從豆渣中提取水溶性大豆多糖的工藝優化研究

桂雨豪，郭藹明，楊錦杰，鐘振聲*

（華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510640）

豆渣是大豆食品加工的副產物，我國每年用于食品加工的大豆約1 000萬t左右，按每加工1 t大豆產生2 t濕豆渣來算，我國大豆行業每年產生約2 000萬t濕豆渣[1-3]。目前，大部分豆渣被用作飼料、肥料使用，資源的利用度不高。豆渣干物質中含有約30%的水溶性多糖類物質[1-3]，是一種天然的功能性活性成分，具有良好的抗氧化和穩定酸性乳液中蛋白質的作用[4-5]。如何高值利用豆渣中的生理活性物質是一個有應用前景的研究課題。

目前對水溶性大豆多糖（soybean soluble polysaccharide，SPSS）的提取方法主要有熱水提取法、酸法、堿法、微波法和超聲波輔助酶解法等[5-11]。MAKIO M等[12]用熱水蒸煮大豆子葉得到了38%的SPSS；汪洪濤等[13]在酸性條件提取SPSS，提取率達到36.02%；KAWAMURA S等[14]在90 ℃水中逐步加入草酸銨和0.5%的NaOH得到了32%的SPSS；尹艷等[15]對微波提取豆渣中水溶性大豆多糖進行研究，提取率為18.04%；田瑞紅等[16]采用超聲波協同纖維素酶法提取水溶性大豆多糖，最后提取率為25.92%。

本實驗主要利用水壓熱法從豆渣中提取水溶性大豆多糖的工藝，在密閉反應體系中水受熱變成蒸汽并形成一定的壓力，豆渣纖維素、半纖維素等的碳鏈發生裂解，形成分子質量更小的水溶性大豆多糖。水壓熱法不需要添加其他化學物質或酶制劑，產物的分離提純比較簡單，生產設備也比微波法和超聲波法簡單。本研究探討了各項工藝參數對所得多糖產品品質的影響，嘗試用簡單的工藝在兼顧產物品質的同時提高SPSS的收率，為生產高品質的水溶性大豆多糖提供一條思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆渣粗纖維：廣州華匯公司提供；鹽酸、氫氧化鈉等均為分析純試劑。

1.2 儀器與設備

島津UV-2450紫外可見分光光度計：杭州瑞析科技有限公司；Scientz-10N冷凍干燥機：上海儀電科學儀器股份有限公司；PHS-3CpH計：寧波新芝生物科技股份有限公司；RE-52AA旋轉蒸發器、SHZ-D（Ⅲ）水循環真空泵：上海亞榮生化儀器廠；DF-101s集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義予華儀器公司；PCF高壓反應釜：鄭州探索者實驗室設備有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 水溶性大豆多糖的制備

將烘干的豆渣粗纖維過40目篩，加入一定體積的蒸餾水，攪拌均勻，加入1∶1（V/V）HCl將溶液調至合適的pH值，放入高壓反應釜中反應一定時間，過濾。取濾液，濃縮至一定體積，在-40℃冷凍干燥，得到大豆粗多糖。

1.3.2 多糖透明度測定[17]

多糖透明度測定按照國家糧食行業標準LS/T 3301—2005《可溶性大豆多糖》中的方法進行。稱取3.00 g粗多糖樣品，慢慢加入97 mL水中，攪拌均勻，配制成3%多糖水溶液。以蒸餾水作參比，用1 cm比色皿，在波長610 nm處測定透光率表示多糖透明度。

1.3.3 還原糖測定

還原糖含量測定按照國標GB/T 5009.7—2008《食品中還原糖含量的測定》中的直接滴定法進行[18]。

1.3.4 粗多糖的產率

粗多糖的產率計算公式如下：

1.3.5 多糖純度[17]

可溶性多糖含量測定按照國家糧食行業標準LS/T 3301—2005《可溶性大豆多糖》中附錄A中方法進行，所得可溶性多糖含量與大豆粗多糖質量之比即為多糖的純度。

1.3.6 單因素試驗

分別以提取溫度（80℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140 ℃）、提取時間（1 h、2 h、3 h、4 h、5 h）、pH值（2.5、3.5、4.5、5.5、6.5）、固液比（1∶5、1∶10、1∶15、1∶20、1∶25（g∶mL））為影響因素，考察各因素對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響。

1.3.7 正交試驗設計

表1 提取工藝優化正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiments for extraction technology optimization

