趙媛媛，姜巍偉，彭偉

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266000)

大豆是我國(guó)重要的糧食作物之一，常用來(lái)做豆油榨取、蛋白提取、醬油釀造和制作豆?jié){、腐竹等豆制品，是重要的蛋白制品和調(diào)味品原料，常食大豆食品，對(duì)人體有良好的保健作用[1]。大豆中營(yíng)養(yǎng)成分十分豐富，其含有蛋白質(zhì)、脂肪、礦物元素、維生素、膳食纖維、微量元素等一般營(yíng)養(yǎng)成分，也含有多肽、異黃酮、低聚糖、皂甙、核酸、磷脂、固醇等特殊營(yíng)養(yǎng)成分[2]。除了上述的營(yíng)養(yǎng)成分之外，在干大豆中碳水化合物約占25%[3]，是除脂肪和蛋白質(zhì)外占比最大的一種物質(zhì)。雖然存在如此大的比例，但由于深加工的復(fù)雜性，大豆碳水化合物尚未廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中。例如在生產(chǎn)大豆蛋白類(lèi)食品和飼料時(shí)，嵌入的碳水化合物常常會(huì)引起消化不良等問(wèn)題[4,5]。為此大多使用酸來(lái)水解大豆碳水化合物，但此方法并不安全[6]，會(huì)引起酸對(duì)蛋白質(zhì)的非特異性攻擊，因此常用酶來(lái)水解副產(chǎn)物中的碳水化合物。這樣，不僅提高了大豆蛋白類(lèi)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且可將水解后的碳水化合物用于生物發(fā)酵[7]，從而提高了碳水化合物的附加價(jià)值。本文首先對(duì)當(dāng)前大豆加工過(guò)程中產(chǎn)生的富含碳水化合物的副產(chǎn)物進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，然后詳細(xì)地討論了用不同酶處理碳水化合物的最新研究進(jìn)展。

1 大豆加工過(guò)程中產(chǎn)生的富含碳水化合物的副產(chǎn)物

在大豆加工過(guò)程中常產(chǎn)生大豆皮、豆粕、豆渣、糖蜜4種富含碳水化合物的副產(chǎn)物。目前大豆加工的流程(見(jiàn)表1)如下：先將大豆皮去除，然后從去皮大豆中回收大豆油。大豆油主要通過(guò)物理過(guò)程(如硬螺旋壓榨)和化學(xué)過(guò)程(如預(yù)壓溶劑萃取或直接溶劑萃取)回收。大豆油回收后的剩余物通過(guò)脫溶劑、干燥或研磨方法進(jìn)行處理，生產(chǎn)出豆粕，它的主要成分是蛋白質(zhì)和碳水化合物。豆粕是動(dòng)物飼料和食品中蛋白質(zhì)的主要來(lái)源，其進(jìn)一步加工可制備成富含蛋白質(zhì)的產(chǎn)品，即大豆蛋白濃縮物和大豆蛋白分離物。在大豆蛋白等電點(diǎn)附近通過(guò)酸或者醇洗滌等工藝從豆粕中除去可溶性碳水化合物，從而得到大豆蛋白濃縮物。在高pH下將蛋白質(zhì)溶解，再?gòu)氖Ｓ喙腆w中分離溶液，利用等電點(diǎn)沉淀法沉淀蛋白質(zhì)，即得到大豆蛋白分離物。大豆豆渣是在大多數(shù)蛋白質(zhì)溶解后得到的固體剩余物，其主要成分是不溶性多糖，而大豆糖蜜的主要成分為可溶性碳水化合物，可在制備大豆蛋白濃縮物和大豆蛋白分離物的溶液中收集。

