豆渣中功能性低聚糖的提取*

高晶晶，刘丽娜，王 震，闫君芝，慕 苗，陈锦中

(榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000)

豆渣是生产豆腐或豆制品过程中所产生的副产品[1]。经研究表明，大豆中有很大一部分营养成分残留在豆渣中，其含有丰富的蛋白质、脂肪、纤维、维生素、矿物质、功能性低聚糖等营养成分[2-3]。中国是豆腐生产的发源地，豆腐的生产、销售量都较大，相应的豆渣产量也很大[4]。然而豆渣却常被人们当食物残渣扔掉或者作为饲料，并不能凸显出豆渣自身所含有的价值，还会造成资源的浪费，对环境造成严重的影响[5]。豆渣功能性低聚糖对人体有很多的好处，如促进肠道内双歧杆菌增殖[6]、保护肝脏、抑制体内腐败物质的生成[7]、辅助降低血压功效[8]、降低血清胆固醇[9]、清洁肠道，缓解便秘[10]、治疗肝炎和肝硬化[11]、益于胃肠健康、促进肠道内营养物质的生成和吸收[12]、抑制有害物生成等[13]。

作者以豆渣为研究对象，对其中的功能性低聚糖进行提取研究，利用单因素实验和响应面优化法对提取条件进行优化，得到了豆渣中功能性低聚糖的提取工艺路线，为其后续应用研究提供了一定理论基础[14]。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

豆渣：榆林学院西门豆腐坊。

正己烷：山东利昂新材料科技有限公司；无水乙醇：成都市六顺精细化工有限公司；苯酚：天津市科密欧化学试剂有限公司；葡萄糖标准品：上海金穗生物科技有限公司；3,5-二硝基水杨酸：上海凯赛化工有限公司；蒽酮：上海天莲精细化工有限公司；以上试剂均为分析纯。

电子天平：FA1004，上海良平仪器仪表有限公司；可见分光光度计：723N，上海佑科仪器仪表有限公司；粉碎机：200 g，浙江省上虞市大亨桥仪器厂；数显恒温水浴锅；HH-1，金坛市丹阳门石英玻璃厂；鼓风干燥箱：DHG-9030A，上海皓庄仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 标准曲线的绘制

1.2.1.1 还原糖标准曲线的绘制

量取低聚糖提取液1 mL至1支干净的25 mL比色管中，然后向其中加入3 mL的3,5-二硝基水杨酸溶液，快速摇匀，放置烧开的水中6 min，取出，立即放入冷水中冷却，后加入蒸馏水稀释至刻度线，静放5 min，用蒸馏水代替样品溶液作空白试剂，用1 cm比色皿在分光光度计上最大波长540 nm处测定吸光度，然后利用标准曲线方程求出还原糖含量[15]。

1.2.1.2 总糖标准曲线的绘制

吸取蒸馏水和提取液各2 mL，分别放入2支干净的比色管中，后向其中各加入10 mL的蒽酮溶液，快速摇匀，放进烧水锅中加热10 min取出，立即放入冷水凉至室温，用1 cm比色皿在可见分光光度计上于最大波长620 nm处测定吸光度，利用标准曲线方程求出总糖含量[16]。

1.2.2 提取率的计算[17]

低聚糖提取率=(总糖提取率-还原糖提取率)×100%

式中：ρ为还原糖或总糖质量浓度，mg/mL；V为总糖或还原糖提取液总体积，mL；m为样品质量，g；N为稀释倍数。

1.2.3 豆渣脱脂

取新鲜刚购买的豆渣，用新纱布包裹挤去豆渣中多余的水分，散开铺放在干净的盘子里，晾晒至质量恒定。后将其放入粉碎机中粉碎后过孔径178 μm筛，装入准备好的袋子，密封保存备用[18]。

准确称取20 g的豆渣粉末过孔径为178 μm筛，倒进三口烧瓶中，向其中加入30 mL正己烷溶液，快速摇晃均匀，封住瓶口，放至50 ℃的数显恒温水浴锅中，插入冷凝管，浸提2 h后将所得溶液进行过滤，将过滤后豆渣放置干燥箱中40 ℃干燥1 h，即为脱脂豆渣粉末[19]。

1.2.4 单因素实验

准确称取10 g脱脂后的豆渣，置于三口烧瓶中，加入一定φ(乙醇)的溶液，在一定温度的恒温水浴下搅拌，提取一定时间后，过滤，取上清液，用3,5-二硝基水杨酸法和蒽酮法分别检测还原糖和总糖的含量，然后计算出功能性低聚糖的含量及提取率。

1.2.5 响应面优化实验

利用响应面回归设计实验分析得到最佳的工艺条件。在上述单因素实验的基础上，选择提取时间(A)、φ(乙醇)(B)、提取温度(C)，对提取率影响较大的因素进行三因素三水平的响应面优化设计，水平因素设计见表1。

