王鳳榮，張永忠，2，*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學理學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.教育部大豆生物學重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150030）

部分脫蛋白的豆渣水解糖化的工藝優(yōu)化

王鳳榮1，張永忠1，2，*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學理學院，黑龍江哈爾濱 150030；2.教育部大豆生物學重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150030）

為了充分利用大豆工業(yè)副產(chǎn)物豆渣，將豆渣中的蛋白分離后，利用亞臨界水使豆渣水解產(chǎn)生還原糖。探討亞臨界體系條件的變化對豆渣水解程度的影響，以干豆渣為原料，以還原糖得率為指標，著重考察了催化劑的種類、溫度、反應(yīng)時間、液料比等因素對還原糖得率的影響。實驗結(jié)果表明最佳反應(yīng)條件是：催化劑為MgCl2，浸提溫度150℃，浸提時間為5min，液料比200∶1，此條件下還原糖提取率是50.6%。

豆渣，亞臨界水，還原糖，催化劑，蛋白質(zhì)

目前豆渣主要的利用方式有發(fā)酵制醬油、作為食品添加劑、提取膳食纖維、提取水解蛋白等[1]。利用廉價且產(chǎn)量豐富的豆渣水解生成還原糖，還原性糖可用于發(fā)酵制備燃料乙醇，作為部分化石燃料的替代品[2]。豆渣中含有60%～70%的糖類和15%～20%的蛋白質(zhì)[3]。豆渣中糖類主要包括纖維素和水溶性糖，它們均可降解生成葡萄糖等還原性糖，水溶性糖容易被水解，而纖維素較難被水解，因此要想得到較高的還原糖得率，需從水解纖維素著手。有研究表明生物質(zhì)自身含有的Fe2+、A l3+等金屬離子對其水解反應(yīng)進程和還原糖得率有很大影響[4]。在軟木屑稀鹽酸水解過程中加入FeSO4·H2O作為助催化劑可以顯著提高水解液中還原糖的含量[5]。目前，這方面的研究主要集中在超（亞）臨界水中纖維素水解反應(yīng)動力學和反應(yīng)機理的研究上，主要目的是探索纖維素制取葡萄糖及其它小分子化合物的可行性[6]。由于葡萄糖在亞臨界水中的降解速率遠大于纖維素的水解速率，因此，在高溫、高壓環(huán)境體系中獲得較高的糖化率是一件很困難的事情。要想獲得較高的葡萄糖的收率，必須尋找合適的催化劑提高纖維素的水解速率或降低葡萄糖的降解速率，馬艷華[7]以微晶纖維素為原料，在催化劑為AlCl3，260℃，120s及（5.2±0.2）MPa條件下，葡萄糖最大收率為46.05%。余先純[8]以速生楊木為原料，采用微波輻射和纖維素酶協(xié)同水解制備還原糖。在反應(yīng)溫度為50.5℃，20.7h，酶用量27U/g時，還原糖的得率32.4%。豆渣中除了有纖維素，還有水溶性糖類，比完全是纖維素的物質(zhì)更易水解；除去蛋白的豆渣進行水解能降低還原糖的損失。在亞臨界水中分別加入催化劑（ZnSO4、FeSO4·H2O、CuCl2、MgCl2、A lCl3），以水解液中還原糖得率為指標，通過單因素和正交實驗確定了豆渣水解得到葡萄糖的最佳工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

豆渣 取自東北農(nóng)業(yè)大學食堂，折合干基：水分3.83%、纖維素52.50%、蛋白質(zhì)15.22%、灰分3.23%、脂類5.01%；高純氮氣 質(zhì)量分數(shù)為99.999%，北京亞南氣體有限公司；無水葡萄糖 沈陽市新西試劑廠；3-5二硝基水楊酸、丙三醇、氫氧化鈉、濃鹽酸、硫酸鋅、七水硫酸亞鐵、氯化銅、氯化鎂、氯化鋁 均為分析純。

高壓磁力攪拌反應(yīng)釜 煙臺高新區(qū)科立自控設(shè)備研究所；METTLER TOLEDO AG135型電子天平上海梅特勒-托利多儀器有限公司；FW型高速萬能粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司；TU-1901雙光束紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；LG10-2.4A型高速離心機；減壓過濾機。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 鮮豆渣烘干→粉碎→過40目篩→堿溶酸沉除蛋白→固液殘渣水解糖化→離心→定容→DNS法測定還原糖

