大豆皮可溶性膳食纖維的酶法制備及其理化特性評價

趙偉

（吉林省經濟管理干部學院，吉林 長春 130012）

大豆作為我國重要的農作物產品之一，是豆制品、食用油的主要來源，目前我國大豆的年消耗量超過億噸[1-2]。大豆皮作為大豆的重要組成部分，占大豆質量的5%～10%[3-4]，在大豆加工及利用過程中，大豆皮通常作為加工副產物，用于飼料或有機肥，造成資源的嚴重浪費[5-6]。大豆皮富含纖維素和半纖維素，是制備膳食纖維的理想原料。膳食纖維根據其溶解性可分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）及不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF），其中水溶性膳食纖維含量較低，水溶性膳食纖維具有調節腸蠕動、改善腸道菌群、調節血糖、血脂等多種生理功能[7-11]。目前SDF制備方法主要包括物理法、化學法、酶法及生物發酵[12-15]，其中物理法及化學法成本低、操作簡便，但SDF轉化率低、品質較差，同時存在一定污染；生物發酵制備SDF的成本及對設備要求較高；酶法制備SDF反應條件溫和、專一性強、轉化率高[16-18]。目前，關于酶法制備大豆皮膳食纖維的報道較少。本研究以纖維素酶及半纖維素酶作為水解酶，利用單因素及響應面試驗，優化大豆皮酶解工藝，制備大豆皮SDF并研究其理化特性，以期為大豆皮資源綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆皮：山東圣旺新材料有限公司；纖維素酶（10萬U/g）：武漢盛瑞源生物科技有限公司；半纖維素酶（10萬U/g）：青島海維森生物科技有限公司；植物油（花生油）：山東魯花集團有限公司；其他試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

COMECT多功能粉碎機：武漢提沃克科技有限公司；PWN125DZH電子天平：青島東飛科儀環保科技有限公司；DT5-4B型臺式離心機：北京新時代北利醫療器械有限公司；DHG-9023A鼓風臺式電熱恒溫干燥箱：浙江納德科學儀器有限公司；H13970電熱恒溫水浴鍋：河北慧采科技有限公司；RE-52A旋轉蒸發儀：濟南愛來寶儀器設備有限公司。

1.3 大豆皮SDF的制備

1.3.1 制備流程

大豆皮經蒸餾水反復清洗、除雜，室溫（25℃～30℃）下干燥至恒重，粉碎過40目篩，得到大豆皮粗粉，以纖維素酶∶半纖維素酶=1∶1（質量比）作水解酶進行酶解（45℃、5 h），乙醇沉淀，沉淀復溶后噴霧干燥，即得大豆皮SDF。

1.3.2 單因素試驗

以纖維素酶∶半纖維素酶=1∶1（質量比）作為水解酶，以大豆皮SDF得率為考察指標，分別考察料液比、酶添加量、酶解時間、酶解溫度、pH值對大豆皮SDF得率的影響。

1.3.3 響應面優化

結合單因素試驗結果，利用Design Expert進行Box-Behnken試驗設計，優化料液比、酶添加量、酶解時間、酶解溫度及pH值，確定最優酶解工藝條件。

1.3.4 SDF理化性質的測定

1.3.4.1 大豆皮SDF持水力的測定

參考文獻[19]中的方法，稱取適量大豆皮SDF粉末加入50 mL蒸餾水，室溫20℃～25℃攪拌24 h，3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，測定大豆皮SDF質量，計算大豆皮SDF持水力，計算公式如下。

持水力/%=（m3-m2-m1）/m1×100

式中：m1為大豆皮SDF粉末質量，g；m2為離心管質量，g；m3為大豆皮SDF與離心管總質量，g。

1.3.4.2 大豆皮SDF膨脹力的測定

參考文獻[20]中的方法，稱取適量大豆皮SDF粉末置于10 mL干燥量筒中，記錄其原始體積V1；加蒸餾水至刻度，室溫（20℃～25℃）條件下靜置12 h，測定其吸水后體積V2，計算大豆皮SDF膨脹力，計算公式如下。

