CN102224907A

CN102224907A - 从豆荚中提取膳食纤维的方法

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Publication number: CN102224907A
Application number: CN2011101363719A
Authority: CN
Inventors: 江连洲; 李杨; 陈盛楠; 齐宝坤; 黄雨洋; 刘琪
Original assignee: Northeast Agricultural University
Current assignee: Northeast Agricultural University
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: CN102224907B

Abstract

从豆荚中提取膳食纤维的方法属于植物膳食纤维提取技术；包括以下步骤：(1)将豆荚进行粉碎后过筛，再用超声进行预处理；(2)超声处理后脱脂，再分别用淀粉酶、蛋白酶、纤维酶水解、过滤：滤液用乙醇处理，沉淀得到水溶性纤维；滤渣清洗得非水溶性纤维；本方法原料为加工遗弃副产物，设备简单、操作安全，所得膳食纤维无溶剂残留，获得高质量的营养价值高的膳食纤维，提取豆荚中总膳食纤维得率可达85％，其中水溶性纤维8.9％，非水溶性纤维77.35％。

Description

从豆荚中提取膳食纤维的方法

技术领域

本发明属于植物膳食纤维的提取加工技术，主要涉及一种采用超声预处理、化学-酶法提取豆荚中膳食纤维的方法。

背景技术

目前国内外提取膳食纤维的方法主要有热水提取法、化学提取法、酶法等。比较而言，热水提取法工艺简单，但是提取率不高；化学提取法是采用化学试剂分离膳食纤维，主要有酸法、碱法和絮凝剂等，化学法的特点是制备成本较低，但在环保上存在弊端；酶法是用各种酶如α-淀粉酶、蛋白酶和糖化酶等去降解原料中的其他成分。这种方法高效、无污染，专一性强。膳食纤维的提取方法亦可根据原料成份与性质的不同，大致可分为5类：化学分离法、化学试剂-酶结合分离法、膜分离法、发酵法和超声辅助提取法等。

国外对豆渣水溶性膳食纤维研究起步比较早，在1961年Kaw amura和Narasaki就在碱性条件下提取了大豆水溶性多糖；Morita与1965年在100℃热水中提取了大豆水溶性多糖；Aspinall等人与1967年从大豆中提取了多糖类物质，并对其结构进行了初步研究，此后国外陆续报道过一些大豆水溶性多糖的提取方法。在1993年日本不二油脂公司成功的开发了提取自大豆分离蛋白副产物的大豆水溶性多糖，并将其商品命名为“大豆纤维-S”。此后，Nakamura等人对豆渣水溶性多糖的单糖组成、结构和功能性做了深入的研究，阐明了糖链的结构组成和功能性原理，并将其应用于蛋白饮料等食品中。

国内近几年关于豆渣水溶性膳食纤维的研究也在逐渐增多，主要研究化学法、酶法、微生物发酵法、挤压膨化法、超高压均质和多种方法的结合来提高豆渣中水溶性膳食纤维。大部分研究者测定了豆渣中总膳食纤维和水溶性膳食纤维含量，但对其生理活性、化学组成、性质和应用等方面的研究报道较少。

研究从不同原料中提取膳食纤维，不仅能够获得功效不同的膳食纤维，也能够解决相关生产过程中产生的废弃物，大大提高农产品的附加值。目前国内用于提取膳食纤维的原料较为单一，以豆渣和麦麸为主，而且主要生产水不溶性膳食纤维，工艺较为成熟，但水溶性膳食纤维提取工艺相对要复杂些，成本也较高。所以，研究各种不通来源的膳食纤维的组分和特性以及提取技术，获得高附加值、高纯度的各种膳食纤维产品，不仅符合现代社会人们的健康需求，也有利于我国食品工业、农业的发展。

