豆渣可溶性膳食纖維的提取及其制備可食用膜的研究

張帥 羅嘉瑤 鄒志群 鄭劍楠 程昊

摘要：豆渣是大豆加工的大宗副產物，富含膳食纖維。采用微波輔助酶解水提法提取豆渣可溶性膳食纖維（SDF），然后將其制成可食用膜。通過單因素試驗和正交試驗優化后的提取工藝參數為水料比25∶1 （mL/g）、纖維素酶添加量3%、水解時間2 h，此條件下豆渣SDF提取率為18.65%。然后通過正交試驗優化了用豆渣SDF制備可食用膜的配方為SDF 1.0 g、甘油4.5 g、CMC 1.0 g、海藻酸鈉1.5 g。用最優配方制備的可食用膜具有良好的性能：膜厚度0.032 mm、透明度13.26%、溶解速度25 s/g、水蒸氣透過系數0.61 g·mm/m2·d·kPa、透油系數4.15 g·mm/m2·d。該研究可為豆渣的深加工提供方法參考，所制備的可食用膜有望用于食品加工、包裝行業。

關鍵詞：豆渣；可溶性膳食纖維；可食用膜；性能

中圖分類號：TS214.2 ?????文獻標志碼：A ????文章編號：1000-9973（2024）04-0091-05

Study on Extraction of Soluble Dietary Fiber from Soybean Dregs

and Preparation of Edible Film

ZHANG Shuai1， LUO Jia-yao1， ZOU Zhi-qun1， ZHENG Jian-nan1， CHENG Hao2，3*

（1.School of Food and Pharmaceutical Engineering， Zhaoqing University， Zhaoqing 526061， China;

2.College of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China; 3.Collaborative Innovation Center of Sugarcane Industry

Co-constructed by Province and Ministry of Education， Nanning 530004， China）

Abstract： Soybean dregs are the main by-products of soybean processing， and are rich in dietary fiber. Soluble dietary fiber （SDF） is extracted from soybean dregs by microwave-assisted enzymatic hydrolysis and water extraction method， and then it is made into edible film. The extraction process parameters optimized by single factor test and orthogonal test are as follows： water-material ratio is 25∶1 （mL/g）， cellulase addition amount is 3% and hydrolysis time is 2 h. Under these conditions， the extraction rate of SDF from soybean dregs is 18.65%. The formula of edible film prepared by soybean dreg SDF is optimized by orthogonal test： 1.0 g SDF， 4.5 g glycerol， 1.0 g CMC and 1.5 g sodium alginate. The edible film prepared by the optimal formula has good properties： the film thickness is 0.032 mm， the transparence is 13.26%， the dissolution rate is 25 s/g， the water vapor transmission coefficient is 0.61 g·mm/m2·d·kPa， and the oil transmission coefficient is 4.15 g·mm/m2·d. This study can provide method references for the deep processing of soybean dregs， and the prepared edible film is expected to be used in food processing and packaging industries.

Key words： soybean dregs; soluble dietary fiber （SDF）; edible film; performance

收稿日期：2023-09-05

基金項目：“八桂之光”訪學研修計劃項目（桂組通字[2021]64號）

作者簡介：張帥（1978—），男，山東濟南人，教授，博士，研究方向：食品發酵與農產品加工。

*通信作者：程昊（1980—），男，山東泰安人，副研究員，碩士，研究方向：食品科學、農產品加工。

大豆在我國食用廣泛，絕大部分用于榨油及加工成腐竹、豆腐、豆乳等豆制品，在生產過程中會產生大量的副產物——豆渣。豆渣的營養價值很高，富含膳食纖維、蛋白質、氨基酸、維生素、礦物質等[1]，因此豆渣主要作為飼料和肥料應用于養殖和種植行業[2]。然而，為提高豆渣的附加值、產生更高的利潤，需要對豆渣進行深加工。

