豆渣可溶性膳食纤维的提取及其制备可食用膜的研究

张帅 罗嘉瑶 邹志群 郑剑楠 程昊

摘要：豆渣是大豆加工的大宗副产物，富含膳食纤维。采用微波辅助酶解水提法提取豆渣可溶性膳食纤维（SDF），然后将其制成可食用膜。通过单因素试验和正交试验优化后的提取工艺参数为水料比25∶1 （mL/g）、纤维素酶添加量3%、水解时间2 h，此条件下豆渣SDF提取率为18.65%。然后通过正交试验优化了用豆渣SDF制备可食用膜的配方为SDF 1.0 g、甘油4.5 g、CMC 1.0 g、海藻酸钠1.5 g。用最优配方制备的可食用膜具有良好的性能：膜厚度0.032 mm、透明度13.26%、溶解速度25 s/g、水蒸气透过系数0.61 g·mm/m2·d·kPa、透油系数4.15 g·mm/m2·d。该研究可为豆渣的深加工提供方法参考，所制备的可食用膜有望用于食品加工、包装行业。

关键词：豆渣；可溶性膳食纤维；可食用膜；性能

中图分类号：TS214.2      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2024）04-0091-05

Study on Extraction of Soluble Dietary Fiber from Soybean Dregs

and Preparation of Edible Film

ZHANG Shuai1， LUO Jia-yao1， ZOU Zhi-qun1， ZHENG Jian-nan1， CHENG Hao2，3*

（1.School of Food and Pharmaceutical Engineering， Zhaoqing University， Zhaoqing 526061， China;

2.College of Biological and Chemical Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China; 3.Collaborative Innovation Center of Sugarcane Industry

Co-constructed by Province and Ministry of Education， Nanning 530004， China）

Abstract： Soybean dregs are the main by-products of soybean processing， and are rich in dietary fiber. Soluble dietary fiber （SDF） is extracted from soybean dregs by microwave-assisted enzymatic hydrolysis and water extraction method， and then it is made into edible film. The extraction process parameters optimized by single factor test and orthogonal test are as follows： water-material ratio is 25∶1 （mL/g）， cellulase addition amount is 3% and hydrolysis time is 2 h. Under these conditions， the extraction rate of SDF from soybean dregs is 18.65%. The formula of edible film prepared by soybean dreg SDF is optimized by orthogonal test： 1.0 g SDF， 4.5 g glycerol， 1.0 g CMC and 1.5 g sodium alginate. The edible film prepared by the optimal formula has good properties： the film thickness is 0.032 mm， the transparence is 13.26%， the dissolution rate is 25 s/g， the water vapor transmission coefficient is 0.61 g·mm/m2·d·kPa， and the oil transmission coefficient is 4.15 g·mm/m2·d. This study can provide method references for the deep processing of soybean dregs， and the prepared edible film is expected to be used in food processing and packaging industries.

Key words： soybean dregs; soluble dietary fiber （SDF）; edible film; performance

收稿日期：2023-09-05

基金項目：“八桂之光”访学研修计划项目（桂组通字[2021]64号）

作者简介：张帅（1978—），男，山东济南人，教授，博士，研究方向：食品发酵与农产品加工。

*通信作者：程昊（1980—），男，山东泰安人，副研究员，硕士，研究方向：食品科学、农产品加工。

大豆在我国食用广泛，绝大部分用于榨油及加工成腐竹、豆腐、豆乳等豆制品，在生产过程中会产生大量的副产物——豆渣。豆渣的营养价值很高，富含膳食纤维、蛋白质、氨基酸、维生素、矿物质等[1]，因此豆渣主要作为饲料和肥料应用于养殖和种植行业[2]。然而，为提高豆渣的附加值、产生更高的利润，需要对豆渣进行深加工。

可食用膜是一种以可食用的天然高分子为原料，通过不同分子间相互作用而形成的具有多孔网络结构，并有一定包装保护功能的可食用薄膜[3]，它通过阻氧、阻湿和防止溶质迁移来保证食品的质量，以延长食品的货架期[4]。可食用膜根据组成材料可分为脂类膜、蛋白质膜、多糖膜、复合膜[5-6]。李佩燚等[7]以豆渣為材料研制了一种可食性包装纸膜，配方为豆渣用量2.5%、CMC用量0.75%、魔芋葡甘聚糖（KGM）用量0.75%、蜂蜡用量0.5%、甘油用量1.5%。杨利玲等[8]分析了制作豆渣-马铃薯淀粉可食用膜的最优配方为马铃薯淀粉4.0 g、水50 g、豆渣0.5 g、甘油1.0 g、卡拉胶0.10 g、β-环糊精0.15 g。

