李曉寧，郭咪咪，段章群

(國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院，北京 100037)

我國(guó)是世界上大豆消耗大國(guó)，年消耗量已超億噸，其中大豆榨油消耗量占85%[1]，大豆皮作為油脂加工過(guò)程中的副產(chǎn)物，質(zhì)量約占大豆質(zhì)量的8%[2]，產(chǎn)量也近700萬(wàn)t。大豆皮細(xì)胞壁不溶性碳水化合物組分包含50%半纖維素、30%果膠和20%纖維素[3]，可觀的產(chǎn)量和豐富的纖維組成使得大豆皮成為理想的膳食纖維來(lái)源。

膳食纖維依據(jù)溶解性不同可分為水溶性和水不溶性兩大類，天然的膳食纖維多為水不溶性的，而水溶性的含量較低。但是相較而言，水溶性膳食纖維具有更強(qiáng)的生理活性和保健功能，對(duì)于預(yù)防心腦血管疾病[4-5]、結(jié)腸癌[6]，降低血糖[7]，減肥[8]等具有重要作用。目前大豆可溶性膳食纖維多以豆渣為原料進(jìn)行研究開發(fā)[9-11]，而對(duì)于大豆皮中可溶性膳食纖維的研究和利用卻很有限。從大豆皮中制取膳食纖維的方法有酶法[12-13]、高壓蒸汽法[14]和微波輔助法[15]。酶法提取條件溫和，但是成本較高，存在提取時(shí)間長(zhǎng)、得率不高等問(wèn)題，高壓蒸汽法和微波輔助法雖可以有效縮短提取時(shí)間，但均需添加特殊輔助設(shè)備，增加成本。酸法制取大豆皮可溶性膳食纖維提取劑成本低廉，操作簡(jiǎn)便，且不會(huì)在體系中引入新的離子。因此，本文采用酸法制取大豆皮可溶性膳食纖維，以期為大豆皮有益成分的開發(fā)利用和大豆皮深加工產(chǎn)品附加值的提升提供簡(jiǎn)便思路。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料與試劑

大豆皮，取自大豆油加工廠；總膳食纖維檢測(cè)試劑盒、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、2-(N-嗎啉基)乙磺酸(MES)；石油醚、95%乙醇、乙酸、鹽酸，均為分析純。

1.1.2 儀器與設(shè)備

JSP-100型高速多功能粉碎機(jī)，AB204-S電子天平，DHG-9076A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，F(xiàn)E20實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)，C-MAG HS 7加熱磁力攪拌器，HPD-25無(wú)油真空泵，RJ-LD-IIB低速大容量多管離心機(jī)，SOXTEC8000脂肪測(cè)定儀，Rapid N cube全自動(dòng)杜馬斯定氮儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 大豆皮基本成分的測(cè)定

水分的測(cè)定參照GB 5009.3—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》；脂肪的測(cè)定參照GB/T 14488.1—2008《植物油料 含油量測(cè)定》；蛋白的測(cè)定參照GB 5009.5—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中蛋白質(zhì)的測(cè)定》；灰分的測(cè)定參照GB 5009.4—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中灰分的測(cè)定》；總膳食纖維、可溶性膳食纖維、不溶性膳食纖維的測(cè)定參照GB 5009.88—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中膳食纖維的測(cè)定》。

1.2.2 大豆皮可溶性膳食纖維的制取

大豆皮粉碎后過(guò)40目篩，稱取10 g(m)加入去離子水，室溫下使用1 mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH，放入水浴中平衡15 min后計(jì)時(shí)提取。提取結(jié)束后冷卻至室溫，4 000 r/min離心15 min取上清液，按比例加入95%乙醇沉淀2 h，4 000 r/min離心10 min，將沉淀置于40℃烘箱中恒重，即得到大豆皮可溶性膳食纖維(m1)。按下式計(jì)算可溶性膳食纖維得率(Y)。

Y=m1/m×100%

(1)

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.5軟件進(jìn)行作圖，SPSS22.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 大豆皮的基本成分(見表1)

