郭 敏
(太原六味齋實(shí)業(yè)有限公司,山西太原030000)
人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì),人們生活水平大幅提高,飲食日趨精細(xì)導(dǎo)致富貴?。ㄌ悄虿 ⑿难懿?、肥胖腸道癌、便秘等)越來(lái)越普遍。加之進(jìn)入老齡化社會(huì),人們對(duì)食品的消費(fèi)觀念也發(fā)生了變化,對(duì)食品要求不僅僅停留在感官、口感上,而是越來(lái)越講究功能性。因此,可以相信21世紀(jì)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(rèn)識(shí)。膳食纖維經(jīng)過(guò)了30多年的研究和發(fā)展,已成為發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛流行的保健食品。據(jù)悉,在歐美,高纖維類(lèi)產(chǎn)品的年銷(xiāo)售額已過(guò)300億美元;在日本,食用纖維素類(lèi)產(chǎn)品的年銷(xiāo)售額近100億美元,并正式將之列為繼蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、水礦物質(zhì)和維生素之后的“第七大營(yíng)養(yǎng)素”。專(zhuān)家們一致認(rèn)為,纖維食品將是21世紀(jì)的主導(dǎo)食品之一[1]。
我國(guó)是世界上種植大豆的主要國(guó)家之一,資源十分豐富,然而在豆制品加工過(guò)程中作為副產(chǎn)品的豆渣卻沒(méi)有得到有效利用,一般都作為飼料或廢棄物處理,經(jīng)濟(jì)效益低,同時(shí)也造成了環(huán)境污染。若能將豆渣進(jìn)一步加工成膳食纖維產(chǎn)品,既能防止資源的浪費(fèi),又可以減少污染。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)建立了開(kāi)發(fā)研制膳食纖維的專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu),并有了膳食纖維的產(chǎn)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(chǎng)上還未見(jiàn)大豆可溶性膳食纖維的出售。試驗(yàn)利用新鮮的豆渣為原料,采用了化學(xué)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(zhì)高、價(jià)廉、方便食用的水溶性膳食纖維。
新鮮豆渣,六味齋豆制品廠提供;
結(jié)晶碳酸鈉、無(wú)水乙醇,均為分析純;工業(yè)乙醇,化學(xué)純。
JA5003N等級(jí)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(chǎn)品;RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀;TDL-40B型離心機(jī),上海安亭科學(xué)儀器廠產(chǎn)品;GDH-9243BS-Ⅲ型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司產(chǎn)品;FZ102型電動(dòng)植物粉碎機(jī),天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品。
1.3.1 試驗(yàn)原理
纖維素分子在堿性條件下的降解過(guò)程有2種類(lèi)型,即堿性水解和“剝皮反應(yīng)”。在高溫下,易發(fā)生堿性水解,當(dāng)溫度在150℃以下,纖維素在堿性介質(zhì)中主要發(fā)生剝皮反應(yīng)。所謂的剝皮反應(yīng)即纖維素分子末端具有還原性的醛基,在堿的作用下,一個(gè)接一個(gè)地脫去,直到產(chǎn)生的纖維素末端基轉(zhuǎn)化為偏變糖酸基才停止反應(yīng)[2]。
1.3.2 提取工藝
(1)豆渣的預(yù)處理。豆渣→干燥→粉碎→過(guò)80目篩→樣品。
(2)水溶性膳食纖維的提取工藝。豆渣經(jīng)預(yù)處理后,稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除表面的蛋白質(zhì)。在一定溫度下,用碳酸鈉溶液回流進(jìn)行剝皮反應(yīng),一定時(shí)間后,對(duì)提取液進(jìn)行離心過(guò)濾,濾液用乙醇作沉淀劑將水溶性膳食纖維沉淀下來(lái)。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:
1.4.1 浸提質(zhì)量分?jǐn)?shù)的選擇
稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%,2%,3%,4%,5%,浸提溫度為80℃,提取時(shí)間為60 min,提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng),沉淀劑選用工業(yè)乙醇,以確定浸提質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.4.2 浸提溫度的選擇
稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,浸提溫度分別為60,70,80,90,100℃,提取時(shí)間為60 min,提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng),沉淀劑選用工業(yè)乙醇,考查不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響。
1.4.3 提取時(shí)間的選擇
稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,浸提溫度為80℃,提取時(shí)間分別為30,45,60,75,90 min,提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng),沉淀劑為工業(yè)乙醇,以確定最佳的提取時(shí)間。
1.4.4 提取液用量的選擇
稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,浸提溫度為80℃,提取時(shí)間為60 min,提取液用量分別為15,20,25,30,35 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng),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(gè)因素都確定后,進(jìn)一步研究無(wú)水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇3種對(duì)浸提效果的影響,并尋找最佳的沉淀劑與沉淀時(shí)間。
根據(jù)單因素試驗(yàn)確定的碳酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸提溫度、提取時(shí)間、提取液用量作為考查的4個(gè)因素,每因素3個(gè)水平,以水溶性膳食纖維質(zhì)量為指標(biāo),用L9(34)正交表安排試驗(yàn)得出最佳的浸提條件。
不同碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖1
圖1 不同碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)浸提效果的影響
由圖1可知,當(dāng)碳酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于3%時(shí),水溶性膳食纖維的質(zhì)量增加明顯,其中從1%~2%時(shí)增加最為迅速,當(dāng)在3%左右時(shí)到達(dá)最大值,但是當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)3%時(shí),浸提效果緩慢降低,但浸提效果還是高于1%時(shí),因此選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的碳酸鈉溶液較為合適。
不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖2。
圖2 不同浸提溫度對(duì)浸提效果的影響
由圖2可知,在60~80℃時(shí),浸提效果隨浸提溫度的增加而增加;在60~70℃時(shí)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(shí),浸提效果降低,但變化不是很明顯;當(dāng)浸提溫度升高到90℃以后時(shí),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(yīng)控制在80℃左右。
提取時(shí)間對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖3。
圖3 提取時(shí)間對(duì)浸提效果的影響
由圖可知,在30~60 min時(shí),隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),浸提效果逐漸升高,但升高速率不明顯;在60 min時(shí)浸提效果達(dá)到最高值;但是在60 min后,隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng),浸提效果開(kāi)始逐漸下降,但是下降速率也不是很明顯。因此,確定提取時(shí)間為60 min時(shí)浸提效果比較合適。
提取液用量對(duì)浸提效果的影響見(jiàn)圖4。
圖4 提取液用量對(duì)浸提效果的影響
由圖4可知,在提取液用量為15~25 mL/g時(shí),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(nèi),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(shí),浸提效果達(dá)到最大值;而在提取液用量超過(guò)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(duì)浸提效果較佳。
根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)。
正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1,正交試驗(yàn)及其直觀分析見(jiàn)表2。
表1 正交試驗(yàn)因素水平
由表2可知,正交試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)、提取時(shí)間,得到的理論最佳提取方案為A2B2C2D2。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)3%,浸提溫度80℃,提取液用量25 mL/g,提取時(shí)間60 min。
表2 正交試驗(yàn)及其直觀分析
2.6.1 無(wú)水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇[5]
在確定以上4種因素對(duì)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(jìn)行以下試驗(yàn)并確定不用沉淀劑對(duì)沉淀效果的影響。
稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,浸提溫度為80℃,提取時(shí)間為60 min,提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng),分別選擇無(wú)水乙醇、95%乙醇、工業(yè)乙醇3種乙醇作為沉淀劑進(jìn)行試驗(yàn),并以無(wú)水乙醇作為對(duì)照,以考查不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間不同對(duì)沉淀效果影響。
不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間對(duì)沉淀效果的影響見(jiàn)圖5。
圖5 不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間對(duì)沉淀效果的影響
圖5 為3種不同沉淀劑隨沉淀時(shí)間變化而提取的水溶性膳食纖維質(zhì)量的變化圖,以無(wú)水乙醇為對(duì)照進(jìn)行試驗(yàn)95%乙醇與無(wú)水乙醇之間沒(méi)有明顯區(qū)別,都是在0~4 h內(nèi)不斷升高,4 h時(shí)達(dá)到沉淀量最高,4 h以后基本沒(méi)有變化。而工業(yè)乙醇在0~10 h內(nèi)不斷升高,但在各個(gè)時(shí)間段沉淀量都沒(méi)有無(wú)水乙醇和95%乙醇的高,直到10~12 h時(shí)才與無(wú)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(wú)異,只有沉淀時(shí)間的不同而已。因此,在試驗(yàn)過(guò)程中為節(jié)約成本,選擇工業(yè)乙醇為最為恰當(dāng)。
2.6.2 工業(yè)乙醇、蒸餾后乙醇
稱(chēng)取2 g樣品,用水反復(fù)洗滌以去除附著表面的蛋白質(zhì)。在提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%,浸提溫度為80℃,提取時(shí)間為60 min,提取液用量為25 mL/g條件下進(jìn)行剝皮反應(yīng),分別選擇工業(yè)乙醇、蒸餾后乙醇2種乙醇作為沉淀劑進(jìn)行試驗(yàn),并以工業(yè)乙醇作為對(duì)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(shí)間變化見(jiàn)圖6。
圖6 工業(yè)乙醇與蒸餾后乙醇沉淀量隨沉淀時(shí)間變化
由圖6可知,蒸餾后乙醇與工業(yè)乙醇基本沒(méi)有明顯區(qū)別。因此,在試驗(yàn)過(guò)程中,可以使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)使用過(guò)的乙醇進(jìn)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(duì)試驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生影響,這樣就可以大大降低成本。
采用大豆豆渣提取水溶性膳食纖維時(shí),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(chǎn)率降低。在提取過(guò)程中,水溶性膳食纖維隨處理次數(shù)的增多而減少,因此在提取水溶性膳食纖維時(shí)應(yīng)該盡量減少中間環(huán)節(jié)。另外,提取液的pH值對(duì)產(chǎn)率大小影響也很大。當(dāng)pH值<12時(shí)剝皮反應(yīng)很難進(jìn)行,因此提取液的pH值應(yīng)控制在13左右,有利于反應(yīng)順利進(jìn)行[6]。
超聲波清洗機(jī)的使用可以加速2種物質(zhì)的接觸面積,增快2種反應(yīng)物的反應(yīng)速度,那么如果在試驗(yàn)過(guò)程中,一是在豆渣與碳酸鈉溶液反應(yīng)時(shí)放入超聲波清洗機(jī)中時(shí),是不是可以使剝皮反應(yīng)進(jìn)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(guò)程中,將其放入超聲波清洗機(jī)中一段時(shí)間,是不是可以加快沉淀速度,從而使沉淀時(shí)間縮短,加快了沉淀效率。因此,如果超聲波清洗機(jī)真的可以提高水溶性膳食纖維的提取率,那么就必須再進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn),以確立較為適合的清洗時(shí)間,從而提高對(duì)水溶性膳食纖維的提取率。
采用正交試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)3%,浸提溫度80℃,提取液用量25 mL/g,提取時(shí)間60 min。試驗(yàn)結(jié)果證明,以此條件提取水溶性膳食纖維產(chǎn)率較高、品質(zhì)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(zhuǎn)蒸發(fā)儀對(duì)使用過(guò)的乙醇進(jìn)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(duì)試驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生影響。
總之,膳食纖維對(duì)人體的特殊療效作用日漸明顯,其特殊的營(yíng)養(yǎng)功能受到醫(yī)學(xué)及食品界的廣泛關(guān)注。而從豆渣中制備開(kāi)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(jìn)豆渣水溶性膳食纖維在食品中的應(yīng)用。膳食纖維類(lèi)新產(chǎn)品將擁有廣闊的消費(fèi)市場(chǎng)。