2000年邵晓芬等研究了用碱法从小麦麸中提取水不溶性膳食纤维，他们在6％的NaOH液中，加入0.4％的α-淀粉酶，于70提取90in，水不溶性膳食纤维提取率达66.27％；2001年李来好等研究用碱法从海带、马尾藻、麒麟菜和江蓠中提取膳食纤维，产率依次为27.5％、27.9％、32.0％和28.4％；2006年李芳等用酶-碱结合法提取燕麦麸膳食纤维，在最佳工艺条件(料水比1∶10、α-淀粉酶添加量为1.5％、酶解溶液pH值7.0、酶解温度65℃)下酶解40min，再使用1mol/L NaOH溶液调节pH值至11，于60℃条件下提取30min，所得燕麦麸膳食纤维的提取率达66.12％；李新明等用水提和乙醇沉淀的方法提取麦麸水溶性膳食纤维，提取率为4.76％；2008年杨芙莲等人以荞麦壳为原料，采用氢氧化钠浸泡方法，对荞麦壳中膳食纤维进行提取，得出最佳工艺为：料液比1∶14，碱解时间为60min，碱解温度为45℃，NaOH质量分数为4％；吴丽萍陈学峰等人以花生壳为原料，采用双酶降解法提取花生壳膳食纤维，探讨了酶解的工艺条件，结果表明，在纤维素酶用量0.4％，木瓜蛋白酶用量0.4％，温度50℃，pH6.0条件下酶解2.5h，蛋白质水解率达到70.2％，膳食纤维产率为81.5％。

英国糖业公司，他们生产甜菜膳食纤维的加工方法为：用大量的水反复漂洗甜菜粕，然后在低温条件下干燥，即成无不良气味的膳食纤维含量达73％的白色纤维产品。

目前国内外提取膳食纤维方法缺点如下：

水溶性膳食纤维提取率低，

提取时间长，不适合工业化生产，

提取费用高，不利于工业化应用，

提取工艺对环境造成污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从豆荚中提取膳食纤维的方法，通过该方法可以得到高品质，高纯度的膳食纤维，并且分离了水溶和非水溶性膳食纤维。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种从豆荚中提取膳食纤维的方法，该方法包括以下步骤：(1)将豆荚进行粉碎，过40-80目筛，按豆荚质量加入水，搅拌，再用超声处理，超声时间为10-60min，超声温度为40-80℃，超声强度为400-1000W，豆荚与水的料液比为1∶20-1∶80；(2)超声处理后对溶液进行脱脂，35℃下分别用淀粉酶、蛋白酶各酶解30min，再加入纤维酶进行酶解，所述的纤维酶加入量为总豆荚质量的0.2-0.6％，酶解时间为50-130min，酶解温度为45-65℃，pH值为6-10，然后对混合溶液过滤，得到滤液用4倍体积98％的乙醇对滤液进行醇沉，然后离心，取下层沉淀，清洗干燥得水溶性膳食纤维；滤渣分别用丙酮、乙醇清洗，再用水洗，干燥、粉碎得非水溶性膳食纤维。

豆荚粉碎后优选为过40目筛、超声时间为43.46-47.55min、超声温度40-42.38℃、超声强度794.85-800W、料液比1∶60。

所述优选的酶解时间为72.83-110.38min、酶解温度57.37-65℃、酶解pH值为8.4-8.8、加酶量为0.33-0.55％。

本发明方法利用超声波辅助提取膳食纤维的方法可以很好的对豆荚中的膳食纤维进行提取，从而得到高品质的膳食纤维，所需要的设备简单、操作安全、所得膳食纤维无溶剂残留，获得高质量的营养价值高的膳食纤维。经过验证与对比试验，本发明提取总膳食纤维得率可达85％，其中水溶性纤维8.9％，非水溶性纤维77.35％，具有水溶性膳食纤维回收率高、膳食纤维纯度高、无环境污染、提取费用低廉的特点。

附图说明

图1本发明方法的工艺路线图。

图2酶解pH值对SDF、IDF提取率的影响。

图3酶解时间值对SDF、IDF提取率的影响

图4酶解温度对SDF、IDF提取率的影响

图5纤维酶添加量对SDF、IDF提取率的影响

图6酶解pH与酶解时间交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图7酶解pH与酶解温度交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图8酶解pH与纤维酶添加量交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图9酶解时间与酶解温度交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图10酶解时间与纤维酶添加量交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图11酶解温度与纤维酶添加量交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图12超声时间对SDF、IDF提取率的影响。

