超聲波輔助提取水溶性大豆多糖及純化工藝

陳 紅，張 波，劉秀奇，李 紅，王大為*

(吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118)

超聲波輔助提取水溶性大豆多糖及純化工藝

陳 紅，張 波，劉秀奇，李 紅，王大為*

(吉林農業大學食品科學與工程學院，吉林 長春 130118)

以脫脂擠壓豆渣為原料，對超聲波輔助提取水溶性大豆多糖及純化工藝進行研究。通過單因素試驗和正交試驗，確定最佳工藝參數為提取pH4.5、熱水溫度90℃、液料比20:1(mL/g)、超聲波功率200W、超聲波提取時間40min時，水溶性大豆多糖的得率為8.82%。純化粗多糖的條件為Sevag試劑中氯仿與正丁醇體積比3:1、萃取3次，所得純化多糖的回收率為60.30%。

脫脂擠壓豆渣；水溶性大豆多糖；超聲提??；純化

我國是世界上加工大豆的主要國家之一，工業生產中一般會產生30%～35%的豆渣(soybean residue，SR)，由于其水分含量大，極易腐敗變質[1]，通常用作飼料或廢棄，造成浪費。豆渣的主要成分是子葉部的細胞壁多糖，約含30%的水溶性大豆多糖[2-3]。水溶性大豆多糖簡稱大豆多糖，它是一種酸性多糖，主要成分是半乳糖、阿拉伯糖、鼠李糖、海藻糖以及木糖等，具有多種生物活性，是一種天然的功能性成分，它可以改善食品的食用品質、加工特性，能夠抑制脂類氧化[4]和穩定酸性飲料中的蛋白質[5]，還可以作為食品中的乳化成分[6]，在食品中具有廣泛的應用前景。在抗氧化、抗菌、抗病毒及免疫調節等方面也有一定功效[7]。大豆多糖傳統的提取方法是熱水浸提，該法得率低、操作費時、能耗大。近年來，超聲波、微波等輔助提取方法已應用于多糖的提取[8-15]。兩種方法操作簡單，可大大縮短提取時間。美國環保局(EPA)已經將超聲波提取法作為基本分析方法[16]。本研究以脫脂擠壓豆渣為原料，將超聲波技術應用于大豆多糖的提取，并對其粗多糖進行純化，旨在為工業化提取大豆多糖提供新方法，以期能提高豆渣的利用率，降低大豆產品的生產成本。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

豆渣(烘干，經檢測干豆渣含水分8.45%、蛋白質18.61%、脂肪11.87%、纖維素52.46%、灰分3.52%)市購。

濃硫酸、苯酚、無水乙醇、9 5%乙醇、氯仿、正丁醇、葡萄糖、丙酮等(均為分析純)；葡萄糖標準品 Sigma公司。

101型電熱鼓風干燥箱 上海躍進醫療器械廠；VCX500型超聲波破碎機 寧波新芝生物科技股份有限公司；LJX-Ⅱ型離心沉淀機 上海醫用分析儀器廠；722型可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；6K-80電熱恒溫水浴鍋 常州市國立試驗設備研究所；GB204分析天平 日本島津公司；RE-52AA旋轉蒸發儀上海申勝生物科技有限公司；FD21冷凍干燥機 北京博醫康技術公司。

1.2 方法

1.2.1 超聲波輔助提取與純化工藝流程

干豆渣→索氏提取(乙醚脫脂)→擠壓(單螺桿擠壓機)→粉碎(過40目篩)→加一定溫度蒸餾水→調pH值→超聲波輔助浸提→離心(4500r/min，30min)→取上清液→濃縮→95%乙醇沉淀粗多糖→抽濾→稱量計算得率→水溶解→Sevag試劑去蛋白→95%乙醇沉淀→離心(4000r/min，20min)→沉淀物→無水乙醇洗滌→真空冷凍干燥→測定多糖含量

1.2.2 樣品中大豆多糖得率計算

1.2.2.1 標準曲線的測定

大豆多糖測定采用改進的苯酚-硫酸法[17]。精確稱取105℃干燥至質量恒定的葡萄糖標準樣品25mg于250mL容量瓶中加水定容，搖勻，然后分別吸取0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8mL，各以水補至2.0mL，然后加入6%苯酚液1.0mL，再加濃硫酸至總體積達10mL，混合均勻后，室溫放置30min，在波長490nm處測定吸光度，以2.0mL水按同樣顯色操作為空白，橫坐標為葡萄糖質量濃度、縱坐標為吸光度，繪制標準曲線。得線性回歸方程為：