可食用膜是一種以可食用的天然高分子為原料，通過不同分子間相互作用而形成的具有多孔網絡結構，并有一定包裝保護功能的可食用薄膜[3]，它通過阻氧、阻濕和防止溶質遷移來保證食品的質量，以延長食品的貨架期[4]?？墒秤媚じ鶕M成材料可分為脂類膜、蛋白質膜、多糖膜、復合膜[5-6]。李佩燚等[7]以豆渣為材料研制了一種可食性包裝紙膜，配方為豆渣用量2.5%、CMC用量0.75%、魔芋葡甘聚糖（KGM）用量0.75%、蜂蠟用量0.5%、甘油用量1.5%。楊利玲等[8]分析了制作豆渣-馬鈴薯淀粉可食用膜的最優配方為馬鈴薯淀粉4.0 g、水50 g、豆渣0.5 g、甘油1.0 g、卡拉膠0.10 g、β-環糊精0.15 g。

利用可溶性膳食纖維制成的可食用膜屬于多糖膜。豆渣富含膳食纖維，因此可利用豆渣膳食纖維研發可食用膜?？墒秤媚こ捎糜谑称繁ｕr外，還可做成預制菜、方便食品調味料包的包裝袋。由于包裝袋是用可溶性膳食纖維制成的，因此使用時可將調味料和包裝袋一起直接投入水中烹煮。另外，豆渣提取膳食纖維后的殘渣還可以作為生產醬油、豆醬等調味品的原材料[9-10]。本文首先采用微波輔助酶解水提法從豆渣中提取可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF），然后將其制成可食用膜，并對提取工藝和制作配方進行了優化，最后對可食用膜的性能進行了檢測。本研究可為擴展豆渣深加工途徑提供方法參考，對于提高豆渣的利用率、增加產品的經濟利潤、減少豆渣對環境的污染等具有重要的經濟和環保意義。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 原料

黃豆（購于本地農貿市場），洗凈后置于豆漿機中，按豆水比1∶15 （g/mL）加水打漿，濾去豆漿，收集豆渣，然后將豆渣置于干燥箱中60 ℃干燥2 h備用。

1.1.2 試劑

纖維素酶（100 000 U/g）、小蘇打、檸檬酸、無水乙醇、甘油（均為食品級）；羧甲基纖維素鈉（CMC）、海藻酸鈉、變色硅膠：均為國產試劑。

1.1.3 設備

格蘭仕P70D20TL-D4型微波爐 廣東格蘭仕集團有限公司；HH-4型數顯恒溫水浴鍋、JJ-2型組織搗碎機 常州億通分析儀器制造有限公司；飛鴿TDL-40B型離心機 上海安亭科學儀器廠；DZF-6050型真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；SPX-250型恒溫恒濕培養箱 上海躍進醫療器械有限公司；115系列管材千分尺 日本三豐Mitutoyo公司；上海雷磁PHS-3C酸度計 上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 可食用膜的制備

首先獲得豆渣可溶性膳食纖維，工藝流程如下：

豆渣經微波膨化處理→粉碎過80目篩→纖維素酶水解（45 ℃，2 h）→加熱滅酶（100 ℃，5 min）→過濾→濾液加2倍無水乙醇，沉淀過夜→離心（5 000 r/min，10 min）→干燥沉淀→可溶性膳食纖維[11]。

準確稱取適量CMC和海藻酸鈉（二者作為增稠劑）置于100 mL蒸餾水中60 ℃恒溫水浴并高速攪拌使其充分溶解，然后加入適量SDF和甘油，邊加熱邊攪拌30 min，使各物質充分溶解并涂于表面光滑的已預熱玻璃上，65 ℃真空干燥后，置于90 ℃水浴鍋中濕潤15 min后揭下的膜即為可食用膜[12]。

1.2.2 可食用膜透水時間的測定

將可食用膜覆蓋于燒杯口，在膜上滴加水后立即計時，水透過膜至第一滴水滴下為止即為透水時間，也稱水滴漏時間[13]。

1.2.3 SDF提取工藝單因素試驗

稱取粉碎好的膨化豆渣，在纖維素酶添加量為1%、pH為9、水解時間為2 h的條件下考察水料比（mL/g）分別為10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1時豆渣中SDF的提取率。

稱取粉碎好的膨化豆渣，在水料比確定的條件下，考察pH為9、水解時間為2 h、纖維素酶添加量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%時豆渣中SDF的提取率。