圖1 大豆加工的流程

2 大豆加工過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)物中碳水化合物的水解

大豆加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大豆皮、豆粕、豆渣和糖蜜等副產(chǎn)物，這些副產(chǎn)物的碳水化合物含量很高，但在工業(yè)發(fā)酵中不易被微生物分解代謝[8]，而酶卻能將它們水解。雖然這些副產(chǎn)品中的碳水化合物全部來(lái)自大豆，但它們具有不同的組成和特征，需要不同的酶促反應(yīng)條件，以下將分別進(jìn)行討論。

2.1 大豆皮水解

大豆皮水解前要經(jīng)過(guò)一定的預(yù)處理，其方法通常包括化學(xué)預(yù)處理和物理預(yù)處理。其中化學(xué)預(yù)處理包括酸處理和堿處理。大豆殼中含有35%～50%的纖維素和20%的半纖維素，酸處理可以有效地從大豆皮中釋放半纖維素。例如，在120～160 ℃下用1%～3%的H2SO4反應(yīng)20 min后，可除去豆殼中80%以上的半纖維素。然而該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生抑制微生物生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的化合物[9]，因此不常被使用；堿處理常用的試劑是氫氧化銨和氫氧化鈉，可在大豆加工過(guò)程中回收不溶性大豆纖維[10]。例如，使用196 FPU纖維素酶/g葡聚糖處理大豆纖維48 h后，僅35%的纖維素轉(zhuǎn)化為葡萄糖，而使用氫氧化鈉和氫氧化銨預(yù)處理48 h后，轉(zhuǎn)化率明顯提高，分別達(dá)到61%和63%。此外，機(jī)械擠壓法是常用的物理預(yù)處理方法，較化學(xué)方法該過(guò)程能更有效地促進(jìn)酶水解和糖的釋放。

纖維素是大豆皮中的主要成分，經(jīng)預(yù)處理后需要用具有一定β-葡萄糖苷酶活性的纖維素酶使其水解。Rivera等[11]研究了不同比例的β-葡萄糖苷酶與纖維素酶對(duì)葡萄糖產(chǎn)量的影響，他們發(fā)現(xiàn)最佳的雙酶比例為25～38 CBU/g干大豆渣和15～19 FPU/g干大豆渣。Hickert等使用來(lái)自刺孢圓弧青霉的纖維素酶水解經(jīng)酸預(yù)處理后的大豆皮殘?jiān)?，與由里氏木霉發(fā)酵產(chǎn)生的7～9 U/g干酶β-葡萄糖苷酶活性相比，這種纖維素酶具有更高的β-葡萄糖苷酶活性(58.95 U/g干酶)[12]，該酶15 FPU/g大豆皮在50 ℃、120 r/min、110 h條件下，可使預(yù)處理后的大豆皮實(shí)現(xiàn)72%的糖轉(zhuǎn)化率。

除了纖維素，大豆皮中半纖維素含量也很高，有效的預(yù)處理可以減少生產(chǎn)過(guò)程中半纖維素酶的用量，降低成本。但預(yù)處理會(huì)產(chǎn)生抑制性化合物，抑制酶的水解過(guò)程，因此在預(yù)處理過(guò)程中應(yīng)注意降低抑制性化合物的生成量，并選擇具有高水解活性的半纖維素酶。

大豆皮還含有大量的果膠，可使用果膠酶降解。果膠酶不僅可水解果膠多糖，還具有改善纖維素水解的作用。研究表明：將含果膠酶的粘膠酶添加到纖維素酶中時(shí)，與單一的纖維素酶相比，葡萄糖產(chǎn)量從74%提高到87%[13]。因此，果膠酶降解果膠的同時(shí)也會(huì)促進(jìn)纖維素酶水解纖維素。

2.2 豆粕水解

由于豆粕中蛋白質(zhì)含量很高，因此主要用于合成人類(lèi)食品和動(dòng)物飼料，而豆粕中存在的碳水化合物會(huì)顯著影響膳食和衍生產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量，雖然約40%的碳水化合物可以通過(guò)水洗除去，但剩余的碳水化合物仍會(huì)引起消化不良等問(wèn)題。目前，已有一些關(guān)于豆粕中碳水化合物的酶水解的研究，在本節(jié)中將討論影響豆粕中碳水化合物水解效率的因素。

