部分脱蛋白的豆渣水解糖化的工艺优化

王凤荣，张永忠，2，*

（1.东北农业大学理学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.教育部大豆生物学重点实验室，黑龙江哈尔滨 150030）

部分脱蛋白的豆渣水解糖化的工艺优化

王凤荣1，张永忠1，2，*

（1.东北农业大学理学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.教育部大豆生物学重点实验室，黑龙江哈尔滨 150030）

为了充分利用大豆工业副产物豆渣，将豆渣中的蛋白分离后，利用亚临界水使豆渣水解产生还原糖。探讨亚临界体系条件的变化对豆渣水解程度的影响，以干豆渣为原料，以还原糖得率为指标，着重考察了催化剂的种类、温度、反应时间、液料比等因素对还原糖得率的影响。实验结果表明最佳反应条件是：催化剂为MgCl2，浸提温度150℃，浸提时间为5min，液料比200∶1，此条件下还原糖提取率是50.6%。

豆渣，亚临界水，还原糖，催化剂，蛋白质

目前豆渣主要的利用方式有发酵制酱油、作为食品添加剂、提取膳食纤维、提取水解蛋白等[1]。利用廉价且产量丰富的豆渣水解生成还原糖，还原性糖可用于发酵制备燃料乙醇，作为部分化石燃料的替代品[2]。豆渣中含有60%～70%的糖类和15%～20%的蛋白质[3]。豆渣中糖类主要包括纤维素和水溶性糖，它们均可降解生成葡萄糖等还原性糖，水溶性糖容易被水解，而纤维素较难被水解，因此要想得到较高的还原糖得率，需从水解纤维素着手。有研究表明生物质自身含有的Fe2+、A l3+等金属离子对其水解反应进程和还原糖得率有很大影响[4]。在软木屑稀盐酸水解过程中加入FeSO4·H2O作为助催化剂可以显著提高水解液中还原糖的含量[5]。目前，这方面的研究主要集中在超（亚）临界水中纤维素水解反应动力学和反应机理的研究上，主要目的是探索纤维素制取葡萄糖及其它小分子化合物的可行性[6]。由于葡萄糖在亚临界水中的降解速率远大于纤维素的水解速率，因此，在高温、高压环境体系中获得较高的糖化率是一件很困难的事情。要想获得较高的葡萄糖的收率，必须寻找合适的催化剂提高纤维素的水解速率或降低葡萄糖的降解速率，马艳华[7]以微晶纤维素为原料，在催化剂为AlCl3，260℃，120s及（5.2±0.2）MPa条件下，葡萄糖最大收率为46.05%。余先纯[8]以速生杨木为原料，采用微波辐射和纤维素酶协同水解制备还原糖。在反应温度为50.5℃，20.7h，酶用量27U/g时，还原糖的得率32.4%。豆渣中除了有纤维素，还有水溶性糖类，比完全是纤维素的物质更易水解；除去蛋白的豆渣进行水解能降低还原糖的损失。在亚临界水中分别加入催化剂（ZnSO4、FeSO4·H2O、CuCl2、MgCl2、A lCl3），以水解液中还原糖得率为指标，通过单因素和正交实验确定了豆渣水解得到葡萄糖的最佳工艺条件。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

豆渣 取自东北农业大学食堂，折合干基：水分3.83%、纤维素52.50%、蛋白质15.22%、灰分3.23%、脂类5.01%；高纯氮气 质量分数为99.999%，北京亚南气体有限公司；无水葡萄糖 沈阳市新西试剂厂；3-5二硝基水杨酸、丙三醇、氢氧化钠、浓盐酸、硫酸锌、七水硫酸亚铁、氯化铜、氯化镁、氯化铝 均为分析纯。

高压磁力搅拌反应釜 烟台高新区科立自控设备研究所；METTLER TOLEDO AG135型电子天平上海梅特勒-托利多仪器有限公司；FW型高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司；TU-1901双光束紫外可见分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；LG10-2.4A型高速离心机；减压过滤机。

1.2 实验方法

1.2.1 工艺流程 鲜豆渣烘干→粉碎→过40目筛→碱溶酸沉除蛋白→固液残渣水解糖化→离心→定容→DNS法测定还原糖

1.2.2 蛋白质的分离 取豆渣按照大豆分离蛋白生产工艺流程（碱溶酸沉工艺）[9]，在水解豆渣前进行分离蛋白得到了粗蛋白，但部分可溶性糖在该过程中有损失，因此测定除蛋白后的溶液中总糖含量，含量最高的酸沉碱溶的条件为最佳前处理条件，即0.01moL/L的NaOH与原料液固比为9∶1，酸沉pH为4.4。

1.2.3 亚临界水加催化剂水解豆渣 准确称取五份2g豆渣，在1.2.2条件下除去蛋白质，剩余固体转移到高压反应釜内，剩余液体用蒸馏水加至400m L，即液料比为200∶1（m L∶g），压力为1.4MPa，温度为150℃，水解时间为7m in，考察催化剂对还原糖得率的影响；在液料比为200∶1，压力为1.4MPa，水解时间为7m in，催化剂为ZnSO4的条件下考察温度对还原糖得率的影响；在液料比为200∶1，压力为1.4MPa，温度为190℃，催化剂为ZnSO4的条件下，考察时间对还原糖得率的影响；在压力为1.4MPa，温度为190℃，催化剂为ZnSO4，时间为7m in的条件下，考察液料比对还原糖得率的影响。

