酶法提取豆渣中水溶性膳食纤维工艺研究

摘要：以大豆分离蛋白质时所产生的废豆渣为原料，采用酶法提取豆渣中水溶性膳食纤维，以豆渣水溶性膳食纤维得率为指标，考察纤维素酶添加量、溶液pH、酶解次数、酶解温度和酶解时间5个因素，通过单因素试验与均匀设计，确定了制备水溶性膳食纤维的最佳酶解条件，纤维素酶添加量为原料的2%，pH 4.5，酶解温度为51 ℃，酶解时间为2.0 h。在最佳条件下，水溶性膳食纤维得率可达11.48%，该结果可为豆渣中制备水溶性膳食纤维酶的选择和应用提供参考。

关键词：豆渣；纤维素酶；水溶性膳食纤维

中国分类号：TS209 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）09-2193-04

豆渣是豆腐、豆腐皮、腐竹等大豆制品加工中的主要副产物，占全豆干重的15%～20%。干的豆渣中含有18.0%～28.4%粗蛋白质，9.3%～10.9%脂肪、40.2%～43.6%不溶性纤维、12.6%～14.6%可溶性纤维和3.8%～5.3%可溶性碳水化合物[1]，豆渣是一种理想的纤维素源。生产膳食纤维的原料多来源于食品生产过程中的下脚料，大部分原料含有大量的水分、灰分、脂肪、淀粉和蛋白质等杂质[2]。因此，分离制备工艺中要进行预处理改变原料中各成分的相对含量，进而增加膳食纤维的相对含量。纤维素酶可分解不溶性膳食纤维中的纤维素成分，生成小分子量的单糖或寡糖，从而增加了水溶性膳食纤维的得率。在豆渣膳食纤维中加入纤维素酶可增加水溶性膳食纤维的百分率，改变膳食纤维的质量和生物活性。

本试验以豆制品加工过程中产生的副产品豆渣为主要原料，通过预处理除去豆渣中的杂质，采用纤维素酶对其不溶性膳食纤维进行部分降解，从而提高水溶性膳食纤维得率。本试验研究了纤维素酶添加量、溶液pH、酶解时间、酶解温度、酶解次数对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响，同时利用均匀试验的优化设计通过DPS分析软件进行分析，最终获得最佳酶解工艺参数，以期为豆渣中水溶性膳食纤维的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

豆渣，购于河南省安阳市内黄县富口豆制品厂；纤维素酶，购于湖北立业生物制品有限公司；盐酸、氢氧化钠、乙醇、醋酸钠等均为分析纯。

1.2 主要仪器设备

202-2A型电热恒温鼓风干燥箱、Fw-400A型倾斜式高速万能试样粉碎机、DZWK-4型电热恒温水浴锅，购于北京中兴伟业仪器有限公司；样品筛（60网目），购于浙江上虞市五四仪器筛具厂；FE20型实验室pH计，购于梅特勒-托利多（上海）有限公司；TDL8O-2B型台式离心机，购于上海安亭科技仪器厂；FA2104型电子天平，购于上海恒平科技仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 技术路线

1）预处理。采用碱-酸法去除豆渣中的蛋白质和脂肪。选取新鲜豆渣，在鼓风干燥箱中50～70 ℃干燥8～10 h，每0.5 h翻搅一次，以防豆渣褐变。之后在常温下1%NaOH溶液中浸泡0.5 h，再用37%的HCl溶液调节溶液的pH至中性，再用1%HCl溶液浸泡0.5 h，调节溶液至中性，过滤干燥粉碎制成干燥豆渣粉。

2）水浴、离心。取5.0 g预处理后的豆渣粉，加75 mL蒸馏水，置于60 ℃水浴30 min。将水浴后的溶液分装到离心管中，3 500 r/min离心10 min，收集上清液，未溶解部分待用。

3）酶解、离心。取未溶解部分（即IDF）加75 mL去离子水，加入一定量的纤维素酶，于适宜pH、温度、时间内反应后，恒温水浴振荡1.5 h，沸水浴10 min灭酶。将酶解后的溶液分装到离心管中，3 500 r/min离心10 min。

