三豆飲豆渣膳食纖維提取工藝優化研究

羅忠圣 ，楊 丹，劉永琴 ，鄧 強，徐昌艷 ，覃容貴

（1. 貴州醫科大學省部共建藥用植物功效與利用國家重點實驗室，貴州 貴陽 550025；2.貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550014；3.貴州醫科大學藥學院，貴州 貴陽 550025）

【研究意義】三豆飲方記載于《證治準繩》《本草綱目》等古籍中，由黑豆、綠豆、赤小豆（或代以黃豆）組成，歷代醫家多將此方用于治療痘疹、瘡毒之癥。目前有文獻報道三豆飲用于治療痤瘡、皰疹［1］、黃褐斑［2］等皮膚病，療效良好，對小兒高熱［3-4］、腎病綜合征［5］、急性中毒［6］等也有較好療效?，F代藥理實驗研究也表明，三豆飲具有抗氧化［7-8］、降血糖［9-11］等作用。基于三豆飲的良好治療和保健作用，課題組前期將其制備成三豆飲功能飲料，后期剩余大量豆渣，其含有豐富的膳食纖維（Dietary fiber，DF）。研究三豆飲膳食纖維提取工藝，對三豆飲豆渣的循環利用、增加植物膳食纖維種類、改善居民飲食結構有理論指導和實際應用意義。

【研究進展】膳食纖維有第七營養素的美稱，由水溶性膳食纖維和水不溶性膳食纖維組成，主要包括纖維素、半纖維素、果膠等物質，食用后不能被人體消化［12］。研究表明，膳食纖維具有降血脂、降血糖、降血壓、預防便秘、減肥、抗氧化等藥理作用，能促進腸道蠕動，加速毒害物質排出，在一定程度上降低人們發病幾率［13-14］。膳食纖維還具有發酵性，可使腸道pH值發生改變，促進有益菌群生長，破壞腐生菌生存環境，能預防腸道粘膜發生萎縮，有效維持維生素代謝［15-16］；此外，膳食纖維還具有持水性和膨脹性、吸附作用［17-19］和陽離子交換作用［20］等。持水性和吸水膨脹性使膳食纖維在胃腸道中體積變大后成為填充劑，并且影響碳水化合物等在腸道內的消化吸收，有利于減肥［21］；膳食纖維分子表面具有較多的活性基團，使之具有吸附作用，能夠吸附膽酸鈉、膽固醇和多種有毒成分，可降低心血管疾病的發生率［22-25］。目前纖維食品已經成為國際食品結構調整的主流方向，其需求在美國和日本以每年10%速度增長。

【本研究切入點】基于膳食纖維具有較好的營養品質［26-31］，本研究針對三豆飲制備過程中殘余的豆渣進行再利用，對三豆飲豆渣中的水分、灰分、脂肪、蛋白質、膳食纖維等主要成分進行測定?！緮M解決的關鍵問題】為減少資源浪費，本研究利用單因素試驗結合Box-behnken法對三豆飲豆渣中膳食纖維進行酸-堿提取工藝研究，為三豆飲豆渣開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黑豆〔Glycine max（L.） Merr〕、赤小豆（Vigna umbellataOhwi et Ohashi）、綠豆〔Vigna radiata（Linn.） Wilczek〕購自重慶慧遠藥業有限公司；鹽酸（化學純） 購自重慶川東化工有限公司，氫氧化鈉（化學純） 購自成都金山化學試劑有限公司，其余試劑均為分析純。

主要儀器：101-1型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海路達實驗儀器有限公司）、DK-98-Ⅱ型電熱恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）、PHS-3C pH計（上海儀電科學儀器股份有限公司）、SX-4-10型箱式電阻爐（天津市泰斯特儀器有限公司）、SC083139型實驗室超純水設備（四川沃特爾水處理設備有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 工藝流程 稱取黑豆、赤小豆、綠豆→加水提取3次→過濾，取豆渣烘干，粉碎過篩→加酸水處理→洗滌抽濾→干燥粉碎→加堿水處理→洗滌抽濾→干燥粉碎→獲得豆渣膳食纖維。

