豆渣中水溶性膳食纤维的提取

郭 敏

（太原六味斋实业有限公司，山西太原030000）

人类社会进入21世纪，人们生活水平大幅提高，饮食日趋精细导致富贵病（糖尿病、心血管病、肥胖肠道癌、便秘等）越来越普遍。加之进入老龄化社会，人们对食品的消费观念也发生了变化，对食品要求不仅仅停留在感官、口感上，而是越来越讲究功能性。因此，可以相信21世纪的食品将逐渐以功能性食品为主，而膳食纤维正是因其突出的保健功能而被人们逐渐认识。膳食纤维经过了30多年的研究和发展，已成为发达国家广泛流行的保健食品。据悉，在欧美，高纤维类产品的年销售额已过300亿美元；在日本，食用纤维素类产品的年销售额近100亿美元，并正式将之列为继蛋白质、脂肪、碳水化合物、水矿物质和维生素之后的“第七大营养素”。专家们一致认为，纤维食品将是21世纪的主导食品之一[1]。

我国是世界上种植大豆的主要国家之一，资源十分丰富，然而在豆制品加工过程中作为副产品的豆渣却没有得到有效利用，一般都作为饲料或废弃物处理，经济效益低，同时也造成了环境污染。若能将豆渣进一步加工成膳食纤维产品，既能防止资源的浪费，又可以减少污染。许多发达国家都已经建立了开发研制膳食纤维的专门机构，并有了膳食纤维的产品。但市售商品多为不可溶性和合成的可溶性膳食纤维2种，目前市场上还未见大豆可溶性膳食纤维的出售。试验利用新鲜的豆渣为原料，采用了化学法，研究了提取水溶性膳食纤维的最佳条件，消除了豆渣原料的弊端，研制出质高、价廉、方便食用的水溶性膳食纤维。

1 材料与仪器

1.1 材料

新鲜豆渣，六味斋豆制品厂提供；

结晶碳酸钠、无水乙醇，均为分析纯；工业乙醇，化学纯。

1.2 仪器

JA5003N等级I型电子天平；HH-4型恒温水浴箱，江苏金坛市科析仪器有限公司产品；RE-52AA型旋转蒸发仪；TDL-40B型离心机，上海安亭科学仪器厂产品；GDH-9243BS-Ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱，上海新苗医疗器械制造有限公司产品；FZ102型电动植物粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 试验原理

纤维素分子在碱性条件下的降解过程有2种类型，即碱性水解和“剥皮反应”。在高温下，易发生碱性水解，当温度在150℃以下，纤维素在碱性介质中主要发生剥皮反应。所谓的剥皮反应即纤维素分子末端具有还原性的醛基，在碱的作用下，一个接一个地脱去，直到产生的纤维素末端基转化为偏变糖酸基才停止反应[2]。

1.3.2 提取工艺

（1）豆渣的预处理。豆渣→干燥→粉碎→过80目筛→样品。

（2）水溶性膳食纤维的提取工艺。豆渣经预处理后，称取2 g样品，用水反复洗涤以去除表面的蛋白质。在一定温度下，用碳酸钠溶液回流进行剥皮反应，一定时间后，对提取液进行离心过滤，滤液用乙醇作沉淀剂将水溶性膳食纤维沉淀下来。蒸发溶剂，于90℃下干燥得到白色粉末状水溶性膳食纤维，提取工艺[3]如下：

1.4 单因素试验[4]

1.4.1 浸提质量分数的选择

称取2 g样品，用水反复洗涤以去除附着表面的蛋白质。在提取液质量分数分别为1%，2%，3%，4%，5%，浸提温度为80℃，提取时间为60 min，提取液用量为25 mL/g条件下进行剥皮反应，沉淀剂选用工业乙醇，以确定浸提质量分数。

1.4.2 浸提温度的选择

称取2 g样品，用水反复洗涤以去除附着表面的蛋白质。在提取液质量分数为3%，浸提温度分别为60，70，80，90，100℃，提取时间为60 min，提取液用量为25 mL/g条件下进行剥皮反应，沉淀剂选用工业乙醇，考查不同浸提温度对浸提效果的影响。

1.4.3 提取时间的选择

称取2 g样品，用水反复洗涤以去除附着表面的蛋白质。在提取液质量分数为3%，浸提温度为80℃，提取时间分别为30，45，60，75，90 min，提取液用量为25 mL/g条件下进行剥皮反应，沉淀剂为工业乙醇，以确定最佳的提取时间。