A=0.0129C＋0.029，r=0.997

式中：A為吸光度；C為測定液質量濃度/(mg/mL)。

1.2.2.2 大豆多糖得率計算

吸取樣品液1.0mL按上述步驟操作，在波長490nm處測定大豆多糖吸光度。重復3次，取平均值。根據標準曲線方程求出樣品液中大豆多糖的含量，并計算多糖得率。

1.2.3 多糖提取單因素試驗設計

利用單因素試驗分別考察pH值、液料比、熱水溫度、超聲功率、超聲時間、超聲溫度6個因素對大豆多糖得率的影響程度，選擇最佳的提取工藝條件。

1.2.4 多糖提取正交試驗設計

為了優化提取工藝條件，參照單因素試驗結果設計正交試驗L9(34)，其因素及水平見表1。

表1 多糖提取正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels in orthogonal tests

1.2.5 多糖純化

應用Sevag法[18-20]去除大豆多糖中的蛋白質。此方法條件溫和，可避免多糖降解。用于除蛋白的Sevag試劑(氯仿＋正丁醇)具有不同比例，本實驗結合大豆多糖的性質，選擇Sevag試劑的最佳比例及萃取次數，以取得最高的純化多糖的回收率。

本實驗選擇Sevag試劑中氯仿-正丁醇的體積比分別為5:1、4:1、3:1，除蛋白的次數分別為2、3次。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 pH值對大豆多糖得率的影響

稱取20g干豆渣，按液料比25:1(mL/g)加入90℃蒸餾水，調pH值分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5，在60℃、200W功率條件下超聲處理40min，結果見圖1。

圖1 pH值對大豆多糖得率的影響Fig.1 Effect of pH on extraction rate of soybean polysaccharides

結果表明，當pH值為3時，大豆多糖的得率較低，主要是因為大豆多糖雖屬酸性多糖，但在酸性較強的條件下，易導致其中某些鍵或側鏈的斷裂，從而造成得率較低。當pH值為4.5時，多糖的得率達到最大。故pH值選定在4.5為最佳。

2.1.2 液料比對大豆多糖得率的影響

稱取20g干豆渣，按液料比10:1、15:1、20:1、25:1、30:1、35:1加入90℃的蒸餾水，調至pH4.5，在60℃、200W功率條件下超聲處理40min。

圖2 液料比對大豆多糖得率的影響Fig.2 Effect of material/liquid ratio on extraction rate of soybean polysaccharides

由圖2可知，液料比在10:1～25:1之間時，大豆多糖得率上升最為迅速。液料比高于25:1時，多糖的得率趨于穩定，變化幅度不大。這是由于大豆多糖從細胞到溶劑是一個由濃度差推動的擴散過程，溶劑用量越多細胞內外的濃度差就越大。當溶劑增加到一定程度之后再增加溶劑用量并不會明顯提高多糖的得率。

2.1.3 熱水提取溫度對大豆多糖得率的影響

稱取20g干豆渣，按液料比25:1加入蒸餾水，蒸餾水溫度分別為60、70、80、90、100℃，調至pH4.5、60℃、200W功率條件下超聲處理40min。

圖3 提取溫度對大豆多糖得率的影響Fig.3 Effect of extraction temperature on extraction rate of soybean polysaccharides

由圖3可知，多糖得率隨提取溫度的升高不斷提高，因為提取溫度升高會加快溶液的擴散速率，促進細胞內的多糖物質向外擴散。提取溫度為90℃時得率達到最大，由于大于100℃提取需要壓力設備，不僅會使提取成本增加，而且提取溫度過高還會破壞大豆多糖的結構，故提取溫度選擇90℃為宜。

2.1.4 超聲波功率對大豆多糖得率的影響

本實驗頻率保持在45kHz，選用不同的功率進行提取。稱取20g干豆渣，按液料比25:1加入90℃蒸餾水，調至pH4.5，在60℃，50、100、150、200、250、300W條件下超聲處理40min。

圖4 超聲波功率對大豆多糖得率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on extraction rate of soybean polysaccharides

由圖4可知，當功率較小時，大豆多糖的得率隨著超聲波功率的提高而提高，因為加大超聲波功率，超聲空化作用加強，機械剪切作用也加強，有助于細胞多糖的溶出。但當功率達到一定程度(200W)時，功率再進一步提高，得率反而呈下降趨勢。這是因為功率過大可能會使多糖分子降解程度加大，故超聲波功率以150～200W為宜。

2.1.5 超聲波輻射時間對大豆多糖得率的影響

稱取20g干豆渣，按液料比25:1加入90℃的蒸餾水，調至pH4.5，在60℃、200W的功率條件下超聲處理 10、20、30、40、50、60min。

圖5 超聲波輻射時間對大豆多糖得率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic treatment time on extraction rate of soybean polysaccharides