在單因素試驗的基礎上，進行4因素3水平正交試驗。綜合評分（Z）標準為：將各項指標除以最大值再乘以100為該項得分，設定粗多糖產率（x）、還原糖含量（y）、透明度（m）、多糖純度（n）各項系數為0.25，對四項指標加權求和。通過公式Z=0.25x-0.25y+0.25m+0.25n，得到綜合評分（Z）。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 提取溫度對產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響

圖1 提取溫度對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、水溶性大豆多糖純度的影響Fig.1 Effect of extraction temperature on crude polysaccharides yield,reducing sugar content,transparency and purity of SPSS

由圖1可知，在固液比1∶20（g∶mL）、反應時間2 h、pH 4.5的固定條件下，產率、還原糖含量與溫度呈正比例關系，80～120℃產率提高最快，120℃以后增長幅度開始下降；而還原糖含量在110℃以前基本保持不變，之后呈線性增長并有持續增長的趨勢。在80～120℃之間，產物透明度基本保持不變，溫度＞120℃后透明度直線下降。多糖純度隨著溫度升高先增后減，在110℃純度最高。綜合考慮，選擇提取溫度120℃為宜。

2.1.2 提取時間對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響

圖2 提取時間對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響Fig.2 Effect of extraction time on crude polysaccharides yield,reducing sugar content,transparency and purity of SPSS

由圖2可知，在固液比1∶20（g∶mL）、溫度120 ℃、pH 4.5的固定條件下，產率、還原糖含量與提取時間呈正比例關系，在1～3 h內，產率隨提取時間逐漸升高，3 h之后基本維持穩定；而還原糖與提取時間一直保持著線性的增長。透明度和多糖純度與時間呈反比例關系，在3 h以前，透明度隨時間的增長顯著降低，3 h后下降趨勢變換并有逐漸穩定的趨勢；多糖純度雖然一直降低，但是在2～3 h之間變化較慢。為了得到高品質的多糖產品，選擇提取時間以2 h為宜。

2.1.3 pH值對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響

圖3 pH對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響Fig.3 Effect of pH on crude polysaccharides yield,reducing sugar content,transparency and purity of SPSS

由圖3可知，在固液比1∶20（g∶mL）、溫度120 ℃、提取時間3 h的固定條件下，產率、還原糖含量與pH值呈反比例關系，在pH 2.5～4.5時，產率和還原糖含量下降速度很快，當pH＞4.5以后，下降速度變緩。透明度和多糖純度與pH值呈正比例關系，在pH 2.5～4.5，透明度和多糖純度顯著提高，pH＞4.5以后，透明度和多糖純度緩慢提高并有逐漸不變的趨勢。綜合考慮，選擇pH 4.5為宜。

2.1.4 固液比對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響

圖4 固液比對粗多糖產率、還原糖含量、透明度、多糖純度的影響Fig.4 Effect of solid-liquid ratio on the crude polysaccharides yield,reducing sugar content,transparency and purity of SPSS

由圖4可知，在溫度120℃、pH 4.5、提取時間2 h的固定條件下，產率、多糖純度、透明度與固液比呈正比例關系，在固液比1∶5～1∶15（g∶mL），產率、透明度、多糖純度均有顯著提高；在固液比＞1∶15（g∶mL）以后，上升變緩；而還原糖含量與固液比變化關系不大。綜上所述，選擇固液比定在1∶20（g∶mL）為宜。

2.2 多糖提取的工藝優化正交試驗

為了優化酸性條件下提取水溶性大豆多糖的工藝條件，考察各因素對試驗結果的影響情況，在單因素試驗基礎上，設計4因素3水平的L9（34）正交試驗，結果與分析見表2。

表2 提取工藝優化正交試驗結果與分析Table 2 Results and analysis of orthogonal experiments for extraction technology optimization

由表2可知，以粗多糖產率為評價指標各因素的影響順序為提取溫度（B）＞提取時間（D）＞固液比（A）＞pH值（C），溫度對產率的影響最大，粗多糖產率最高的組合是A2B3C1D3，即最佳提取工藝為固液比1∶20（g∶mL），提取溫度130℃，pH 3.5，提取時間3 h。

以還原糖為評價指標各因素的影響順序為pH值（C）＞提取溫度（B）＞提取時間（D）＞固液比（A），提取溫度對還原糖含量的影響最大，還原糖最低的組合是A1B1C3D1，即最佳提取工藝為固液比1∶15（g∶mL），提取溫度110 ℃，pH 5.5，提取時間1 h。

以透明度為評價指標各因素的影響順序為提取溫度（B）＞pH值（C）＞提取時間（D）＞固液比（A），提取溫度對透明度的影響最大，透明度最高的組合是A3B1C2D1，即最佳提取工藝為固液比1∶25（g∶mL），提取溫度110 ℃，pH 4.5，提取時間1 h。

