豆渣汽爆改性及其強(qiáng)化高固酶解作用研究

賈永秀，田雪，張佳，隋文杰,，張民,2，劉銳，吳濤

（1.天津科技大學(xué)食品營養(yǎng)與安全國家重點實驗室，天津科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457；2.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300392）

豆渣是大豆制品加工過程中的主要副產(chǎn)物，是指在加工生產(chǎn)自制豆?jié){、豆腐等其他豆制品類的過程中產(chǎn)生的粗糙物或殘渣。根據(jù)國家統(tǒng)計局和中國食品工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020 年我國大豆產(chǎn)量1960 萬噸，用于豆制品加工的大豆用量約為890 萬噸，而每1 噸大豆加工約產(chǎn)生1.1～1.2 噸濕豆渣。由于新鮮豆渣高濕易腐且具有不良風(fēng)味和質(zhì)地，常用做動物飼料或被丟棄于田中做肥料，造成嚴(yán)重的資源浪費。豆渣中含有豐富的膳食纖維、蛋白質(zhì)、脂肪和礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，其中膳食纖維作為“第七類營養(yǎng)物質(zhì)”，具有促進(jìn)人體腸道蠕動及調(diào)節(jié)腸道微生物平衡，降低血液中膽固醇和甘油三酯等諸多作用，成為食品保健方面重要的營養(yǎng)物質(zhì)和食品開發(fā)對象。

目前，對豆渣中膳食纖維的提取處理方法有很多，其中酶水解法具有工藝條件溫和、特異性強(qiáng)、反應(yīng)時間短、副產(chǎn)物少和純度高等特點。酶處理可使纖維素、半纖維素等結(jié)構(gòu)性成分分解成小分子糖或單糖，從而大幅提高SDF 的含量。然而，對于大宗性食物纖維原料，常規(guī)底物濃度下（5%～10%）酶解過程具有耗水多、產(chǎn)物濃度低、能耗高和產(chǎn)能低等一系列問題?！案吖堂附狻奔夹g(shù)是針對“低固酶解”技術(shù)的不足提出的綠色生產(chǎn)技術(shù)。高固體系一般指體系超過15%（w/w）固體載荷，體系不再呈現(xiàn)液態(tài)或者泥漿態(tài)，而是呈現(xiàn)固態(tài)。因此，適度提高酶解固體載荷，降低分離和生產(chǎn)設(shè)備能耗，是實現(xiàn)豆渣規(guī)模化高效利用的重要途徑。但由于其高固體系中酶的擴(kuò)散-吸附和反應(yīng)受限，存在水解效率隨固形物含量增加而下降的共性技術(shù)問題，需要通過底物改性或者過程強(qiáng)化來破解其傳遞-反應(yīng)屏障。

汽爆技術(shù)作為木質(zhì)纖維素原料的高效預(yù)處理手段，已在生物煉制相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其利用高溫高壓水蒸汽處理纖維原料，通過瞬間泄壓實現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。大量研究表明，汽爆能夠破解植物細(xì)胞壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，部分脫除半纖維素等結(jié)構(gòu)性成分，提高酶解可及性，促進(jìn)SDF 有效轉(zhuǎn)化。因此，本文通過汽爆改性豆渣，改善酶解底物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，提升高固酶解處理效果和反應(yīng)效率，以期為大量豆渣原料的高效轉(zhuǎn)化和規(guī)模利用提供技術(shù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

豆渣粉（含水率為6.02%）由河南潁水農(nóng)莊提供；無水乙醇、一水合檸檬酸、濃硫酸、氫氧化鈉、硼酸、2-（N-嗎啉代）乙磺酸（MES）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）等分析純，國藥化學(xué)試劑有限責(zé)任公司；堿性蛋白酶（酶活8900 U/mL）、-淀粉酶（酶活≥1 萬U/g）、纖維素酶（酶活132 FPU/g 固體）青島諾維信生物科技有限公司。