4）沉淀、干燥。收集上清液，取两部分上清液用4倍体积95%乙醇沉淀1.0 h，离心收集沉淀。将所得沉淀干燥，在鼓风干燥箱中50～70 ℃干燥8～10 h，每0.5 h翻搅1次。

5）冷却、称重。将干燥好的可溶性膳食纤维即SDF，放入干燥器中30 min冷却至室温后称量酶解后的重量并计算得率。

1.3.2 评定标准 以干燥的水溶性膳食纤维（SDF）的得率为评价指标，分析各单因素对水溶性膳食纤维得率的的影响，并对提取工艺进行优化。计算公式如下：

SDF得率=■×100%

1.3.3 单因素对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响

1）纤维素酶添加量。称取预处理的豆渣粉5 g，纤维素酶添加量分别为原料的1%、2%、3%、4%、5%，在温度50 ℃，pH 4.5条件下提取1.5 h，计算水溶性膳食纤维得率。

2）溶液pH。称取预处理的豆渣粉5 g，pH分别为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，纤维素酶添加量为原料的2%，温度50 ℃条件下提取1.5 h，计算水溶性膳食纤维得率。

3）酶解时间。称取预处理的豆渣粉5 g，提取时间分别为1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h，纤维素酶添加量为原料的2%，温度50 ℃，pH 4.5，计算水溶性膳食纤维得率。

4）酶解温度。称取预处理的豆渣粉5 g，提取温度为40、45、50、55、60 ℃，纤维素酶添加量为原料的2%，pH 4.5条件下提取1.5 h，计算水溶性膳食纤维得率。

5）酶解次数。称取预处理的豆渣粉5 g，酶解次数为1、2、3、4、5，纤维素酶添加量为原料的2%，温度为50 ℃，pH 4.5条件下提取1.5 h，计算水溶性膳食纤维得率。

1.3.4 豆渣中提取水溶性膳食纤维工艺的优化设计 在单因素试验的基础上，以水溶性膳食纤维得率为评价指标，选取纤维素酶添加量、溶液pH、酶解时间、酶解温度4个因素进行均匀设计，确定U6*（64）优化设计方案。

2 结果与分析

2.1 单因素对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响

2.1.1 纤维素酶添加量对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响 由图1可以看出，当纤维素酶添加量为1%～4%时，豆渣中水溶性膳食纤维得率随纤维素酶添加量的增加而增加。这是由于纤维素酶可使豆渣中的不溶性膳食纤维发生降解，分子链被切断，使其分子质量降低，溶解度发生改变，一部分不溶性膳食纤维变成水溶性膳食纤维。纤维素酶添加量大于3%后，水溶性膳食纤维得率的增加趋于平缓。根据酶作用底物的原理[3]，酶量的增大使得单位酶作用底物减少，因此水溶性膳食纤维得率增加缓慢。因此，选择纤维素酶添加量为2%～4%进行后续均匀试验。

2.1.2 溶液pH对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响 由图2可知，当溶液pH 4.0～5.0时，豆渣中水溶性膳食纤维得率随溶液pH的增大而增加；pH 5.0时，水溶性膳食纤维得率达到最大，为10.92%；当pH 5.0～6.0时，水溶性膳食纤维得率逐渐降低。pH对酶活力的影响很大，过酸、过碱都会影响酶蛋白的构象，甚至使酶变性失活[4]。在一定的pH条件下，酶活力最高，酶促反应具有最大速度，高于或低于此值时反应速度下降。所以，选择pH 4.5～5.5作为均匀试验的因素水平。

2.1.3 酶解时间对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响 由图3可知，当酶解时间为1.0～2.0 h时，豆渣中水溶性膳食纤维得率随酶解时间的延长而明显提高；酶解时间为2.0～5.0 h时，水溶性膳食纤维得率增加变缓，其原因可能是在提取初期，底物即豆渣浓度较高，水溶性多糖浓度较低，对酶反应的抑制作用小，酶促反应迅速进行，随着酶解时间的延长，酶的作用也越充分，水溶性膳食纤维得率迅速提高。但当酶解时间足够长时，底物的浓度不断降低和部分酶在提取过程中失活以及水溶性多糖的不断积累，产物的反馈抑制效应逐渐增强，酶促反应速度逐渐降低，因此豆渣中水溶性膳食纤维得率增加变缓。因此，选用2.0～4.0 h作为均匀试验的因素水平。

