田瑞紅，江連洲,*，李 丹

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.寧德師范學(xué)院，福建 寧德 352100)

水酶法提取豆渣中水溶性多糖的工藝優(yōu)化

田瑞紅1，江連洲1,*，李 丹2

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.寧德師范學(xué)院，福建 寧德 352100)

以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，對超聲輔助熱提水溶性大豆多糖的工藝進行優(yōu)化。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇超聲功率、超聲時間、液固比、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度、提取溫度為自變量，水溶性大豆多糖提取率為響應(yīng)值，利用中心旋轉(zhuǎn)組合試驗和響應(yīng)面分析法，研究各變量對水溶性大豆多糖提取率的影響。結(jié)果模擬得到二次多項式回歸方程的預(yù)測模型，并確定超聲提取水溶性大豆多糖的條件為 超聲功率150W、提取溫度88℃、超聲時間17min、液固比28:1、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度2g/100mL，在此條件下，水溶性大豆多糖提取率的預(yù)測值為12.06%，驗證實驗所得水溶性大豆多糖的提取率為11.52%。優(yōu)化的工藝條件操作簡單、易行、提取率高，適宜在實踐中應(yīng)用。

水溶性大豆多糖；超聲波；響應(yīng)面分析法；水酶法

水溶性大豆多糖是一種酸性多糖，結(jié)構(gòu)類似于果膠，主要由酸性糖(半乳糖醛酸聚糖、鼠李二半乳糖醛酸聚糖)主鏈和中性糖(阿拉伯聚糖和半乳聚糖)支鏈組成[1]。一方面，水溶性大豆多糖作為一種天然的生物活性物質(zhì)，具有抗氧化和免疫活性[2]，預(yù)防心腦血管病、糖尿病、膽結(jié)石、肝炎等疾病的多種功能[3]；另一方面，作為一種良好的食品添加劑，水溶性大豆多糖具有分散性、乳化性[4]、穩(wěn)定性[5]和黏著性[6]等多種功能[7]，因此在食品行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)于水溶性大豆多糖的提取，從20世紀70年代開始國內(nèi)外就均有相關(guān)報道，但多集中于以加工大豆食品(如豆腐、腐竹、腐干、豆乳等)的副產(chǎn)物豆渣為原料[8]，目前還未見對水酶法提油后的豆渣中水溶性大豆多糖提取工藝的研究。水酶法提油由于具有設(shè)備簡單、操作安全、植物油無溶劑殘留、提油后的餅粕無毒[9-10]，以及可從油料中同時分離油和蛋白質(zhì)等優(yōu)點[11]，已逐漸成為植物油提取的研究熱點。超聲波提取作為一種先進的水溶性大豆多糖提取方法，具有能耗低、提取時間短、效率高等特點[12]。本研究主要采用水酶法提油后的豆渣為原料，利用超聲波的熱效應(yīng)、空化效應(yīng)及機械作用[13]加速細胞壁的破碎，從而促進胞內(nèi)多糖的溶出，縮短提取時間。以水溶性大豆多糖提取率為指標，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析方法優(yōu)化超聲波提取水溶性大豆多糖的工藝條件，為水酶法提油后豆渣中大豆水溶性多糖的開發(fā)利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆渣 實驗室水酶法提油后的殘渣；蒸餾水、葡萄糖、苯酚、硫酸、無水乙醇均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

721分光光度計 上海第三分析儀器廠；BT224S型電子分析天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；HWS28型數(shù)顯恒溫水浴鍋、101型電熱鼓風(fēng)干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司；LK-200A型中草藥粉碎機 浙江溫嶺儀器廠；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水式真空泵 上海亞榮生化儀器廠；G1-21M離心機 上海市離心機械研究所；ES-2030型冷凍干燥儀 日本Hitachi公司；KQ-500DV型數(shù)控超聲波清洗器 昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 指標分析測定

蛋白質(zhì)含量測定：參照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白質(zhì)的測定方法》；脂肪含量測定：參照G B/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定方法》；水分含量測定：參照GB/T 5009.3—2003《食品中水分的測定方法》；淀粉含量測定：采用費林試劑熱滴定定糖法；總膳食纖維含量測定：參照GB 22224—2008《食品中膳食纖維的測定方法》。

1.3.2 豆渣的預(yù)處理工藝流程

水酶法提油后的殘渣烘干→粉碎(過40目篩)→索式提取(乙醚脫脂)→干燥→粉碎→豆渣粉

1.3.3 水溶性大豆多糖提取工藝流程

豆渣粉→超聲波處理→熱水浸提→多次抽濾→離心→上清液→減壓濃縮至原體積的1/4→醇析→離心→洗滌干燥→多糖粗品

1.3.4 超聲提取操作要點

準確稱取20g經(jīng)預(yù)處理的豆渣粉于錐形瓶內(nèi)，按一定液固比加入六偏磷酸鈉溶液，用2mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值后在一定功率超聲波下處理一定時間，放入數(shù)顯恒溫水浴鍋。在一定溫度下提取一定時間，提取完畢后趁熱進行多次抽濾除渣，濾液經(jīng)4000r/min離心15min[14]，溶液分為上清液、中間蛋白及下層有機相，取上清液，反復(fù)多次。將上清液減壓濃縮為原體積的1/4后加入3倍體積的95%乙醇，靜置過夜，4000r/min離心15min得沉淀，沉淀經(jīng)丙酮、乙醇洗滌后，烘干即得大豆粗多糖粗品。

