大豆皮可溶性膳食纖維的酶法制備及其理化特性評(píng)價(jià)

趙偉

（吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

大豆作為我國(guó)重要的農(nóng)作物產(chǎn)品之一，是豆制品、食用油的主要來(lái)源，目前我國(guó)大豆的年消耗量超過(guò)億噸[1-2]。大豆皮作為大豆的重要組成部分，占大豆質(zhì)量的5%～10%[3-4]，在大豆加工及利用過(guò)程中，大豆皮通常作為加工副產(chǎn)物，用于飼料或有機(jī)肥，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)[5-6]。大豆皮富含纖維素和半纖維素，是制備膳食纖維的理想原料。膳食纖維根據(jù)其溶解性可分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）及不可溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF），其中水溶性膳食纖維含量較低，水溶性膳食纖維具有調(diào)節(jié)腸蠕動(dòng)、改善腸道菌群、調(diào)節(jié)血糖、血脂等多種生理功能[7-11]。目前SDF制備方法主要包括物理法、化學(xué)法、酶法及生物發(fā)酵[12-15]，其中物理法及化學(xué)法成本低、操作簡(jiǎn)便，但SDF轉(zhuǎn)化率低、品質(zhì)較差，同時(shí)存在一定污染；生物發(fā)酵制備SDF的成本及對(duì)設(shè)備要求較高；酶法制備SDF反應(yīng)條件溫和、專(zhuān)一性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化率高[16-18]。目前，關(guān)于酶法制備大豆皮膳食纖維的報(bào)道較少。本研究以纖維素酶及半纖維素酶作為水解酶，利用單因素及響應(yīng)面試驗(yàn)，優(yōu)化大豆皮酶解工藝，制備大豆皮SDF并研究其理化特性，以期為大豆皮資源綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆皮：山東圣旺新材料有限公司；纖維素酶（10萬(wàn)U/g）：武漢盛瑞源生物科技有限公司；半纖維素酶（10萬(wàn)U/g）：青島海維森生物科技有限公司；植物油（花生油）：山東魯花集團(tuán)有限公司；其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

COMECT多功能粉碎機(jī)：武漢提沃克科技有限公司；PWN125DZH電子天平：青島東飛科儀環(huán)保科技有限公司；DT5-4B型臺(tái)式離心機(jī)：北京新時(shí)代北利醫(yī)療器械有限公司；DHG-9023A鼓風(fēng)臺(tái)式電熱恒溫干燥箱：浙江納德科學(xué)儀器有限公司；H13970電熱恒溫水浴鍋：河北慧采科技有限公司；RE-52A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：濟(jì)南愛(ài)來(lái)寶儀器設(shè)備有限公司。

1.3 大豆皮SDF的制備

1.3.1 制備流程

大豆皮經(jīng)蒸餾水反復(fù)清洗、除雜，室溫（25℃～30℃）下干燥至恒重，粉碎過(guò)40目篩，得到大豆皮粗粉，以纖維素酶∶半纖維素酶=1∶1（質(zhì)量比）作水解酶進(jìn)行酶解（45℃、5 h），乙醇沉淀，沉淀復(fù)溶后噴霧干燥，即得大豆皮SDF。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

以纖維素酶∶半纖維素酶=1∶1（質(zhì)量比）作為水解酶，以大豆皮SDF得率為考察指標(biāo)，分別考察料液比、酶添加量、酶解時(shí)間、酶解溫度、pH值對(duì)大豆皮SDF得率的影響。

1.3.3 響應(yīng)面優(yōu)化

結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，利用Design Expert進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化料液比、酶添加量、酶解時(shí)間、酶解溫度及pH值，確定最優(yōu)酶解工藝條件。

1.3.4 SDF理化性質(zhì)的測(cè)定

1.3.4.1 大豆皮SDF持水力的測(cè)定

參考文獻(xiàn)[19]中的方法，稱(chēng)取適量大豆皮SDF粉末加入50 mL蒸餾水，室溫20℃～25℃攪拌24 h，3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，測(cè)定大豆皮SDF質(zhì)量，計(jì)算大豆皮SDF持水力，計(jì)算公式如下。

持水力/%=（m3-m2-m1）/m1×100

式中：m1為大豆皮SDF粉末質(zhì)量，g；m2為離心管質(zhì)量，g；m3為大豆皮SDF與離心管總質(zhì)量，g。

1.3.4.2 大豆皮SDF膨脹力的測(cè)定

參考文獻(xiàn)[20]中的方法，稱(chēng)取適量大豆皮SDF粉末置于10 mL干燥量筒中，記錄其原始體積V1；加蒸餾水至刻度，室溫（20℃～25℃）條件下靜置12 h，測(cè)定其吸水后體積V2，計(jì)算大豆皮SDF膨脹力，計(jì)算公式如下。