表1 设计因素与水平编码表

2 结果与讨论

2.1 还原糖标准曲线

以ρ(葡萄糖)-吸光度作还原糖标准曲线见图1。

ρ(葡萄糖)/(mg·mL-1)图1 还原糖标准曲线

2.2 总糖标准曲线

总糖标准曲线见图2。

ρ(葡萄糖)/(mg·mL-1)图2 总糖标准曲线

2.3 单因素实验结果

各影响因素对豆渣低聚糖提取率的影响见图3。由图3a可知，t=1.0～2.5 h，随着提取时间的增长，豆渣功能性低聚糖的提取率显著增加，t=2.5 h，豆渣低聚糖提取率达到最高，而t=2.5～3.0 h，低聚糖的提取率反而下降，可能是因为提取时间过长导致部分低聚糖分解。综上所述，t=2.5 h，豆渣中功能性低聚糖的提取率最佳。由图3b可知，V(乙醇提取液)∶m(豆渣)(简称液料比)=10∶1～25∶1 mL/g，随着提取液的增多，低聚糖的提取率明显增加，而液料比为25∶1～30∶1 mL/g，低聚糖提取率逐渐平稳。综上所述，豆渣中功能性低聚糖的最佳提取液料比为25∶1 mL/g。由图3c可知，t=30～60 ℃，随着提取温度的不断升高，低聚糖的提取率明显增加，这是因为温度升高，低聚糖类物质的渗透能力和扩散能力会随温度的升高而增加。随着温度的继续升高，低聚糖的提取率反而下降，这是因为温度不断升高会使低聚糖类物质发生氧化，含量下降。因此确定豆渣功能性低聚糖的最佳提取温度为60 ℃。由图3d可知，φ(乙醇)=40%～70%，随着φ(乙醇)的不断增加，低聚糖的提取率明显增加，持续增加φ(乙醇)，提取率反而下降。可能是低聚糖在乙醇溶液中被其他物质溶解，所以导致提取率降低。因此最佳φ(乙醇)=70%，此时提取率为3.421%。

t/ha 提取时间

液料比/(mL·g-1)b 液料比

t/℃c 温度

φ(乙醇)/%d φ(乙醇)图3 各因素对豆渣低聚糖提取率的影响

2.4 响应面优化实验结果

2.4.1 实验结果

根据单因素实验结果选出提取时间(A)、φ(乙醇)(B)、提取温度(C)3个对提取率影响较大的因素进行响应面优化设计，实验设计及实验结果见表2，方差分析见表3。

表2 Box-Benhnken实验设计与低聚糖提取率

续表

表3 豆渣低聚糖提取模型方差分析

由表3可知，以低聚糖的提取率作为响应值，该模型P<0.000 1，表明该模型显著，可以用来模拟该提取过程。失拟项P=0.507 7>0.010，失拟项不显著，表明该回归模型的误差较小，可以较好预测并且分析实验结果。由均方和对比可得3个因素对低聚糖提取率的影响程度为提取时间>提取温度>φ(乙醇)。利用响应面软件进行响应面回归分析，得到二次多项回归方程模型。

2.4.2 各因素间交互作用分析

各因素间交互作用分析结果见图4。

a 提取时间和φ(乙醇)交互作用

b 提取时间和提取温度交互作用

c φ(乙醇)和提取温度交互作用图4 各因素交互作用对低聚糖提取率的影响

3D立面图中，越陡峭的一方对提取率的影响越大。由图4a可知，提取时间对低聚糖提取率的影响程度大于φ(乙醇)；由图4b可知，提取时间对低聚糖提取率的影响程度大于提取温度；由图4c可知，提取温度对低聚糖提取率的影响程度大于φ(乙醇)。

经Design Expert软件分析可以预测最佳条件为提取时间2.88 h，φ(乙醇)=72.29%，提取温度60.91 ℃，提取率为3.562%。为了方便继续进行实验，提取条件圆整为提取时间2.8 h，φ(乙醇)为72%，提取温度为61 ℃。为了验证模型预测条件及结果是否准确，进行了3组平行验证实验。低聚糖平均提取率为3.570%，与预测值3.562%相近，表示该模型可靠。

3 结 论

以豆渣为研究对象，对豆渣中功能性低聚糖进行提取研究，结论如下。

(1)单因素实验表明在提取时间为2.5 h，液料比为25∶1 mL/g，提取温度为60 ℃，φ(乙醇)=70%时，功能性低聚糖提取率为3.421%；

(2)通过响应面优化得出在提取时间为2.8 h，提取温度为61 ℃，φ(乙醇)=72%的条件下，低聚糖的平均提取率为3.570%。