酶法提取豆渣中水溶性膳食纖維工藝研究

摘要：以大豆分離蛋白質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的廢豆渣為原料，采用酶法提取豆渣中水溶性膳食纖維，以豆渣水溶性膳食纖維得率為指標(biāo)，考察纖維素酶添加量、溶液pH、酶解次數(shù)、酶解溫度和酶解時(shí)間5個(gè)因素，通過單因素試驗(yàn)與均勻設(shè)計(jì)，確定了制備水溶性膳食纖維的最佳酶解條件，纖維素酶添加量為原料的2%，pH 4.5，酶解溫度為51 ℃，酶解時(shí)間為2.0 h。在最佳條件下，水溶性膳食纖維得率可達(dá)11.48%，該結(jié)果可為豆渣中制備水溶性膳食纖維酶的選擇和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：豆渣；纖維素酶；水溶性膳食纖維

中國分類號：TS209 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2193-04

豆渣是豆腐、豆腐皮、腐竹等大豆制品加工中的主要副產(chǎn)物，占全豆干重的15%～20%。干的豆渣中含有18.0%～28.4%粗蛋白質(zhì)，9.3%～10.9%脂肪、40.2%～43.6%不溶性纖維、12.6%～14.6%可溶性纖維和3.8%～5.3%可溶性碳水化合物[1]，豆渣是一種理想的纖維素源。生產(chǎn)膳食纖維的原料多來源于食品生產(chǎn)過程中的下腳料，大部分原料含有大量的水分、灰分、脂肪、淀粉和蛋白質(zhì)等雜質(zhì)[2]。因此，分離制備工藝中要進(jìn)行預(yù)處理改變原料中各成分的相對含量，進(jìn)而增加膳食纖維的相對含量。纖維素酶可分解不溶性膳食纖維中的纖維素成分，生成小分子量的單糖或寡糖，從而增加了水溶性膳食纖維的得率。在豆渣膳食纖維中加入纖維素酶可增加水溶性膳食纖維的百分率，改變膳食纖維的質(zhì)量和生物活性。

本試驗(yàn)以豆制品加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品豆渣為主要原料，通過預(yù)處理除去豆渣中的雜質(zhì)，采用纖維素酶對其不溶性膳食纖維進(jìn)行部分降解，從而提高水溶性膳食纖維得率。本試驗(yàn)研究了纖維素酶添加量、溶液pH、酶解時(shí)間、酶解溫度、酶解次數(shù)對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響，同時(shí)利用均勻試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)通過DPS分析軟件進(jìn)行分析，最終獲得最佳酶解工藝參數(shù)，以期為豆渣中水溶性膳食纖維的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豆渣，購于河南省安陽市內(nèi)黃縣富口豆制品廠；纖維素酶，購于湖北立業(yè)生物制品有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、乙醇、醋酸鈉等均為分析純。

1.2 主要儀器設(shè)備

202-2A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、Fw-400A型傾斜式高速萬能試樣粉碎機(jī)、DZWK-4型電熱恒溫水浴鍋，購于北京中興偉業(yè)儀器有限公司；樣品篩（60網(wǎng)目），購于浙江上虞市五四儀器篩具廠；FE20型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)，購于梅特勒-托利多（上海）有限公司；TDL8O-2B型臺式離心機(jī)，購于上海安亭科技儀器廠；FA2104型電子天平，購于上海恒平科技儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 技術(shù)路線

1）預(yù)處理。采用堿-酸法去除豆渣中的蛋白質(zhì)和脂肪。選取新鮮豆渣，在鼓風(fēng)干燥箱中50～70 ℃干燥8～10 h，每0.5 h翻攪一次，以防豆渣褐變。之后在常溫下1%NaOH溶液中浸泡0.5 h，再用37%的HCl溶液調(diào)節(jié)溶液的pH至中性，再用1%HCl溶液浸泡0.5 h，調(diào)節(jié)溶液至中性，過濾干燥粉碎制成干燥豆渣粉。

2）水浴、離心。取5.0 g預(yù)處理后的豆渣粉，加75 mL蒸餾水，置于60 ℃水浴30 min。將水浴后的溶液分裝到離心管中，3 500 r/min離心10 min，收集上清液，未溶解部分待用。

3）酶解、離心。取未溶解部分（即IDF）加75 mL去離子水，加入一定量的纖維素酶，于適宜pH、溫度、時(shí)間內(nèi)反應(yīng)后，恒溫水浴振蕩1.5 h，沸水浴10 min滅酶。將酶解后的溶液分裝到離心管中，3 500 r/min離心10 min。