QBS-200B 汽爆機(jī)（反應(yīng)罐體積5 L）鶴壁正道生物能源有限公司；SHZ-82A 恒溫振蕩器 常州國華電器有限公司；EMS-18 磁力攪拌器 天津歐諾儀器儀表有限公司；TGL-16B 臺式離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；DH-101 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 天津中環(huán)實驗電爐公司；K9840 自動凱氏定氮儀 山東海能科學(xué)儀器有限公司；JY-DF-1000 馬弗爐 上海巨夷儀器設(shè)備有限公司；SU1510 掃描電子顯微鏡、CR-10 Plus 色差儀、DSC-60 plus 差示掃描量熱儀日本島津公司；Nicolet iS50 傅里葉變換紅外光譜儀上海力晶科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 豆渣汽爆處理 將豆渣按照1:0.8（w/v）比例噴灑蒸餾水充分復(fù)水2 h。取復(fù)水后500 g 豆渣，放入汽爆機(jī)反應(yīng)室內(nèi)，通入飽和水蒸汽，使反應(yīng)室內(nèi)壓力分別達(dá)到設(shè)定壓力0.6、0.9、1.2 和1.5 MPa（對應(yīng)汽爆強(qiáng)度lgR分別為2.43、2.91、3.30、3.59），維持時間5 min，然后瞬間泄壓進(jìn)行爆破，物料被爆入接收室。收集樣品于70 ℃鼓風(fēng)干燥箱干燥7 h 后粉碎，置于室溫干燥器中保存待用。

1.2.2 豆渣結(jié)構(gòu)與性質(zhì)測定

1.2.2.1 微觀形貌表征 利用掃描電子顯微鏡觀察豆渣樣品的顯微結(jié)構(gòu)。將豆渣樣品于105 ℃烘箱干燥后，采用導(dǎo)電粘合劑粘貼于標(biāo)本保持架上，并濺射鍍金。采用掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，簡稱SEM）在10 kV 加速電壓下以500 和1000倍的放大倍數(shù)觀察樣品和拍照。

1.2.2.2 理化性質(zhì)表征 用Li 等的方法測定水溶性。取0.5 g 豆渣與50 mL 的蒸餾水混合在燒杯里。混合物于90 ℃的恒溫水浴中攪拌30 min，然后在3000 r/min 下離心15 min。上清液轉(zhuǎn)移至平皿中，在105 ℃干燥箱中干燥5 h。稱殘留物質(zhì)量，計算水溶性。

式中：w為殘余物的質(zhì)量，g；w 為樣品質(zhì)量，g。

根據(jù)孫冰玉等的方法測定豆渣持水性。將0.2 g 豆渣粉與10 mL 蒸餾水于室溫下混合，靜置1 h，以3000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心20 min 后除去上清液，稱量殘渣，計算持水性。

式中：w為含水殘渣的質(zhì)量，g；w 為樣品質(zhì)量，g。

根據(jù)孫冰玉等的方法測定豆渣持油性。室溫下，稱取1.0 g 樣品與5 mL 食用油放置30 min，每5 min 振搖一次，在3500 r/min 下離心30 min，除去上層游離油，稱量殘渣，計算持油性。

式中：w為含油殘渣的質(zhì)量，g；w 為樣品質(zhì)量，g

根據(jù)孫冰玉等的方法測定浸水溶脹性。取1.0 g 的樣品裝入有刻度的離心管中，加入10 mL 的蒸餾水搖勻，室溫下靜置24 h。記錄樣品膨脹后的體積，計算溶脹性。

式中：v為樣品浸水膨脹后的最終體積，mL；v 為樣品原始體積，mL；w 為樣品的重量，g。

1.2.2.3 化學(xué)組成測定 水分含量采用直接干燥法測定GB 5009.3-2016；蛋白質(zhì)含量采用凱氏定氮法測定GB 5009.5-2016；粗脂肪采用索氏提取法測定GB 5009.6-2016；灰分含量采用燃燒方法測定GB 5009.4-2016；總膳食纖維含量（Total dietary fiber，TDF）、IDF 和SDF 含量采用酶重量法測定GB 5009.88-2014。

1.2.2.4 紅外光譜表征 參照Lin 等方法測定，利用傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR），稱取樣品1 mg，加入溴化鉀150 mg，充分研磨，壓片制備待測樣品，于4000～400 cm波長范圍內(nèi)掃描，分辨率：4 cm，掃描次數(shù)：16。

1.2.2.5 熱穩(wěn)定性表征 豆渣熱穩(wěn)定性采用Chen等的方法測定。稱取少量（2～5 mg）樣品置于鋁制坩堝中，壓片備用。轉(zhuǎn)移至差示掃描量熱儀中進(jìn)行檢測。測量范圍為室溫至600 ℃，升溫速度設(shè)定為10 ℃/min。