图13超声温度对SDF、IDF提取率的影响。

图14超声强度对SDF、IDF提取率的影响。

图15料液比对SDF、IDF提取率的影响。

图16超声时间与超声温度交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图17超声时间与超声强度交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图18超声时间与料液比交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图19超声温度与超声强度交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线。

图20超声温度与料液比交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图21超声强度与料液比交互对SDF、IDF提取率的响应面及等高线

图22SDF紫外光谱扫描

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明。一种从豆荚中提取膳食纤维的方法，该方法包括以下步骤：(1)将豆荚进行粉碎，过40-80目筛，按豆荚质量加入水，搅拌，再用超声处理，超声时间为10-60min，超声温度为40-80℃，超声强度为400-1000W，豆荚与水的料液比为1∶20-1∶80；(2)超声处理后对溶液进行脱脂，35℃下分别用淀粉酶、蛋白酶各酶解30min，再加入纤维酶进行酶解，所述的纤维酶加入量为总豆荚质量的0.2-0.6％，酶解时间为50-130min，酶解温度为45-65℃，pH值为6-10，然后对混合溶液过滤，得到滤液用4倍体积98％的乙醇对滤液进行醇沉，然后离心，取下层沉淀，清洗干燥得水溶性膳食纤维；滤渣分别用丙酮、乙醇清洗，再用水洗，干燥、粉碎得非水溶性膳食纤维。

1材料与方法

1.1材料、试剂

豆荚黑龙江农业科学院培植的垦农42

α-淀粉酶丹麦novo公司

木瓜蛋白酶丹麦novo公司

纤维素酶丹麦novo公司

丙酮

无水乙醇

乙醚

无水硫酸

无水盐酸

1.2主要仪器设备

pHS-25型酸度计上海伟业仪器厂

电子分析天平梅勒特-托利多仪器(上海)有限公司

离心机北京医用离心机厂

精密电动搅拌机江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司

电热恒温水浴锅余姚市东方电工仪器厂

半自动定氮仪上海新嘉电子有限公司

消化仪上海纤检仪器有限公司

纤维测定仪上海新嘉电子有限公司

粉碎机中国天津泰斯特仪器有限公司

索氏抽提器天津玻璃仪器厂

箱式电阻炉天津市泰斯特仪器有限公司

超声波细胞破碎仪JY92-II DN 宁波新芝生物科技股份有限公司

超微量紫外可见分光光度计K5600 北京凯奥科技发展有限公司

1.3方法

1.3.1乳状液主要成分的测定

水分的测定：依据GB/T14489.1-2008；粗蛋白的测定：依据GB/T14489.2-2008；脂肪测定：根据GB/T5009.6-2003；灰分测定：依据GB/T5505-2008；粗纤维测定：根据GB/T22224-2008

1.3.2工艺流程图见图1。

1.3.4计算公式

SDT提取率＝(酶法处理后SDF的含量/豆荚中SDF的含量)*100

2结果与讨论

2.1酶解pH值对SDF、IDF提取率的影响

在豆荚水解液中纤维素酶添加量为0.4％，酶解温度50℃，酶解时间70min条件下，考察酶解pH对膳食纤维提取率的影响，结果见图2。由图2结果可以看出当pH在8附近膳食纤维提取率有较大值，所以在下面的响应面试验设计中pH选取6-10。

2.2酶解时间对SDF、IDF提取率的影响

在豆荚水解液中纤维酶添加量为0.4％，酶解温度50℃，pH值为8的条件下，考察酶解时间对膳食纤维提取率的影响，结果见图3。由图3结果可以看出当时间在100min附近膳食纤维提取率有较大值，所以在下面的响应面实验设计中时间选取50-130min。

