豆渣中水溶性膳食纖維的提取

郭 敏

（太原六味齋實(shí)業(yè)有限公司，山西太原030000）

人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，人們生活水平大幅提高，飲食日趨精細(xì)導(dǎo)致富貴病（糖尿病、心血管病、肥胖腸道癌、便秘等）越來(lái)越普遍。加之進(jìn)入老齡化社會(huì)，人們對(duì)食品的消費(fèi)觀念也發(fā)生了變化，對(duì)食品要求不僅僅停留在感官、口感上，而是越來(lái)越講究功能性。因此，可以相信21世紀(jì)的食品將逐漸以功能性食品為主，而膳食纖維正是因其突出的保健功能而被人們逐漸認(rèn)識(shí)。膳食纖維經(jīng)過(guò)了30多年的研究和發(fā)展，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛流行的保健食品。據(jù)悉，在歐美，高纖維類(lèi)產(chǎn)品的年銷(xiāo)售額已過(guò)300億美元；在日本，食用纖維素類(lèi)產(chǎn)品的年銷(xiāo)售額近100億美元，并正式將之列為繼蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、水礦物質(zhì)和維生素之后的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”。專(zhuān)家們一致認(rèn)為，纖維食品將是21世紀(jì)的主導(dǎo)食品之一[1]。

我國(guó)是世界上種植大豆的主要國(guó)家之一，資源十分豐富，然而在豆制品加工過(guò)程中作為副產(chǎn)品的豆渣卻沒(méi)有得到有效利用，一般都作為飼料或廢棄物處理，經(jīng)濟(jì)效益低，同時(shí)也造成了環(huán)境污染。若能將豆渣進(jìn)一步加工成膳食纖維產(chǎn)品，既能防止資源的浪費(fèi)，又可以減少污染。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)建立了開(kāi)發(fā)研制膳食纖維的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)，并有了膳食纖維的產(chǎn)品。但市售商品多為不可溶性和合成的可溶性膳食纖維2種，目前市場(chǎng)上還未見(jiàn)大豆可溶性膳食纖維的出售。試驗(yàn)利用新鮮的豆渣為原料，采用了化學(xué)法，研究了提取水溶性膳食纖維的最佳條件，消除了豆渣原料的弊端，研制出質(zhì)高、價(jià)廉、方便食用的水溶性膳食纖維。

1 材料與儀器

1.1 材料

新鮮豆渣，六味齋豆制品廠提供；

結(jié)晶碳酸鈉、無(wú)水乙醇，均為分析純；工業(yè)乙醇，化學(xué)純。

1.2 儀器

JA5003N等級(jí)I型電子天平；HH-4型恒溫水浴箱，江蘇金壇市科析儀器有限公司產(chǎn)品；RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；TDL-40B型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品；GDH-9243BS-Ⅲ型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司產(chǎn)品；FZ102型電動(dòng)植物粉碎機(jī)，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)原理

纖維素分子在堿性條件下的降解過(guò)程有2種類(lèi)型，即堿性水解和“剝皮反應(yīng)”。在高溫下，易發(fā)生堿性水解，當(dāng)溫度在150℃以下，纖維素在堿性介質(zhì)中主要發(fā)生剝皮反應(yīng)。所謂的剝皮反應(yīng)即纖維素分子末端具有還原性的醛基，在堿的作用下，一個(gè)接一個(gè)地脫去，直到產(chǎn)生的纖維素末端基轉(zhuǎn)化為偏變糖酸基才停止反應(yīng)[2]。

1.3.2 提取工藝

（1）豆渣的預(yù)處理。豆渣→干燥→粉碎→過(guò)80目篩→樣品。

（2）水溶性膳食纖維的提取工藝。豆渣經(jīng)預(yù)處理后，稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除表面的蛋白質(zhì)。在一定溫度下，用碳酸鈉溶液回流進(jìn)行剝皮反應(yīng)，一定時(shí)間后，對(duì)提取液進(jìn)行離心過(guò)濾，濾液用乙醇作沉淀劑將水溶性膳食纖維沉淀下來(lái)。蒸發(fā)溶劑，于90℃下干燥得到白色粉末狀水溶性膳食纖維，提取工藝[3]如下：

1.4 單因素試驗(yàn)[4]

1.4.1 浸提質(zhì)量分?jǐn)?shù)的選擇

稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%，4%，5%，浸提溫度為80℃，提取時(shí)間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng)，沉淀劑選用工業(yè)乙醇，以確定浸提質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4.2 浸提溫度的選擇

稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，浸提溫度分別為60，70，80，90，100℃，提取時(shí)間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng)，沉淀劑選用工業(yè)乙醇，考查不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響。