1.4.4 提取液用量的选择

称取2 g样品，用水反复洗涤以去除附着表面的蛋白质。在提取液质量分数为3%，浸提温度为80℃，提取时间为60 min，提取液用量分别为15，20，25，30，35 mL/g条件下进行剥皮反应，沉淀剂选用工业乙醇，以确定最佳的提取液用量。

1.4.5 沉淀剂的选择

在上述4个因素都确定后，进一步研究无水乙醇、95%乙醇、工业乙醇3种对浸提效果的影响，并寻找最佳的沉淀剂与沉淀时间。

1.5 正交试验设计

根据单因素试验确定的碳酸钠质量分数、浸提温度、提取时间、提取液用量作为考查的4个因素，每因素3个水平，以水溶性膳食纤维质量为指标，用L9（34）正交表安排试验得出最佳的浸提条件。

2 结果与分析

2.1 不同碳酸钠溶液质量分数对浸提效果的影响

不同碳酸钠溶液质量分数对浸提效果的影响见图1

图1 不同碳酸钠溶液质量分数对浸提效果的影响

由图1可知，当碳酸钠溶液质量分数小于3%时，水溶性膳食纤维的质量增加明显，其中从1%~2%时增加最为迅速，当在3%左右时到达最大值，但是当溶液质量分数超过3%时，浸提效果缓慢降低，但浸提效果还是高于1%时，因此选用质量分数为3%的碳酸钠溶液较为合适。

2.2 不同浸提温度对浸提效果的影响

不同浸提温度对浸提效果的影响见图2。

图2 不同浸提温度对浸提效果的影响

由图2可知，在60~80℃时，浸提效果随浸提温度的增加而增加；在60~70℃时增加迅速，这是由于随着浸提温度升高，水溶性膳食纤维溶解速度加快；在浸提温度升高到80~90℃时，浸提效果降低，但变化不是很明显；当浸提温度升高到90℃以后时，浸提效果降低，这是由于温度高破坏了少量的水溶性膳食纤维。因此综合考虑，浸提温度应控制在80℃左右。

2.3 提取时间对浸提效果的影响

提取时间对浸提效果的影响见图3。

图3 提取时间对浸提效果的影响

由图可知，在30~60 min时，随着提取时间的延长，浸提效果逐渐升高，但升高速率不明显；在60 min时浸提效果达到最高值；但是在60 min后，随着提取时间的延长，浸提效果开始逐渐下降，但是下降速率也不是很明显。因此，确定提取时间为60 min时浸提效果比较合适。

2.4 提取液用量对浸提效果的影响

提取液用量对浸提效果的影响见图4。

图4 提取液用量对浸提效果的影响

由图4可知，在提取液用量为15~25 mL/g时，随着提取液用量的增加浸提效果明显升高，这是由于在一定范围内，提取液用量越大越有助于水溶性膳食纤维的溶解；在提取液用量为25 mL/g左右时，浸提效果达到最大值；而在提取液用量超过25 mL/g后，随着提取液用量的增加，浸提效果显著降低。因此，选用25 mL/g提取液对浸提效果较佳。

2.5 正交试验

根据单因素试验结果，设计的正交试验。

正交试验因素水平见表1，正交试验及其直观分析见表2。

表1 正交试验因素水平

由表2可知，正交试验的最佳组合为A2B2C3D1，影响浸提效果的主次因素为B>C>A>D，即浸提温度、提取液用量、碳酸钠溶液质量分数、提取时间，得到的理论最佳提取方案为A2B2C2D2。经过试验验证得A2B2C2D2优于A2B2C3D1组合。因此，确定的最佳浸提条件为碳酸钠质量分数3%，浸提温度80℃，提取液用量25 mL/g，提取时间60 min。

表2 正交试验及其直观分析

2.6 沉淀剂的选择

2.6.1 无水乙醇、95%乙醇、工业乙醇[5]