1.2.2 三豆飲豆渣中基本成分測定 等比例稱取黑豆、赤小豆、綠豆藥材，均勻混合，加適量蒸餾水，提取3次，過濾，合并三豆飲提取液（制備功能飲料用），豆渣烘干，粉碎過孔徑250±9.9μm的篩，測定膳食纖維、脂肪、蛋白質、水分、灰分等主要成分含量。脂肪含量采用索氏提取法參照GB 5009.6-2016測定［32］，蛋白質含量參照GB5009.5-2016測定［33］，水分含量參照GB5009.3-2016測定［34］；灰分含量參照 GB5009.4-2016測定［35］；膳食纖維含量參照GB/T 5009.88-2008測定［36］。

1.2.3 三豆飲豆渣中膳食纖維酸提工藝建立 （1）單因素試驗設計［37-38］：精密稱取三豆飲烘干豆渣5 g，根據表1試驗條件分別考察不同酸提料液比、酸提溫度、酸提pH、酸提時間對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響，確定酸提工藝最佳料液比、最佳酸提溫度、最佳酸提pH、最佳酸提時間范圍。

表1 酸提工藝單因素對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響試驗設計Table 1 Experimental design for effect of single factor of acid extraction test on the content of dietary fiber from Sandouyin bean dregs

（2）響應面法優化酸提工藝［39-40］：根據單因素試驗結果，以酸提pH（A）、酸提料液比（B）、酸提溫度（C）、酸提時間（D）為自變量，以三豆飲中膳食纖維含量為響應值，用Design-Expert 8.0.6軟件在四因素三水平上對三豆飲豆渣中膳食纖維提取過程進行優化，以達到最大限度提取的目的。試驗設計因素水平及編碼如表2所示。

1.2.4 三豆飲豆渣中膳食纖維堿提工藝建立（1）單因素試驗設計。精密稱取三豆飲烘干豆渣5 g，根據表3試驗條件分別考察不同堿提料液比、堿提溫度、堿提pH、堿提時間對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響，確定堿提工藝最佳料液比、最佳堿提溫度、最佳堿提pH、最佳堿提時間范圍。（2）響應面法優化堿提取工藝。根據單因素試驗結果，以堿提pH（A）、堿提溫度（B）、堿提時間（C）、堿提料液比（D）為自變量，以三豆飲中膳食纖維含量為響應值，用Design-Expert 8.0.6軟件在四因素三水平上對三豆飲豆渣中膳食纖維提取過程進行優化，以達到最大限度提取的目的。試驗設計因素水平及編碼如表4所示。

表2 酸提工藝響應面分析因素與水平編碼Table 2 Factors and levels of response surface design of acid extraction test

表3 堿提工藝單因素對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響試驗Table 3 Experimental design for effect of single factor of alkali extraction test on the content of dietary fiber from Sandouyin bean dregs

表4 堿提工藝響應面分析因素與水平編碼Table4 Factors and levels of response surface design of alkali extraction test

2 結果與分析

2.1 三豆飲豆渣中基本成分含量

本研究對三豆飲豆渣基本成分進行測定，結果表明，豆渣中含膳食纖維45.6%、蛋白質36.55%、水分9.6%、脂肪6.5%、灰分1.75%。可見，豆渣中的膳食纖維含量相對較低，不適合作為人體膳食纖維補充劑，需要對豆渣中膳食纖維進行提取富集。

2.2 酸提三豆飲豆渣中膳食纖維單因素試驗結果

2.2.1 酸提料液比對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣酸提工藝，在提取溫度85 ℃、提取pH 3.9、提取時間2.5 h條件下，料液比在1∶5～1∶25區間豆渣中膳食纖維含量持續增多，1∶25后膳食纖維含量基本穩定，其中在1∶15～1∶25之間增長速度較快（圖1），故選取酸提料液比為1∶15、1∶20、1∶25用于后續酸提響應面法試驗。

圖1 酸提料液比對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig. 1 Effect of solid-liquid ratio of acid extraction on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.2.2 酸提溫度對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣酸提工藝，在料液比1∶20、提取pH3.9、提取時間2.5 h條件下，提取溫度在70～85℃區間豆渣中膳食纖維含量快速增加，溫度超過85℃以后豆渣中膳食纖維含量快速減少，其中在80～85℃時增長速度最快（圖2），故選取酸提溫度80、85、90℃用于后續酸提響應面法試驗。