1.3.5 水溶性大豆多糖提取率的計算

采用苯酚-硫酸法對多糖含量進行測定[15]，然后按下式計算水溶性大豆多糖的提取率：

1.3.6 中心旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計

根據(jù)單因素試驗，選取超聲功率、超聲時間、液固比、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度和提取溫度5個因素為自變量(Xi)，以水溶性大豆多糖的提取率為響應(yīng)值，通過Design Expert 7.1軟件采用了中心旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計[16]，共32個試驗。各因素的零水平和波動區(qū)根據(jù)單因素試驗結(jié)果選定。每個試驗均做3個平行樣，取其平均值。因素水平編碼見表1。

表1 中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計因素水平編碼表Table 1 Factors and levels in central composite rotary design

1.3.7 統(tǒng)計分析

應(yīng)用Desing-Expert 7.1軟件、SAS 9.1軟件處理數(shù)據(jù)。

1.3.8 模型的驗證

在優(yōu)化條件下制備水溶性大豆多糖，通過比較預(yù)測值和試驗值來驗證模型的有效性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水溶性大豆多糖產(chǎn)率的比較

以水酶法提油后的豆渣為原料，分別采用超聲波輔助熱水法處理工藝(超聲處理條件為超聲功率150W、超聲時間25min、液固比40:1、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度2g/100mL、提取溫度90℃、提取時間3h)和熱水浸提工藝(提取溫度90℃、液固比40:1、提取時間3h)制備水溶性大豆多糖，其產(chǎn)率見表2。

由表2可知，以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，不同的提取方法，SSPS的產(chǎn)率差異極顯著，超聲波輔助熱提法提取SSPS的提取率明顯優(yōu)越于以單一熱水浸提工藝的提取率。以水酶法提油后的豆渣為原料，采用超聲波輔助熱水法提取水溶性大豆多糖提取率高，故超聲處理參數(shù)應(yīng)重新加以優(yōu)化，以便進一步提高其產(chǎn)率。

表2 水溶性大豆多糖產(chǎn)率的比較Table 2 Comparison of SSPS extraction yields by hot water extraction with and without ultrasonic assistance

2.2 響應(yīng)面試驗

表3 中心旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計及結(jié)果Table 3 Central composite rotary design and corresponding experimental results

采用響應(yīng)面法(response surface methodology，RSM)建立一個模型來優(yōu)化超聲波輔助熱水法制備水酶法提油副產(chǎn)物豆渣中水溶大豆多糖的工藝。試驗設(shè)計的試驗條件和響應(yīng)值見表3，其中試驗號1～26為析因試驗，27～36為10個中心試驗，用以估計試驗誤差。

通過分析自變量和因變量得到一個能夠在給定的范圍內(nèi)預(yù)測響應(yīng)值的回歸方程，水溶性大豆多糖提取率的回歸方程如下：Y＝10.26＋1.31X1－0.88X2＋0.75X3＋0.56X4＋1.28X5－0.63X1X2－0.83X1X3－0.012X1X4＋0.34X1X5＋0.068X2X3＋0.089X2X4＋0.34X2X5＋0.94X3X4＋0.20X3X5－0.11X4X5－1.02X12－1.00X22－0.40X32－0.21X42－0.17X52。

中心旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的方差分析見表4。模擬度可通過決定系數(shù)來衡量，決定系數(shù)至少為0.80[17]。本研究所得模型的決定系數(shù)為0.9771，且模型回歸極顯著(P＜0.0001)，失擬項不顯著，說明模型與實驗擬合良好，自變量與響應(yīng)值之間線性關(guān)系顯著。

表4 中心旋轉(zhuǎn)組合試驗結(jié)果方差分析表Table 4 Variance analysis of the established regression model

根據(jù)方差分析和回歸方程系數(shù)顯著性檢驗的結(jié)果，剔除不顯著項后得到的回歸方程為：Y＝9.91＋1.31X1－0.88X2＋0.75X3＋0.56X4＋1.28X5－0.63X1X2－0.83X1X3＋0.94X3X4－0.99X12－0.97X22－0.37X32。