1.4.3 提取時(shí)間的選擇

稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，浸提溫度為80℃，提取時(shí)間分別為30，45，60，75，90 min，提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng)，沉淀劑為工業(yè)乙醇，以確定最佳的提取時(shí)間。

1.4.4 提取液用量的選擇

稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，浸提溫度為80℃，提取時(shí)間為60 min，提取液用量分別為15，20，25，30，35 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng)，沉淀劑選用工業(yè)乙醇，以確定最佳的提取液用量。

1.4.5 沉淀劑的選擇

在上述4個(gè)因素都確定后，進(jìn)一步研究無(wú)水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇3種對(duì)浸提效果的影響，并尋找最佳的沉淀劑與沉淀時(shí)間。

1.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸提溫度、提取時(shí)間、提取液用量作為考查的4個(gè)因素，每因素3個(gè)水平，以水溶性膳食纖維質(zhì)量為指標(biāo)，用L9（34）正交表安排試驗(yàn)得出最佳的浸提條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)浸提效果的影響

不同碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖1

圖1 不同碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)浸提效果的影響

由圖1可知，當(dāng)碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%時(shí)，水溶性膳食纖維的質(zhì)量增加明顯，其中從1%~2%時(shí)增加最為迅速，當(dāng)在3%左右時(shí)到達(dá)最大值，但是當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3%時(shí)，浸提效果緩慢降低，但浸提效果還是高于1%時(shí)，因此選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的碳酸鈉溶液較為合適。

2.2 不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響

不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖2。

圖2 不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響

由圖2可知，在60~80℃時(shí)，浸提效果隨浸提溫度的增加而增加；在60~70℃時(shí)增加迅速，這是由于隨著浸提溫度升高，水溶性膳食纖維溶解速度加快；在浸提溫度升高到80~90℃時(shí)，浸提效果降低，但變化不是很明顯；當(dāng)浸提溫度升高到90℃以后時(shí)，浸提效果降低，這是由于溫度高破壞了少量的水溶性膳食纖維。因此綜合考慮，浸提溫度應(yīng)控制在80℃左右。

2.3 提取時(shí)間對(duì)浸提效果的影響

提取時(shí)間對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)浸提效果的影響

由圖可知，在30~60 min時(shí)，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，浸提效果逐漸升高，但升高速率不明顯；在60 min時(shí)浸提效果達(dá)到最高值；但是在60 min后，隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，浸提效果開(kāi)始逐漸下降，但是下降速率也不是很明顯。因此，確定提取時(shí)間為60 min時(shí)浸提效果比較合適。

2.4 提取液用量對(duì)浸提效果的影響

提取液用量對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖4。

圖4 提取液用量對(duì)浸提效果的影響

由圖4可知，在提取液用量為15~25 mL/g時(shí)，隨著提取液用量的增加浸提效果明顯升高，這是由于在一定范圍內(nèi)，提取液用量越大越有助于水溶性膳食纖維的溶解；在提取液用量為25 mL/g左右時(shí)，浸提效果達(dá)到最大值；而在提取液用量超過(guò)25 mL/g后，隨著提取液用量的增加，浸提效果顯著降低。因此，選用25 mL/g提取液對(duì)浸提效果較佳。

2.5 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)及其直觀分析見(jiàn)表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

由表2可知，正交試驗(yàn)的最佳組合為A2B2C3D1，影響浸提效果的主次因素為B>C>A>D，即浸提溫度、提取液用量、碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間，得到的理論最佳提取方案為A2B2C2D2。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得A2B2C2D2優(yōu)于A2B2C3D1組合。因此，確定的最佳浸提條件為碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，浸提溫度80℃，提取液用量25 mL/g，提取時(shí)間60 min。

表2 正交試驗(yàn)及其直觀分析

2.6 沉淀劑的選擇

2.6.1 無(wú)水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇[5]

在確定以上4種因素對(duì)浸提效果的影響并確定最佳浸提方案后，以最佳浸提方案進(jìn)行以下試驗(yàn)并確定不用沉淀劑對(duì)沉淀效果的影響。

稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，浸提溫度為80℃，提取時(shí)間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng)，分別選擇無(wú)水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇3種乙醇作為沉淀劑進(jìn)行試驗(yàn)，并以無(wú)水乙醇作為對(duì)照，以考查不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間不同對(duì)沉淀效果影響。