膨脹力/（mL/g）=（V2-V1）/m1

式中：m1為大豆皮SDF粉末質(zhì)量，g；V1為原始體積，mL；V2為吸水后體積，mL。

1.3.4.3 大豆皮SDF持油力的測(cè)定

參考文獻(xiàn)[21]中的方法，稱(chēng)取適量大豆皮SDF粉末放入離心管中，加入10 mL植物油，每10 min攪拌1次，共計(jì)浸泡1 h，3 000 r/min離心10 min，棄去上清液，測(cè)定大豆皮SDF質(zhì)量，計(jì)算大豆皮SDF持油力，計(jì)算公式如下。

持油力/%=（m2-m1）/m2×100

式中：m1為大豆皮SDF粉末質(zhì)量，g；m2為剩余殘?jiān)馁|(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)分析

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析采用Design Expert 8.0，采用SPSS 22.0進(jìn)行顯著性分析，采用Origin 8.6繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 料液比對(duì)大豆皮SDF得率的影響

設(shè)定酶添加量為0.85%、酶解時(shí)間為5 h、酶解溫度為45℃、酶解pH值為4.6，分別考察料液比為1∶10、1 ∶15、1 ∶20、1 ∶25、1 ∶30、1 ∶35（g/mL）時(shí)大豆皮 SDF得率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液比對(duì)大豆皮SDF得率的影響Fig.1 Effect of different feed liquid ratio on the yield of soybean skin SDF

由圖1可知，隨著溶劑量的增加，大豆皮SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，分析其原因可能為溶劑量過(guò)小，反應(yīng)不完全、反應(yīng)體系黏稠度較高，使SDF溶出、擴(kuò)散困難；溶劑量過(guò)大，反應(yīng)體系中SDF濃度過(guò)低，沉淀不徹底。綜上，溶劑過(guò)多或過(guò)少均可導(dǎo)致SDF得率降低，當(dāng)料液比達(dá)到1∶20（g/mL）時(shí)，大豆皮SDF得率最高，因此選擇料液比1∶20（g/mL）進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 酶添加量對(duì)大豆皮SDF得率的影響

設(shè)定酶解時(shí)間為5 h、酶解溫度為45℃、酶解pH值為4.6、料液比為1∶20（g/mL），分別考察酶添加量為0.70%、0.75%、0.80%、0.85%、0.90%及0.95%時(shí)大豆皮SDF得率，結(jié)果如圖2所示。

圖2 酶添加量對(duì)大豆皮SDF得率的影響Fig.2 Effects of different enzyme additions on the yield of soybean skin SDF

由圖2可知，隨著酶添加量的增加，大豆皮SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，分析其原因可能為隨著酶添加量的增加，酶解反應(yīng)速率提升，反應(yīng)更加徹底。但酶添加過(guò)量可導(dǎo)致部分SDF被進(jìn)一步水解，從而導(dǎo)致SDF得率降低。研究結(jié)果顯示，當(dāng)酶添加量達(dá)到0.85%時(shí)，大豆皮SDF得率最高，因此選擇酶添加量為0.85%進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 酶解時(shí)間對(duì)大豆皮SDF得率的影響

設(shè)定料液比為1∶20（g/mL）、酶解溫度為45℃、酶解pH值為4.6、酶添加量為0.85%時(shí)，分別考察酶解時(shí)間為 2、3、4、5、6 h及 7 h 時(shí)大豆皮 SDF 得率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 酶解時(shí)間對(duì)大豆皮SDF得率的影響Fig.3 Effect of enzymatic hydrolysis time on the yield of soybean skin SDF

由圖3可知，隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，大豆皮SDF得率呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，分析其原因可能為長(zhǎng)時(shí)間酶解為酶解反應(yīng)提供了足夠的反應(yīng)時(shí)間，然而，在酶解反應(yīng)完成后，延長(zhǎng)酶解時(shí)間對(duì)SDF得率不再產(chǎn)生影響。當(dāng)酶解時(shí)間達(dá)到5 h后，大豆皮SDF得率不再發(fā)生明顯變化，因此選擇酶解時(shí)間5 h進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.4 酶解溫度對(duì)大豆皮SDF得率的影響

設(shè)定料液比為 1∶20（g/mL）、酶解時(shí)間為 5 h、酶解pH值為4.6、酶添加量為0.85%時(shí)，分別考察酶解溫度為 35、40、45、50、55℃及 60℃時(shí)大豆皮 SDF得率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著酶解溫度的升高，大豆皮SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，分析其原因可能為隨著酶解溫度的升高，水解酶活力逐漸增強(qiáng)，SDF得率也隨之升高，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致酶活力降低或失活，降低SDF得率。研究結(jié)果顯示，當(dāng)酶解溫度達(dá)到45℃時(shí)，大豆皮SDF得率最高，因此酶解溫度選擇為45℃。