2.3 數(shù)據(jù)分析

由表 4 可知，X1、X2、X3、X4、X5、X1X2、X1X3、X3X4、X12、X22、X32項對水溶性大豆多糖產(chǎn)率有極顯著影響，其他影響因素不顯著。由F檢驗可以得到因素貢獻率為X1＞X5＞X2＞X4＞X3，即超聲功率＞提取溫度＞超聲時間＞固液比＞六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度。由圖1A和圖1B可以看出，在超聲功率約為110～155W時，SSPS的提取率隨著超聲功率的增加而增加，在155～170W時，SSPS的提取率反而呈現(xiàn)下降趨勢。這可能是由于大分子多糖在超聲波的強剪切作用下發(fā)生斷裂，在后處理過程中出現(xiàn)損失現(xiàn)象，從而影響了多糖的提取率；同理，由圖1A可知，超聲時間在20min左右達到最大值；由圖1C可知，六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度和固液比的增加都會使SSPS的提取率增加，但前期增加速度較大，后期趨于平緩，但從實際生產(chǎn)操作條件和成本考慮，加水量不宜過大；由圖1D可知，隨著提取時間的延長，SSPS的提取率逐漸增大，與超聲功率相比，溫度使SSPS增加的量較小，而相對于超聲時間、液固比和六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度，溫度使SSPS的增加量較大。

圖1 各兩因素交互作用對SSPS提取率影響的響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plot showing the effects of four process conditions on extraction rate of SSPS

2.4 最適條件和回歸模型的驗證

通過這個回歸模型，采用Design-Expert 7.1軟件優(yōu)化制備條件，得出以水酶法提油后的豆渣為原料，超聲波輔助熱提法制備水溶性大豆多糖的最適工藝條件為超聲功率147.13W、提取溫度88.00℃、超聲時間17.36min、液固比28:1(mL/g)、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度2g/100mL。在此條件下，水溶性大豆多糖提取率的預(yù)測值為12.06%，為了實際操作方便，將響應(yīng)面求得的最佳條件進行修正，即超聲功率150W、提取溫度88℃、超聲時間17min、液固比28:1、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度2g/100mL，進行3次平行實驗，提取率的平均值為11.52%，與回歸方程的預(yù)測值擬合良好。

3 結(jié) 論

3.1 以水酶法提油后的副產(chǎn)物豆渣為原料，分別采用超聲波輔助水提法提取(超聲功率1 50 W、超聲時間25min、液固比40:1、六偏磷酸鈉質(zhì)量濃度2g/100mL、提取溫度90℃、提取時間3h)和熱水浸提工藝(提取溫度90℃、液固比40:1、提取時間3h)進行水溶性大豆多糖的提取，超聲波輔助水提法的提取率(10.04±0.62)%顯著高于熱水浸提工藝的提取率(5.28±0.07)%，故超聲波輔助水提法的處理參數(shù)應(yīng)重新加以優(yōu)化，以便進一步提高其產(chǎn)率。

3.2 以水酶法提油后的豆渣為原料，采用超聲波輔助水提法制備水溶性大豆多糖時，5個因素對產(chǎn)率貢獻率為超聲功率＞提取溫度＞超聲時間＞液固比＞六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度。

3.3 以水酶法提油后的豆渣為原料，采用超聲波輔助水提法制備水溶性大豆多糖時，最適工藝條件為超聲功率150W、提取溫度88℃、超聲時間17min、液固比28:1(mL/g)、六偏磷酸鈉溶液質(zhì)量濃度2g/100mL。在此條件下，以水酶法提油后的副產(chǎn)物為原料，水溶性大豆多糖提取率達到11.52%。

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Optimization of Ultrasonic-assisted Extraction Process for Water-soluble Soybean Polysaccharides from Soybean Residues

TIAN Rui-hong1，JIANG Lian-zhou1,*，LI Dan2
(1. School of Food, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China；2. Ningde Normal University, Ningde 150030, China)

This study aimed at optimizing the ultrasonic-assisted hot water extraction conditions of water-soluble soybean polysaccharides (SSPS) from soybean residues left after the aqueous enzymatic extraction of soybean oil. On the basis of onefactor- at-a-time experiments, response surface methodology and central composite rotary design (CCRD) was employed to SSPS extraction yield with respect to ultrasonic power, ultrasonic treatment time, material-to-liquid ratio, extraction temperature and hexametaphosphate concentration, and a quadratic polynomial regression model was established. The optimal conditions for SSPS extraction were ultrasonic power of 150 W, extraction temperature of 88 ℃, ultrasonic treatment time of 17 min,material-to-liquid ratio of 1:28, and hexametaphosphate concentration of 2 g/100 mL. Under the optimal extraction conditions,the predicted and experimental extraction rates of SSPS were 12.06% and 11.52%, respectively.

water soluble polysaccharide；ultrasonic；response surface analysis；aqueous enzymatic method

TS201.1

A

1002-6630(2011)14-0176-05

2010-09-24

田瑞紅(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為糧食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：beatrice19850216@yahoo.com

*通信作者：江連洲(1960—)，男，教授，博士，研究方向為大豆加工。E-mail：jlzname@163.com