Fischer等研究了加熱預(yù)處理對(duì)下一步的豆粕碳水化合物酶促反應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)加熱預(yù)處理后可使蛋白質(zhì)和碳水化合物之間的交織結(jié)構(gòu)松弛，增加了酶與碳水化合物的接觸面積。另外，還研究了其他預(yù)處理方法如烘烤和擠壓等[14]，發(fā)現(xiàn)不同的預(yù)處理方法對(duì)酶水解過(guò)程有不同程度的改善。

豆粕中除了含有約40%的可溶性低聚糖之外，主要含有果膠、半纖維素和少量纖維素等不溶性碳水化合物。為了有效地水解所有類(lèi)型的碳水化合物，應(yīng)將果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶和α-半乳糖苷酶混合使用，并進(jìn)一步優(yōu)化酶的比例。Opazo等[15]使用來(lái)自不同環(huán)境的混合纖維素分解菌通過(guò)固態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)的纖維素酶和α-半乳糖苷酶來(lái)水解豆粕中的碳水化合物，發(fā)現(xiàn)這種混合酶可水解83%的水蘇糖和69%的棉子糖。但僅有24%的不溶性多糖可被水解，主要原因是混合酶主要是由纖維素酶和α-半乳糖苷酶組成，不能將果膠水解。此外，他們還研究了不同比例、不同酶活對(duì)酶水解豆粕中碳水化合物的影響。

蛋白質(zhì)是豆粕中的主要成分，由于蛋白質(zhì)和碳水化合物在豆粕中是結(jié)合在一起的，所以碳水化合物難以被酶水解，而蛋白酶的使用可以提高碳水化合物的水解效率。Fischer等研究了來(lái)自地衣芽孢桿菌的堿性蛋白酶和來(lái)自米曲霉的復(fù)合風(fēng)味蛋白酶2種蛋白酶，用這2種酶的混合物進(jìn)行水解，除去了膳食中94%的蛋白質(zhì)，與2種糖酶水解相比，碳水化合物的提取效率提高了11%。

2.3 豆渣水解

大豆中有2種形式的豆渣：一種在制備豆?jié){時(shí)產(chǎn)生，另一種由豆粕制備大豆蛋白分離物時(shí)產(chǎn)生。它們有不同的構(gòu)成，來(lái)自豆?jié){加工的豆渣含有多糖和木質(zhì)素，而來(lái)自大豆蛋白分離物制備的豆渣，木質(zhì)素含量很少。為此可研究不同性質(zhì)的水解酶，提高豆渣附加的價(jià)值。豆渣中的碳水化合物主要作為膳食纖維應(yīng)用于食品中，同時(shí)也是一種潛在的發(fā)酵原料。雖然有如此多用途，但是豆渣仍未被充分利用。在本節(jié)中，討論了豆渣中多糖的提取和進(jìn)一步的酶解。

使用纖維素酶、果膠酶和漆酶混合物水解豆渣提取的多糖[16]，其中72%的碳水化合物在10天后轉(zhuǎn)化為單糖。而由于木質(zhì)素的存在，剩余的多糖難以被降解。一項(xiàng)研究表明，豆渣中的纖維素可以通過(guò)高壓滅菌預(yù)處理(121 ℃、20 min)，隨后在40 ℃、1200 r/min攪拌下使用纖維素酶(50 FPU/g豆渣)水解，而剩余的豆渣殘留物可以被蛋白酶、葡聚糖酶、半纖維素酶和果膠酶完全水解。為此研究了使用纖維素酶及來(lái)自Aspergillusjaponicas的Pectolyase 和Aspergillusaculeatus的Pectinex Ultra SP 2種果膠酶的混合物對(duì)豆渣進(jìn)行連續(xù)水解，最終產(chǎn)率為83%～85%[17]。最近一項(xiàng)研究中提到從酶預(yù)處理的豆渣中連續(xù)提取多糖，豆渣由特異腐質(zhì)霉菌株產(chǎn)生的熱穩(wěn)定β-葡聚糖酶預(yù)處理，該酶僅水解22%的多糖。然后依次通過(guò)CDTA(環(huán)己烷二胺四乙酸)、氫氧化鈉和高氯酸鈉萃取分離剩余的多糖，最終的不溶性殘?jiān)嵌乖睦w維素部分。他們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)果膠和半纖維素是通過(guò)堿提取獲得的，而木質(zhì)素可由高氯酸鈉提取獲得[18]。

