袁 森，杜明星，李博生

（北京林業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

我國是大豆種植和加工的主要國家之一，近年來，我國自產(chǎn)和進(jìn)口大豆總量約為9 000 余萬t，在大豆工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生30%左右的豆渣，因此，豆渣的綜合利用顯得尤為重要［1-3］。當(dāng)今豆渣的蛋白利用較多，但是多糖利用并不多見，在豆渣中約含有30% 水溶性大豆多糖（Soluble Soybean Polysaccharides, SSPS）［4］。水溶性大豆多糖具有很多種生物活性，如抗氧化、抗菌等功效，水溶性大豆多糖還具有乳化性、穩(wěn)定性和分散性等性質(zhì)，也是1 種良好的食品添加劑，不僅可以作為食品中的乳化成分，還可以抑制脂類氧化，水溶性大豆多糖在食品行業(yè)中的應(yīng)用也在日益增加［5］。大豆可溶性多糖的提取方法較多［6-8］，最傳統(tǒng)的提取方法是熱水浸提法，具有操作簡便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在得率低、能耗大、費(fèi)時長等不足［9-14］；生物酶法提取大豆可溶性多糖是1 種高效綠色的提取方法，具有快速、高效、反應(yīng)溫和、專一性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)［15-16］，但也有容易受酶的活力、pH 值及其來源等因素的影響［18］，因此，生物酶法在實際應(yīng)用中所占比例并不大。化學(xué)試劑提取法主要是酸法和堿法，與熱水浸提法相比有著更好的提取率，但是在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢水對環(huán)境造成污染，不符合環(huán)境友好型產(chǎn)業(yè)要求，而處理廢水的費(fèi)用也相當(dāng)昂貴［17］；施翠娥、劉益東、陳紅等分別用熱水浸提法、堿法和酶法對大豆可溶性多糖進(jìn)行了提取實驗，并得到了最優(yōu)的提取工藝，其提取率對比可得：堿法＞酶法＞熱水浸提法［19-21］。堿法雖有較高的提取率，但會產(chǎn)生大量污水造成污染，如果有辦法在保持提取率的基礎(chǔ)上將強(qiáng)堿完全代替或者部分代替，從而使強(qiáng)堿使用量降低，減少廢液處理成本，并減少環(huán)境壓力，不失為1 種更好的提取方法。

電解水分為酸性電解水和堿性電解水2 種，作為1 種溶劑比強(qiáng)酸強(qiáng)堿有更好的穿透能力，且由于其化學(xué)性質(zhì)的緩和性，與具有腐蝕性的強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶劑相比，電解水酸堿溫和，對人體也無毒害，且具有制備工藝簡單、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。電解水近年來逐漸被運(yùn)用于天然活性成分的提取，黃永紅等［22］利用電解水提取冷榨文冠果餅中的殘油，確定了電解水最佳提油方法，即電解水輔助超聲波法；韓曉梅等［23］利用電解水提取蝦殼中的甲殼素，與傳統(tǒng)提取方法得到的甲殼素理化性質(zhì)基本一致；李楚楚等［24］探究了酸性電解水對柿子渣果膠的提取，得到了電解水提取柿子渣果膠的最佳工藝條件。為了實現(xiàn)研究目標(biāo)，此項研究使用電解水（EW）替代強(qiáng)堿作為溶劑對大豆渣可溶性多糖提取進(jìn)行工藝優(yōu)化。以豆渣為原料，用電解水不同程度替代強(qiáng)堿提取大豆可溶性多糖，在單因素的基礎(chǔ)上設(shè)計正交實驗、優(yōu)化實驗來確定最佳提取工藝，旨在解決產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中傳統(tǒng)提取方法面臨的瓶頸問題，探索一條經(jīng)濟(jì)、綠色，環(huán)保的大豆可溶性多糖提取工藝，從而推動豆渣綜合利用的向前發(fā)展［25-26］。