稱取粉碎好的膨化豆渣，在水料比、纖維素酶添加量確定、pH為9的條件下，考察水解時間分別為0.5，1，1.5，2，2.5 h時豆渣中SDF的提取率。

稱取粉碎好的膨化豆渣，在水料比、纖維素酶添加量、水解時間確定的條件下，考察pH分別為7，8，9，10，11時豆渣中SDF的提取率。

1.2.4 SDF提取工藝正交試驗優化

在單因素試驗結果的基礎上，以SDF提取率為響應值進行L9（34）正交試驗，以優化SDF提取工藝參數。

1.2.5 可食用膜制備配方正交試驗優化

根據前期試驗結果，稱取1.0 g SDF，分別添加適量CMC、海藻酸鈉、甘油制備可食用膜。考慮到可食用膜的主要作用是保護食品、延長食品的貨架期，所以透水時間越長，膜性能越好[14]。因此，分別以上述3種化合物的添加量為控制因素，以透水時間為響應值，進行L9（34）正交試驗以優化可食用膜制備配方。

1.2.6 可食用膜性能的測定

1.2.6.1 膜厚度的測定

在裁好的可食用膜中用管材千分尺隨機測5個點，求平均值，單位為mm。

1.2.6.2 透明度的測定

參考譚惠子等[15]的方法。將待測可食用膜剪成細條，貼于比色皿表面，以空白比色皿為對照，在λ=540 nm處測定吸光度（A），然后按下式計算可食用膜的透明度（T）。

T=0.1A×100%。

1.2.6.3 溶解速度的測定

參考郝志明等[16]的方法。取1.0 g可食用膜置于裝有60 ?℃ 100 mL水的燒杯中，快速攪拌至溶液中無可見碎片為止，記錄單位質量可食用膜溶解所需時間，用溶解速度（s/g）表示。

1.2.6.4 水蒸氣透過系數的測定

參考Talja等[17]的方法。在小燒杯中放入適量變色硅膠，用可食用膜封口后置于30 ℃、相對濕度75% 的恒溫恒濕培養箱中24 h，測定變色硅膠的增重，按下式計算可食用膜的水蒸氣透過系數：

W=（Δm×L）/（A×t×ΔP）。

式中：W為水蒸氣透過系數，g·mm/m2·d·kPa；Δm為硅膠質量變化，g；L為膜厚度，mm；A為封口處膜的面積，m2；t為時間，d；ΔP為膜上下兩側壓力差，kPa。

1.2.6.5 透油系數的測定

參考尹興等[18]的方法。將5 mL新鮮玉米油放入試管中，用可食用膜封口，倒置于濾紙上，放置2 d，稱量濾紙質量的變化，按下式計算透油系數：

P=（Δm×L）/（A×t）。

式中：P為透油系數，g·mm/m2·d；Δm為濾紙質量變化，g；L為膜厚度，mm；A為封口處膜的面積，m2；t為時間，d。

2 結果與分析

2.1 SDF提取條件單因素試驗結果

4個因素水料比、酶添加量、水解時間、pH對豆渣SDF提取率的影響見圖1。

由圖1中a可知，SDF提取率隨著水料比的增加而增大，當水料比達到20∶1后，SDF提取率增加緩慢至不再增加。這可能是因為增加水量有利于SDF溶出，但當水量增加到一定程度時，SDF溶解量會趨于飽和而很難繼續從細胞中溶出。另外，加水量不宜太大，否則會增加后續無水乙醇的用量，造成資源浪費。

由圖1中b可知，SDF提取率隨著纖維素酶添加量的增加而增大，但當纖維素酶添加量超過3%后，SDF提取率呈現下降趨勢。這可能是因為纖維素酶可以水解大豆細胞壁中的纖維素，從而破壞細胞壁，有利于SDF的溶出。但如果纖維素酶添加量太大，可能會過度水解細胞壁中的纖維素，從而減少SDF的含量。

由圖1中c可知，SDF提取率隨著水解時間的延長而增大，水解1.5 h后SDF提取率增加趨緩，可見纖維素酶在此時間范圍內具有良好的催化作用，纖維素不斷被水解、溶出。

由圖1中d可知，pH為9時，SDF提取率最大，說明本試驗所用纖維素酶屬于堿性纖維素酶，該酶的最適反應pH通常為8.5～9.5。因此，后續將pH調為9進行正交試驗。

