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豆渣活性成分的提取、改性及应用研究进展
日期:2012-07-30 作者:陶积德 何玉凤 杨彩霞 王荣民 毛崇武 来源:《天然产物研究与开发》.-2012,(24).-702-707 点击:
 

    豆渣是豆制品生产过程中产生的不溶性残渣。我国大豆食品行业每年生产约2000万吨湿豆渣。在大部分地区豆渣仅作为饲料、肥料或作为废弃物处理,属于豆渣的初级利用,不仅经济效益低,也会造成环境污染。大豆豆渣是加工大豆制品的副产物,具有丰富的营养价值、独特的药用价值和保健功能。另外,豆皮中含有丰富的膳食纤维(dietary fiberDF),约占豆皮干基的59.062.8%,豆制品加工过程中的豆皮一般直接进入豆渣中,因此,豆渣中含有丰富自DF。豆渣中还含有大豆蛋白质、钙、磷、维生素等,具有很高的营养价值,开发和利用豆渣具有广阔的市场潜力,因此豆渣的回收利用受到广泛关注。本文即对豆渣的组成、活性成分的提取与改性及应用进行了综述。

1  豆渣的主要成分及豆渣的利用

    豆渣的主要成分有纤维素、蛋白质、脂类、矿物质和维生素等,其中纤维素是很理想的DF。大豆豆渣中富含DF、果胶等物质。果胶可与胆酸结合并排出体外,消耗体内的胆固醇,从而降低血液总胆固醇的浓度,进而降低机体患心血管疾病的风险。同时,DF还会影响可利用碳水化合物等成分在肠道内的消化吸收,使人不易产生饥饿感,因此对预防肥胖症有独特功效。

    豆渣蛋白中的氨基酸组成与大豆蛋白的氨基酸组成(如亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、苏氨酸、赖氨酸、异亮氨酸等)基本相当,含量大于36mg/100g。特别是豆渣蛋白中赖氨酸含量较高,因而可弥补谷类食品中赖氨酸的不足。大豆中所含有益健康的生物活性物质也存在于豆渣中:包括大豆异黄酮、大豆皂甙、大豆低聚糖、大豆膳食纤维、大豆磷脂等,这些物质具有抑制肿瘤、提高人体免疫力、增加胃肠功能、美容保健、抗衰老、缓解妇女更年期症状等功效。

    豆渣DF还能与肠道中的K+Na+进行交换,促使尿液和粪便中排出大量Na+K+,从而降低血液中Na+K+的比值,有助于降低血压。此外,大豆豆渣中还含有大量钙质,每100g风干样中含有约200 mg钙,很容易被人体吸收。因此,多吃豆渣,对减少骨质脆弱和动脉硬化有益。

    以豆渣为原料,可制作多种食品。如将豆渣采用化学处理和膨化处理后制取豆渣粉,用豆渣粉可制作无糖豆渣饼干,不仅能提高纤维素和蛋白质的含量,还能改善口感。豆渣还可以制作具有口感良好的豆渣酥性饼干、豆渣分离蛋白、豆渣发酵碳酸饮料、人造肉等。以豆渣、芹菜浆为主要原料,也制作口味较佳的豆渣蔬菜片。豆渣还可以制作豆渣纤维面,豆渣方便面,豆渣挂面等。Chan等在碱性条件下提取了豆渣蛋白,通过酸修饰改善了豆渣的溶解性及功能,拓宽了豆渣蛋白在食品中的应用。豆渣中的水溶性大豆多糖还具有稳定泡沫、防止蛋白质沉淀、优良乳化、保水、保油的性能,是一种优良的食品添加剂。高金燕等利用豆渣制得了食品添加剂。此外,以豆渣为原料,还可以制作豆渣食用纸。Nakompanom等研究了豆渣在胃蛋白酶和胰蛋白酶的消化过程中,对蛋白质的消化以及对油类释放的重要性。

2  豆渣活性成分的提取及功能

    豆渣中含有的小分子活性成分有大豆异黄酮、大豆多酚等,高分子活性成分有多糖(DF)、多肽等。从豆渣中提取大豆异黄酮有酸解法、沉淀法、超声波法、微波法和有机溶剂萃取法等。刘建平等采用超声波和有机溶剂萃取提取了豆渣中的大豆异黄酮,提取率可达8.82mg/g。何恩铭等提取的大豆异黄酮,提取量为8.95mg/10g。李光等用超声波提取了大豆异黄酮,浸提率达1.2%。谢婧发现以毛霉发酵法对豆渣发酵后可使异黄酮含量增加。Quitain等发现应用超临界二氧化碳技术可恢复豆渣中的油组分(包括抗氧化剂大豆多酚和大豆异黄酮)