1.2.3 豆渣高固酶解處理 將一定質(zhì)量的豆渣加入到100 mL 錐形瓶中，加入10 mL 0.05 mol/L 檸檬酸緩沖液（pH4.8±0.05），將纖維素酶加入緩沖溶液中?？疾於乖腆w含量為2%、5%、10%、20%（w/v）；用酶量為5、10、20、40 FPU/g 固體。在50 ℃及200 r/min水浴搖床孵育12 h，取出沸水浴滅酶活。

在用酶量為5 FPU/g 固體的條件下，考察汽爆豆渣（lgR=2.91）和未處理豆渣在不同固體含量與酶解時間（0.5、1、2、4、6、12 h）下SDF 得率的變化，獲取酶解動力學(xué)曲線。

1.2.4 豆渣SDF 提取 參照Chen 等的方法。脫除淀粉：酶解豆渣中加入MES-Tris 緩沖液40 mL，加入50 μL 熱穩(wěn)定-淀粉酶液，加蓋鋁箔緩慢攪拌，置于95 ℃恒溫振蕩水浴箱反應(yīng)35 min，取出冷卻。脫除蛋白：將脫除淀粉試樣置于60 ℃水浴中，加入100 μL 蛋白酶溶液，加蓋上鋁箔攪拌，反應(yīng)35 min，待結(jié)束取出沸水浴滅活。將試樣于3500 r/min 離心20 min，過濾收集上清液。加4 倍體積95%乙醇，靜置8～12 h，離心分離，沉淀復(fù)溶、冷凍干燥，稱量并收集SDF 粉備用。

式中：m為提取所得SDF 質(zhì)量的干重，g；m為提取所用豆渣質(zhì)量的干重，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實驗重復(fù)三次，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。采用（SPSS statistics 24）軟件分析數(shù)據(jù)，使用單因素方差分析（ANOVA），并使用Duncan檢驗分析之間差異的顯著性值（<0.05）。利用OriginPro 9.0 進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 汽爆處理對豆渣結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響

2.1.1 汽爆豆渣結(jié)構(gòu)形貌 由汽爆豆渣和原料的宏觀形貌圖可見，豆渣原料呈白色粉末，汽爆后顏色加深呈棕褐色粉末，且隨汽爆強(qiáng)度的增強(qiáng)豆渣粉由淺褐色轉(zhuǎn)為深褐色（如圖1a-I，b-I，c-I，d-I，e-I）。原因可能是汽爆過程豆渣中多糖和蛋白類成分發(fā)生美拉德褐變反應(yīng)和焦糖化反應(yīng)產(chǎn)生了暗色的物質(zhì)。豆渣中纖維等降解形成的還原糖與蛋白質(zhì)降解形成的氨基酸，在水熱作用下裂解脫水形成的揮發(fā)性醛、酮類物質(zhì)，引起一系列美拉德反應(yīng)，誘導(dǎo)非酶褐變，最終導(dǎo)致產(chǎn)生棕黑色的大分子類黑素。

圖1-II，III 為汽爆豆渣和原料的掃描電鏡圖。由圖1 中可見（圖1a-II，a-III），豆渣原料表面片狀層疊致密，結(jié)構(gòu)完整有序，基本沒有碎片化現(xiàn)象。汽爆后豆渣結(jié)構(gòu)形貌完全改變，微粒化作用明顯，內(nèi)部形成蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，裂隙增多，粗糙度增加；且隨汽爆強(qiáng)度增加，顆粒表面熔漿化加劇。即在汽爆高溫蒸煮過程中，豆渣中纖維結(jié)構(gòu)軟化，整體無序性增強(qiáng)，部分結(jié)構(gòu)性成分解聚并降解，使其表面呈熔漿態(tài)；而在隨后瞬時爆破過程中，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部液態(tài)水發(fā)生閃蒸、氣態(tài)水蒸氣發(fā)生絕熱膨脹，破壞豆渣立體結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)暴露、多孔性增加、體系復(fù)雜程度增加。

圖1 不同汽爆強(qiáng)度處理豆渣光學(xué)照片與掃描電子顯微照片F(xiàn)ig.1 Optical and scanning electron micrographs of steam exploded soybean dregs

