大豆中碳水化合物的酶處理研究進展

趙媛媛，姜巍偉，彭偉

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266000)

大豆是我國重要的糧食作物之一，常用來做豆油榨取、蛋白提取、醬油釀造和制作豆漿、腐竹等豆制品，是重要的蛋白制品和調味品原料，常食大豆食品，對人體有良好的保健作用[1]。大豆中營養成分十分豐富，其含有蛋白質、脂肪、礦物元素、維生素、膳食纖維、微量元素等一般營養成分，也含有多肽、異黃酮、低聚糖、皂甙、核酸、磷脂、固醇等特殊營養成分[2]。除了上述的營養成分之外，在干大豆中碳水化合物約占25%[3]，是除脂肪和蛋白質外占比最大的一種物質。雖然存在如此大的比例，但由于深加工的復雜性，大豆碳水化合物尚未廣泛地用于工業生產中。例如在生產大豆蛋白類食品和飼料時，嵌入的碳水化合物常常會引起消化不良等問題[4,5]。為此大多使用酸來水解大豆碳水化合物，但此方法并不安全[6]，會引起酸對蛋白質的非特異性攻擊，因此常用酶來水解副產物中的碳水化合物。這樣，不僅提高了大豆蛋白類產品的營養價值，而且可將水解后的碳水化合物用于生物發酵[7]，從而提高了碳水化合物的附加價值。本文首先對當前大豆加工過程中產生的富含碳水化合物的副產物進行了簡要介紹，然后詳細地討論了用不同酶處理碳水化合物的最新研究進展。

1 大豆加工過程中產生的富含碳水化合物的副產物

在大豆加工過程中常產生大豆皮、豆粕、豆渣、糖蜜4種富含碳水化合物的副產物。目前大豆加工的流程(見表1)如下：先將大豆皮去除，然后從去皮大豆中回收大豆油。大豆油主要通過物理過程(如硬螺旋壓榨)和化學過程(如預壓溶劑萃取或直接溶劑萃取)回收。大豆油回收后的剩余物通過脫溶劑、干燥或研磨方法進行處理，生產出豆粕，它的主要成分是蛋白質和碳水化合物。豆粕是動物飼料和食品中蛋白質的主要來源，其進一步加工可制備成富含蛋白質的產品，即大豆蛋白濃縮物和大豆蛋白分離物。在大豆蛋白等電點附近通過酸或者醇洗滌等工藝從豆粕中除去可溶性碳水化合物，從而得到大豆蛋白濃縮物。在高pH下將蛋白質溶解，再從剩余固體中分離溶液，利用等電點沉淀法沉淀蛋白質，即得到大豆蛋白分離物。大豆豆渣是在大多數蛋白質溶解后得到的固體剩余物，其主要成分是不溶性多糖，而大豆糖蜜的主要成分為可溶性碳水化合物，可在制備大豆蛋白濃縮物和大豆蛋白分離物的溶液中收集。

圖1 大豆加工的流程

2 大豆加工過程產生的副產物中碳水化合物的水解

大豆加工過程中會產生大豆皮、豆粕、豆渣和糖蜜等副產物，這些副產物的碳水化合物含量很高，但在工業發酵中不易被微生物分解代謝[8]，而酶卻能將它們水解。雖然這些副產品中的碳水化合物全部來自大豆，但它們具有不同的組成和特征，需要不同的酶促反應條件，以下將分別進行討論。

2.1 大豆皮水解

大豆皮水解前要經過一定的預處理，其方法通常包括化學預處理和物理預處理。其中化學預處理包括酸處理和堿處理。大豆殼中含有35%～50%的纖維素和20%的半纖維素，酸處理可以有效地從大豆皮中釋放半纖維素。例如，在120～160 ℃下用1%～3%的H2SO4反應20 min后，可除去豆殼中80%以上的半纖維素。然而該過程會產生抑制微生物生長和產物合成的化合物[9]，因此不常被使用；堿處理常用的試劑是氫氧化銨和氫氧化鈉，可在大豆加工過程中回收不溶性大豆纖維[10]。例如，使用196 FPU纖維素酶/g葡聚糖處理大豆纖維48 h后，僅35%的纖維素轉化為葡萄糖，而使用氫氧化鈉和氫氧化銨預處理48 h后，轉化率明顯提高，分別達到61%和63%。此外，機械擠壓法是常用的物理預處理方法，較化學方法該過程能更有效地促進酶水解和糖的釋放。