    大豆异黄酮是含二羟基或三羟基的黄酮类化合物,具有抗氧化,耐热、耐光性好,在酸性介质中稳定等特点,可替代化学合成抗氧化剂,从而应用于大多数食品中。大豆异黄酮还可缓解妇女更年期综合症,小剂量使用可有效防治卵巢切除大鼠的骨量丢失。大豆异黄酮还有防癌、降低胆固醇、防止动脉粥样硬化、预防骨质疏松等功效。Chiou等从豆渣中提取了一种新的贝塔苷酶,此酶对苷基葡萄糖大豆异黄酮有专属性作用,而对大豆异黄酮共轭的丙二酰基糖苷键没有作用。

3  豆渣膳食纤维的提取与应用

    豆渣中富含的DF是不能被人体消化的碳水化合物,可分为水溶性纤维素(SDF)和水不溶性纤维素(IDF)SDF含有果胶和树胶等;IDF中含有纤维素、木质素和一些半纤维等。DF的营养功能及其研究开发是目前研究的热点。

3.1  豆渣膳食纤维的组成

    100g干豆渣中约含36g DF。豆渣DF的主要成分是大豆水溶性多糖(SSPS)SSPS具有与胶质类似的结构,主要由三部分组成:聚半乳糖醛酸(RG)长链和聚半乳糖醛酸(GN)组成的主链、同型半乳聚糖短链和同型阿拉伯聚糖侧链、连接糖蛋白的木聚糖半乳糖醛酸(1)()。其中糖侧链通过聚鼠李糖半乳糖醛酸结合,比聚半乳糖醛酸主链骨干更长。糖蛋白与木聚糖半乳糖醛酸的还原末端共价相连,主要由脯氨酸(Pro)、天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)组成,分子量约为50000。组成大豆DF的半纤维素主要有阿拉伯木聚糖、木糖葡聚

糖、半乳糖甘露聚糖和β(1-31-4)-葡聚糖四种。通过测定豆渣及其细胞壁的红外光谱,发现其存在较多的醋键和糖键。

3.2  豆渣膳食纤维的提取与应用

    豆渣膳食纤维的提取方法主要有:物理法(挤压法)、化学法(包括直接水提法和酸碱法)、生物法(酶法)及综合法。

    挤压工艺可大幅提高豆渣中SDF的含量,同时挤压豆渣可保持原豆渣的持水力,其膨胀力和DF的粘度也有所提高,因而DF的生理功能也得到了改善。并且挤压对豆渣纤维的结晶没有明显的破坏。有研究表明通过热压处理后的含水豆渣样品在3060再用高液体静压处理,SDF的含量可提高8倍多。娄海伟等用挤压豆渣为原料制备的SDF产率达到34%

    化学法是利用化学试剂提取DF的方法。其中,水浸提法中影响提取率的因素有温度、时间、pH值、加水量等,如:在100自然pH下提取10 minSDF产率可达11%。若利用150亚临界水,SDF的得率可达22%。以豆渣为原料,可提取以DF为主的水溶性多糖。酸法水解豆渣时,90水解5h,豆渣的水解率可达58%。酸法和碱法结合提取豆渣中的DF时,用pH=3的酸液提取1.5h后,用pH=11的碱液提取2h,纤维素含量可达72%。再经6%盐酸水解,92下浸泡25min的微晶化处理,纤维素含量可达91%,且理化性质有较大改善。陈霞等以新鲜豆渣为原料,通过碱一酶法提取的豆渣DF产率为85%,产品纤维素含量为80%

    以酶法为代表的生物法提取豆渣DF受到关注。复合纤维素酶水解豆渣提取SDF时,SDF的产率可达39%。部分酶对豆渣纤维有降解作用,如粗壮脉纹孢菌所产生的纤维素酶是一组复合酶系,经纤维素酶系的作用,IDF分子变小,且产生大量小分子物质,导致膳食纤维含量降低,同时水溶性固形物含量增加。薛振环等发现粗壮脉纹孢菌对豆渣中水不溶性非纤维素多糖的降解能力最强,其含量由原来的37.14%降为0.58%,纤维素、水溶性非消化性多糖,含量分别由原来的12.87%0.26%降为7.73%018%,而该菌对木质素基本不降解。

    孙雁霞等用酸解、碱解和酶解3种方法对DF进行了改性研究,发现通过酸、碱处理后可不同程度地提高SDF的得率,但处理后的纤维颜色变深、持水力和膨胀力有所下降,而酶法得到的纤维品质较好。朱会霞等采用碱法脱腥、蛋白酶水解去除残留蛋白,与原料豆渣相比,其DF的持水性提高了87%,溶胀性提高了94%。此外,酶法与机械法结合也可提高SDF的含量。