2.1.4 酶解温度对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响 由图4可知，随着酶解温度的升高，豆渣中水溶性膳食纤维得率逐渐增加，当酶解温度为50 ℃时达到最大，为11.38%；酶解温度继续升高，水溶性膳食纤维得率开始下降。根据酶促反应动力学原理，当酶在低于其最适温度时，随着温度升高，反应速度逐步加快；当高于其最适温度时，随着温度升高，酶逐渐变性，反应速度下降。因此，纤维素酶的最适温度为50 ℃，将45～55 ℃作为均匀试验的因素水平。

2.1.5 酶解次数对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响 由图5可知，豆渣中水溶性膳食纤维得率随酶解次数的增加而升高，但在3次循环工艺后水溶性膳食纤维得率趋于稳定，这可能是由于随着酶解次数的增多，不溶性膳食纤维降解成较低分子质量的多糖、低聚糖或单糖，在用乙醇溶液进行沉淀时，因为分子质量较小而不能被沉淀下来，从而使水溶性膳食纤维得率趋于稳定[5]。另外，随工艺步骤的不断增加，水溶性膳食纤维的损失也在增多。因此，选取酶解次数2次为佳。

2.2 豆渣中提取水溶性膳食纤维工艺优化的结果

选取纤维素酶添加量（X1）、溶液pH（X2）、酶解时间（X3）、酶解温度（X4）4个因素进行均匀设计，采用DPS分析软件所得的均匀设计方案及试验结果如表1所示。将表1的试验结果用DPS软件进行二次多项式逐步回归分析，在统计分析结果中，得到的回归方程为Y=1.597 1-0.607 6X2+0.062 7X22-0.317 1X1X3-0.000 7X2X3，相关系数R=0.999 8，F=547.97，？琢=0.032，剩余标准差S=0.000 6，调整后的相关系数Ra=0.998 9。回归方程检验的显著水平取？琢=0.05，判断得到回归方程显著，可以用于豆渣中水溶性膳食纤维提取的预测。

由表2可知，通过比较各变量显著水平的大小，分析得到对豆渣中提取水溶性膳食纤维得率的影响大小顺序为X1X3>X2X2>X2>X2X3。同时也可以表明，X4酶解温度在所取值的范围内对水溶性膳食纤维的影响较小。根据统计分析结果可知，最优的因素水平组合为纤维素酶的添加量为2%，溶液的pH为4.5，酶解温度51 ℃，酶解时间为2.0 h，最优条件下水溶性膳食纤维得率为11.48%。

3 小结

本试验分析了酶法在豆渣中提取水溶性膳食纤维的工艺流程以及纤维素酶添加量、溶液pH、酶解时间、酶解温度、酶解次数各单因素对豆渣中水溶性膳食纤维得率的影响。同时通过均匀设计方案的优化确定了最优的因素水平组合。

由因素试验结果可知，在纤维素酶最适温度为50 ℃，豆渣水溶性膳食纤维得率最大，为11.38%；最适pH 5.0，豆渣中水溶性膳食纤维得率最大，为10.92%；纤维素酶添加量为3%、酶解次数为3次、酶解3.0 h后水溶性膳食纤维得率的增加趋于稳定。均匀优化设计得到的最优因素水平组合为纤维素酶添加量为2%，溶液pH 4.5，酶解温度为51 ℃，酶解为2.0 h，最优条件下水溶性膳食纤维的得率为11.48%。

参考文献：

[1] 王东玲，李 波，芦 菲，等.豆腐渣的营养成分分析[J].食品与发酵科技，2010，46（4）：85-87.

[2] 司 方，王明力.酶法提取豆渣水溶性膳食纤维的研究[J].农产品加工，2009（3）：108-110.

[3] 肖 琼.超声波辅助植物纤维原料酶水解的研究[D].南京：南京林业大学，2006.

[4] 郭 勇.酶工程[M].北京：科学出版社，2004.

[5] 徐广超，姚惠源.豆渣水溶性膳食纤维制备工艺的研究[J].河南工业大学学报（自然科学版），2005，26（1）：54-57.