纖維素是大豆皮中的主要成分，經預處理后需要用具有一定β-葡萄糖苷酶活性的纖維素酶使其水解。Rivera等[11]研究了不同比例的β-葡萄糖苷酶與纖維素酶對葡萄糖產量的影響，他們發現最佳的雙酶比例為25～38 CBU/g干大豆渣和15～19 FPU/g干大豆渣。Hickert等使用來自刺孢圓弧青霉的纖維素酶水解經酸預處理后的大豆皮殘渣，與由里氏木霉發酵產生的7～9 U/g干酶β-葡萄糖苷酶活性相比，這種纖維素酶具有更高的β-葡萄糖苷酶活性(58.95 U/g干酶)[12]，該酶15 FPU/g大豆皮在50 ℃、120 r/min、110 h條件下，可使預處理后的大豆皮實現72%的糖轉化率。

除了纖維素，大豆皮中半纖維素含量也很高，有效的預處理可以減少生產過程中半纖維素酶的用量，降低成本。但預處理會產生抑制性化合物，抑制酶的水解過程，因此在預處理過程中應注意降低抑制性化合物的生成量，并選擇具有高水解活性的半纖維素酶。

大豆皮還含有大量的果膠，可使用果膠酶降解。果膠酶不僅可水解果膠多糖，還具有改善纖維素水解的作用。研究表明：將含果膠酶的粘膠酶添加到纖維素酶中時，與單一的纖維素酶相比，葡萄糖產量從74%提高到87%[13]。因此，果膠酶降解果膠的同時也會促進纖維素酶水解纖維素。

2.2 豆粕水解

由于豆粕中蛋白質含量很高，因此主要用于合成人類食品和動物飼料，而豆粕中存在的碳水化合物會顯著影響膳食和衍生產品的營養質量，雖然約40%的碳水化合物可以通過水洗除去，但剩余的碳水化合物仍會引起消化不良等問題。目前，已有一些關于豆粕中碳水化合物的酶水解的研究，在本節中將討論影響豆粕中碳水化合物水解效率的因素。

Fischer等研究了加熱預處理對下一步的豆粕碳水化合物酶促反應的影響，發現加熱預處理后可使蛋白質和碳水化合物之間的交織結構松弛，增加了酶與碳水化合物的接觸面積。另外，還研究了其他預處理方法如烘烤和擠壓等[14]，發現不同的預處理方法對酶水解過程有不同程度的改善。

豆粕中除了含有約40%的可溶性低聚糖之外，主要含有果膠、半纖維素和少量纖維素等不溶性碳水化合物。為了有效地水解所有類型的碳水化合物，應將果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶和α-半乳糖苷酶混合使用，并進一步優化酶的比例。Opazo等[15]使用來自不同環境的混合纖維素分解菌通過固態發酵生產的纖維素酶和α-半乳糖苷酶來水解豆粕中的碳水化合物，發現這種混合酶可水解83%的水蘇糖和69%的棉子糖。但僅有24%的不溶性多糖可被水解，主要原因是混合酶主要是由纖維素酶和α-半乳糖苷酶組成，不能將果膠水解。此外，他們還研究了不同比例、不同酶活對酶水解豆粕中碳水化合物的影響。

蛋白質是豆粕中的主要成分，由于蛋白質和碳水化合物在豆粕中是結合在一起的，所以碳水化合物難以被酶水解，而蛋白酶的使用可以提高碳水化合物的水解效率。Fischer等研究了來自地衣芽孢桿菌的堿性蛋白酶和來自米曲霉的復合風味蛋白酶2種蛋白酶，用這2種酶的混合物進行水解，除去了膳食中94%的蛋白質，與2種糖酶水解相比，碳水化合物的提取效率提高了11%。

2.3 豆渣水解

大豆中有2種形式的豆渣：一種在制備豆漿時產生，另一種由豆粕制備大豆蛋白分離物時產生。它們有不同的構成，來自豆漿加工的豆渣含有多糖和木質素，而來自大豆蛋白分離物制備的豆渣，木質素含量很少。為此可研究不同性質的水解酶，提高豆渣附加的價值。豆渣中的碳水化合物主要作為膳食纖維應用于食品中，同時也是一種潛在的發酵原料。雖然有如此多用途，但是豆渣仍未被充分利用。在本節中，討論了豆渣中多糖的提取和進一步的酶解。

