水酶法提取豆渣中水溶性多糖的工艺优化

田瑞红，江连洲,*，李 丹

(1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.宁德师范学院，福建 宁德 352100)

水酶法提取豆渣中水溶性多糖的工艺优化

田瑞红1，江连洲1,*，李 丹2

(1.东北农业大学食品学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2.宁德师范学院，福建 宁德 352100)

以水酶法提油后的副产物豆渣为原料，对超声辅助热提水溶性大豆多糖的工艺进行优化。在单因素试验的基础上，选择超声功率、超声时间、液固比、六偏磷酸钠质量浓度、提取温度为自变量，水溶性大豆多糖提取率为响应值，利用中心旋转组合试验和响应面分析法，研究各变量对水溶性大豆多糖提取率的影响。结果模拟得到二次多项式回归方程的预测模型，并确定超声提取水溶性大豆多糖的条件为 超声功率150W、提取温度88℃、超声时间17min、液固比28:1、六偏磷酸钠溶液质量浓度2g/100mL，在此条件下，水溶性大豆多糖提取率的预测值为12.06%，验证实验所得水溶性大豆多糖的提取率为11.52%。优化的工艺条件操作简单、易行、提取率高，适宜在实践中应用。

水溶性大豆多糖；超声波；响应面分析法；水酶法

水溶性大豆多糖是一种酸性多糖，结构类似于果胶，主要由酸性糖(半乳糖醛酸聚糖、鼠李二半乳糖醛酸聚糖)主链和中性糖(阿拉伯聚糖和半乳聚糖)支链组成[1]。一方面，水溶性大豆多糖作为一种天然的生物活性物质，具有抗氧化和免疫活性[2]，预防心脑血管病、糖尿病、胆结石、肝炎等疾病的多种功能[3]；另一方面，作为一种良好的食品添加剂，水溶性大豆多糖具有分散性、乳化性[4]、稳定性[5]和黏着性[6]等多种功能[7]，因此在食品行业中有着广泛的应用前景。

关于水溶性大豆多糖的提取，从20世纪70年代开始国内外就均有相关报道，但多集中于以加工大豆食品(如豆腐、腐竹、腐干、豆乳等)的副产物豆渣为原料[8]，目前还未见对水酶法提油后的豆渣中水溶性大豆多糖提取工艺的研究。水酶法提油由于具有设备简单、操作安全、植物油无溶剂残留、提油后的饼粕无毒[9-10]，以及可从油料中同时分离油和蛋白质等优点[11]，已逐渐成为植物油提取的研究热点。超声波提取作为一种先进的水溶性大豆多糖提取方法，具有能耗低、提取时间短、效率高等特点[12]。本研究主要采用水酶法提油后的豆渣为原料，利用超声波的热效应、空化效应及机械作用[13]加速细胞壁的破碎，从而促进胞内多糖的溶出，缩短提取时间。以水溶性大豆多糖提取率为指标，在单因素试验的基础上，采用响应面分析方法优化超声波提取水溶性大豆多糖的工艺条件，为水酶法提油后豆渣中大豆水溶性多糖的开发利用提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

豆渣 实验室水酶法提油后的残渣；蒸馏水、葡萄糖、苯酚、硫酸、无水乙醇均为分析纯。

1.2 仪器与设备

721分光光度计 上海第三分析仪器厂；BT224S型电子分析天平 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；HWS28型数显恒温水浴锅、101型电热鼓风干燥箱 天津泰斯特仪器有限公司；LK-200A型中草药粉碎机 浙江温岭仪器厂；SHZ-Ⅲ型循环水式真空泵 上海亚荣生化仪器厂；G1-21M离心机 上海市离心机械研究所；ES-2030型冷冻干燥仪 日本Hitachi公司；KQ-500DV型数控超声波清洗器 昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 指标分析测定