2.3酶解温度对SDF、IDF提取率的影响

在豆荚水解液中纤维酶添加量为0.4％，酶解时间100min，pH值为8的条件下，考察酶解温度对膳食纤维提取率的影响，结果见图4。由图4结果可以看出当温度在60℃附近膳食纤维提取率有较大值，所以在下面的响应面实验设计中温度选取50-70℃。

2.4纤维酶添加量对SDF、IDF提取率的影响

在豆荚水解液中酶解时间为100min，酶解温度50℃，pH值为8的条件下，考察纤维酶添加量对膳食纤维提取率的影响，结果见图5。由图5结果可以看出当纤维酶添加量在0.4％附近膳食纤维提取率有较大值，所以在下面的响应面实验设计中时间选取0.2-0.6％。

2.5酶法提取SDF、IDF的响应面实验优化反应条件

2.5.1实验因素水平编码表

在单因素研究的基础上，选取酶解pH、酶解时间、酶解温度、纤维酶添加量4个因素为自变量，以膳食纤维提取率为响应值，根据中心组合设计原理，设计响应面分析实验，其因素水平编码表见表3。

表3因素水平编码表

2.5.2响应面实验安排及实验结果

本实验应用响应面优化法进行过程优化。以x₁、x₂、x₃、x₄为自变量，以膳食纤维提取率为响应值Y，响应面实验方案及结果见表4。

表4响应面实验方案及实验结果

通过统计分析软件Design Expert进行数据分析，SDF建立二次响应面回归模型如下：

y＝6.70+0.11x₁-0.072x₂+0.018x₃-0.013x₄-0.045x₁x₂-0.005x₁x₃+0,0025x₁x₄-0.015x₂x₃-0.01x₂x₄-0.055x₃x₄-0.31x₁ ²-0.096x₂ ²-0.069x₃ ²-0.065x₄ ²

回归分析与方差分析结果见表5，响应面寻优见表6，交互相显著的响应面与等高线分析见图6-图10。

注：经分析，总回归的相关性系数(R²)为95.55％，决定系数(R²Adj)为91.09％

由表3可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著(p＜0.0001)，失拟项不显著，并且该模型R²＝95.55％，R²Adj＝91.09％，说明该模型与实验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于该反应的理论推测。由F检验可以得到因子贡献率为：x₁＞x₂＞x₃＞x₄，即酶解pH＞酶解时间＞酶解温度＞纤维酶添加量。

应用响应面寻优分析方法对回归模型进行分析，寻找最优响应结果见表6，由表6可知当酶解pH为8.40，酶解时间为72.83min，酶解温度为57.37℃，纤维酶添加量为0.37％，响应面有最优值为6.7272±0.143。

表6响应面寻优结果

2.5.3验证实验与对比试验

表7酶法提取膳食纤维验证试验

应用响应面优化分析方法对酶法提取膳食纤维回归模型进行分析，寻找最优响应结果为：酶解pH为8.40，酶解时间72.83min，酶解温度57.37℃，纤维酶添加量0.37％，响应面有最优值为6.7272±0.143。在酶法提取最优条件下，进行5次验证试验取平均值，结果见表7。由表7结果可知，在酶法提取膳食纤维工艺最优条件下的验证值与预测值之间的标准偏差均在合理范围内，说明响应值的验证试验值与回归方程预测值吻合良好，此回归方程可以应用于对本工艺的预测。

2.5.4响应面实验结果分析

通过统计分析软件Design Expert进行数据分析，IDF建立二次响应面回归模型如下：

y＝65.64+0.11x₁+1.72x₂+0.41x₃+0.44x₄+0.01x₁x₂+0.4x₁x₃-0.18x₁x₄+0.13x₂x₃+0.4x₂x₄+0.28x₃x₄-2.49x₁ ²-0.82x₂ ²-0.42x₃ ²-0.61x₄ ²

