)擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著。

表4 中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 4 Variance analysis of the established regression model

根據(jù)方差分析和回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)的結(jié)果，剔除不顯著項(xiàng)后得到的回歸方程為：Y＝9.91＋1.31X1－0.88X2＋0.75X3＋0.56X4＋1.28X5－0.63X1X2－0.83X1X3＋0.94X3X4－0.99X12－0.97X22－0.37X32。

2.3 數(shù)據(jù)分析

由表 4 可知，X1、X2、X3、X4、X5、X1X2、X1X3、X3X4、X12、X22、X32項(xiàng)對(duì)水溶性大豆多糖產(chǎn)率有極顯著影響，其他影響因素不顯著。由F檢驗(yàn)可以得到因素貢獻(xiàn)率為X1＞X5＞X2＞X4＞X3，即超聲功率＞提取溫度＞超聲時(shí)間＞固液比＞六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度。由圖1A和圖1B可以看出，在超聲功率約為110～155W時(shí)，SSPS的提取率隨著超聲功率的增加而增加，在155～170W時(shí)，SSPS的提取率反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是由于大分子多糖在超聲波的強(qiáng)剪切作用下發(fā)生斷裂，在后處理過程中出現(xiàn)損失現(xiàn)象，從而影響了多糖的提取率；同理，由圖1A可知，超聲時(shí)間在20min左右達(dá)到最大值；由圖1C可知，六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度和固液比的增加都會(huì)使SSPS的提取率增加，但前期增加速度較大，后期趨于平緩，但從實(shí)際生產(chǎn)操作條件和成本考慮，加水量不宜過大；由圖1D可知，隨著提取時(shí)間的延長，SSPS的提取率逐漸增大，與超聲功率相比，溫度使SSPS增加的量較小，而相對(duì)于超聲時(shí)間、液固比和六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度，溫度使SSPS的增加量較大。

圖1 各兩因素交互作用對(duì)SSPS提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot showing the effects of four process conditions on extraction rate of SSPS

2.4 最適條件和回歸模型的驗(yàn)證

通過這個(gè)回歸模型，采用Design-Expert 7.1軟件優(yōu)化制備條件，得出以水酶法提油后的豆渣為原料，超聲波輔助熱提法制備水溶性大豆多糖的最適工藝條件為超聲功率147.13W、提取溫度88.00℃、超聲時(shí)間17.36min、液固比28:1(mL/g)、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度2g/100mL。在此條件下，水溶性大豆多糖提取率的預(yù)測(cè)值為12.06%，為了實(shí)際操作方便，將響應(yīng)面求得的最佳條件進(jìn)行修正，即超聲功率150W、提取溫度88℃、超聲時(shí)間17min、液固比28:1、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度2g/100mL，進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，提取率的平均值為11.52%，與回歸方程的預(yù)測(cè)值擬合良好。

3 結(jié) 論

3.1 以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，分別采用超聲波輔助水提法提取(超聲功率1 50 W、超聲時(shí)間25min、液固比40:1、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度2g/100mL、提取溫度90℃、提取時(shí)間3h)和熱水浸提工藝(提取溫度90℃、液固比40:1、提取時(shí)間3h)進(jìn)行水溶性大豆多糖的提取，超聲波輔助水提法的提取率(10.04±0.62)%顯著高于熱水浸提工藝的提取率(5.28±0.07)%，故超聲波輔助水提法的處理參數(shù)應(yīng)重新加以優(yōu)化，以便進(jìn)一步提高其產(chǎn)率。

3.2 以水酶法提油后的豆渣為原料，采用超聲波輔助水提法制備水溶性大豆多糖時(shí)，5個(gè)因素對(duì)產(chǎn)率貢獻(xiàn)率為超聲功率＞提取溫度＞超聲時(shí)間＞液固比＞六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度。

3.3 以水酶法提油后的豆渣為原料，采用超聲波輔助水提法制備水溶性大豆多糖時(shí)，最適工藝條件為超聲功率150W、提取溫度88℃、超聲時(shí)間17min、液固比28:1(mL/g)、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度2g/100mL。在此條件下，以水酶法提油后的副產(chǎn)物為原料，水溶性大豆多糖提取率達(dá)到11.52%。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction Process for Water-soluble Soybean Polysaccharides from Soybean Residues

TIAN Rui-hong1，JIANG Lian-zhou1,*，LI Dan2
(1. School of Food, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2. Ningde Normal University, Ningde 150030, China)

This study aimed at optimizing the ultrasonic-assisted hot water extraction conditions of water-soluble soybean polysaccharides (SSPS) from soybean residues left after the aqueous enzymatic extraction of soybean oil. On the basis of onefactor- at-a-time experiments, response surface methodology and central composite rotary design (CCRD) was employed to SSPS extraction yield with respect to ultrasonic power, ultrasonic treatment time, material-to-liquid ratio, extraction temperature and hexametaphosphate concentration, and a quadratic polynomial regression model was established. The optimal conditions for SSPS extraction were ultrasonic power of 150 W, extraction temperature of 88 ℃, ultrasonic treatment time of 17 min,material-to-liquid ratio of 1:28, and hexametaphosphate concentration of 2 g/100 mL. Under the optimal extraction conditions,the predicted and experimental extraction rates of SSPS were 12.06% and 11.52%, respectively.

water soluble polysaccharide；ultrasonic；response surface analysis；aqueous enzymatic method

TS201.1

A

1002-6630(2011)14-0176-05

2010-09-24

田瑞紅(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：beatrice19850216@yahoo.com

*通信作者：江連洲(1960—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榇蠖辜庸ぁ-mail：jlzname@163.com