利用可溶性膳食纤维制成的可食用膜属于多糖膜。豆渣富含膳食纤维，因此可利用豆渣膳食纤维研发可食用膜。可食用膜除可用于食品保鲜外，还可做成预制菜、方便食品调味料包的包装袋。由于包装袋是用可溶性膳食纤维制成的，因此使用时可将调味料和包装袋一起直接投入水中烹煮。另外，豆渣提取膳食纤维后的残渣还可以作为生产酱油、豆酱等调味品的原材料[9-10]。本文首先采用微波辅助酶解水提法从豆渣中提取可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF），然后将其制成可食用膜，并对提取工艺和制作配方进行了优化，最后对可食用膜的性能进行了检测。本研究可为扩展豆渣深加工途径提供方法参考，对于提高豆渣的利用率、增加产品的经济利润、减少豆渣对环境的污染等具有重要的经济和环保意义。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 原料

黄豆（购于本地农贸市场），洗净后置于豆浆机中，按豆水比1∶15 （g/mL）加水打浆，滤去豆浆，收集豆渣，然后将豆渣置于干燥箱中60 ℃干燥2 h备用。

1.1.2 试剂

纤维素酶（100 000 U/g）、小苏打、柠檬酸、无水乙醇、甘油（均为食品级）；羧甲基纤维素钠（CMC）、海藻酸钠、变色硅胶：均为国产试剂。

1.1.3 设备

格兰仕P70D20TL-D4型微波炉 广东格兰仕集团有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅、JJ-2型组织捣碎机 常州亿通分析仪器制造有限公司；飞鸽TDL-40B型离心机 上海安亭科学仪器厂；DZF-6050型真空干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；SPX-250型恒温恒湿培养箱 上海跃进医疗器械有限公司；115系列管材千分尺 日本三丰Mitutoyo公司；上海雷磁PHS-3C酸度计 上海仪电科学仪器股份有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 可食用膜的制备

首先获得豆渣可溶性膳食纤维，工艺流程如下：

豆渣经微波膨化处理→粉碎过80目筛→纤维素酶水解（45 ℃，2 h）→加热灭酶（100 ℃，5 min）→过滤→滤液加2倍无水乙醇，沉淀过夜→离心（5 000 r/min，10 min）→干燥沉淀→可溶性膳食纤维[11]。

准确称取适量CMC和海藻酸钠（二者作为增稠剂）置于100 mL蒸馏水中60 ℃恒温水浴并高速搅拌使其充分溶解，然后加入适量SDF和甘油，边加热边搅拌30 min，使各物质充分溶解并涂于表面光滑的已预热玻璃上，65 ℃真空干燥后，置于90 ℃水浴锅中湿润15 min后揭下的膜即为可食用膜[12]。

1.2.2 可食用膜透水时间的测定

将可食用膜覆盖于烧杯口，在膜上滴加水后立即计时，水透过膜至第一滴水滴下为止即为透水时间，也称水滴漏时间[13]。

1.2.3 SDF提取工艺单因素试验

称取粉碎好的膨化豆渣，在纤维素酶添加量为1%、pH为9、水解时间为2 h的条件下考察水料比（mL/g）分别为10∶1、15∶1、20∶1、25∶1、30∶1时豆渣中SDF的提取率。

称取粉碎好的膨化豆渣，在水料比确定的条件下，考察pH为9、水解时间为2 h、纤维素酶添加量分别为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%时豆渣中SDF的提取率。