圖2 酸提溫度對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig. 2 Effect of acid extraction temperature on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.2.3 酸提pH對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣酸提工藝，在料液比為1∶20、提取溫度為85 ℃、提取時間為2.5 h條件下，提取pH在3.0～4.5區間豆渣中膳食纖維含量持續增多，高于4.5含量降低，其中在4.2～4.5時增長速度最快（圖3），故選取酸提pH 4.2、4.5、4.8用于酸提響應面法試驗。

圖3 酸提pH對三豆飲豆渣中膳食纖維的影響Fig. 3 Effect of acid extraction pH on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.2.4 酸提時間對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣酸提工藝，在料液比為1∶20、提取溫度為85℃、提取pH為3.9條件下，提取時間在1～3 h區間豆渣中膳食纖維含量持續增加，在提取時間為2.5 h后達到相對平衡（圖4），故選取酸提時間為2.0、2.5、3.0 h用于酸提響應面法試驗。

圖4 酸提時間對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig. 4 Effect of acid extraction time on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

表5 酸提響應面設計及結果Table 5 RSM design matrix and the responses of acid extraction

2.3 酸提響應面法優化提取工藝

2.3.1 酸提三豆飲豆渣中膳食纖維的回歸方程方差分析及顯著性檢驗 利用Design-Expert 8.0.6軟件對表5試驗數據進行二次多項式回歸擬合，得到酸提膳食纖維含量對酸提pH（A）、酸提料液比（B）、酸提溫度 （C）、酸提時間（D）的數學回歸模型為：

膳食纖維含量（%）=59.07-0.25A+3.26B-0.36C+1.63D-1.50AB-0.28AC+1.22AD+0.66BC-0.35BD+0.47CD-8.52A2+0.22B2-4.80C2-2.07D2

2.3.2 酸提三豆飲豆渣中膳食纖維的回歸方差分析及顯著性檢驗 對上述模型進行方差分析，結果（表6）表明，試驗模型的P值小于0.0001，說明模型極顯著；P失擬項=0.6509＞0.05，表明試驗外的其他因素對本研究影響??；模型R2為98.24%，表明各單因素與膳食纖維含量之間關系顯著。酸提料液比為極顯著，且由F值可知，酸提料液比對膳食纖維含量的影響最大，其次是酸提時間，再次是酸提溫度，最后是酸提pH。

表6 酸提膳食纖維回歸方程模擬顯著性分析Table 6 Significance analysis on regression equation model of dietary fiber extracted by acid

圖5 酸提三豆飲豆渣中膳食纖維的響應面圖（左）和等高線圖（右）Fig. 5 Acid extraction of dietary fiber from Sandouyin bean dregs in the response surface (Left) and contour plot (Right)

2.3.3 酸提膳食纖維響應面圖分析 由酸提三豆飲豆渣中膳食纖維的響應面（圖5）可知，隨著酸提pH、酸提溫度、酸提料液比、酸提時間的增加，三豆飲豆渣中膳食纖維含量呈現先增加后減小的趨勢，且酸提料液比的曲線較陡，對響應值的影響最為顯著，其次為酸提pH和酸提溫度，而酸提時間對響應值最小，表現為曲線平緩。由圖5中酸提料液比和酸提溫度的等高線排列緊密且趨向橢圓形可得出，酸提料液比和酸提溫度交互作用最大；酸提pH和酸提溫度的等高線排列稀疏呈圓形，表明酸提pH和酸提溫度的交互作用最小。

2.3.4 酸提工藝條件的驗證 通過對試驗模型的分析得到三豆飲豆渣中膳食纖維酸提的最佳條件為：酸提 pH 4.6、料液比1∶25（g/mL）、酸提時間2.8 h、酸提溫度87℃，獲得三豆飲豆渣中膳食纖維含量為59.0%，試驗重復3次驗證，膳食纖維提取量分別為58.9%、59.3%、59.1%，其平均提取量為59.1%，與理論值偏差小于0.01%，比原三豆飲豆渣中膳食纖維含量增加14.4%。表明通過響應面設計優化后得到的最佳條件參數可靠，能較好地預測試驗得率。