膨脹力/（mL/g）=（V2-V1）/m1

式中：m1為大豆皮SDF粉末質量，g；V1為原始體積，mL；V2為吸水后體積，mL。

1.3.4.3 大豆皮SDF持油力的測定

參考文獻[21]中的方法，稱取適量大豆皮SDF粉末放入離心管中，加入10 mL植物油，每10 min攪拌1次，共計浸泡1 h，3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，測定大豆皮SDF質量，計算大豆皮SDF持油力，計算公式如下。

持油力/%=（m2-m1）/m2×100

式中：m1為大豆皮SDF粉末質量，g；m2為剩余殘渣的質量，g。

1.4 數據分析

響應面試驗設計及分析采用Design Expert 8.0，采用SPSS 22.0進行顯著性分析，采用Origin 8.6繪圖。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 料液比對大豆皮SDF得率的影響

設定酶添加量為0.85%、酶解時間為5 h、酶解溫度為45℃、酶解pH值為4.6，分別考察料液比為1∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35（g/mL）時大豆皮 SDF得率，結果如圖1所示。

圖1 料液比對大豆皮SDF得率的影響Fig.1 Effect of different feed liquid ratio on the yield of soybean skin SDF

由圖1可知，隨著溶劑量的增加，大豆皮SDF得率呈現先升高后降低的趨勢，分析其原因可能為溶劑量過小，反應不完全、反應體系黏稠度較高，使SDF溶出、擴散困難；溶劑量過大，反應體系中SDF濃度過低，沉淀不徹底。綜上，溶劑過多或過少均可導致SDF得率降低，當料液比達到1∶20（g/mL）時，大豆皮SDF得率最高，因此選擇料液比1∶20（g/mL）進行后續試驗。

2.1.2 酶添加量對大豆皮SDF得率的影響

設定酶解時間為5 h、酶解溫度為45℃、酶解pH值為4.6、料液比為1∶20（g/mL），分別考察酶添加量為0.70%、0.75%、0.80%、0.85%、0.90%及0.95%時大豆皮SDF得率，結果如圖2所示。

圖2 酶添加量對大豆皮SDF得率的影響Fig.2 Effects of different enzyme additions on the yield of soybean skin SDF

由圖2可知，隨著酶添加量的增加，大豆皮SDF得率呈現先升高后降低的趨勢，分析其原因可能為隨著酶添加量的增加，酶解反應速率提升，反應更加徹底。但酶添加過量可導致部分SDF被進一步水解，從而導致SDF得率降低。研究結果顯示，當酶添加量達到0.85%時，大豆皮SDF得率最高，因此選擇酶添加量為0.85%進行后續試驗。

2.1.3 酶解時間對大豆皮SDF得率的影響

設定料液比為1∶20（g/mL）、酶解溫度為45℃、酶解pH值為4.6、酶添加量為0.85%時，分別考察酶解時間為 2、3、4、5、6 h及 7 h 時大豆皮 SDF 得率，結果如圖3所示。

圖3 酶解時間對大豆皮SDF得率的影響Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis time on the yield of soybean skin SDF

由圖3可知，隨著酶解時間的延長，大豆皮SDF得率呈現逐漸升高的趨勢，分析其原因可能為長時間酶解為酶解反應提供了足夠的反應時間，然而，在酶解反應完成后，延長酶解時間對SDF得率不再產生影響。當酶解時間達到5 h后，大豆皮SDF得率不再發生明顯變化，因此選擇酶解時間5 h進行后續試驗。

2.1.4 酶解溫度對大豆皮SDF得率的影響

設定料液比為 1∶20（g/mL）、酶解時間為 5 h、酶解pH值為4.6、酶添加量為0.85%時，分別考察酶解溫度為 35、40、45、50、55℃及 60℃時大豆皮 SDF得率，結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著酶解溫度的升高，大豆皮SDF得率呈現先升高后降低的趨勢，分析其原因可能為隨著酶解溫度的升高，水解酶活力逐漸增強，SDF得率也隨之升高，當溫度過高時，會導致酶活力降低或失活，降低SDF得率。研究結果顯示，當酶解溫度達到45℃時，大豆皮SDF得率最高，因此酶解溫度選擇為45℃。

2.1.5 pH值對大豆皮SDF得率的影響

設定料液比為 1∶20（g/mL）、酶解時間為 5 h、酶解溫度為45℃、酶添加量為0.85%時，分別考察pH值為 4.0、4.6、5.2、5.8、6.4 及 7.0 時大豆皮 SDF 得率，結果如圖5所示。