2.1.2 汽爆豆渣理化性質(zhì) 汽爆后豆渣水溶性明顯增加，而持水性、持油性和浸水溶脹性明顯降低（見圖2）。隨汽爆強(qiáng)度的加，豆渣的水溶性從9.52 g/100 g上升到了48.85 g/100 g，提升了5.13 倍，總體呈現(xiàn)先上升后下降的顯著趨勢（<0.05）。汽爆豆渣水溶性增加一方面是由于汽爆破壞豆渣復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)其細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)大量溶出；另一方面則是由于汽爆水熱作用使豆渣中纖維素、半纖維素等結(jié)構(gòu)性成分轉(zhuǎn)化，降解生成易溶于水的糖類、酚類等小分子物質(zhì)。在最高汽爆強(qiáng)度下，豆渣的水溶性轉(zhuǎn)為降低趨勢，可能是由于可溶性糖進(jìn)一步分解產(chǎn)生醛類和小分子有機(jī)酸等易于揮發(fā)性成分或者進(jìn)一步縮合形成腐殖酸類大分子物質(zhì)所致。原料持水性、持油性與溶脹性分別為9.55、1.79 g/g 與9.65 mL/g，汽爆后豆渣的持水性、持油性與溶脹性最低分別降至4.65、0.84 g/g與4.87 mL/g，分別降低了51.31%、53.07%與49.53%。持水/油性是評估樣品在無外力作用下可以吸收的水/油量，溶脹性是在過量水存在情況下，一定量的纖維平衡后的體積，較高分子量的纖維可以改善豆渣的溶脹性。因此汽爆豆渣持水性、持油性與溶脹性的降低，這可能由于汽爆處理在高溫/高壓下的強(qiáng)大剪切力使豆渣纖維聚合物的斷裂，豆渣致密結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，無穩(wěn)定結(jié)構(gòu)保留水與油；此外，也可能是纖維與蛋白等大分子結(jié)構(gòu)受到一定的破壞，大分子物質(zhì)減少所致。

圖2 豆渣與汽爆豆渣的理化性質(zhì)變化Fig.2 Changes in physicochemical properties of steam exploded soybean dregs

2.1.3 汽爆豆渣化學(xué)組成 由表1 可知，豆渣原料中主要成分是膳食纖維，總膳食纖維含量占比高達(dá)77.54%，其中以IDF（67.96%）為主，SDF 含量僅為9.58%。此外蛋白質(zhì)、脂質(zhì)與灰分含量分別為14.52%，4.75%與2.97%。汽爆后豆渣中SDF 含量顯著上升，IDF 含量顯著下降（<0.05），而TDF 含量略有下降。隨汽爆強(qiáng)度增加，豆渣中SDF 含量先增后降，在汽爆強(qiáng)度為2.91 時增加至36.90%，與原料相比提高了3.85 倍；豆渣中IDF 和TDF 在汽爆強(qiáng)度為3.30時降低至31.11%和61.94%，與原料相比分別降低了59.27%和20.12%。上述結(jié)果表明汽爆促進(jìn)了豆渣中IDF 向SDF 的轉(zhuǎn)化，這與其他文獻(xiàn)報道的汽爆對食物纖維原料的作用趨勢一致。汽爆對纖維性原料兼具機(jī)械力改性和熱改性特點，一方面從結(jié)構(gòu)上改性高纖原料，使其微觀結(jié)構(gòu)疏松且為蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)、比表面積增加，從而提高SDF 提取效率；另一方面，使膳食纖維中部分IDF 向SDF 轉(zhuǎn)變，從而提高SDF 得率，這主要是由汽爆能夠顯著脫除纖維性原料中大量半纖維素的作用所致。汽爆過程高壓熱酸性環(huán)境會導(dǎo)致細(xì)胞壁上半纖維素大量水解、纖維素非結(jié)晶區(qū)遭到破壞、木質(zhì)素解聚和重排，以及淀粉糊化、蛋白質(zhì)熱變性和熱降解等一系列水熱反應(yīng)，均是導(dǎo)致IDF 向SDF 轉(zhuǎn)化的途徑。且隨汽爆強(qiáng)度增加，轉(zhuǎn)化趨勢愈明顯。對木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)原料的汽爆結(jié)果表明，汽爆能使半纖維素脫除率達(dá)到85%以上。而在最高汽爆強(qiáng)度條件下，SDF 含量有所下降，這主要是由于在更劇烈的條件下小分子糖類成分進(jìn)一步降解所致。