1.2.2 蛋白質(zhì)的分離 取豆渣按照大豆分離蛋白生產(chǎn)工藝流程（堿溶酸沉工藝）[9]，在水解豆渣前進行分離蛋白得到了粗蛋白，但部分可溶性糖在該過程中有損失，因此測定除蛋白后的溶液中總糖含量，含量最高的酸沉堿溶的條件為最佳前處理條件，即0.01moL/L的NaOH與原料液固比為9∶1，酸沉pH為4.4。

1.2.3 亞臨界水加催化劑水解豆渣 準確稱取五份2g豆渣，在1.2.2條件下除去蛋白質(zhì)，剩余固體轉(zhuǎn)移到高壓反應(yīng)釜內(nèi)，剩余液體用蒸餾水加至400m L，即液料比為200∶1（m L∶g），壓力為1.4MPa，溫度為150℃，水解時間為7m in，考察催化劑對還原糖得率的影響；在液料比為200∶1，壓力為1.4MPa，水解時間為7m in，催化劑為ZnSO4的條件下考察溫度對還原糖得率的影響；在液料比為200∶1，壓力為1.4MPa，溫度為190℃，催化劑為ZnSO4的條件下，考察時間對還原糖得率的影響；在壓力為1.4MPa，溫度為190℃，催化劑為ZnSO4，時間為7m in的條件下，考察液料比對還原糖得率的影響。

1.2.4 還原糖得率的計算 本實驗中的還原糖得率采用3，5-二硝基水楊酸（DNS）比色法[10]來測定。首先制作標準工作曲線：以無水葡萄糖為標準品，在540nm處測不同梯度濃度葡萄糖的吸光度，得到標準曲線方程為：y=6.1192x+0.0064（R2=0.9988）。

還原糖得率按下式計算（式中0.9為校正系數(shù)，這是由于以葡萄糖為標準樣品時，而實際產(chǎn)物中糖種類較多，因而以系數(shù)0.9修正可得到還原糖濃度[10]）：

還原糖得率（%）=（水解液中還原糖質(zhì)量濃度×體積×稀釋倍數(shù)）/樣品克數(shù)×0.9×100

1.3 實驗設(shè)計方案

1.3.1 單因素實驗 考察催化劑種類、溫度、時間、液料比對還原糖得率的影響，確定影響因素。

1.3.2 正交實驗 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選取催化劑種類、溫度、時間、液料比為考察因素，以還原糖得率為指標，按L9（34）進行正交實驗，優(yōu)化除蛋白的豆渣在亞臨界水中水解糖化的工藝。因素水平表見表1。

表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 蛋白質(zhì)的分離

在最佳的豆渣前處理過程中蛋白質(zhì)的得率為4.5%，干燥后蛋白質(zhì)成品呈棕黃色。

2.2 單因素實驗2.2.1 催化劑種類對還原糖得率的影響 催化劑種類對還原糖得率的影響如圖1所示。

圖1 催化劑種類對還原糖得率的影響Fig.1 Effect of the kind of catalyston the reducing sugar yield

催化劑添加量為0.05%，不同的催化劑對水解產(chǎn)物的影響不同，影響順序是ZnSO4＞FeSO4·H2O＞MgCl2＞A lCl3＞CuCl2，與無催化體系相比還原糖得率均有不同程度的提高，這是因為金屬離子的水解降低了體系的pH，促進了多糖的水解。這五種金屬離子均有較強的水合能力，在水溶液中均以[M（H2O）6]n+形式存在，這種水合離子能夠加速纖維素的溶脹，破壞纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，從而加快纖維素的水解反應(yīng)[11]，增加豆渣纖維素的水解，從而得到更多的還原糖，結(jié)果表明催化劑ZnSO4最佳。