表1 大豆皮的基本成分 %

由表1可知，膳食纖維是大豆皮最主要的組成部分，其中不溶性成分比例高達(dá)95.5%，可溶性成分不足5%。而高膳食纖維低蛋白的比例關(guān)系與大豆皮的獲得方式有關(guān)，在預(yù)處理環(huán)節(jié)直接對(duì)大豆進(jìn)行脫皮處理，極少混入高蛋白的子葉部分，使得大豆皮中蛋白含量較低[16]。

2.2 酸法制取大豆皮可溶性膳食纖維單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 pH的影響

在料液比1∶16、提取溫度80℃、提取時(shí)間1.0 h、乙醇沉淀比例1∶4的條件下，考察pH對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響?？紤]到水溶性蛋白及與水溶性膳食纖維共價(jià)結(jié)合的蛋白在可溶性膳食纖維提取的過(guò)程中，也一同被溶解富集，對(duì)于可溶性膳食纖維的純度有較大影響，一定程度上可以反映提取的可溶性膳食纖維的純度，因此同時(shí)監(jiān)測(cè)提取物中蛋白含量的變化。結(jié)果分別見圖1、圖2。

圖1 pH對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

酸處理可以有效破壞分子間的部分氫鍵，暴露更多極性基團(tuán)，從而增加膳食纖維的溶解性[17]。由圖1可知，pH 2.0時(shí)可溶性膳食纖維得率最高，pH 3.0時(shí)可溶性膳食纖維得率最低。

圖2 pH對(duì)蛋白含量的影響

由圖2可知，pH 3.0時(shí)可溶性膳食纖維中的蛋白含量最低。分析認(rèn)為：pH 3.0時(shí)可能恰好處于豆皮蛋白的等電點(diǎn)附近，因此較多的游離蛋白沉淀下來(lái)；可能有部分纖維與蛋白處于共價(jià)結(jié)合狀態(tài)[18]，因處于等電點(diǎn)附近而一并被沉淀下來(lái)，造成“雙低”的結(jié)果。綜合考慮，在pH 2.0進(jìn)行可溶性膳食纖維的提取最為適宜。

2.2.2 提取溫度的影響

在料液比1∶16、pH 2.0、提取時(shí)間1.0 h、乙醇沉淀比例1∶4的條件下，考察提取溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響，同時(shí)監(jiān)測(cè)提取物中蛋白含量的變化。結(jié)果分別見圖3、圖4。

由圖3可知，隨著提取溫度的升高，豆皮可溶性膳食纖維得率逐漸提高，在70～90℃區(qū)間內(nèi)可溶性膳食纖維得率升高緩慢。高溫使得纖維分子間化學(xué)鍵更容易斷裂，降低了纖維相對(duì)分子質(zhì)量，從而使其更易溶解。

圖3 提取溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

圖4 提取溫度對(duì)蛋白含量的影響

由圖4可知，隨著提取溫度的升高，可溶性膳食纖維中蛋白含量顯著減少。分析認(rèn)為高溫酸性環(huán)境可能在一定程度上破壞了纖維與蛋白的共價(jià)結(jié)合狀態(tài)，因此在乙醇沉淀時(shí)膳食纖維-蛋白質(zhì)共同沉淀的情況有所減少。綜合考慮，80℃是適宜的提取溫度。

2.2.3 料液比的影響

在提取溫度80℃、pH 2.0、提取時(shí)間1.0 h、乙醇沉淀比例1∶4的條件下，考察料液比對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響，同時(shí)監(jiān)測(cè)提取物中蛋白含量的變化。結(jié)果分別見圖5、圖6。

圖5 料液比對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

由圖5可知，隨料液比增大，可溶性膳食纖維得率緩慢增加直至趨于平穩(wěn)。提取劑體積增大時(shí)，表現(xiàn)為更多的可溶性膳食纖維溶于提取劑中；但是當(dāng)可溶性膳食纖維溶解較為完全時(shí)，即使再加大提取劑體積也不會(huì)使得率有所提升，反而還會(huì)造成提取劑的浪費(fèi)，進(jìn)而造成后期乙醇沉淀時(shí)乙醇消耗量的增大。