2.1.4 汽爆豆渣官能團(tuán)結(jié)構(gòu) 采用FTIR 表征進(jìn)一步分析原料和汽爆豆渣的官能團(tuán)含量與分布（如圖3所示）。從圖中可見豆渣的光譜峰吸收帶形狀相似，但吸收帶的相對強(qiáng)度不同。3427 和2921 cm兩處的波數(shù)吸收帶分別歸因于糖類中O-H 伸縮振動和甲基上C-H 的收縮振動。該兩處峰值隨汽爆強(qiáng)度增加而減弱，表明汽爆可能使豆渣中纖維素分子間的氫鍵斷裂，糖類物質(zhì)有降解效應(yīng)。位于1642、1377、1252 cm三處的吸收帶歸屬于豆渣中蛋白中酰胺I、酰胺II 和酰胺III。汽爆豆渣在此處吸收峰明顯減弱，表明汽爆對豆渣蛋白質(zhì)有降解作用，可能改變其組成肽鏈的氨基酸排列順序。位于1052 cm處與886 cm兩處的吸收峰歸屬于豆渣中的多糖，包括豆渣中淀粉和木糖等。1052 cm處的峰主要是C-O-C、C-OH、CH、CH彎曲振動，是糖類特征峰。在886 cm處則歸于-糖苷鍵的特征峰。其吸收值均在汽爆后降低，表明汽爆破壞了木質(zhì)素和多糖結(jié)構(gòu)的連接鍵，可能導(dǎo)致了IDF 向SDF 的轉(zhuǎn)化、降低了IDF 的相對含量，這與表1 豆渣中化學(xué)組成結(jié)果與相關(guān)報道相一致。

圖3 豆渣原料與汽爆豆渣的FT-IR 光譜Fig.3 FT-IR spectrum of steam exploded soybean dregs

表1 豆渣基本化學(xué)組成（g/100 g）Table 1 Chemical composition of steam exploded soybean dregs (g/100 g)

2.1.5 汽爆豆渣熱穩(wěn)定性 不同汽爆強(qiáng)度下，原料與汽爆豆渣的DSC 曲線與熱力學(xué)特征值如圖4 所示。豆渣熱分解過程可基本劃分為三個階段，P：30～200 ℃是水分的揮發(fā)；P：200～400 ℃，為非結(jié)晶態(tài)纖維素、半纖維素、羧基等其他含氧官能團(tuán)降解；P：400～550 ℃，結(jié)晶態(tài)纖維素、木質(zhì)素、裂解單糖縮聚物等物質(zhì)降解。第一階段P熱降解中，汽爆豆渣與原料降解趨勢相近，表明二者中游離水、結(jié)合水及連接氫鍵含量相近。在第二階段P熱降解中，原料的熱解焓變值為2460 J/g，汽爆豆渣焓變明顯降低，且隨著汽爆強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先降低后增加趨勢。其變化主要是汽爆導(dǎo)致豆渣中半纖維素部分脫除降低了在該區(qū)間的熱焓變值。表明汽爆處理加強(qiáng)對豆渣中非結(jié)晶態(tài)纖維素、羧基等其他含氧官能團(tuán)的降解，有利于生成SDF 及大量單糖縮聚物，導(dǎo)致吸熱峰降低。在第三階段P熱降解中，最大熱解峰溫度由476 ℃增加至506 ℃，熱解焓變值由4720 J/g 增加至12070 J/g。主要原因可能是汽爆促使豆渣中結(jié)構(gòu)性生物大分子解聚后再縮聚生成假木質(zhì)素類結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該階段熱解焓變值和熱解溫度顯著提升，即汽爆豆渣與原料相比具有更高的熱穩(wěn)定性。這一結(jié)論與汽爆橘皮提取可溶性膳食纖維的研究相一致。隨后又呈現(xiàn)降低后增加的趨勢，表明汽爆促進(jìn)豆渣中結(jié)構(gòu)性大分子解聚再縮聚反應(yīng)是一個動態(tài)過程，生成假木質(zhì)素類結(jié)構(gòu)在高溫高濕環(huán)境中不能穩(wěn)定存在，呈現(xiàn)一定波動。這與表1 豆渣中化學(xué)組成結(jié)果與相關(guān)報道相一致。