回归分析与方差分析结果见表8，响应面寻优见表9，交互相显著的响应面与等高线分析见图6-图10。

表8回归与方差分析结果

注：经分析，总回归的相关性系数(R²)为98.91％，决定系数(R²Adj)为97.82％由表8可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著(p＜0.0001)，失拟项不显著，并且该模型R²＝98.91％，R²Adj＝97.82％，说明该模型与实验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于该反应的理论推测。由F检验可以得到因子贡献率为：x₁＞x₄＞x₃＞x₂，即酶解pH＞纤维酶添加量＞酶解温度＞酶解时间。

应用响应面寻优分析方法对回归模型进行分析，寻找最优响应结果见表9，由表9可知当酶解pH为8.80，酶解时间为110.38min，酶解温度为65℃，纤维酶添加量为0.55％，响应面有最优值为66.5088±0.214。

表9响应面寻优结果

2.5.5验证实验与对比试验

表10酶法提取膳食纤维验证试验

应用响应面优化分析方法对酶法提取膳食纤维回归模型进行分析，寻找最优响应结果为：酶解pH为8.80，酶解时间110.38min，酶解温度65℃，纤维酶添加量0.55％，响应面有最优值为66.5088±0.214。在酶法提取最优条件下，进行5次验证试验取平均值，结果见表10。由表10结果可知，在酶法提取膳食纤维工艺最优条件下的验证值与预测值之间的标准偏差均在合理范围内，说明响应值的验证试验值与回归方程预测值吻合良好，此回归方程可以应用于对本工艺的预测。

经过上述实验得到的最优工艺参数，以下超声实验中SDF的提取均在酶解pH为8，酶解时间75min，酶解温度为60℃，加酶量0.35％下进行提取；IDF在酶解pH为9，酶解时间110min，酶解温度为65℃，加酶量0.55％下进行提取。

2.6超声处理对SDF、IDF提取率的影响

2.6.1超声时间对SDF、IDF的影响

超声温度在50℃，超声强度在600W，料液比在1∶50下，考察超声时间对SDF、IDF提取率的影响，结果见图12。由图12结果可以看出当超声时间在40min附近时SDF、IDF有较大值，所以在下面的响应面试验设计中超声时间选择10-50min。

2.6.2超声温度对SDF、IDF的影响

超声时间在45min，超声强度在600W，料液比在1∶50下，考察超声温度对SDF、IDF提取率的影响，结果见图13。由图13结果可以看出当超声时间在50℃附近时SDF、IDF有较大值，所以在下面的响应面试验设计中超声温度选择40-80℃。

2.6.3超声强度对SDF、IDF的影响

超声时间在45min，超声温度在45℃，料液比在1∶50下，考察超声强度对SDF、IDF提取率的影响，结果见图14。由图14结果可以看出当超声强度在750W附近时SDF、IDF有较大值，所以在下面的响应面试验设计中超声温度选择400-800W。

2.6.3料液比对SDF、IDF的影响

超声时间在45min，超声温度在45℃，超声强度在750W，考察料液比对SDF、IDF提取率的影响，结果见图15。由图15结果可以看出当料液比在1∶50附近时SDF、IDF有较大值，所以在下面的响应面试验设计中料液比选择1∶20-1∶60。

2.7超声波辅助提取SDF、IDF工艺的响应面实验优化反应条件

表11响应面实验方案及实验结果

2.7.1响应面实验结果分析

y＝8.57+0.13x₁+0.01x₂+0.062x₃+0.13x₄+0.082x₁x₄-0.031x₂x₃-0.072x₂x₄+0.087x₃x₄-0.16x₁ ²-0.042x₂ ²-0.073x₃ ²-0.12x₄ ²

回归分析与方差分析结果见表12，响应面寻优见表13，交互相显著的响应面与等高线分析见图16-图21。

表12回归与方差分析结果

注：经分析，SDF总回归的相关性系数(R²)为91.52％，决定系数(R²Adj)为83.04％

由表12可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著(p＜0.0001)，失拟项不显著，并且该模型R²＝91.52％，R²Adj＝83.04％，说明该模型与实验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于该反应的理论推测。由F检验可以得到因子贡献率为：x₄＞x₁＞x₃＞x₂，即料液比＞超声时间＞超声强度＞超声温度。