称取粉碎好的膨化豆渣，在水料比、纤维素酶添加量确定、pH为9的条件下，考察水解时间分别为0.5，1，1.5，2，2.5 h时豆渣中SDF的提取率。

称取粉碎好的膨化豆渣，在水料比、纤维素酶添加量、水解时间确定的条件下，考察pH分别为7，8，9，10，11时豆渣中SDF的提取率。

1.2.4 SDF提取工艺正交试验优化

在单因素试验结果的基础上，以SDF提取率为响应值进行L9（34）正交试验，以优化SDF提取工艺参数。

1.2.5 可食用膜制备配方正交试验优化

根据前期试验结果，称取1.0 g SDF，分别添加适量CMC、海藻酸钠、甘油制备可食用膜。考虑到可食用膜的主要作用是保护食品、延长食品的货架期，所以透水时间越长，膜性能越好[14]。因此，分别以上述3种化合物的添加量为控制因素，以透水时间为响应值，进行L9（34）正交试验以优化可食用膜制备配方。

1.2.6 可食用膜性能的测定

1.2.6.1 膜厚度的测定

在裁好的可食用膜中用管材千分尺随机测5个点，求平均值，单位为mm。

1.2.6.2 透明度的测定

参考谭惠子等[15]的方法。将待测可食用膜剪成细条，贴于比色皿表面，以空白比色皿为对照，在λ=540 nm处测定吸光度（A），然后按下式计算可食用膜的透明度（T）。

T=0.1A×100%。

1.2.6.3 溶解速度的测定

参考郝志明等[16]的方法。取1.0 g可食用膜置于装有60  ℃ 100 mL水的烧杯中，快速搅拌至溶液中无可见碎片为止，记录单位质量可食用膜溶解所需时间，用溶解速度（s/g）表示。

1.2.6.4 水蒸气透过系数的测定

参考Talja等[17]的方法。在小烧杯中放入适量变色硅胶，用可食用膜封口后置于30 ℃、相对湿度75% 的恒温恒湿培养箱中24 h，测定变色硅胶的增重，按下式计算可食用膜的水蒸气透过系数：

W=（Δm×L）/（A×t×ΔP）。

式中：W为水蒸气透过系数，g·mm/m2·d·kPa；Δm为硅胶质量变化，g；L为膜厚度，mm；A为封口处膜的面积，m2；t为时间，d；ΔP为膜上下两侧压力差，kPa。

1.2.6.5 透油系数的测定

参考尹兴等[18]的方法。将5 mL新鲜玉米油放入试管中，用可食用膜封口，倒置于滤纸上，放置2 d，称量滤纸质量的变化，按下式计算透油系数：

P=（Δm×L）/（A×t）。

式中：P为透油系数，g·mm/m2·d；Δm为滤纸质量变化，g；L为膜厚度，mm；A为封口处膜的面积，m2；t为时间，d。

2 结果与分析

2.1 SDF提取条件单因素试验结果

4个因素水料比、酶添加量、水解时间、pH对豆渣SDF提取率的影响见图1。

由图1中a可知，SDF提取率随着水料比的增加而增大，当水料比达到20∶1后，SDF提取率增加缓慢至不再增加。这可能是因为增加水量有利于SDF溶出，但当水量增加到一定程度时，SDF溶解量会趋于饱和而很难继续从细胞中溶出。另外，加水量不宜太大，否则会增加后续无水乙醇的用量，造成资源浪费。

由图1中b可知，SDF提取率随着纤维素酶添加量的增加而增大，但当纤维素酶添加量超过3%后，SDF提取率呈现下降趋势。这可能是因为纤维素酶可以水解大豆细胞壁中的纤维素，从而破坏细胞壁，有利于SDF的溶出。但如果纤维素酶添加量太大，可能会过度水解细胞壁中的纤维素，从而减少SDF的含量。

由图1中c可知，SDF提取率随着水解时间的延长而增大，水解1.5 h后SDF提取率增加趋缓，可见纤维素酶在此时间范围内具有良好的催化作用，纤维素不断被水解、溶出。

由图1中d可知，pH为9时，SDF提取率最大，说明本试验所用纤维素酶属于碱性纤维素酶，该酶的最适反应pH通常为8.5～9.5。因此，后续将pH调为9进行正交试验。

2.2 SDF提取条件正交试验优化

比较表1中k值大小可知，当提取条件为A3B3C2，即9号试验：水料比25∶1（mL/g）、酶添加量3.5%、水解时间2 h时，豆渣SDF提取率最高，为18.65%。在該条件下进行验证试验，结果与正交试验结果一致。由表1可知，3个因素对SDF提取率的影响强弱顺序为A>C>B，即SDF的提取率受水料比的影响最大。