從圖5可知，超聲波輻射時間少于40min時，超聲波輻射時間越長，多糖得率越高。處理40min時多糖得率達到最大。超聲波輻射時間再延長，多糖得率開始下降，究其原因可能是由于超聲波較強的機械剪切作用，長時間處理不僅會使大分子多糖降解，同時也使蛋白質等其他雜質開始溶出，得到的多糖含量下降。故用超聲波處理多糖浸提液的時間以40min為宜。

2.2 大豆多糖提取正交試驗

超聲波輔助提取大豆多糖時，超聲波處理溫度以60℃為宜。實驗顯示，高于60℃易使蛋白質發生變性，而且會使部分多糖水解為單糖或低聚糖，多糖得率反而下降。故提取過程中超聲波處理溫度60℃為宜。

在超聲波處理溫度60℃、熱水溫度90℃條件下，以大豆多糖得率作為評價指標，選取對得率有較大影響的超聲波功率、超聲波輻射時間、液料比、pH值4個因素進行L9(34)正交試驗，確定最佳提取工藝條件，結果見表2。

表2 大豆多糖提取正交試驗設計及結果Table 2 Scheme and results of orthogonal array design

從表2可以看出，超聲波功率(A)、超聲波輻射時間(B)、液料比(C)、pH值(D)對大豆多糖得率影響的大小順序是B＞C＞D＞A；根據正交試驗結果最佳工藝條件為A2B3C1D2，即超聲波功率200W、超聲波輻射時間40min、液料比20:1、pH4.5，此時多糖得率為8.82%。

2.3 粗多糖的純化

將正交試驗提取的粗多糖進行純化。將按最佳提取條件所獲粗多糖用不同比例Sevag試劑純化，以期獲得最佳品質多糖，具體見表3。結果表明，Sevag試劑配方中氯仿與正丁醇的比值較小，且萃取的次數較多時，對提高純化多糖回收率有利。最佳萃取條件為氯仿與正丁醇體積比為3:1，且萃取3次時，純化多糖的回收率達到60.30%。

表3 Sevag試劑配方與純化多糖回收率的關系Table 3 Relationship between Sevag reagent formula and extraction rate of soybean polysaccharides

2.4 傳統的熱水浸提法與超聲波輔助提取法比較

表4 兩種方法比較結果Table 4 Comparison of extraction rates between two extraction methods

由表4可知，與傳統的熱水浸提法相比，超聲波輔助提取可顯著提高大豆多糖的得率，明顯縮短提取時間，同時又降低能量消耗，所以該方法是輔助提取多糖的好方法，具有快速、節能、高效等優點。

3 結 論

超聲波輔助提取大豆多糖的最佳工藝條件為提取pH4.5、熱水溫度90℃、液料比20:1、超聲波功率200W、超聲波提取時間40min、超聲波提取溫度60℃，此時水溶性大豆多糖的得率為8.82%。

純化粗多糖的最佳條件為Sevag試劑中氯仿與正丁醇的比例3:1、萃取3次，此時蛋白脫除效果較好，多糖損失也較少，所得純化產物中多糖的回收率最高，達到60.30%。

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Ultrasonic-assisted Extraction and Purification of Water-soluble Polysaccharides from Soybean Dregs

CHEN Hong，ZHANG Bo，LIU Xiu-qi，LI Hong，WANG Da-wei*
(College of Food Science and Engineering, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

Skimmed extruded soybean dregs were used as the raw material to prepare water-soluble polysaccharides through the steps of ultrasonic-assisted extraction and purification by Sevag's method. The optimal ultrasonic-assisted extraction parameters were found to be extraction pH of 4.5, temperature of 90 ℃, material/liquid ratio of 1:20 (g/mL), ultrasonic power of 200 W, and ultrasonic extraction time of 40 min. Under these optimal extraction conditions, the extraction rate of watersoluble soybean polysaccharides was up to 8.82%. The purification of crude polysaccharides was achieved by treating with a Sevag reagent composed of CHCl3 andn-butanol (3:1,V/V) 3 times. The recovery rate of purified polysaccharides was up to 60.30%.

skimmed extruded soybean dregs；water-soluble soybean polysaccharide；ultrasonic extraction；purification

TS214.2

A

1002-6630(2011)06-0139-04

2010-07-11

吉林農業大學科學研究啟動基金項目(2009-6)

陳紅(1976—)，女，講師，博士，主要從事食品營養與功能食品開發研究。E-mail：chenhong216@yahoo.com.cn

*通信作者：王大為(1960—)，男，教授，博士，主要從事功能食品開發研究。E-mail：xcpyfzx@163.com