圖4 汽爆豆渣的DSC 曲線Fig.4 DSC curve of steam exploded soybean dregs

2.2 汽爆對豆渣高固酶解過程的強(qiáng)化效果

2.2.1 不同固體載荷和用酶量下的汽爆豆渣酶解效果 如圖5 是不同固體載荷和酶用量對汽爆豆渣酶解SDF 得率的影響。根據(jù)表1 豆渣基本化學(xué)組成可知，lgR為2.43 與2.91 時，其所含SDF 含量較高，分別達(dá)到34.44%和36.90%。因此，選擇這兩個汽爆條件進(jìn)行后續(xù)高固酶解研究。由圖5 可知，汽爆顯著增加了不同固體載荷和用酶量下豆渣SDF 酶解得率。隨固體載荷增加，原料酶解SDF 得率由15.79%～17.08%（2%固體載荷）降低至11.63%～12.83%（20%固體載荷）。汽爆強(qiáng)度為2.43 時，在低固體載荷（2%）條件下豆渣酶解SDF 得率為40.06%～44.18%，隨后SDF 得率略有降低，在高固體載荷（20%）條件下豆渣酶解SDF 得率為41.45%～43.75%。在最高固體載荷20%和最低用酶量5 FPU/g 的酶解條件下，豆渣原料中SDF 得率為11.63%，而汽爆豆渣中SDF 得率為43.75%，與原料相比提高至3.76 倍。且汽爆對豆渣SDF 提取得率的增加趨勢隨固體載荷增加而愈加明顯。在高固條件下，隨用酶量增加，原料酶解SDF 得率由11.63%（5 FPU/g 用酶量）增加至12.83%（40 FPU/g 用酶量）。汽爆后，在低固體載荷條件（2%）下，豆渣SDF 提取得率先增后降；在高固體載荷條件（20%）下，豆渣SDF 提取得率逐漸降低；且汽爆強(qiáng)度越大，下降趨勢越明顯。以上數(shù)據(jù)表明汽爆一方面能夠顯著降低豆渣酶解過程用酶量，從而為降低用酶成本；另一方面能夠增加固體載荷、提高產(chǎn)物濃度，從而降低后續(xù)純化成本。

圖5 不同固體載荷下酶用量對汽爆豆渣SDF 得率的影響Fig.5 Effect of enzyme dosage on SDF yield of steam exploded soybean dregs under different solid loadings

由2.1 汽爆處理對豆渣結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響結(jié)果可知，汽爆對豆渣兼具物理破壁作用與化學(xué)熱改性作用。汽爆能夠破壞豆渣多級孔隙結(jié)構(gòu)，使其表面和內(nèi)部呈現(xiàn)疏松多孔，有助于充分暴露酶解作用位點。半纖維素和木質(zhì)素復(fù)合結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為是影響酶水解的重要抗降解屏障之一，汽爆能夠脫除細(xì)胞壁中大部分半纖維素并使木質(zhì)素發(fā)生部分解聚和重排，從而促進(jìn)纖維素酶與其底物的充分接觸，進(jìn)一步提高SDF 酶解得率。而且汽爆豆渣在20%的高固體載荷條件下依然保持較高的SDF 得率（40.54%以上），而豆渣原料為12.83%以下，說明汽爆能夠顯著降低豆渣原料固體載荷的制約，提高其酶解過程的底物濃度。提高豆渣固體載荷勢必增加了酶解體系內(nèi)水分約束與傳質(zhì)阻力，高固體系下自由水含量降低，水與其他物質(zhì)作用從而導(dǎo)致體系流動性降低，產(chǎn)生了明顯的水束縛效應(yīng)。其將導(dǎo)致在酶解過程中無法將纖維素酶運送到酶解作用點，且無法擴(kuò)散酶解產(chǎn)物，影響酶解解效率。由圖5 酶解前后豆渣照片可明顯看出，在高固體載荷條件下，豆渣原料酶解體系中已無游離水存在，而汽爆后，豆渣酶解體系形成了均勻的泥漿狀態(tài)，體系流動性增加，且有部分游離水存在。可能是由于汽爆部分降解豆渣中生物大分子使其聚合度降低，水溶性物質(zhì)多，從而提高酶的可及性和酶解體系的流動性。然而隨用酶量的增加，汽爆豆渣SDF 提取得率略有降低，可能是由于酶解過度導(dǎo)致部分纖維素降解產(chǎn)物持續(xù)分解，分子量減小，生成寡糖或單糖而無法提取所致。