    SDF、在结肠中几乎被彻底水解,产生的短链酸要比IDF多。因此,在降低血液胆固醇含量及对有害物质的清除上都比IDF效果好,用途也比IDF广泛。采用羧甲基化可提高豆渣纤维降血糖的作用。生物法也可以改善豆渣纤维的性质,Zhu 等应用枯草杆菌发酵豆渣提高了其抗氧化活性和缩氨酸的水平。

    通过酶法、微生物发酵法、超高压均质处理及多技术联用等方法都可提高豆渣DF的活性与可溶性。酶法则是因为酶可分解IDF、中的纤维素成分,生成小分子量的单糖或寡糖,从而增加SDF的产率。微生物发酵主要是经较长时间的发酵处理将不断产生含大量有机酸的代谢产物,造成DF在较长时间处于酸性条件,使纤维素的糖苷键断裂,产生新的还原末端,使DF的大分子聚合度下降,部分转化成非消化可溶性多糖。大豆DF具有明显的生理和医疗功效,大量摄入DF含量高的食品可降低发病率。DF还能调节血压、降低血浆和肝脏中的油脂和胆固醇,增加组织对胰岛素的敏感性。现已发现结肠癌与DF的摄入量不足有关。DF中起重要生理功能的是SDF和半纤维素。SDF在许多方面具有比IDF更强的生理功能,如持水率高,防便秘等。DF比重小,体积大,缚水后体积更大,对肠道产生容积作用,不会产生饥饿感,对肥胖症的预防有较好的作用。

4  可溶性大豆蛋白的提取

    肽可以通过与RASKKS系统中的ACE结合,减少血管紧张素II的生成,避免具有舒缓血管作用的缓激肽失活,从而达到降低血压的目的。肽在促进免疫细胞增生,抗肿瘤,抗氧化,增强机体免疫力等方面也有一定的功效。任海伟等采用蛋白酶水解豆渣制备了可溶性蛋白肽,结果表明:豆渣在120pH=9.0件下预处理15min后,采用碱性蛋白酶在pH=9.055作用4h,再用木瓜蛋白酶在pH=7.0作用4h,可溶性蛋白肽提取率可达到63%

5  豆渣改性及应用

    豆渣中富含的DF除被提取利用外,为了提高豆渣的附加值,还可对豆渣进行改性后再利用。

5.1  合成热固性酚醛树脂

    利用豆渣苯酚液化物与甲醛进行树脂化反应可制取酚醛树脂,此树脂可用于胶合板的压制,制得胶合板标准的热固性酚醛树脂。张天昊等以大豆豆渣为原料,研究了其树脂化和豆渣液化物树脂胶。结果表明:液化产物的残渣率为2.7%,液化效率可达到97.3%。以价格低廉的豆渣代替苯酚制备豆渣液化物树脂模压材料比酚醛树脂模压材料具有更好的生物降解性能。Yang等分别用1%的硫酸和1%的氢氧化钠溶液水解豆渣,用苯酚-间二苯酚-甲醛(PRF)为交联剂,用粘合树脂粘合到豆渣组成的高密度纤维板上制得了抗张强度及甲醛释放量均符合标准的纤维地板。

5.2  制备新型生物吸附剂

    大豆DF由于自身的结构特点,可与阳离子进行可逆交换,食用DF可降低重金属离子对人体的毒性。有研究表明,未经预处理的豆渣原料对Cd2+Zn2+具有吸附能力,Cd2+Zn2+的最大吸附量分别为19.6 mg/g11.1mg/g。如采用瞬时高压作用,对重金属离子的吸附量可增加30%33%。在120下,豆渣经柠檬酸改性,可对Cu2+的吸附能力从0.4mmol/g提高到2.4mmol/g。另有研究表明,经柠檬酸改性的豆渣对Cu2+的吸附量为18.0mg/g

5.3  其他应用

    Mateos-Apaicio等分离了豆渣,豌豆和蚕豆的细胞壁多糖,制得了三种富含果胶的提取物,两种含有果胶和半纤维素的复合物和富含纤维素的残渣。通过对豆渣的膨胀力和持水力研究表明,其具有潜在的织物添加剂作用。Ahn等利用豆渣还制得了一种木材防腐剂。

6  结语

    豆渣作为大豆制品生产中的副产物,长期以来仅作为饲料或肥料使用,附加值低,造成主产品成本高,经济效益低,一直困扰着加工行业的发展。近年来,人们从营养学的角度对其有了新的认识。DF是豆渣的主要成分,用豆渣生产DF是大豆综合利用的一条新途径。另外,将豆渣改性后将拓宽其应用领域,将为废弃天然高分子的再利用提供一种新途径。

    作者单位:(生态环境相关高分子材料教育部重点实验室,甘肃省高分子材料重点实验室,西北师范大学化学化工学院,兰州 730070

    文章采集:caisy

    注明:国家自然科学基金项目(20964002);甘肃省属高校基本科研业务费专项资金项目(2010-176);甘肃省科技支撑计划项目(1011GKCA017)

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