4）沉淀、干燥。收集上清液，取兩部分上清液用4倍體積95%乙醇沉淀1.0 h，離心收集沉淀。將所得沉淀干燥，在鼓風(fēng)干燥箱中50～70 ℃干燥8～10 h，每0.5 h翻攪1次。

5）冷卻、稱重。將干燥好的可溶性膳食纖維即SDF，放入干燥器中30 min冷卻至室溫后稱量酶解后的重量并計(jì)算得率。

1.3.2 評定標(biāo)準(zhǔn) 以干燥的水溶性膳食纖維（SDF）的得率為評價(jià)指標(biāo)，分析各單因素對水溶性膳食纖維得率的的影響，并對提取工藝進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算公式如下：

SDF得率=■×100%

1.3.3 單因素對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響

1）纖維素酶添加量。稱取預(yù)處理的豆渣粉5 g，纖維素酶添加量分別為原料的1%、2%、3%、4%、5%，在溫度50 ℃，pH 4.5條件下提取1.5 h，計(jì)算水溶性膳食纖維得率。

2）溶液pH。稱取預(yù)處理的豆渣粉5 g，pH分別為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，纖維素酶添加量為原料的2%，溫度50 ℃條件下提取1.5 h，計(jì)算水溶性膳食纖維得率。

3）酶解時(shí)間。稱取預(yù)處理的豆渣粉5 g，提取時(shí)間分別為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h，纖維素酶添加量為原料的2%，溫度50 ℃，pH 4.5，計(jì)算水溶性膳食纖維得率。

4）酶解溫度。稱取預(yù)處理的豆渣粉5 g，提取溫度為40、45、50、55、60 ℃，纖維素酶添加量為原料的2%，pH 4.5條件下提取1.5 h，計(jì)算水溶性膳食纖維得率。

5）酶解次數(shù)。稱取預(yù)處理的豆渣粉5 g，酶解次數(shù)為1、2、3、4、5，纖維素酶添加量為原料的2%，溫度為50 ℃，pH 4.5條件下提取1.5 h，計(jì)算水溶性膳食纖維得率。

1.3.4 豆渣中提取水溶性膳食纖維工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì) 在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以水溶性膳食纖維得率為評價(jià)指標(biāo)，選取纖維素酶添加量、溶液pH、酶解時(shí)間、酶解溫度4個(gè)因素進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)，確定U6*（64）優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響

2.1.1 纖維素酶添加量對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響 由圖1可以看出，當(dāng)纖維素酶添加量為1%～4%時(shí)，豆渣中水溶性膳食纖維得率隨纖維素酶添加量的增加而增加。這是由于纖維素酶可使豆渣中的不溶性膳食纖維發(fā)生降解，分子鏈被切斷，使其分子質(zhì)量降低，溶解度發(fā)生改變，一部分不溶性膳食纖維變成水溶性膳食纖維。纖維素酶添加量大于3%后，水溶性膳食纖維得率的增加趨于平緩。根據(jù)酶作用底物的原理[3]，酶量的增大使得單位酶作用底物減少，因此水溶性膳食纖維得率增加緩慢。因此，選擇纖維素酶添加量為2%～4%進(jìn)行后續(xù)均勻試驗(yàn)。

2.1.2 溶液pH對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響 由圖2可知，當(dāng)溶液pH 4.0～5.0時(shí)，豆渣中水溶性膳食纖維得率隨溶液pH的增大而增加；pH 5.0時(shí)，水溶性膳食纖維得率達(dá)到最大，為10.92%；當(dāng)pH 5.0～6.0時(shí)，水溶性膳食纖維得率逐漸降低。pH對酶活力的影響很大，過酸、過堿都會影響酶蛋白的構(gòu)象，甚至使酶變性失活[4]。在一定的pH條件下，酶活力最高，酶促反應(yīng)具有最大速度，高于或低于此值時(shí)反應(yīng)速度下降。所以，選擇pH 4.5～5.5作為均勻試驗(yàn)的因素水平。