蛋白质含量测定：参照GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白质的测定方法》；脂肪含量测定：参照G B/T 5009.6—2003《食品中脂肪的测定方法》；水分含量测定：参照GB/T 5009.3—2003《食品中水分的测定方法》；淀粉含量测定：采用费林试剂热滴定定糖法；总膳食纤维含量测定：参照GB 22224—2008《食品中膳食纤维的测定方法》。

1.3.2 豆渣的预处理工艺流程

水酶法提油后的残渣烘干→粉碎(过40目筛)→索式提取(乙醚脱脂)→干燥→粉碎→豆渣粉

1.3.3 水溶性大豆多糖提取工艺流程

豆渣粉→超声波处理→热水浸提→多次抽滤→离心→上清液→减压浓缩至原体积的1/4→醇析→离心→洗涤干燥→多糖粗品

1.3.4 超声提取操作要点

准确称取20g经预处理的豆渣粉于锥形瓶内，按一定液固比加入六偏磷酸钠溶液，用2mol/L盐酸溶液调节pH值后在一定功率超声波下处理一定时间，放入数显恒温水浴锅。在一定温度下提取一定时间，提取完毕后趁热进行多次抽滤除渣，滤液经4000r/min离心15min[14]，溶液分为上清液、中间蛋白及下层有机相，取上清液，反复多次。将上清液减压浓缩为原体积的1/4后加入3倍体积的95%乙醇，静置过夜，4000r/min离心15min得沉淀，沉淀经丙酮、乙醇洗涤后，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计算

采用苯酚-硫酸法对多糖含量进行测定[15]，然后按下式计算水溶性大豆多糖的提取率：

1.3.6 中心旋转组合试验设计

根据单因素试验，选取超声功率、超声时间、液固比、六偏磷酸钠溶液质量浓度和提取温度5个因素为自变量(Xi)，以水溶性大豆多糖的提取率为响应值，通过Design Expert 7.1软件采用了中心旋转组合试验设计[16]，共32个试验。各因素的零水平和波动区根据单因素试验结果选定。每个试验均做3个平行样，取其平均值。因素水平编码见表1。

表1 中心旋转组合设计因素水平编码表Table 1 Factors and levels in central composite rotary design

1.3.7 统计分析

应用Desing-Expert 7.1软件、SAS 9.1软件处理数据。

1.3.8 模型的验证

在优化条件下制备水溶性大豆多糖，通过比较预测值和试验值来验证模型的有效性。

2 结果与分析

2.1 水溶性大豆多糖产率的比较

以水酶法提油后的豆渣为原料，分别采用超声波辅助热水法处理工艺(超声处理条件为超声功率150W、超声时间25min、液固比40:1、六偏磷酸钠溶液质量浓度2g/100mL、提取温度90℃、提取时间3h)和热水浸提工艺(提取温度90℃、液固比40:1、提取时间3h)制备水溶性大豆多糖，其产率见表2。

由表2可知，以水酶法提油后的副产物豆渣为原料，不同的提取方法，SSPS的产率差异极显著，超声波辅助热提法提取SSPS的提取率明显优越于以单一热水浸提工艺的提取率。以水酶法提油后的豆渣为原料，采用超声波辅助热水法提取水溶性大豆多糖提取率高，故超声处理参数应重新加以优化，以便进一步提高其产率。

表2 水溶性大豆多糖产率的比较Table 2 Comparison of SSPS extraction yields by hot water extraction with and without ultrasonic assistance

2.2 响应面试验

表3 中心旋转组合试验设计及结果Table 3 Central composite rotary design and corresponding experimental results

采用响应面法(response surface methodology，RSM)建立一个模型来优化超声波辅助热水法制备水酶法提油副产物豆渣中水溶大豆多糖的工艺。试验设计的试验条件和响应值见表3，其中试验号1～26为析因试验，27～36为10个中心试验，用以估计试验误差。

通过分析自变量和因变量得到一个能够在给定的范围内预测响应值的回归方程，水溶性大豆多糖提取率的回归方程如下：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。