圖6 料液比對(duì)蛋白含量的影響

由圖6可知，隨著料液比增大，蛋白含量緩慢下降直至趨于平緩。低料液比時(shí)，溶于水中的蛋白和可溶性膳食纖維量雖不高，但是濃度卻都較高，乙醇沉淀時(shí)可能由于二者的間距較小，纏繞在一起而共同沉淀下來(lái)；而當(dāng)料液比較大時(shí)，可溶性成分分子間距離較遠(yuǎn)，減少了共同沉淀的情況。綜合考慮，1∶18為適宜的料液比。

2.2.4 提取時(shí)間的影響

在料液比1∶16、提取溫度80℃、pH 2.0、乙醇沉淀比例1∶4的條件下，考察提取時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響，同時(shí)監(jiān)測(cè)提取物中蛋白含量的變化。結(jié)果分別見圖7、圖8。

圖7 提取時(shí)間對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

圖8 提取時(shí)間對(duì)蛋白含量的影響

由圖7可知，隨提取時(shí)間延長(zhǎng)，可溶性膳食纖維得率緩慢上升，1.5 h后趨于穩(wěn)定。由圖8可知，蛋白含量在提取時(shí)間自0.5 h延長(zhǎng)到1.0 h時(shí)下降，之后變化不大。分析認(rèn)為提取時(shí)間的延長(zhǎng)為高相對(duì)分子質(zhì)量纖維分子的化學(xué)鍵、纖維-蛋白共價(jià)鍵的斷裂提供了機(jī)會(huì)，但較難斷裂的化學(xué)鍵不會(huì)因?yàn)樽饔脮r(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生斷裂，因此繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)再對(duì)得率有改善。因此，1.5 h為適宜的提取時(shí)間。

2.2.5 乙醇沉淀比例的影響

在料液比1∶16、提取溫度80℃、pH 2.0、提取時(shí)間1.0 h的條件下，考察乙醇沉淀比例對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響，同時(shí)監(jiān)測(cè)提取物中蛋白含量的變化。結(jié)果分別見圖9、圖10。

圖9 乙醇沉淀比例對(duì)可溶性膳食纖維得率的影響

圖10 乙醇沉淀比例對(duì)蛋白含量的影響

乙醇沉淀的原理在于通過(guò)降低多糖水溶液的介電常數(shù)，使多糖“脫水”從而形成聚合沉淀。由圖9可知，隨著乙醇沉淀比例增大，可溶性膳食纖維得率逐漸增大，當(dāng)乙醇沉淀比例達(dá)到1∶4后，可溶性膳食纖維得率沒(méi)有明顯提高。同時(shí)增大乙醇沉淀比例也會(huì)造成試劑的浪費(fèi)。

由圖10可知，隨著乙醇沉淀比例的增大，蛋白含量增大，在乙醇沉淀比例為1∶5時(shí)蛋白含量最大，之后變化不大。分析認(rèn)為可能的原因?yàn)榈鞍踪|(zhì)因高比例乙醇造成變性而出現(xiàn)沉淀，造成可溶性膳食纖維中的蛋白含量升高。因此，1∶4為適宜的乙醇沉淀比例。

2.3 酸法制取大豆皮可溶性膳食纖維正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，固定乙醇沉淀比例1∶4、pH 2.0，考察提取溫度、提取時(shí)間、料液比對(duì)大豆皮水溶性膳食纖維提取的影響，正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表2，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見表3，方差分析見表4。

由表3、表4可知，各因素對(duì)大豆皮可溶性膳食纖維得率影響由大到小排序?yàn)樘崛囟?> 提取時(shí)間 > 料液比，其中提取溫度對(duì)可溶性膳食纖維得率有顯著影響。最優(yōu)工藝組合為A3B3C3，即提取溫度90℃、料液比1∶20、提取時(shí)間2.0 h。在最優(yōu)工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，大豆皮可溶性膳食纖維得率為12.49%，純度為60.13%，蛋白含量為18.33%。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表4 方差分析

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)酸法制取大豆皮可溶性膳食纖維，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)的大豆皮可溶性膳食纖維制取工藝條件為：pH 2.0，提取溫度90℃，料液比1∶20，提取時(shí)間2.0 h，乙醇沉淀比例1∶4。在最優(yōu)工藝條件下，可溶性膳食纖維得率為12.49%，純度為60.13%，蛋白含量為18.33%。相較原料中的可溶性膳食纖維含量(3.10%)顯著提高。