2.2.2 反應(yīng)溫度對還原糖得率的影響 溫度對還原糖得率的影響如圖2所示。

圖2 水解溫度對還原糖得率的影響Fig.2 Effectof temperature on the reducing sugar yield

由圖2可知，還原糖得率隨著溫度的升高而增大，在130℃至190℃范圍內(nèi)還原糖得率升高顯著，190℃后趨于平緩。溫度低時溶液的流動性較差，不利于溶劑的擴散，從而影響多糖的溶解與水解速率。隨著溫度的升高，化合物的溶解性增加，增加了質(zhì)量傳質(zhì)，從而促進多糖在弱酸性條件中水解。溫度過高時還原糖易脫水進一步降解為糖醛、羥甲基糖醛等產(chǎn)物，因此190℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.2.3 反應(yīng)時間對還原糖得率的影響 時間對還原糖得率的影響如圖3所示。

圖3水解時間對還原糖得率的影響Fig.3 Effectof time on the reducing sugar yield

由圖3可知，還原糖得率隨時間的延長先升高而后降低，在7m in達到最大值。開始反應(yīng)時多糖的水解速率大于還原糖的分解速率，還原糖得率有上升趨勢；隨著時間的延長，還原性糖的分解速率大于生成速率，所以降低。因此最佳反應(yīng)時間為7m in。

2.2.4 液料比對還原糖得率的影響 液料比對還原糖得率的影響如圖4所示。

圖4 液料比對還原糖得率的影響Fig.4 Effectof liquid－solvent ratio on the reducing sugar yield

由圖4可知，還原糖得率隨液料比增加而增大，還原糖得率在液料比160∶1～180∶1時增長趨勢明顯，而后升高趨勢緩慢。原因是亞臨界水自身具有酸催化與堿催化的功能，當水增多時起到的催化作用增強，而液料比過大時，不利于后期濃縮處理，因此液料比200∶1最佳。

2.3 正交實驗

在單因素的基礎(chǔ)上，固定反應(yīng)容器內(nèi)壓力為1.4MPa進行正交實驗L9（34），正交實驗結(jié)果見表2，方差分析見表3。

表2 正交實驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Design and results of L9（34）orthogonal test

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

由表2和表3可知，影響還原糖得率的因素主要次序為D＞B＞C＞A，即液料比＞溫度＞時間＞催化劑種類，且液料比和溫度對還原糖得率的影響達到顯著水平，而催化劑種類和時間對還原糖得率的影響不顯著。通過正交實驗及方差分析，確定了A3B1C1D3為最佳工藝條件，即催化劑為MgCl2，浸提溫度150℃，浸提的時間為5m in，液料比200∶1，在此工藝條件下還原糖得率為50.6%。

3 結(jié)論

在單因素的基礎(chǔ)上，通過正交實驗對豆渣在亞臨界水中水解糖化的工藝進行了優(yōu)化，得出最佳工藝條件為催化劑為MgCl2，浸提溫度150℃，浸提的時間為5m in，液料比200∶1。副產(chǎn)品蛋白質(zhì)得率為4.5%，蛋白質(zhì)成品呈棕黃色，在最佳工藝條件下還原糖的得率為50.6%。

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Process optim ization for hydrolysis and saccharification from soybean dregs after removing part of protein

WANG Feng-rong1，ZHANG Yong-zhong1，2，*
（1.College of Science，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China；2.Key Laboratory of Soybean Biology，Ministry of Education，Harbin 150030，China）

To make full use of soybean d rugs，hyd rolysis technology in sub-criticalwater was used to p roduce reducing sugar after removing p rotein.The effect of changes in the cond itions of sub-critical system on the deg ree of soybean d regs hyd rolysis was investigated.Taking soybean d regs as raw material and the yield of reducing sugar as the target，the effects of catalyst kind，reac tion temperature，time and liquid－solvent ratio on the yield of reducing sugarwere investigated.The results showed that the op timum conditions were as follows：catalyst，MgCl2tem perature 150℃，extraction time 5m in，liquid－solvent ratio 200∶1.Under the cond itions，the yield of reducing sugar was 50.6%.

soybean d rug；sub-criticalwater；reducing sugar；catalyst；p rotein

TS210.1

B

1002-0306（2012）14-0260-03

2011－11－11 *通訊聯(lián)系人

王鳳榮（1986-），女，碩士研究生，研究方向：食品科學。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2008AA10Z331）。