在确定以上4种因素对浸提效果的影响并确定最佳浸提方案后，以最佳浸提方案进行以下试验并确定不用沉淀剂对沉淀效果的影响。

称取2 g样品，用水反复洗涤以去除附着表面的蛋白质。在提取液质量分数为3%，浸提温度为80℃，提取时间为60 min，提取液用量为25 mL/g条件下进行剥皮反应，分别选择无水乙醇、95%乙醇、工业乙醇3种乙醇作为沉淀剂进行试验，并以无水乙醇作为对照，以考查不同沉淀剂随沉淀时间不同对沉淀效果影响。

不同沉淀剂随沉淀时间对沉淀效果的影响见图5。

图5 不同沉淀剂随沉淀时间对沉淀效果的影响

图5 为3种不同沉淀剂随沉淀时间变化而提取的水溶性膳食纤维质量的变化图，以无水乙醇为对照进行试验95%乙醇与无水乙醇之间没有明显区别，都是在0~4 h内不断升高，4 h时达到沉淀量最高，4 h以后基本没有变化。而工业乙醇在0~10 h内不断升高，但在各个时间段沉淀量都没有无水乙醇和95%乙醇的高，直到10~12 h时才与无水乙醇和95%乙醇基本一致。因此，3种乙醇作为沉淀剂沉淀效果基本无异，只有沉淀时间的不同而已。因此，在试验过程中为节约成本，选择工业乙醇为最为恰当。

2.6.2 工业乙醇、蒸馏后乙醇

称取2 g样品，用水反复洗涤以去除附着表面的蛋白质。在提取液质量分数为3%，浸提温度为80℃，提取时间为60 min，提取液用量为25 mL/g条件下进行剥皮反应，分别选择工业乙醇、蒸馏后乙醇2种乙醇作为沉淀剂进行试验，并以工业乙醇作为对照，以考查蒸馏后的乙醇是否还可以继续作为沉淀剂 使用。

工业乙醇与蒸馏后乙醇沉淀量随沉淀时间变化见图6。

图6 工业乙醇与蒸馏后乙醇沉淀量随沉淀时间变化

由图6可知，蒸馏后乙醇与工业乙醇基本没有明显区别。因此，在试验过程中，可以使用旋转蒸发仪对使用过的乙醇进行蒸馏重新提取，提取出的乙醇也可以作为沉淀剂继续使用，并且对试验不会产生影响，这样就可以大大降低成本。

3 讨论

3.1 提高产率的途径

采用大豆豆渣提取水溶性膳食纤维时，原料的粉碎度要适宜，若豆渣太碎，用碱液提取易流失而造成产率降低。在提取过程中，水溶性膳食纤维随处理次数的增多而减少，因此在提取水溶性膳食纤维时应该尽量减少中间环节。另外，提取液的pH值对产率大小影响也很大。当pH值<12时剥皮反应很难进行，因此提取液的pH值应控制在13左右，有利于反应顺利进行[6]。

3.2 超声波清洗对提取率的影响

超声波清洗机的使用可以加速2种物质的接触面积，增快2种反应物的反应速度，那么如果在试验过程中，一是在豆渣与碳酸钠溶液反应时放入超声波清洗机中时，是不是可以使剥皮反应进行地更加充分，从而提高水溶性膳食纤维的提取率；二是，在沉淀过程中，将其放入超声波清洗机中一段时间，是不是可以加快沉淀速度，从而使沉淀时间缩短，加快了沉淀效率。因此，如果超声波清洗机真的可以提高水溶性膳食纤维的提取率，那么就必须再进行严谨的试验，以确立较为适合的清洗时间，从而提高对水溶性膳食纤维的提取率。

4 结论

采用正交试验的方法研究了从大豆豆渣中提取水溶性膳食纤维，确定了提取的最佳条件为碳酸钠溶液质量分数3%，浸提温度80℃，提取液用量25 mL/g，提取时间60 min。试验结果证明，以此条件提取水溶性膳食纤维产率较高、品质较好。并且为了可以大大降低成本，可以使用工业乙醇作为沉淀剂，也可使用旋转蒸发仪对使用过的乙醇进行蒸馏重新提取，提取出的乙醇也可以作为沉淀剂继续使用，而对试验不会产生影响。

总之，膳食纤维对人体的特殊疗效作用日渐明显，其特殊的营养功能受到医学及食品界的广泛关注。而从豆渣中制备开发水溶性膳食纤维的研究正在不断深入，这将极大地促进豆渣水溶性膳食纤维在食品中的应用。膳食纤维类新产品将拥有广阔的消费市场。