2.1.5 pH值對(duì)大豆皮SDF得率的影響

設(shè)定料液比為 1∶20（g/mL）、酶解時(shí)間為 5 h、酶解溫度為45℃、酶添加量為0.85%時(shí)，分別考察pH值為 4.0、4.6、5.2、5.8、6.4 及 7.0 時(shí)大豆皮 SDF 得率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 酶解pH值對(duì)大豆皮SDF得率的影響Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis pH on the yield of soybean skin SDF

由圖5可知，隨著pH值的升高，大豆皮SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，分析其原因可能為pH值可通過(guò)改變水解酶空間構(gòu)型對(duì)酶活力產(chǎn)生重要影響，pH值過(guò)高或過(guò)低均可導(dǎo)致水解酶活力降低，影響SDF得率。研究結(jié)果顯示，當(dāng)pH值為4.6時(shí)，大豆皮SDF得率最高，因此酶解pH值選擇為4.6。

2.2 響應(yīng)面優(yōu)化

2.2.1 酶解工藝響應(yīng)面優(yōu)化

結(jié)合單因素試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)酶解溫度及酶解pH值相對(duì)固定（水解酶的最適溫度及最適pH值相對(duì)固定），因此選取料液比（A）、酶添加量（B）、酶解時(shí)間（C）作為考察因子，以SDF得率（Y）為考察指標(biāo)，利用Box-Behnken Design模式設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化大豆皮SDF酶解工藝，試驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表1，響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果及方差分析見(jiàn)表2、表3。

表1 因素及水平Table 1 Factors and levels

表2 Box Behnken試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Box Behnken test scheme and results

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 3 Analysis of variance of response surface test results

各因素交互作用對(duì)大豆皮SDF得率影響的響應(yīng)曲面如圖6所示。

圖6 各因素交互作用對(duì)大豆皮SDF得率影響的響應(yīng)曲面Fig.6 Response surface diagram of the influence of the interaction of various factors on the yield of soybean skin SDF

通過(guò)響應(yīng)面進(jìn)行回歸分析，得出大豆皮SDF得率的二次回歸方程為Y=12.36-0.150 0A+0.287 5B+0.387 5C+0.3000AB-0.1000AC+0.0250BC-1.34A2-1.12B2-1.42C2。矯正系數(shù)R2Adj=0.943 2，預(yù)測(cè)復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.951 7，預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)R2（Pred）=0.956 3，與預(yù)測(cè)復(fù)相關(guān)系數(shù)接近，回歸模型極顯著（P＜0.01）；失擬項(xiàng) P=0.644 6＞0.05，差異不顯著（P＞0.05），說(shuō)明該回歸模型的擬合度較高，試驗(yàn)誤差小，可用該模型分析和預(yù)測(cè)不同條件下大豆皮SDF得率。各因素對(duì)大豆皮SDF得率影響因素的順序?yàn)槊附鈺r(shí)間＞酶添加量＞料液比。

2.2.2 工藝驗(yàn)證

利用Design Expert軟件建立回歸模型，模型結(jié)果顯示，大豆皮SDF最優(yōu)酶解工藝：料液比1∶19.766（g/mL）、酶添加量0.856%、酶解時(shí)間5.139 h，最優(yōu)條件下大豆皮SDF得率為12.84%，為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正：料液比1∶20（g/mL）、酶添加量0.85%、酶解時(shí)間5 h，在此條件下，大豆皮SDF得率為12.71%，接近最優(yōu)條件下大豆皮SDF得率，表明該模型具有良好的預(yù)測(cè)價(jià)值。

2.3 理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

持水力、膨脹力及持油力是評(píng)價(jià)SDF品質(zhì)的重要指標(biāo)，較高的持水力、膨脹力及持油力可有效促進(jìn)胃腸道蠕動(dòng)，增加對(duì)胃腸道有毒物質(zhì)的吸附能力，促進(jìn)有毒物質(zhì)的排出。大豆皮酶解前后理化指標(biāo)的比較如圖7所示。

圖7 大豆皮酶解前后理化指標(biāo)比較Fig.7 Comparison of physicochemical indexes of soybean hulls before and after enzymatic hydrolysis

由圖7可知，與酶解前比較，大豆皮SDF酶解后持水力、膨脹力及持油力均明顯升高，其持水力、膨脹力及持油力分別為8.53%、5.22 mL/g及7.14%，表明利用酶法制備的大豆皮SDF具有較好的理化特性。

3 結(jié)論

利用單因素試驗(yàn)結(jié)合Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以大豆皮SDF得率為考察指標(biāo)，優(yōu)化大豆皮SDF制備工藝，選用纖維素酶∶半纖維素酶=1∶1（質(zhì)量比）作為水解酶，最終確定大豆皮SDF酶解的最佳工藝：料液比1 ∶20（g/mL）、酶添加量 0.85%、酶解時(shí)間 5 h、酶解溫度45℃、酶解pH4.6，該工藝條件下SDF得率與模式預(yù)測(cè)值較為接近，表明工藝參數(shù)較為準(zhǔn)確。結(jié)果表明，由酶法制備的大豆皮SDF具有良好的理化特性。