豆渣中水溶性膳食纖維的提取

郭 敏

（太原六味齋實業(yè)有限公司，山西太原030000）

人類社會進入21世紀，人們生活水平大幅提高，飲食日趨精細導致富貴病（糖尿病、心血管病、肥胖腸道癌、便秘等）越來越普遍。加之進入老齡化社會，人們對食品的消費觀念也發(fā)生了變化，對食品要求不僅僅停留在感官、口感上，而是越來越講究功能性。因此，可以相信21世紀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識。膳食纖維經過了30多年的研究和發(fā)展，已成為發(fā)達國家廣泛流行的保健食品。據悉，在歐美，高纖維類產品的年銷售額已過300億美元；在日本，食用纖維素類產品的年銷售額近100億美元，并正式將之列為繼蛋白質、脂肪、碳水化合物、水礦物質和維生素之后的“第七大營養(yǎng)素”。專家們一致認為，纖維食品將是21世紀的主導食品之一[1]。

我國是世界上種植大豆的主要國家之一，資源十分豐富，然而在豆制品加工過程中作為副產品的豆渣卻沒有得到有效利用，一般都作為飼料或廢棄物處理，經濟效益低，同時也造成了環(huán)境污染。若能將豆渣進一步加工成膳食纖維產品，既能防止資源的浪費，又可以減少污染。許多發(fā)達國家都已經建立了開發(fā)研制膳食纖維的專門機構，并有了膳食纖維的產品。但市售商品多為不可溶性和合成的可溶性膳食纖維2種，目前市場上還未見大豆可溶性膳食纖維的出售。試驗利用新鮮的豆渣為原料，采用了化學法，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，研制出質高、價廉、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；

結晶碳酸鈉、無水乙醇，均為分析純；工業(yè)乙醇，化學純。

1.2 儀器

JA5003N等級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品；RE-52AA型旋轉蒸發(fā)儀；TDL-40B型離心機，上海安亭科學儀器廠產品；GDH-9243BS-Ⅲ型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司產品；FZ102型電動植物粉碎機，天津市泰斯特儀器有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗原理

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

1.3.2 提取工藝

（1）豆渣的預處理。豆渣→干燥→粉碎→過80目篩→樣品。

（2）水溶性膳食纖維的提取工藝。豆渣經預處理后，稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除表面的蛋白質。在一定溫度下，用碳酸鈉溶液回流進行剝皮反應，一定時間后，對提取液進行離心過濾，濾液用乙醇作沉淀劑將水溶性膳食纖維沉淀下來。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[4]

1.4.1 浸提質量分數的選擇

稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除附著表面的蛋白質。在提取液質量分數分別為1%，2%，3%，4%，5%，浸提溫度為80℃，提取時間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進行剝皮反應，沉淀劑選用工業(yè)乙醇，以確定浸提質量分數。

1.4.2 浸提溫度的選擇

稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除附著表面的蛋白質。在提取液質量分數為3%，浸提溫度分別為60，70，80，90，100℃，提取時間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進行剝皮反應，沉淀劑選用工業(yè)乙醇，考查不同浸提溫度對浸提效果的影響。

1.4.3 提取時間的選擇

稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除附著表面的蛋白質。在提取液質量分數為3%，浸提溫度為80℃，提取時間分別為30，45，60，75，90 min，提取液用量為25 mL/g條件下進行剝皮反應，沉淀劑為工業(yè)乙醇，以確定最佳的提取時間。

1.4.4 提取液用量的選擇

稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除附著表面的蛋白質。在提取液質量分數為3%，浸提溫度為80℃，提取時間為60 min，提取液用量分別為15，20，25，30，35 mL/g條件下進行剝皮反應，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個因素都確定后，進一步研究無水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇3種對浸提效果的影響，并尋找最佳的沉淀劑與沉淀時間。

1.5 正交試驗設計

根據單因素試驗確定的碳酸鈉質量分數、浸提溫度、提取時間、提取液用量作為考查的4個因素，每因素3個水平，以水溶性膳食纖維質量為指標，用L9（34）正交表安排試驗得出最佳的浸提條件。

2 結果與分析

2.1 不同碳酸鈉溶液質量分數對浸提效果的影響

不同碳酸鈉溶液質量分數對浸提效果的影響見圖1

圖1 不同碳酸鈉溶液質量分數對浸提效果的影響

由圖1可知，當碳酸鈉溶液質量分數小于3%時，水溶性膳食纖維的質量增加明顯，其中從1%~2%時增加最為迅速，當在3%左右時到達最大值，但是當溶液質量分數超過3%時，浸提效果緩慢降低，但浸提效果還是高于1%時，因此選用質量分數為3%的碳酸鈉溶液較為合適。

2.2 不同浸提溫度對浸提效果的影響

不同浸提溫度對浸提效果的影響見圖2。

圖2 不同浸提溫度對浸提效果的影響

由圖2可知，在60~80℃時，浸提效果隨浸提溫度的增加而增加；在60~70℃時增加迅速，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，浸提效果降低，但變化不是很明顯；當浸提溫度升高到90℃以后時，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，浸提溫度應控制在80℃左右。