1.2.4 还原糖得率的计算 本实验中的还原糖得率采用3，5-二硝基水杨酸（DNS）比色法[10]来测定。首先制作标准工作曲线：以无水葡萄糖为标准品，在540nm处测不同梯度浓度葡萄糖的吸光度，得到标准曲线方程为：y=6.1192x+0.0064（R2=0.9988）。

还原糖得率按下式计算（式中0.9为校正系数，这是由于以葡萄糖为标准样品时，而实际产物中糖种类较多，因而以系数0.9修正可得到还原糖浓度[10]）：

还原糖得率（%）=（水解液中还原糖质量浓度×体积×稀释倍数）/样品克数×0.9×100

1.3 实验设计方案

1.3.1 单因素实验 考察催化剂种类、温度、时间、液料比对还原糖得率的影响，确定影响因素。

1.3.2 正交实验 在单因素实验的基础上，选取催化剂种类、温度、时间、液料比为考察因素，以还原糖得率为指标，按L9（34）进行正交实验，优化除蛋白的豆渣在亚临界水中水解糖化的工艺。因素水平表见表1。

表1 正交实验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

2 结果与讨论

2.1 蛋白质的分离

在最佳的豆渣前处理过程中蛋白质的得率为4.5%，干燥后蛋白质成品呈棕黄色。

2.2 单因素实验2.2.1 催化剂种类对还原糖得率的影响 催化剂种类对还原糖得率的影响如图1所示。

图1 催化剂种类对还原糖得率的影响Fig.1 Effect of the kind of catalyston the reducing sugar yield

催化剂添加量为0.05%，不同的催化剂对水解产物的影响不同，影响顺序是ZnSO4＞FeSO4·H2O＞MgCl2＞A lCl3＞CuCl2，与无催化体系相比还原糖得率均有不同程度的提高，这是因为金属离子的水解降低了体系的pH，促进了多糖的水解。这五种金属离子均有较强的水合能力，在水溶液中均以[M（H2O）6]n+形式存在，这种水合离子能够加速纤维素的溶胀，破坏纤维素的晶体结构，从而加快纤维素的水解反应[11]，增加豆渣纤维素的水解，从而得到更多的还原糖，结果表明催化剂ZnSO4最佳。

2.2.2 反应温度对还原糖得率的影响 温度对还原糖得率的影响如图2所示。

图2 水解温度对还原糖得率的影响Fig.2 Effectof temperature on the reducing sugar yield

由图2可知，还原糖得率随着温度的升高而增大，在130℃至190℃范围内还原糖得率升高显著，190℃后趋于平缓。温度低时溶液的流动性较差，不利于溶剂的扩散，从而影响多糖的溶解与水解速率。随着温度的升高，化合物的溶解性增加，增加了质量传质，从而促进多糖在弱酸性条件中水解。温度过高时还原糖易脱水进一步降解为糖醛、羟甲基糖醛等产物，因此190℃为最佳反应温度。

2.2.3 反应时间对还原糖得率的影响 时间对还原糖得率的影响如图3所示。

图3水解时间对还原糖得率的影响Fig.3 Effectof time on the reducing sugar yield

由图3可知，还原糖得率随时间的延长先升高而后降低，在7m in达到最大值。开始反应时多糖的水解速率大于还原糖的分解速率，还原糖得率有上升趋势；随着时间的延长，还原性糖的分解速率大于生成速率，所以降低。因此最佳反应时间为7m in。

2.2.4 液料比对还原糖得率的影响 液料比对还原糖得率的影响如图4所示。

图4 液料比对还原糖得率的影响Fig.4 Effectof liquid－solvent ratio on the reducing sugar yield

由图4可知，还原糖得率随液料比增加而增大，还原糖得率在液料比160∶1～180∶1时增长趋势明显，而后升高趋势缓慢。原因是亚临界水自身具有酸催化与碱催化的功能，当水增多时起到的催化作用增强，而液料比过大时，不利于后期浓缩处理，因此液料比200∶1最佳。

2.3 正交实验

在单因素的基础上，固定反应容器内压力为1.4MPa进行正交实验L9（34），正交实验结果见表2，方差分析见表3。

表2 正交实验设计与结果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，影响还原糖得率的因素主要次序为D＞B＞C＞A，即液料比＞温度＞时间＞催化剂种类，且液料比和温度对还原糖得率的影响达到显著水平，而催化剂种类和时间对还原糖得率的影响不显著。通过正交实验及方差分析，确定了A3B1C1D3为最佳工艺条件，即催化剂为MgCl2，浸提温度150℃，浸提的时间为5m in，液料比200∶1，在此工艺条件下还原糖得率为50.6%。

3 结论

在单因素的基础上，通过正交实验对豆渣在亚临界水中水解糖化的工艺进行了优化，得出最佳工艺条件为催化剂为MgCl2，浸提温度150℃，浸提的时间为5m in，液料比200∶1。副产品蛋白质得率为4.5%，蛋白质成品呈棕黄色，在最佳工艺条件下还原糖的得率为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 *通讯联系人

王凤荣（1986-），女，硕士研究生，研究方向：食品科学。

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2008AA10Z331）。