不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間對(duì)沉淀效果的影響見(jiàn)圖5。

圖5 不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間對(duì)沉淀效果的影響

圖5 為3種不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間變化而提取的水溶性膳食纖維質(zhì)量的變化圖，以無(wú)水乙醇為對(duì)照進(jìn)行試驗(yàn)95%乙醇與無(wú)水乙醇之間沒(méi)有明顯區(qū)別，都是在0~4 h內(nèi)不斷升高，4 h時(shí)達(dá)到沉淀量最高，4 h以后基本沒(méi)有變化。而工業(yè)乙醇在0~10 h內(nèi)不斷升高，但在各個(gè)時(shí)間段沉淀量都沒(méi)有無(wú)水乙醇和95%乙醇的高，直到10~12 h時(shí)才與無(wú)水乙醇和95%乙醇基本一致。因此，3種乙醇作為沉淀劑沉淀效果基本無(wú)異，只有沉淀時(shí)間的不同而已。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中為節(jié)約成本，選擇工業(yè)乙醇為最為恰當(dāng)。

2.6.2 工業(yè)乙醇、蒸餾后乙醇

稱(chēng)取2 g樣品，用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，浸提溫度為80℃，提取時(shí)間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng)，分別選擇工業(yè)乙醇、蒸餾后乙醇2種乙醇作為沉淀劑進(jìn)行試驗(yàn)，并以工業(yè)乙醇作為對(duì)照，以考查蒸餾后的乙醇是否還可以繼續(xù)作為沉淀劑 使用。

工業(yè)乙醇與蒸餾后乙醇沉淀量隨沉淀時(shí)間變化見(jiàn)圖6。

圖6 工業(yè)乙醇與蒸餾后乙醇沉淀量隨沉淀時(shí)間變化

由圖6可知，蒸餾后乙醇與工業(yè)乙醇基本沒(méi)有明顯區(qū)別。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，可以使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)使用過(guò)的乙醇進(jìn)行蒸餾重新提取，提取出的乙醇也可以作為沉淀劑繼續(xù)使用，并且對(duì)試驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生影響，這樣就可以大大降低成本。

3 討論

3.1 提高產(chǎn)率的途徑

采用大豆豆渣提取水溶性膳食纖維時(shí)，原料的粉碎度要適宜，若豆渣太碎，用堿液提取易流失而造成產(chǎn)率降低。在提取過(guò)程中，水溶性膳食纖維隨處理次數(shù)的增多而減少，因此在提取水溶性膳食纖維時(shí)應(yīng)該盡量減少中間環(huán)節(jié)。另外，提取液的pH值對(duì)產(chǎn)率大小影響也很大。當(dāng)pH值<12時(shí)剝皮反應(yīng)很難進(jìn)行，因此提取液的pH值應(yīng)控制在13左右，有利于反應(yīng)順利進(jìn)行[6]。

3.2 超聲波清洗對(duì)提取率的影響

超聲波清洗機(jī)的使用可以加速2種物質(zhì)的接觸面積，增快2種反應(yīng)物的反應(yīng)速度，那么如果在試驗(yàn)過(guò)程中，一是在豆渣與碳酸鈉溶液反應(yīng)時(shí)放入超聲波清洗機(jī)中時(shí)，是不是可以使剝皮反應(yīng)進(jìn)行地更加充分，從而提高水溶性膳食纖維的提取率；二是，在沉淀過(guò)程中，將其放入超聲波清洗機(jī)中一段時(shí)間，是不是可以加快沉淀速度，從而使沉淀時(shí)間縮短，加快了沉淀效率。因此，如果超聲波清洗機(jī)真的可以提高水溶性膳食纖維的提取率，那么就必須再進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)，以確立較為適合的清洗時(shí)間，從而提高對(duì)水溶性膳食纖維的提取率。

4 結(jié)論

采用正交試驗(yàn)的方法研究了從大豆豆渣中提取水溶性膳食纖維，確定了提取的最佳條件為碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，浸提溫度80℃，提取液用量25 mL/g，提取時(shí)間60 min。試驗(yàn)結(jié)果證明，以此條件提取水溶性膳食纖維產(chǎn)率較高、品質(zhì)較好。并且為了可以大大降低成本，可以使用工業(yè)乙醇作為沉淀劑，也可使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)使用過(guò)的乙醇進(jìn)行蒸餾重新提取，提取出的乙醇也可以作為沉淀劑繼續(xù)使用，而對(duì)試驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生影響。

總之，膳食纖維對(duì)人體的特殊療效作用日漸明顯，其特殊的營(yíng)養(yǎng)功能受到醫(yī)學(xué)及食品界的廣泛關(guān)注。而從豆渣中制備開(kāi)發(fā)水溶性膳食纖維的研究正在不斷深入，這將極大地促進(jìn)豆渣水溶性膳食纖維在食品中的應(yīng)用。膳食纖維類(lèi)新產(chǎn)品將擁有廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)。