应用响应面寻优分析方法对回归模型进行分析，寻找最优响应结果见表13，由表6可知当超声时间为43.46min，超声温度为42.38℃，超声功率为800W，料液为1∶60，响应面有最优值为8.764±0.328。

表13响应面寻优结果

2.7.2验证实验与对比试验

表14酶法提取膳食纤维验证试验

应用响应面优化分析方法对酶法提取膳食纤维回归模型进行分析，寻找最优响应结果为：超声时间45min，超声温度45℃，超声功率800W，料液比1∶60，响应面有最优值为8.764±0.328。在酶法提取最优条件下，进行5次验证试验取平均值，结果见表7。由表7结果可知，在酶法提取SDF工艺最优条件下的验证值与预测值之间的标准偏差均在合理范围内，说明响应值的验证试验值与回归方程预测值吻合良好，此回归方程可以应用于对本工艺的预测。

2.7.3响应面实验结果分析

y＝75.61+0.95x₁+0.12x₂+0.35x₃+0.83x₄+0.11x₁x₂+0.38x₁x₃+0.88x₁x₄-0.048x₂x₃-0.46x₂x₄+0.15x₃x₄-0.92x₁ ²+0.006583x₂ ²-0.53x₃ ²-0.77x₄ ²

回归分析与方差分析结果见表15，响应面寻优见表16，交互相显著的响应面与等高线分析见图16-图21。

表15回归与方差分析结果

注：经分析，IDF总回归的相关性系数(R²)为91.73％，决定系数(R²Adj)为83.45％

由表15可知，方程因变量与自变量之间的线性关系明显，该模型回归显著(p＜0.0001)，失拟项不显著，并且该模型R²＝91.73％，R²Adj＝83.45％，说明该模型与实验拟合良好，自变量与响应值之间线性关系显著，可以用于该反应的理论推测。由F检验可以得到因子贡献率为：x₁＞x₄＞x₃＞x₂，即超声时间＞料液比＞超声强度＞超声温度。

应用响应面寻优分析方法对回归模型进行分析，寻找最优响应结果见表16，由表16可知当超声时间为47.55min，超声温度为40℃，超声功率为794.85W，料液比为1∶60，响应面有最优值为77.1713±0.288。

表16响应面寻优结果

2.7.4验证实验与对比试验

表17酶法提取膳食纤维验证试验

2.8SDF紫外光谱扫描

图22为超声预处理的SDF紫外吸收光谱。从图中可以看出在280nm没有特征吸收峰，可以判断所提取的样品没有杂蛋白等杂质。

Claims

1.一种从豆荚中提取膳食纤维的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)将豆荚进行粉碎，过40-80目筛，按豆荚质量加入水，搅拌，再用超声处理，超声时间为10-60min，超声温度为40-80℃，超声强度为400-1000W，豆荚与水的料液比为1∶20-1∶80；(2)超声处理后对溶液进行脱脂，35℃下分别用淀粉酶、蛋白酶各酶解30min，再加入纤维酶进行酶解，所述的纤维酶加入量为总豆荚质量的0.2-0.6％，酶解时间为50-130min，酶解温度为45-65℃，pH值为6-10，然后对混合溶液过滤，得到滤液用4倍体积98％的乙醇对滤液进行醇沉，然后离心，取下层沉淀，清洗干燥得水溶性膳食纤维；滤渣分别用丙酮、乙醇清洗，再用水洗，干燥、粉碎得非水溶性膳食纤维。

2.根据权利要求1所述的从豆荚中提取膳食纤维的方法，其特征在于豆荚粉碎后优选为过40目筛、超声时间为43.46-47.55min、超声温度40-42.38℃、超声强度794.85-800W、料液比1∶60。

3.根据权利要求1所述的从豆荚中提取膳食纤维的方法，其特征在于所述优选的酶解时间为72.83-110.38min、酶解温度57.37-65℃、酶解pH值为8.4-8.8、加酶量为0.33-0.55％。