1 材料與方法

1.1 原料及主要儀器

新鮮豆渣，購于北京林業(yè)大學(xué)北路農(nóng)貿(mào)市場，新鮮無霉變；濃硫酸、葡萄糖、無水乙醇、苯酚均為分析純，北京化工廠。

高速萬能粉碎機(jī)，中國天津市泰斯特儀器有限公司；CE-7001 型攜帶式電解水生成器，中國廣州賽愛環(huán)境保護(hù)技術(shù)開發(fā)有限公司；離心機(jī)，中國江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；恒溫水浴鍋，中國上海亞榮生化儀器廠；752 型紫外分光光度計，中國上海梅普達(dá)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 豆渣預(yù)處理 先將烘箱預(yù)熱，待稱量瓶恒重，準(zhǔn)確稱豆渣樣品和稱量瓶重，在105 ℃條件下干燥2 ～4 h，然后冷卻30 min,稱量，干燥1 h，冷卻30 min，再稱量，反復(fù)至恒重。

1.2.2 電解水制備 電解水的制備在1 個小的電解池里，這個電解槽分陰陽兩極，中間由陽離子交換膜隔開，電解氯化鈉溶液，在陰極收集到的是堿性電解水，在陽極收集到的是酸性電解水［27］。

1.2.3 大豆渣多糖提取工藝 準(zhǔn)確稱取新鮮干豆渣20 g，將豆渣磨細(xì)，以一定料液比放入固定pH 堿性電解水中處理，在恒溫水浴鍋中加熱，保持恒溫進(jìn)行浸提，對提取液進(jìn)行抽濾，去除濾渣，用活性炭進(jìn)行脫色，再進(jìn)行離心，得上清液即為多糖提取液，定容備用。1.2.4 多糖提取率的測定

（1）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制。大豆渣可溶性多糖的定量檢測方法采用苯酚-硫酸法［28］，將標(biāo)品葡萄糖干燥至恒重，準(zhǔn)確稱量25 mg 標(biāo)品，用蒸餾水溶解，然后定容為濃度為0.1 mg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)葡萄糖溶液。用移液槍吸取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、0.9 mL標(biāo)品葡萄糖溶液，用蒸餾水補(bǔ)至1.0 mL。再分別加入0.5 mL 5%的苯酚溶液，再加入2.5 mL 濃硫酸，搖勻后靜置0.5 h。以一號試管（標(biāo)品葡萄糖濃度為零）做空白對照，在490 nm 處測定OD 值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖1，得線性回歸方程為：

A=15.949C－0.015 6 （R2=0.998 2）

式中：A 為吸光度；C 為測定液質(zhì)量濃度(mg/mL）。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of glucose standard solution

（2）提取率的計算。吸取多糖提取液1.0 mL按標(biāo)準(zhǔn)曲線測定步驟操作，在波長490 nm 處測定大豆渣多糖A 值，根據(jù)葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算出大豆渣多糖含量，根據(jù)下式計算大豆渣多糖提取率：

式中：C 為大豆渣多糖含量（mg/mL）。

V 為大豆渣多糖提取液定容體積（mL）。

M 為豆渣樣品質(zhì)量（g）。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 單因素試驗 本試驗分別探究了提取溫度（50、55、60、65、70℃）、提取時間（40、50、60、70、80 min）、 提 取 液pH 值（8、9、10、11、12）、料液比（g∶mL=1∶6、1∶8、1∶10、1∶12、1∶14）4 個變量對大豆渣可溶性多糖提取率的影響，進(jìn)行單因素試驗，每組試驗設(shè)置3 個平行。

1.3.2 正交試驗 在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇提取溫度、提取時間、電解水pH、料液比4 個因素，進(jìn)行L9(34)正交試驗設(shè)計。按照正交表中的各個因素組合，進(jìn)行大豆渣可溶性多糖的提取試驗。正交試驗設(shè)計表如表1。

表1 試驗因素水平表L9(34)Table 1 Orthogonal experimental factors and levels L9(34)