圖5 酶解pH值對大豆皮SDF得率的影響Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis pH on the yield of soybean skin SDF

由圖5可知，隨著pH值的升高，大豆皮SDF得率呈現先升高后降低的趨勢，分析其原因可能為pH值可通過改變水解酶空間構型對酶活力產生重要影響，pH值過高或過低均可導致水解酶活力降低，影響SDF得率。研究結果顯示，當pH值為4.6時，大豆皮SDF得率最高，因此酶解pH值選擇為4.6。

2.2 響應面優化

2.2.1 酶解工藝響應面優化

結合單因素試驗，發現酶解溫度及酶解pH值相對固定（水解酶的最適溫度及最適pH值相對固定），因此選取料液比（A）、酶添加量（B）、酶解時間（C）作為考察因子，以SDF得率（Y）為考察指標，利用Box-Behnken Design模式設計試驗來優化大豆皮SDF酶解工藝，試驗因素及水平見表1，響應面設計試驗結果及方差分析見表2、表3。

表1 因素及水平Table 1 Factors and levels

表2 Box Behnken試驗方案與結果Table 2 Box Behnken test scheme and results

表3 響應面試驗結果方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface test results

各因素交互作用對大豆皮SDF得率影響的響應曲面如圖6所示。

圖6 各因素交互作用對大豆皮SDF得率影響的響應曲面Fig.6 Response surface diagram of the influence of the interaction of various factors on the yield of soybean skin SDF

通過響應面進行回歸分析，得出大豆皮SDF得率的二次回歸方程為Y=12.36-0.150 0A+0.287 5B+0.387 5C+0.3000AB-0.1000AC+0.0250BC-1.34A2-1.12B2-1.42C2。矯正系數R2Adj=0.943 2，預測復相關系數R2=0.951 7，預測相關系數R2（Pred）=0.956 3，與預測復相關系數接近，回歸模型極顯著（P＜0.01）；失擬項 P=0.644 6＞0.05，差異不顯著（P＞0.05），說明該回歸模型的擬合度較高，試驗誤差小，可用該模型分析和預測不同條件下大豆皮SDF得率。各因素對大豆皮SDF得率影響因素的順序為酶解時間＞酶添加量＞料液比。

2.2.2 工藝驗證

利用Design Expert軟件建立回歸模型，模型結果顯示，大豆皮SDF最優酶解工藝：料液比1∶19.766（g/mL）、酶添加量0.856%、酶解時間5.139 h，最優條件下大豆皮SDF得率為12.84%，為驗證優化結果的可靠性，對工藝參數進行適當修正：料液比1∶20（g/mL）、酶添加量0.85%、酶解時間5 h，在此條件下，大豆皮SDF得率為12.71%，接近最優條件下大豆皮SDF得率，表明該模型具有良好的預測價值。

2.3 理化指標測定結果

持水力、膨脹力及持油力是評價SDF品質的重要指標，較高的持水力、膨脹力及持油力可有效促進胃腸道蠕動，增加對胃腸道有毒物質的吸附能力，促進有毒物質的排出。大豆皮酶解前后理化指標的比較如圖7所示。

圖7 大豆皮酶解前后理化指標比較Fig.7 Comparison of physicochemical indexes of soybean hulls before and after enzymatic hydrolysis

由圖7可知，與酶解前比較，大豆皮SDF酶解后持水力、膨脹力及持油力均明顯升高，其持水力、膨脹力及持油力分別為8.53%、5.22 mL/g及7.14%，表明利用酶法制備的大豆皮SDF具有較好的理化特性。

3 結論

利用單因素試驗結合Box-Behnken試驗設計，以大豆皮SDF得率為考察指標，優化大豆皮SDF制備工藝，選用纖維素酶∶半纖維素酶=1∶1（質量比）作為水解酶，最終確定大豆皮SDF酶解的最佳工藝：料液比1 ∶20（g/mL）、酶添加量 0.85%、酶解時間 5 h、酶解溫度45℃、酶解pH4.6，該工藝條件下SDF得率與模式預測值較為接近，表明工藝參數較為準確。結果表明，由酶法制備的大豆皮SDF具有良好的理化特性。