2.3 可食用膜制备配方正交试验优化

比较表2中k值大小可知，当制备条件为A′2B′2C′3，即5号试验：甘油添加量4.5 g、CMC添加量1.0 g、海藻酸钠添加量1.5 g时，制备的可食用膜透水时间最长，为11.28×103 s。在该条件下进行验证试验，结果与正交试验结果一致。由表2可知，3个因素对膜透水性的影响强弱顺序为C′>B′>A′，即膜透水时间受海藻酸钠添加量的影响最大。

海藻酸钠是一种由甘露糖醛酸和古罗糖醛酸组成的多糖，具有良好的隔氧性和成膜性，并且与CMC在一定条件下有很好的相容性，可大大增加可食用膜的物理性能[19]。CMC是一种水溶性纤维素醚，有良好的生物相容性和吸湿性，是一种优良的膜结构成分。CMC可与多糖形成网状结构，并且能与海藻酸钠发挥协同增效作用，影响膜的抗拉强度。海藻酸钠与CMC作为增稠剂，随着添加量逐渐增加，膜液的黏稠度增大，膜液中气泡难以排出，干燥后膜的均一性和溶解性较差[20]。甘油作为一种增塑剂，能削弱聚合物分子链间的作用力，增加膜的延展性、弹性及柔性，使膜不易破裂。甘油还能使膜表面变得更有光泽，增大膜的溶解性。但随着甘油添加量逐渐增加，抗拉强度变差，不易成膜[21]。

2.4 可食用膜性能测定结果

采用正交试验优化配方制备的可食用膜厚度、透明度、溶解速度、水蒸气透过系数、透油系数测定结果见表3。

本试验制备的可食用膜厚度为0.032 mm，与郝志明等[16]用荸荠皮多糖制备的可食用复合膜的厚度（0.030 mm）相当。可食用膜的溶解速度为25 s/g，比谭惠子等[15]制备的大豆膳食纤维可食用膜的溶解速度（30 s/g）快，但比荸荠皮多糖可食用复合膜的溶解速度（18 s/g）慢。另外，可食用膜的透明度、水蒸气透过系数和透油系数与谭惠子等[15]制备的大豆膳食纤维可食用膜的透明度（13.872%）、水蒸气透过系数（0.621 g·mm/m2·d·kPa）和透油系数（4.016 g·mm/m2·d）大体一致。结果表明，本试验采用豆渣可溶性膳食纤维制备的可食用膜厚度适中，透明均匀，溶解性强，同时防水、防油渗透性能良好，是一款性能优良的可食用膜产品。

3 结论

豆渣中膳食纤维含量高达65%，通过微波膨化和纤维素酶水解可大大提高可溶性膳食纤维（SDF）的含量。本研究通过微波辅助酶解水提法提取豆渣中SDF，通过单因素试验和正交试验获得了提取SDF的优化工艺，即水料比25∶1 （mL/g）、纤维素酶添加量3%、水解时间2 h，此时豆渣SDF提取率为18.65%，这与任媛媛等[11]采用碱法提取豆渣SDF的提取率（18.2%）相近，但高于王凌翌等[22]采用酶法提取豆渣SDF的提取率（15.54%）。然后将SDF制成可食用膜，正交试验优化的制备配方为SDF 1.0 g、甘油4.5 g、CMC 1.0 g、海藻酸钠1.5 g，该条件制得的可食用膜透水时间为11.28×103 s。目前关于用豆渣膳食纤维制备的可食用膜透水时间方面的相关研究未见报道。

本研究制备的可食用膜为浅黄色透明状，各项性能指标检测良好，膜质感柔软、光滑，食之有轻微的大豆味，既可作为糖果、糕点等休闲食品的包装纸，也可以进一步加工成包装袋，用于预包装米粉、挂面等方便食品以及此类食品的调味料包装袋，从而减少和避免难降解塑料袋的使用，有利于环保。下一步我们会将豆渣SDF可食用膜进行小试验和中试验并应用于食品加工的实际生产中，进一步考察和评价可食用膜工业化生产和规模化应用的可行性。

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