2.4 堿提三豆飲豆渣中膳食纖維單因素試驗結果

2.4.1 堿提料液比對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 從圖6可見，采用三豆飲豆渣堿提工藝，在堿提溫度50℃、堿提時間2.5 h、堿提pH 10.9條件下，料液比在1∶5～1∶30區間豆渣中膳食纖維含量持續增加，1∶30后豆渣中膳食纖維含量基本穩定，其中在1∶25～1∶30之間增長速度較快，故選擇堿提料液比1∶25、1∶30、1∶35用于后續堿提響應面法試驗。

圖6 堿提料液比對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig. 6 Effect of solid/liquid on alkali extraction of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.4.2 堿提pH對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣堿提工藝，在堿提料液比1∶20、堿提時間2.5 h、堿提溫度50℃條件下，提取pH在10.0～11.5區間豆渣中膳食纖維含量持續增加，pH高于11.5豆渣中膳食纖維含量降低（圖7），故選取堿提pH 11.2、11.5、11.8用于后續堿提響應面法試驗。

圖7 堿提pH對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig.7 Effect of alkali extraction pH on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.4.3 堿提時間對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣堿提工藝，在堿提料液比1∶20、堿提pH 10.9、堿提溫度50℃條件下，堿提時間在1.0～3.5 h區間豆渣中膳食纖維含量持續增加，3.5 h后豆渣中膳食纖維含量基本穩定，其中在3.0～3.5 h之間增長速度較快（圖8），故選取堿提時間3.0、3.5、4.0 h用于后續堿提響應面法試驗。

圖8 堿提時間對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig. 8 Effect of alkali extraction time on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.4.4 堿提溫度對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響 采用三豆飲豆渣堿提工藝，在堿提料液比1∶20、堿提時間2.5 h、堿提pH 10.9條件下，堿提溫度在35～55℃區間豆渣中膳食纖維含量持續增加，高于55℃豆渣中膳食纖維含量降低（圖9），故選取堿提溫度50、55、60℃用于后續堿提響應面法試驗。

圖9 堿提溫度對三豆飲豆渣中膳食纖維含量的影響Fig. 9 Effect of alkali extraction temperature on the content of dietary fiber from Sandouyin soybean dregs

2.5 堿提響應面法優化提取工藝

2.5.1 堿提三豆飲豆渣中膳食纖維的回歸方程方差分析及顯著性檢驗 利用Design-Expert 8.0.6軟件對表7試驗數據進行二次多項式回歸擬合，得到堿提膳食纖維含量對堿提pH（A）、堿提溫度 （B）、堿提時間（C）、堿提料液比（D）、的數學回歸模型為：

表7 堿提響應面設計及結果Table 7 RSM design matrix and the responses of alkali extraction

膳食纖維含量（%）=71.00+6.07A+1.07B+1.70C+2.24D-2.71AB-1.45AC+0.21AD-0.67BC-0.82BD-1.82CD-0.41A2-1.54B2-0.020C2-0.73D2

2.5.2 堿提三豆飲豆渣中膳食纖維的回歸方差分析及顯著性檢驗 對上述模型進行方差分析，結果（表8）表明，試驗模型的P值小于0.0001，說明模型極顯著；P失擬項=0.7074＞0.05，表明試驗外的其他因素對本研究影響?。荒Ｐ偷腞2為99.37%，表明各單因素與膳食纖維含量之間關系顯著。堿提pH、溫度、料液比、時間均為極顯著，且由F值可知，堿提pH比對膳食纖維含量的影響最大，其次是料液比，再次是堿提時間，最后是堿提溫度。

表8 堿提膳食纖維回歸方程模擬顯著性分析Table 8 Significance analysis on regression equation model of dietary fiber extracted by alkali

2.5.3 堿提膳食纖維響應面圖分析 由堿提三豆飲豆渣中膳食纖維的響應面圖（圖10）可知，隨著堿提pH、堿提溫度、堿提時間、堿提料液比的增加，三豆飲豆渣中膳食纖維含量呈增加趨勢，且堿提pH曲線較陡，對響應值影響最為顯著，其次為堿提時間、堿提溫度，堿提料液比對響應值的影響最小，表現為曲線平緩，圖中堿提溫度與堿提時間等高線圖排列緊密且呈橢圓形，表明堿提溫度與堿提時間交互作用較大，其他等高線圖表明堿提pH和堿提溫度、堿提pH和堿提時間、堿提pH和堿提料液比、堿提溫度和堿提料液比、堿提時間和堿提料液比均有交互作用。