2.3 提取時間對浸提效果的影響

提取時間對浸提效果的影響見圖3。

圖3 提取時間對浸提效果的影響

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

2.4 提取液用量對浸提效果的影響

提取液用量對浸提效果的影響見圖4。

圖4 提取液用量對浸提效果的影響

由圖4可知，在提取液用量為15~25 mL/g時，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，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，浸提效果達到最大值；而在提取液用量超過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提取液對浸提效果較佳。

2.5 正交試驗

根據單因素試驗結果，設計的正交試驗。

正交試驗因素水平見表1，正交試驗及其直觀分析見表2。

表1 正交試驗因素水平

由表2可知，正交試驗的最佳組合為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、碳酸鈉溶液質量分數、提取時間，得到的理論最佳提取方案為A2B2C2D2。經過試驗驗證得A2B2C2D2優(yōu)于A2B2C3D1組合。因此，確定的最佳浸提條件為碳酸鈉質量分數3%，浸提溫度80℃，提取液用量25 mL/g，提取時間60 min。

表2 正交試驗及其直觀分析

2.6 沉淀劑的選擇

2.6.1 無水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇[5]

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

稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除附著表面的蛋白質。在提取液質量分數為3%，浸提溫度為80℃，提取時間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進行剝皮反應，分別選擇無水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇3種乙醇作為沉淀劑進行試驗，并以無水乙醇作為對照，以考查不同沉淀劑隨沉淀時間不同對沉淀效果影響。

不同沉淀劑隨沉淀時間對沉淀效果的影響見圖5。

圖5 不同沉淀劑隨沉淀時間對沉淀效果的影響

圖5 為3種不同沉淀劑隨沉淀時間變化而提取的水溶性膳食纖維質量的變化圖，以無水乙醇為對照進行試驗95%乙醇與無水乙醇之間沒有明顯區(qū)別，都是在0~4 h內不斷升高，4 h時達到沉淀量最高，4 h以后基本沒有變化。而工業(yè)乙醇在0~10 h內不斷升高，但在各個時間段沉淀量都沒有無水乙醇和95%乙醇的高，直到10~12 h時才與無水乙醇和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異，只有沉淀時間的不同而已。因此，在試驗過程中為節(jié)約成本，選擇工業(yè)乙醇為最為恰當。

2.6.2 工業(yè)乙醇、蒸餾后乙醇

稱取2 g樣品，用水反復洗滌以去除附著表面的蛋白質。在提取液質量分數為3%，浸提溫度為80℃，提取時間為60 min，提取液用量為25 mL/g條件下進行剝皮反應，分別選擇工業(yè)乙醇、蒸餾后乙醇2種乙醇作為沉淀劑進行試驗，并以工業(yè)乙醇作為對照，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間變化見圖6。

圖6 工業(yè)乙醇與蒸餾后乙醇沉淀量隨沉淀時間變化

由圖6可知，蒸餾后乙醇與工業(yè)乙醇基本沒有明顯區(qū)別。因此，在試驗過程中，可以使用旋轉蒸發(fā)儀對使用過的乙醇進行蒸餾重新提取，提取出的乙醇也可以作為沉淀劑繼續(xù)使用，并且對試驗不會產生影響，這樣就可以大大降低成本。

3 討論

3.1 提高產率的途徑

采用大豆豆渣提取水溶性膳食纖維時，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率降低。在提取過程中，水溶性膳食纖維隨處理次數的增多而減少，因此在提取水溶性膳食纖維時應該盡量減少中間環(huán)節(jié)。另外，提取液的pH值對產率大小影響也很大。當pH值<12時剝皮反應很難進行，因此提取液的pH值應控制在13左右，有利于反應順利進行[6]。

3.2 超聲波清洗對提取率的影響

超聲波清洗機的使用可以加速2種物質的接觸面積，增快2種反應物的反應速度，那么如果在試驗過程中，一是在豆渣與碳酸鈉溶液反應時放入超聲波清洗機中時，是不是可以使剝皮反應進行地更加充分，從而提高水溶性膳食纖維的提取率；二是，在沉淀過程中，將其放入超聲波清洗機中一段時間，是不是可以加快沉淀速度，從而使沉淀時間縮短，加快了沉淀效率。因此，如果超聲波清洗機真的可以提高水溶性膳食纖維的提取率，那么就必須再進行嚴謹的試驗，以確立較為適合的清洗時間，從而提高對水溶性膳食纖維的提取率。

4 結論

采用正交試驗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量分數3%，浸提溫度80℃，提取液用量25 mL/g，提取時間60 min。試驗結果證明，以此條件提取水溶性膳食纖維產率較高、品質較好。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，也可使用旋轉蒸發(fā)儀對使用過的乙醇進行蒸餾重新提取，提取出的乙醇也可以作為沉淀劑繼續(xù)使用，而對試驗不會產生影響。

總之，膳食纖維對人體的特殊療效作用日漸明顯，其特殊的營養(yǎng)功能受到醫(yī)學及食品界的廣泛關注。而從豆渣中制備開發(fā)水溶性膳食纖維的研究正在不斷深入，這將極大地促進豆渣水溶性膳食纖維在食品中的應用。膳食纖維類新產品將擁有廣闊的消費市場。