使用纖維素酶、果膠酶和漆酶混合物水解豆渣提取的多糖[16]，其中72%的碳水化合物在10天后轉化為單糖。而由于木質素的存在，剩余的多糖難以被降解。一項研究表明，豆渣中的纖維素可以通過高壓滅菌預處理(121 ℃、20 min)，隨后在40 ℃、1200 r/min攪拌下使用纖維素酶(50 FPU/g豆渣)水解，而剩余的豆渣殘留物可以被蛋白酶、葡聚糖酶、半纖維素酶和果膠酶完全水解。為此研究了使用纖維素酶及來自Aspergillusjaponicas的Pectolyase 和Aspergillusaculeatus的Pectinex Ultra SP 2種果膠酶的混合物對豆渣進行連續水解，最終產率為83%～85%[17]。最近一項研究中提到從酶預處理的豆渣中連續提取多糖，豆渣由特異腐質霉菌株產生的熱穩定β-葡聚糖酶預處理，該酶僅水解22%的多糖。然后依次通過CDTA(環己烷二胺四乙酸)、氫氧化鈉和高氯酸鈉萃取分離剩余的多糖，最終的不溶性殘渣是豆渣的纖維素部分。他們發現大多數果膠和半纖維素是通過堿提取獲得的，而木質素可由高氯酸鈉提取獲得[18]。

2.4 大豆糖蜜水解

水蘇糖、棉子糖和蔗糖是大豆糖蜜中主要的可溶性低聚糖[19]，這些低聚糖也存在于豆粕和豆漿中。由于水蘇糖和棉子糖這些可溶性低聚糖在豆粕和豆漿中不能被除去，在食物和飼料中還會引起消化不良等問題，因此應深入地研究α-半乳糖苷酶以水解這些可溶性的低聚糖。但是，迄今為止，大豆糖蜜的應用仍然非常有限。最近人們致力于研究使用大豆糖蜜作為發酵底物來生產生物燃料和具有附加值的化學品[20]。然而，許多微生物不能分解大豆糖蜜中存在的低聚半乳糖。為了提高水解效率，可用α-半乳糖苷酶水解低聚糖。α-半乳糖苷酶可從不同的植物中提取，也可由細菌和真菌等微生物產生[21]。根據來源不同，α-半乳糖苷酶的性質如穩定性、最佳pH值和溫度也會有所不同。

Silva等使用α-半乳糖苷酶來提高大豆糖蜜的乙醇發酵產率。他們比較了2種方法中酶的作用：第一個方法是兩步法，先用酶對大豆糖蜜進行預處理，然后使用水解產物進行乙醇發酵；第二個方法是一步法，即酶水解和發酵同時進行，并將α-半乳糖苷酶直接加入到發酵液中。結果表明：相比于不使用酶水解而言，兩步法與一步法中乙醇的產量分別提高了7.6%和8.2%。

3 結論與展望

大豆擁有獨特的營養成分，加工類食品深受大眾所喜愛，在調味品行業的突出貢獻更是不容小覷。本文總結了大豆加工中碳水化合物酶處理的最新進展，并介紹了水解來自不同大豆加工源的碳水化合物所需的酶。

實際的大豆加工過程會產生大量副產物，而這些副產物中碳水化合物的高效利用成為現在的研究重點。大豆加工副產物的酶處理易于應用到現有的生產工藝中，但針對不同的原材料，需要開發多種酶混合物和工藝，因此具有一定的局限性。另一種方法是在大豆加工的早期階段使用酶，以便于在加工階段之前除去碳水化合物，該方法使用單一酶促反應，使隨后的大豆加工變得更容易，不僅可以改善油脂的可萃取性，還可以使富含蛋白質的產品易于濃縮和分離，提高了產品的營養價值，使食品和飼料中的大豆蛋白易于消化，所產生的水解產物也可用于大規模的發酵生產。酶處理方法為今后大豆中碳水化合物的水解利用提供了借鑒，從而促進大豆更高水平的加工和更好的利用，為中國調味品行業的發展做出貢獻。