2.4 大豆糖蜜水解

水蘇糖、棉子糖和蔗糖是大豆糖蜜中主要的可溶性低聚糖[19]，這些低聚糖也存在于豆粕和豆?jié){中。由于水蘇糖和棉子糖這些可溶性低聚糖在豆粕和豆?jié){中不能被除去，在食物和飼料中還會(huì)引起消化不良等問(wèn)題，因此應(yīng)深入地研究α-半乳糖苷酶以水解這些可溶性的低聚糖。但是，迄今為止，大豆糖蜜的應(yīng)用仍然非常有限。最近人們致力于研究使用大豆糖蜜作為發(fā)酵底物來(lái)生產(chǎn)生物燃料和具有附加值的化學(xué)品[20]。然而，許多微生物不能分解大豆糖蜜中存在的低聚半乳糖。為了提高水解效率，可用α-半乳糖苷酶水解低聚糖。α-半乳糖苷酶可從不同的植物中提取，也可由細(xì)菌和真菌等微生物產(chǎn)生[21]。根據(jù)來(lái)源不同，α-半乳糖苷酶的性質(zhì)如穩(wěn)定性、最佳pH值和溫度也會(huì)有所不同。

Silva等使用α-半乳糖苷酶來(lái)提高大豆糖蜜的乙醇發(fā)酵產(chǎn)率。他們比較了2種方法中酶的作用：第一個(gè)方法是兩步法，先用酶對(duì)大豆糖蜜進(jìn)行預(yù)處理，然后使用水解產(chǎn)物進(jìn)行乙醇發(fā)酵；第二個(gè)方法是一步法，即酶水解和發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行，并將α-半乳糖苷酶直接加入到發(fā)酵液中。結(jié)果表明：相比于不使用酶水解而言，兩步法與一步法中乙醇的產(chǎn)量分別提高了7.6%和8.2%。

3 結(jié)論與展望

大豆擁有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)成分，加工類(lèi)食品深受大眾所喜愛(ài)，在調(diào)味品行業(yè)的突出貢獻(xiàn)更是不容小覷。本文總結(jié)了大豆加工中碳水化合物酶處理的最新進(jìn)展，并介紹了水解來(lái)自不同大豆加工源的碳水化合物所需的酶。

實(shí)際的大豆加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，而這些副產(chǎn)物中碳水化合物的高效利用成為現(xiàn)在的研究重點(diǎn)。大豆加工副產(chǎn)物的酶處理易于應(yīng)用到現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝中，但針對(duì)不同的原材料，需要開(kāi)發(fā)多種酶混合物和工藝，因此具有一定的局限性。另一種方法是在大豆加工的早期階段使用酶，以便于在加工階段之前除去碳水化合物，該方法使用單一酶促反應(yīng)，使隨后的大豆加工變得更容易，不僅可以改善油脂的可萃取性，還可以使富含蛋白質(zhì)的產(chǎn)品易于濃縮和分離，提高了產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，使食品和飼料中的大豆蛋白易于消化，所產(chǎn)生的水解產(chǎn)物也可用于大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)。酶處理方法為今后大豆中碳水化合物的水解利用提供了借鑒，從而促進(jìn)大豆更高水平的加工和更好的利用，為中國(guó)調(diào)味品行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。