1.3.3 電解水替代強(qiáng)堿優(yōu)化試驗 在電解水全部替代強(qiáng)堿對大豆渣多糖提取的單因素和正交試驗基礎(chǔ)上，探究電解水不同程度替代強(qiáng)堿對大豆渣多糖提取率的影響。稱取20 g 干豆渣6 份，分別加入總體積為200 mL 的電解水與NaOH 溶液混合液，二者體積比分別設(shè)為 EW∶NaOH =2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、0∶10、10∶0，對大豆渣多糖進(jìn)行提取試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1 提取溫度對大豆渣多糖得率的影響 如圖2所示，隨著提取溫度的不斷升高，大豆渣多糖得率先逐漸上升后慢慢下降，在提取溫度為60 ℃時達(dá)到峰值為8.35%，隨后趨于平穩(wěn)，此時大豆多糖的提取率比55 ℃時高13.3%，比65 ℃時高6.1%。因為溫度的升高，會使溶劑分子和多糖分子的動能增加，擴(kuò)散作用增強(qiáng)，多糖分子和堿性電解水的接觸面積增大，多糖的提取率增加，當(dāng)溫度過高時，由于電解水自身化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定性，使得提取溶劑pH下降過快導(dǎo)致多糖提取率降低。

圖2 不同提取溫度對大豆渣多糖得率的影響Fig.2 Effect of temperature on the extraction rate of SSPS

2.1.2 提取時間對大豆渣多糖得率的影響 如圖3所示，以堿性EW 為提取液，隨著提取時間的增長，大豆渣多糖得率先逐漸上升，在提取時間為60 min時達(dá)到峰值為8.28%，隨后逐漸下降，此時提取率比50 min 時高14.05%，比70 min 時高11.44%。這是因為提取時間增加，堿性電解水和多糖分子的接觸時間增加，多糖的提取率增加，但當(dāng)提取時間過長時，由于電解水自身化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定性以及過長時間加熱導(dǎo)致多糖發(fā)生部分水解，使得多糖提取率降低。

圖3 不同提取時間對大豆渣多糖得率的影響Fig.3 Effect of time on the extraction rate of SSPS

2.1.3 提取液pH 對大豆渣多糖得率的影響 如圖4 所示，以堿性電解水為提取液，隨著堿性電解水pH 的不斷升高，多糖得率逐漸上升，在提取液pH 為12 時達(dá)到最大值為8.56%，比pH 為11 時高15.83%。這是因為堿性電解水在高pH 條件下，其溶解性，滲透性尤其是其穿透力也會顯著提升，堿性提取劑穿透大豆細(xì)胞壁，加速了可溶性多糖的溶出。但提取率也因為實驗室能制取的電解水最大pH值為12 受到限制。

圖4 不同提取pH 對大豆渣多糖得率的影響Fig.4 Effect of pH of EW on the extraction rate of SSPS

2.1.4 料液比對大豆渣多糖得率的影響 如圖5 所示。以堿性EW 為提取液，隨著堿性電解水量的增加，多糖得率顯著增加，在料液比1∶8 時達(dá)到最大提取率為8.25%，比1∶6 時多糖提取率增加28.3%，比1∶10 時多糖提取率高11.79%。這是由于料液比增加，溶劑增多，接觸面增大，更有利于多糖分子的溶出，因此提取率增加；但是當(dāng)料液比超過1∶8 時，提取率有所降低，說明料液比過大反而不利于多糖的溶出，導(dǎo)致提取率下降；同時過高的料液比，不但增加了后處理的工作，也產(chǎn)生了大量溶劑的浪費(fèi)。

圖5 不同料液比對大豆渣可溶性多糖提取率的影響Fig.5 Effect of material-to-solvent ratio on the extraction rate of SSPS

2.2 正交實驗實驗結(jié)果與分析

在上述單因素試驗的基礎(chǔ)上確定浸提溫度、提取時間、pH 以及料液比為影響因素，選用L9(34)正交設(shè)計，每組以20 g 干豆渣作為原料，按照正交表2 中的各個因素組合，進(jìn)行了提取率正交優(yōu)化試驗，結(jié)果如表2 所示。