2.2.2 不同固體載荷下的汽爆豆渣酶解動力學(xué)曲線

如圖6 所示為汽爆前后豆渣物料的酶解動力學(xué)曲線。根據(jù)圖5 不同固體載荷下酶用量對汽爆豆渣SDF 得率的影響可知，在2%～10%固體載荷下，汽爆強(qiáng)度lgR為2.91 時SDF 提取得率較高，因此選取該汽爆條件下處理豆渣進(jìn)行酶解動力學(xué)實驗。在較低固體載荷條件（2%與5%）下，豆渣原料與汽爆料均在酶解6 h 左右基本達(dá)到酶解反應(yīng)平衡，之后SDF 酶解得率基本變化不大；在較高固體載荷條件（10%與20%）下，豆渣原料酶解時間12 h 仍未達(dá)到反應(yīng)平衡，而汽爆豆渣的酶解SDF 得率仍在6 h 后基本不再變化。因此從過程經(jīng)濟(jì)性考慮，汽爆豆渣酶解時間可優(yōu)化選擇在6～12 h。

圖6 酶用量為5 FPU/g 下豆渣酶解動力學(xué)曲線Fig.6 Enzymatic hydrolysis kinetic curve of steam exploded soybean dregs at 5 FPU/g of enzyme dosage

上述數(shù)據(jù)表明汽爆能夠顯著縮短豆渣高固體載荷下酶解時間，使酶解反應(yīng)平衡時間縮短50%左右，提高酶解得率同時增加反應(yīng)效率。由于高固體載荷條件下，豆渣原料體系粘度急劇增加，體系流動性降低，酶分子傳質(zhì)阻力增大，從而不利于酶解反應(yīng)的進(jìn)行。而汽爆處理一方面能夠增加豆渣的多孔性，使其酶分子可及的表面積和可傳遞的孔道增加；另一方面能夠降低酶解體系黏度，增加體系的流動性，促進(jìn)酶分子的結(jié)合與轉(zhuǎn)移，從而縮短了酶解反應(yīng)時間，顯著提高酶解效率。

3 結(jié)論

汽爆處理顯著改善豆渣理化性質(zhì)，其作用兼具機(jī)械力改性和熱力改性特點。汽爆后豆渣微觀結(jié)構(gòu)呈疏松的蜂窩狀多孔態(tài)且表面熔漿態(tài)明顯；汽爆豆渣水溶性顯著提升，與原料相比增加了5.13 倍，而持水性、持油性和浸水溶脹性降低；汽爆對豆渣結(jié)構(gòu)性大分子物質(zhì)的水熱降解作用促進(jìn)部分IDF 向SDF 轉(zhuǎn)變，且隨汽爆強(qiáng)度增加轉(zhuǎn)化趨勢越明顯，在最高汽爆強(qiáng)度條件下豆渣中SDF 含量達(dá)到原料的3.85 倍；汽爆對豆渣組成的改變使其熱穩(wěn)定性增加，豆渣最大熱解峰溫度和焓變值均提高。

豆渣汽爆改性后強(qiáng)化其高固酶解效果，通過改善酶解底物組成結(jié)構(gòu)和體系流動狀態(tài)，降低高固酶解過程固體載荷制約，從而提高酶解底物濃度、降低酶用量、縮短酶解時間。在最高固體載荷20%和最低用酶量5 FPU/g 的酶解條件下，汽爆豆渣中SDF 得率達(dá)到43.75%，與原料相比提高3.76 倍；汽爆后豆渣高固體載荷條件下酶解反應(yīng)平衡時間縮短50%左右。本文采用汽爆解離改性聯(lián)合高固酶解制取豆渣SDF，闡明了豆渣汽爆改性作用及其對高固酶解過程的強(qiáng)化作用，為大量豆渣原料的高效轉(zhuǎn)化和利用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。