圖10 堿提三豆飲豆渣中膳食纖維的響應面圖（左）和等高線圖（右）Fig. 10 Alkali extraction of dietary fiber from Sandouyin bean dregs in the response surface (Left) and contour plot (Right)

2.5.4 堿提工藝條件的驗證 通過對試驗模型的分析得到三豆飲豆渣中膳食纖維堿提的最佳條件為：堿提 pH 11.8、堿提料液比1∶35（g/mL）、堿提時間4 h、堿提溫度56℃，獲得三豆飲豆渣中膳食纖維含量為76.4%，試驗重復3次驗證，三豆飲豆渣中膳食纖維提取量分別為75.4%、75.9%、75.8%，其平均提取量為75.7%，與理論值偏差小于0.01%，且比三豆飲豆渣最佳酸提條件下獲得的膳食纖維含量增加16.6%，比原三豆飲豆渣中膳食纖維含量增加30.1%。說明通過響應面設計優化后得到的最佳條件參數可靠，能較好地預測試驗得率。

經檢測，酸-堿提取后三豆飲豆渣中各主要成分含量為膳食纖維含量75.7%、蛋白質含量17.9%、豆渣水分含量2.0%、脂肪含量2.5%、灰分含量1.2%。確定三豆飲豆渣中膳食纖維提取的最佳工藝條件為：酸處理條件：酸提 pH 4.6，料液比1∶25（g/mL），酸提時間2.8 h，酸提溫度87℃；堿處理條件：堿提 pH 11.8，料液比1∶35（g/mL），堿提時間4 h，堿提溫度56℃。

3 討論

本研究采用單因素和響應面法相結合的方法優化三豆飲豆渣膳食纖維提工藝。從酸提和堿提的單因素試驗結果可以看出，料液比和提取時間對豆渣中膳食纖維提取具有飽和性，即隨著反應條件水平的提高，膳食纖維含量隨之增加，當到達一定程度后，膳食纖維含量達飽和，但不會降低，說明料液比和提取時間對膳食纖維含量沒有負面影響。而pH和提取溫度對膳食纖維的含量的影響呈現先上升后下降的趨勢，說明過度劇烈的條件不僅不能提高膳食纖維含量，反而會破壞其結構，從而降低膳食纖維含量。因此對膳食纖維的提取工藝進行響應面分析很有必要。

本試驗結果表明，經酸提后豆渣中膳食纖維的平均提取量為59.1%，比原三豆飲豆渣中膳食纖維含量增加14.4%。經堿提后豆渣中膳食纖維平均提取量為75.7%，比三豆飲豆渣最佳酸提條件下獲得的膳食纖維含量增加16.6%，比原三豆飲豆渣中膳食纖維含量增加30.1%。說明整個工藝過程中酸提和堿提對膳食纖維含量提高的貢獻同等重要，均可通過降解豆渣中的蛋白質和脂肪從而提高膳食纖維含量。由于酸提和堿提后的處理液對環境污染較大，可通過處理液的酸堿中和減小環境污染。且通過響應面設計優化后得到的最佳條件參數可靠，重復性較好，有利于剩余大量豆渣的循環利用。

4 結論

本研究通過單因素試驗結合響應面法對三豆飲豆渣膳食纖維酸提和堿提工藝進行優化，得到最佳酸提和堿提工藝條件如下：酸處理條件為酸提 pH 4.6，料液比1∶25（g/mL），酸提時間2.8 h，酸提溫度87℃；堿處理條件為堿提 pH 11.8，料液比1∶35（g/mL），堿提時間4 h，堿提溫度56℃。經最佳酸-堿提取后三豆飲豆渣中各主要成分含量為膳食纖維75.7%、蛋白質17.9%、水分2.0%、脂肪2.5%、灰分1.2%。本研究建立了三豆飲豆渣膳食纖維酸提和堿提模型，顯著提高了三豆飲豆渣膳食纖維得率，為三豆飲殘余的大量豆渣提供了再利用依據。