電解水替代強堿提取大豆渣可溶性 多糖工藝優(yōu)化研究

袁 森，杜明星，李博生

（北京林業(yè)大學 生物科學與技術學院，北京 100083）

我國是大豆種植和加工的主要國家之一，近年來，我國自產和進口大豆總量約為9 000 余萬t，在大豆工業(yè)生產過程中會產生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，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，但也存在得率低、能耗大、費時長等不足［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、反應溫和、專一性強等諸多優(yōu)點［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，生物酶法在實際應用中所占比例并不大?；瘜W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，但是在生產過程中會產生大量的廢水對環(huán)境造成污染，不符合環(huán)境友好型產業(yè)要求，而處理廢水的費用也相當昂貴［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，但會產生大量污水造成污染，如果有辦法在保持提取率的基礎上將強堿完全代替或者部分代替，從而使強堿使用量降低，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 種溶劑比強酸強堿有更好的穿透能力，且由于其化學性質的緩和性，與具有腐蝕性的強酸強堿溶劑相比，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。電解水近年來逐漸被運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，此項研究使用電解水（EW）替代強堿作為溶劑對大豆渣可溶性多糖提取進行工藝優(yōu)化。以豆渣為原料，用電解水不同程度替代強堿提取大豆可溶性多糖，在單因素的基礎上設計正交實驗、優(yōu)化實驗來確定最佳提取工藝，旨在解決產業(yè)化生產中傳統(tǒng)提取方法面臨的瓶頸問題，探索一條經濟、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)大學北路農貿市場，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，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)境保護技術開發(fā)有限公司；離心機，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，中國上海梅普達儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 豆渣預處理 先將烘箱預熱，待稱量瓶恒重，準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 準確稱取新鮮干豆渣20 g，將豆渣磨細，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，保持恒溫進行浸提，對提取液進行抽濾，去除濾渣，用活性炭進行脫色，再進行離心，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）標準曲線的繪制。大豆渣可溶性多糖的定量檢測方法采用苯酚-硫酸法［28］，將標品葡萄糖干燥至恒重，準確稱量25 mg 標品，用蒸餾水溶解，然后定容為濃度為0.1 mg/mL 的標準葡萄糖溶液。用移液槍吸取0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、0.9 mL標品葡萄糖溶液，用蒸餾水補至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（標品葡萄糖濃度為零）做空白對照，在490 nm 處測定OD 值，繪制標準曲線，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 為測定液質量濃度(mg/mL）。

圖1 葡萄糖標準曲線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按標準曲線測定步驟操作，在波長490 nm 處測定大豆渣多糖A 值，根據(jù)葡萄糖標準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 為豆渣樣品質量（g）。

1.3 試驗設計

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，進行單因素試驗，每組試驗設置3 個平行。

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

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

1.3.3 電解水替代強堿優(yōu)化試驗 在電解水全部替代強堿對大豆渣多糖提取的單因素和正交試驗基礎上，探究電解水不同程度替代強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，二者體積比分別設為 EW∶NaOH =2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、0∶10、10∶0，對大豆渣多糖進行提取試驗。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果與分析

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，擴散作用增強，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，當溫度過高時，由于電解水自身化學性質的不穩(wěn)定性，使得提取溶劑pH下降過快導致多糖提取率降低。

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，但當提取時間過長時，由于電解水自身化學性質的不穩(wěn)定性以及過長時間加熱導致多糖發(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，也產生了大量溶劑的浪費。

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 正交實驗實驗結果與分析

在上述單因素試驗的基礎上確定浸提溫度、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，進行了提取率正交優(yōu)化試驗，結果如表2 所示。

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

由表2 得各因素產生的影響作用主次順序是：A ＞B＞D＞C。根據(jù)極差分析結果可知，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，需進行驗證實驗，按照該組合進行3 次重復實驗，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 電解水替代強堿優(yōu)化試驗結果與分析

由圖6 得電解水部分替代強堿溶液時的大豆渣多糖提取率均高于電解水全部替代強堿時，這說明電解水部分替代強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%的強堿使用量，而且提取結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用，從工業(yè)生產實踐來考慮，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堿對大豆渣多糖進行提取，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堿時大豆渣多糖得率最高可達到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堿對大豆渣多糖提取的影響奠定了基礎。

本研究優(yōu)化實驗得電解水替代40%強堿時大豆渣多糖提取綜合效果最好，提取率可達12.08%，略高于田瑞紅［5］水酶法中大豆多糖的提取率。電解水替代強堿法彌補了傳統(tǒng)水提法的提取率不足，與傳統(tǒng)堿提法相比節(jié)省了40%強堿，在工業(yè)生產中，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，更符合我國對產業(yè)發(fā)展向高質量，綠色轉型的要求。

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

4 結論

電解水全部替代強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%的強堿，對于大豆渣多糖提取產業(yè)有著重大的意義。