2.2 SDF提取條件正交試驗優化

比較表1中k值大小可知，當提取條件為A3B3C2，即9號試驗：水料比25∶1（mL/g）、酶添加量3.5%、水解時間2 h時，豆渣SDF提取率最高，為18.65%。在該條件下進行驗證試驗，結果與正交試驗結果一致。由表1可知，3個因素對SDF提取率的影響強弱順序為A>C>B，即SDF的提取率受水料比的影響最大。

2.3 可食用膜制備配方正交試驗優化

比較表2中k值大小可知，當制備條件為A′2B′2C′3，即5號試驗：甘油添加量4.5 g、CMC添加量1.0 g、海藻酸鈉添加量1.5 g時，制備的可食用膜透水時間最長，為11.28×103 s。在該條件下進行驗證試驗，結果與正交試驗結果一致。由表2可知，3個因素對膜透水性的影響強弱順序為C′>B′>A′，即膜透水時間受海藻酸鈉添加量的影響最大。

海藻酸鈉是一種由甘露糖醛酸和古羅糖醛酸組成的多糖，具有良好的隔氧性和成膜性，并且與CMC在一定條件下有很好的相容性，可大大增加可食用膜的物理性能[19]。CMC是一種水溶性纖維素醚，有良好的生物相容性和吸濕性，是一種優良的膜結構成分。CMC可與多糖形成網狀結構，并且能與海藻酸鈉發揮協同增效作用，影響膜的抗拉強度。海藻酸鈉與CMC作為增稠劑，隨著添加量逐漸增加，膜液的黏稠度增大，膜液中氣泡難以排出，干燥后膜的均一性和溶解性較差[20]。甘油作為一種增塑劑，能削弱聚合物分子鏈間的作用力，增加膜的延展性、彈性及柔性，使膜不易破裂。甘油還能使膜表面變得更有光澤，增大膜的溶解性。但隨著甘油添加量逐漸增加，抗拉強度變差，不易成膜[21]。

2.4 可食用膜性能測定結果

采用正交試驗優化配方制備的可食用膜厚度、透明度、溶解速度、水蒸氣透過系數、透油系數測定結果見表3。

本試驗制備的可食用膜厚度為0.032 mm，與郝志明等[16]用荸薺皮多糖制備的可食用復合膜的厚度（0.030 mm）相當。可食用膜的溶解速度為25 s/g，比譚惠子等[15]制備的大豆膳食纖維可食用膜的溶解速度（30 s/g）快，但比荸薺皮多糖可食用復合膜的溶解速度（18 s/g）慢。另外，可食用膜的透明度、水蒸氣透過系數和透油系數與譚惠子等[15]制備的大豆膳食纖維可食用膜的透明度（13.872%）、水蒸氣透過系數（0.621 g·mm/m2·d·kPa）和透油系數（4.016 g·mm/m2·d）大體一致。結果表明，本試驗采用豆渣可溶性膳食纖維制備的可食用膜厚度適中，透明均勻，溶解性強，同時防水、防油滲透性能良好，是一款性能優良的可食用膜產品。

3 結論

豆渣中膳食纖維含量高達65%，通過微波膨化和纖維素酶水解可大大提高可溶性膳食纖維（SDF）的含量。本研究通過微波輔助酶解水提法提取豆渣中SDF，通過單因素試驗和正交試驗獲得了提取SDF的優化工藝，即水料比25∶1 （mL/g）、纖維素酶添加量3%、水解時間2 h，此時豆渣SDF提取率為18.65%，這與任媛媛等[11]采用堿法提取豆渣SDF的提取率（18.2%）相近，但高于王凌翌等[22]采用酶法提取豆渣SDF的提取率（15.54%）。然后將SDF制成可食用膜，正交試驗優化的制備配方為SDF 1.0 g、甘油4.5 g、CMC 1.0 g、海藻酸鈉1.5 g，該條件制得的可食用膜透水時間為11.28×103 s。目前關于用豆渣膳食纖維制備的可食用膜透水時間方面的相關研究未見報道。

本研究制備的可食用膜為淺黃色透明狀，各項性能指標檢測良好，膜質感柔軟、光滑，食之有輕微的大豆味，既可作為糖果、糕點等休閑食品的包裝紙，也可以進一步加工成包裝袋，用于預包裝米粉、掛面等方便食品以及此類食品的調味料包裝袋，從而減少和避免難降解塑料袋的使用，有利于環保。下一步我們會將豆渣SDF可食用膜進行小試驗和中試驗并應用于食品加工的實際生產中，進一步考察和評價可食用膜工業化生產和規?；瘧玫目尚行?。

參考文獻：

[1]祝義偉，龍勃，龍勇，等.豆渣中營養成分的檢測及其含量聲稱[J].食品研究與開發，2017，38（8）：117-120.