中心旋转组合设计的方差分析见表4。模拟度可通过决定系数来衡量，决定系数至少为0.80[17]。本研究所得模型的决定系数为0.9771，且模型回归极显著(P＜0.0001)，失拟项不显著，说明模型与实验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著。

表4 中心旋转组合试验结果方差分析表Table 4 Variance analysis of the established regression model

根据方差分析和回归方程系数显著性检验的结果，剔除不显著项后得到的回归方程为：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 数据分析

由表 4 可知，X1、X2、X3、X4、X5、X1X2、X1X3、X3X4、X12、X22、X32项对水溶性大豆多糖产率有极显著影响，其他影响因素不显著。由F检验可以得到因素贡献率为X1＞X5＞X2＞X4＞X3，即超声功率＞提取温度＞超声时间＞固液比＞六偏磷酸钠质量浓度。由图1A和图1B可以看出，在超声功率约为110～155W时，SSPS的提取率随着超声功率的增加而增加，在155～170W时，SSPS的提取率反而呈现下降趋势。这可能是由于大分子多糖在超声波的强剪切作用下发生断裂，在后处理过程中出现损失现象，从而影响了多糖的提取率；同理，由图1A可知，超声时间在20min左右达到最大值；由图1C可知，六偏磷酸钠溶液质量浓度和固液比的增加都会使SSPS的提取率增加，但前期增加速度较大，后期趋于平缓，但从实际生产操作条件和成本考虑，加水量不宜过大；由图1D可知，随着提取时间的延长，SSPS的提取率逐渐增大，与超声功率相比，温度使SSPS增加的量较小，而相对于超声时间、液固比和六偏磷酸钠质量浓度，温度使SSPS的增加量较大。

图1 各两因素交互作用对SSPS提取率影响的响应面图Fig.1 Response surface plot showing the effects of four process conditions on extraction rate of SSPS

2.4 最适条件和回归模型的验证

通过这个回归模型，采用Design-Expert 7.1软件优化制备条件，得出以水酶法提油后的豆渣为原料，超声波辅助热提法制备水溶性大豆多糖的最适工艺条件为超声功率147.13W、提取温度88.00℃、超声时间17.36min、液固比28:1(mL/g)、六偏磷酸钠质量浓度2g/100mL。在此条件下，水溶性大豆多糖提取率的预测值为12.06%，为了实际操作方便，将响应面求得的最佳条件进行修正，即超声功率150W、提取温度88℃、超声时间17min、液固比28:1、六偏磷酸钠质量浓度2g/100mL，进行3次平行实验，提取率的平均值为11.52%，与回归方程的预测值拟合良好。

3 结 论

3.1 以水酶法提油后的副产物豆渣为原料，分别采用超声波辅助水提法提取(超声功率1 50 W、超声时间25min、液固比40:1、六偏磷酸钠质量浓度2g/100mL、提取温度90℃、提取时间3h)和热水浸提工艺(提取温度90℃、液固比40:1、提取时间3h)进行水溶性大豆多糖的提取，超声波辅助水提法的提取率(10.04±0.62)%显著高于热水浸提工艺的提取率(5.28±0.07)%，故超声波辅助水提法的处理参数应重新加以优化，以便进一步提高其产率。

3.2 以水酶法提油后的豆渣为原料，采用超声波辅助水提法制备水溶性大豆多糖时，5个因素对产率贡献率为超声功率＞提取温度＞超声时间＞液固比＞六偏磷酸钠溶液质量浓度。

3.3 以水酶法提油后的豆渣为原料，采用超声波辅助水提法制备水溶性大豆多糖时，最适工艺条件为超声功率150W、提取温度88℃、超声时间17min、液固比28:1(mL/g)、六偏磷酸钠溶液质量浓度2g/100mL。在此条件下，以水酶法提油后的副产物为原料，水溶性大豆多糖提取率达到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

田瑞红(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程。E-mail：beatrice19850216@yahoo.com

*通信作者：江连洲(1960—)，男，教授，博士，研究方向为大豆加工。E-mail：jlzname@163.com