表2 正交實驗結(jié)果與極差分析Table 2 Results of orthogonal experiments

由表2 得各因素產(chǎn)生的影響作用主次順序是：A ＞B＞D＞C。根據(jù)極差分析結(jié)果可知，各影響因素的最優(yōu)水平分別為A3、B3、C2、D3，因此本試驗的最優(yōu)水平組合為 A3B3C2D3，即提取溫度65 ℃、提取時間70 min、電解水pH 11、料液比1∶10。因為該組合不在正交表內(nèi)，需進(jìn)行驗證實驗，按照該組合進(jìn)行3 次重復(fù)實驗，大豆可溶性多糖提取率分別為8.69%、8.71%、8.73%，平均值為8.71%，高于表中所有組合的提取率。

2.3 電解水替代強(qiáng)堿優(yōu)化試驗結(jié)果與分析

由圖6 得電解水部分替代強(qiáng)堿溶液時的大豆渣多糖提取率均高于電解水全部替代強(qiáng)堿時，這說明電解水部分替代強(qiáng)堿有著更好的提取效果。電解水與NaOH 溶液體積比為2∶8、3∶7、4∶6、0∶10 時，混合提取液提取大豆渣多糖得率分別為12.12%、12.11%、12.08%、13.64%。體積比4:6 時相對于0:10時大豆渣多糖提取率低了1.56%，但是節(jié)省了40%的強(qiáng)堿使用量，而且提取結(jié)束后廢液堿度相對較低，易處理。綜合NaOH 成本以及廢水處理費(fèi)用，從工業(yè)生產(chǎn)實踐來考慮，電解水與NaOH 溶液體積比為4∶6 時大豆渣多糖綜合提取效果最優(yōu)。

圖6 不同體積比對大豆渣可溶性多糖提取率的影響Fig.6 Effect of different volume ratios on extraction rate of soluble polysaccharides from soybean residue

3 討論

本研究以堿性電解水不同程度替代強(qiáng)堿對大豆渣多糖進(jìn)行提取，以電解水為溶劑對大豆渣多糖的提取還未見報道。通過單因素和正交試驗得到電解水全部替代強(qiáng)堿時大豆渣多糖得率最高可達(dá)到8.17%， 高于陳姿含［14］微波浸提法、郝繼偉［29］超聲波輔助法和李莊［30］酸性、堿性提取法中大豆多糖的提取率，與陳紅［3］超聲波輔助法和鐘艷萍［31］酶解法中多糖提取率基本持平，這表明以電解水為溶劑對大豆渣多糖提取是可行的，這也為繼續(xù)探索電解水替代部分強(qiáng)堿對大豆渣多糖提取的影響奠定了基礎(chǔ)。

本研究優(yōu)化實驗得電解水替代40%強(qiáng)堿時大豆渣多糖提取綜合效果最好，提取率可達(dá)12.08%，略高于田瑞紅［5］水酶法中大豆多糖的提取率。電解水替代強(qiáng)堿法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水提法的提取率不足，與傳統(tǒng)堿提法相比節(jié)省了40%強(qiáng)堿，在工業(yè)生產(chǎn)中，可以減少廢水處理的成本和降低環(huán)境壓力，同時電解水具有制取方便、成本低廉、使用安全可靠、無殘留、對環(huán)境友好等優(yōu)勢，更符合我國對產(chǎn)業(yè)發(fā)展向高質(zhì)量，綠色轉(zhuǎn)型的要求。

本研究只探究了電解水與強(qiáng)堿不同體積比對大豆渣多糖提取率的影響，若再補(bǔ)充提取溫度、時間等條件，所得結(jié)果將會更加全面，也為電解水替代強(qiáng)堿法大豆渣多糖提取工業(yè)化生產(chǎn)提供更加全面的理論參考。

4 結(jié)論

電解水全部替代強(qiáng)堿提取大豆渣多糖的最優(yōu)工藝條件為：提取溫度65 ℃、提取時間70 min、pH=11、料液比1∶10，此條件下大豆渣多糖得率為8.71%；電解水部分替代強(qiáng)堿多糖提取效果比全部替代更好，電解水∶NaOH 溶液體積比為4∶6 時綜合效果最優(yōu)，多糖得率為12.08%，可見，以電解水替代40%強(qiáng)堿是可行的，大豆多糖提取率不會損失太多，卻少用了40%的強(qiáng)堿，對于大豆渣多糖提取產(chǎn)業(yè)有著重大的意義。