[2]李鑫宇，孫冰玉，張光，等.豆渣的綜合利用研究及研究進展[J].大豆科技，2018（4）：35-42.

[3]SABINA G， JUSTYNA K. Food applications of emulsion-based edible films and coatings[J].Trends in Food Science & Technology，2015（2）：273-283.

[4]ELHAM T K， HAJAR S， MAHDIEH M B. Development of edible films and coatings from alginates and carrageenans[J].Carbohydrate Polymers，2016，137：360-374.

[5]林偉鴻，夏明.可食用膜的分類和應用研究進展[J].農產品加工，2016（12）：62-65.

[6]BILAL H， SHAHZAD A S， ABDULLAH I H， et al. Recent advances on polysaccharides， lipids and protein based edible films and coatings： a review[J].International Journal of Biological Macromolecules，2018，109：1095-1197.

[7]李佩燚，張美云，常會軍，等.可食性豆渣包裝紙膜的研究[J].陜西科技大學學報（自然科學版），2014，32（4）：14-18.

[8]楊利玲，曹愛玫，馬瑞霞.豆渣-馬鈴薯淀粉可食性包裝膜的研制及應用探索[J].糧食與油脂，2019，32（6）：30-33.

[9]萬茵，王登驍，肖明，等.米根霉NCU1011發酵豆渣開發甜醬生產工藝研究[J].中國調味品，2020，45（4）：24-28.

[10]唐銀，朱梓瑞，許樹榮，等.響應面法優化醬渣中大豆異黃酮超聲輔助乙醇提取工藝[J].中國調味品，2023，48（4）：115-119.

[11]任媛媛，陳學武，李丹丹.豆渣中可溶性膳食纖維提取的研究[J].中國食品添加劑，2015（1）：84-91.

[12]潘旭琳，卞雪，曹龍奎.豆渣可食性膜的制備及性能研究[J].包裝工程，2011，32（11）：34-37.

[13]李帥，谷雨.微波改性大豆分離蛋白/殼聚糖可食膜工藝優化研究[J].食品工業，2019，40（1）：147-151.

[14]SALAZAR D， ARANCIBIA M， CASADO S， et al. Green banana （Musa acuminata AAA） wastes to develop an edible film for food applications[J].Polymers，2021，13（18）：3183.

[15]譚惠子，劉成梅，吳偉，等.大豆膳食纖維可食用膜的研制[J].食品科學，2009，30（8）：303-306.

[16]郝志明，肖艷萍，林玉婷，等.荸薺皮多糖可食用復合膜的研制[J].廣東農工商職業技術學院學報，2020，36（4）：74-80.

[17]TALJA R A， HELEN H， ROOS Y H， et al. Effect of type and content of binary polyol mixtures on physical and mechanical properties of starch-based edible films[J].Carbohydrate Polymers，2008，71：269-276.

[18]尹興，朱俊南，陳林，等.可食性大豆分離蛋白膜的制備及其性能研究[J].包裝工程，2020，41（23）：83-89.

[19]LIU C， HUANG J， ZHENG X， et al. Heat sealable soluble soybean polysaccharide/gelatin blend edible films for food packaging applications[J].Food Packaging and Shelf Life，2020，24：100485.

[20]MA W， SAMI R， XU L， et al. Physical-chemical properties of edible film made from soybean residue and citric acid[J].Journal of Chemistry，2018，2018：1-8.

[21]LIN D， ZHENG Y， WANG X， et al. Study on physicochemical properties， antioxidant and antimicrobial activity of okara soluble dietary fiber/sodium carboxymethyl cellulose/thyme essential oil active edible composite films incorporated with pectin[J].International Journal of Biological Macromolecules，2020，165：1241-1249.

[22]王凌翌，周利琴，劉志國，等.聯合酶法提取豆渣蛋白肽和可溶性膳食纖維[J].中國油脂，2021，46（6）：114-118.