2.1.3 酶解時(shí)間對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響 由圖3可知，當(dāng)酶解時(shí)間為1.0～2.0 h時(shí)，豆渣中水溶性膳食纖維得率隨酶解時(shí)間的延長而明顯提高；酶解時(shí)間為2.0～5.0 h時(shí)，水溶性膳食纖維得率增加變緩，其原因可能是在提取初期，底物即豆渣濃度較高，水溶性多糖濃度較低，對酶反應(yīng)的抑制作用小，酶促反應(yīng)迅速進(jìn)行，隨著酶解時(shí)間的延長，酶的作用也越充分，水溶性膳食纖維得率迅速提高。但當(dāng)酶解時(shí)間足夠長時(shí)，底物的濃度不斷降低和部分酶在提取過程中失活以及水溶性多糖的不斷積累，產(chǎn)物的反饋抑制效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，酶促反應(yīng)速度逐漸降低，因此豆渣中水溶性膳食纖維得率增加變緩。因此，選用2.0～4.0 h作為均勻試驗(yàn)的因素水平。

2.1.4 酶解溫度對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響 由圖4可知，隨著酶解溫度的升高，豆渣中水溶性膳食纖維得率逐漸增加，當(dāng)酶解溫度為50 ℃時(shí)達(dá)到最大，為11.38%；酶解溫度繼續(xù)升高，水溶性膳食纖維得率開始下降。根據(jù)酶促反應(yīng)動力學(xué)原理，當(dāng)酶在低于其最適溫度時(shí)，隨著溫度升高，反應(yīng)速度逐步加快；當(dāng)高于其最適溫度時(shí)，隨著溫度升高，酶逐漸變性，反應(yīng)速度下降。因此，纖維素酶的最適溫度為50 ℃，將45～55 ℃作為均勻試驗(yàn)的因素水平。

2.1.5 酶解次數(shù)對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響 由圖5可知，豆渣中水溶性膳食纖維得率隨酶解次數(shù)的增加而升高，但在3次循環(huán)工藝后水溶性膳食纖維得率趨于穩(wěn)定，這可能是由于隨著酶解次數(shù)的增多，不溶性膳食纖維降解成較低分子質(zhì)量的多糖、低聚糖或單糖，在用乙醇溶液進(jìn)行沉淀時(shí)，因?yàn)榉肿淤|(zhì)量較小而不能被沉淀下來，從而使水溶性膳食纖維得率趨于穩(wěn)定[5]。另外，隨工藝步驟的不斷增加，水溶性膳食纖維的損失也在增多。因此，選取酶解次數(shù)2次為佳。

2.2 豆渣中提取水溶性膳食纖維工藝優(yōu)化的結(jié)果

選取纖維素酶添加量（X1）、溶液pH（X2）、酶解時(shí)間（X3）、酶解溫度（X4）4個(gè)因素進(jìn)行均勻設(shè)計(jì)，采用DPS分析軟件所得的均勻設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。將表1的試驗(yàn)結(jié)果用DPS軟件進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸分析，在統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果中，得到的回歸方程為Y=1.597 1-0.607 6X2+0.062 7X22-0.317 1X1X3-0.000 7X2X3，相關(guān)系數(shù)R=0.999 8，F(xiàn)=547.97，？琢=0.032，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.000 6，調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)Ra=0.998 9。回歸方程檢驗(yàn)的顯著水平取？琢=0.05，判斷得到回歸方程顯著，可以用于豆渣中水溶性膳食纖維提取的預(yù)測。

由表2可知，通過比較各變量顯著水平的大小，分析得到對豆渣中提取水溶性膳食纖維得率的影響大小順序?yàn)閄1X3>X2X2>X2>X2X3。同時(shí)也可以表明，X4酶解溫度在所取值的范圍內(nèi)對水溶性膳食纖維的影響較小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，最優(yōu)的因素水平組合為纖維素酶的添加量為2%，溶液的pH為4.5，酶解溫度51 ℃，酶解時(shí)間為2.0 h，最優(yōu)條件下水溶性膳食纖維得率為11.48%。

3 小結(jié)

本試驗(yàn)分析了酶法在豆渣中提取水溶性膳食纖維的工藝流程以及纖維素酶添加量、溶液pH、酶解時(shí)間、酶解溫度、酶解次數(shù)各單因素對豆渣中水溶性膳食纖維得率的影響。同時(shí)通過均勻設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化確定了最優(yōu)的因素水平組合。

由因素試驗(yàn)結(jié)果可知，在纖維素酶最適溫度為50 ℃，豆渣水溶性膳食纖維得率最大，為11.38%；最適pH 5.0，豆渣中水溶性膳食纖維得率最大，為10.92%；纖維素酶添加量為3%、酶解次數(shù)為3次、酶解3.0 h后水溶性膳食纖維得率的增加趨于穩(wěn)定。均勻優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)因素水平組合為纖維素酶添加量為2%，溶液pH 4.5，酶解溫度為51 ℃，酶解為2.0 h，最優(yōu)條件下水溶性膳食纖維的得率為11.48%。

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