以多糖純度為評價指標各因素的影響順序為pH值（C）＞提取溫度（B）＞提取時間（D）＞固液比（A），pH值對多糖純度的影響最大，多糖純度最高的組合是A2B1C2D1，即最佳提取工藝為固液比1∶20（g∶mL），提取溫度110 ℃，pH 4.5，提取時間1 h。

綜合考慮，提取溫度對可溶性大豆多糖產品影響最大，pH值和提取時間其次，固液比的影響較小。根據綜合評分，組合4評分最高，所以宜選用A2B1C2D3組合，即工藝條件為固液比1∶20（g∶mL），提取溫度110 ℃，pH 4.5，提取時間3 h。在此最佳條件下得到的水溶性大豆多糖產率為52.4%，透明度為86.14%，還原糖含量為3.86%，多糖純度為69.88%。

3 結論

本研究通過單因素試驗考察了固液比、溫度、pH值、提取時間對水溶性大豆多糖產品各方面的影響，通過正交試驗確定了影響產率、透明度、還原糖含量、多糖純度的主次順序。通過綜合評價系統得出了采用水壓熱法從豆渣提取大豆多糖的最佳工藝條件為固液比1∶20（g∶mL），溫度110℃，pH 4.5，提取時間3 h。在此最佳條件下得到的水溶性大豆多糖產率為52.4%，透明度為86.14%，還原糖含量為3.86%，多糖純度為69.88%。

[1]張振山，葉素萍，李 泉，等.豆渣的處理與加工利用[J].食品科學，2004，25（10）：400-405.

[2]董 英.大豆渣營養價值及其綜合利用[J].糧食與油脂，2001（12）：41-42.

[3]高金燕.豆渣的營養與藥用價值[J].中國食物與營養，2003（11）：48-50.

[4]FURUTA H,MAEDA H.Rheological properties of water-soluble soybean polysaccharides extracted under weak acidic condition[J].Food Hydrocolloid,1999,13(3):267-274.

[5]譚永輝，王文生，秦玉昌，等.豆渣中水溶性大豆多糖的提取與應用[J].大豆科學，2008，27（1）：150-153.

[6]FURUTA H,TAKAHASHI T,TOBE J,et al.Extraction of water-soluble soybean polysaccharides under acidic conditions[J].Biosci Biotech Biochem,1998,62(12):2300-2305.

[7]NAKAMURA A,FURUTA H,MAEDA H,et al.Analysis of structural components and molecular construction of soybean soluble polysaccharides by stepwise enzymatic degradation[J].Biosci Biotech biochem,2001,65(10):2249-2258.

[8]NAKAMURA A,YOSHIDA R,MAEDA H,et al.Soy soluble polysaccharide stabilization at oil-water interfaces[J].Food Hydrocolloid,2006,20(2):277-283.

[9]田瑞紅，江連洲，胡少新，等.超聲波酶法提取豆渣中水溶性多糖條件的優化[J].食品工業科技，2011，32（11）：305-308.

[10]張學兵.水溶性大豆多糖的提取及其在酸性乳飲料中的應用研究[D].杭州：浙江工商大學碩士論文，2009.

[11]馬殿君，張永泰.水溶性大豆多糖的制備及其在酸性乳飲料中的應用[J].飲料工業，2007，10（7）：19-21.

[12]MAKIO M.Polysaccharides of soybean seeds:Part I.Polysaccharide constituents of“hot-water-extract”fraction of soybean seeds and an arabinogalactan as its major component[J].Agr Biol Chem,1965,29(6):564-573.

[13]汪洪濤，陳 成，李小華，等.豆渣中水溶性大豆多糖提取工藝的優化[J].江蘇農業科學，2013，41（12）：290-292.

[14]KAWAMURA S,NARASAKI T.Studies on the carbohydrates of soybeans:partVI.componentsugarsoffractionatedpolysaccharides,especially identification of fucose in some hemicelluloses[J].Agr Biol Chem,1961,25(7):527-531.

[15]尹 艷，高文宏，于淑娟.微波提取水溶性大豆多糖工藝研究[J].食品研究與開發，2008，29（2）：21-23.

[16]田瑞紅，江連洲，胡少新，等.超聲波酶法提取豆渣中水溶性多糖條件的優化[J].食品工業科技，2011（11）：305-308.

[17]南京財經大學.LST 3301—2005可溶性大豆多糖[S].北京：中國標準出版社，2005.

[18]中國疾病預防控制中心營養與食品安全所，北京市疾病預防控制中心.GB/T 5009.7—2008食品中還原糖含量的測定[S].北京：中國標準出版社，2008.