贾永秀，田雪，张佳，隋文杰,，张民,2，刘锐，吴涛

（1.天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室，天津科技大学食品科学与工程学院，天津 300457；2.天津农学院食品科学与生物工程学院，天津 300392）

豆渣是大豆制品加工过程中的主要副产物，是指在加工生产自制豆浆、豆腐等其他豆制品类的过程中产生的粗糙物或残渣。根据国家统计局和中国食品工业协会统计数据，2020 年我国大豆产量1960 万吨，用于豆制品加工的大豆用量约为890 万吨，而每1 吨大豆加工约产生1.1～1.2 吨湿豆渣。由于新鲜豆渣高湿易腐且具有不良风味和质地，常用做动物饲料或被丢弃于田中做肥料，造成严重的资源浪费。豆渣中含有丰富的膳食纤维、蛋白质、脂肪和矿物质等营养成分，其中膳食纤维作为“第七类营养物质”，具有促进人体肠道蠕动及调节肠道微生物平衡，降低血液中胆固醇和甘油三酯等诸多作用，成为食品保健方面重要的营养物质和食品开发对象。

目前，对豆渣中膳食纤维的提取处理方法有很多，其中酶水解法具有工艺条件温和、特异性强、反应时间短、副产物少和纯度高等特点。酶处理可使纤维素、半纤维素等结构性成分分解成小分子糖或单糖，从而大幅提高SDF 的含量。然而，对于大宗性食物纤维原料，常规底物浓度下（5%～10%）酶解过程具有耗水多、产物浓度低、能耗高和产能低等一系列问题。“高固酶解”技术是针对“低固酶解”技术的不足提出的绿色生产技术。高固体系一般指体系超过15%（w/w）固体载荷，体系不再呈现液态或者泥浆态，而是呈现固态。因此，适度提高酶解固体载荷，降低分离和生产设备能耗，是实现豆渣规模化高效利用的重要途径。但由于其高固体系中酶的扩散-吸附和反应受限，存在水解效率随固形物含量增加而下降的共性技术问题，需要通过底物改性或者过程强化来破解其传递-反应屏障。

汽爆技术作为木质纤维素原料的高效预处理手段，已在生物炼制相关领域得到广泛应用。其利用高温高压水蒸汽处理纤维原料，通过瞬间泄压实现原料的组分分离和结构变化。大量研究表明，汽爆能够破解植物细胞壁复杂结构，部分脱除半纤维素等结构性成分，提高酶解可及性，促进SDF 有效转化。因此，本文通过汽爆改性豆渣，改善酶解底物结构与性质，提升高固酶解处理效果和反应效率，以期为大量豆渣原料的高效转化和规模利用提供技术支持和理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

豆渣粉（含水率为6.02%）由河南颍水农庄提供；无水乙醇、一水合柠檬酸、浓硫酸、氢氧化钠、硼酸、2-（N-吗啉代）乙磺酸（MES）、三羟甲基氨基甲烷（Tris）等分析纯，国药化学试剂有限责任公司；碱性蛋白酶（酶活8900 U/mL）、-淀粉酶（酶活≥1 万U/g）、纤维素酶（酶活132 FPU/g 固体）青岛诺维信生物科技有限公司。

QBS-200B 汽爆机（反应罐体积5 L）鹤壁正道生物能源有限公司；SHZ-82A 恒温振荡器 常州国华电器有限公司；EMS-18 磁力搅拌器 天津欧诺仪器仪表有限公司；TGL-16B 台式离心机 上海安亭科学仪器厂；DH-101 电热恒温鼓风干燥箱 天津中环实验电炉公司；K9840 自动凯氏定氮仪 山东海能科学仪器有限公司；JY-DF-1000 马弗炉 上海巨夷仪器设备有限公司；SU1510 扫描电子显微镜、CR-10 Plus 色差仪、DSC-60 plus 差示扫描量热仪日本岛津公司；Nicolet iS50 傅里叶变换红外光谱仪上海力晶科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 豆渣汽爆处理 将豆渣按照1:0.8（w/v）比例喷洒蒸馏水充分复水2 h。取复水后500 g 豆渣，放入汽爆机反应室内，通入饱和水蒸汽，使反应室内压力分别达到设定压力0.6、0.9、1.2 和1.5 MPa（对应汽爆强度lgR分别为2.43、2.91、3.30、3.59），维持时间5 min，然后瞬间泄压进行爆破，物料被爆入接收室。收集样品于70 ℃鼓风干燥箱干燥7 h 后粉碎，置于室温干燥器中保存待用。

1.2.2 豆渣结构与性质测定

1.2.2.1 微观形貌表征 利用扫描电子显微镜观察豆渣样品的显微结构。将豆渣样品于105 ℃烘箱干燥后，采用导电粘合剂粘贴于标本保持架上，并溅射镀金。采用扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，简称SEM）在10 kV 加速电压下以500 和1000倍的放大倍数观察样品和拍照。

1.2.2.2 理化性质表征 用Li 等的方法测定水溶性。取0.5 g 豆渣与50 mL 的蒸馏水混合在烧杯里。混合物于90 ℃的恒温水浴中搅拌30 min，然后在3000 r/min 下离心15 min。上清液转移至平皿中，在105 ℃干燥箱中干燥5 h。称残留物质量，计算水溶性。

式中：w为残余物的质量，g；w 为样品质量，g。

根据孙冰玉等的方法测定豆渣持水性。将0.2 g 豆渣粉与10 mL 蒸馏水于室温下混合，静置1 h，以3000 r/min 的转速离心20 min 后除去上清液，称量残渣，计算持水性。

式中：w为含水残渣的质量，g；w 为样品质量，g。

根据孙冰玉等的方法测定豆渣持油性。室温下，称取1.0 g 样品与5 mL 食用油放置30 min，每5 min 振摇一次，在3500 r/min 下离心30 min，除去上层游离油，称量残渣，计算持油性。

式中：w为含油残渣的质量，g；w 为样品质量，g

根据孙冰玉等的方法测定浸水溶胀性。取1.0 g 的样品装入有刻度的离心管中，加入10 mL 的蒸馏水摇匀，室温下静置24 h。记录样品膨胀后的体积，计算溶胀性。

式中：v为样品浸水膨胀后的最终体积，mL；v 为样品原始体积，mL；w 为样品的重量，g。

1.2.2.3 化学组成测定 水分含量采用直接干燥法测定GB 5009.3-2016；蛋白质含量采用凯氏定氮法测定GB 5009.5-2016；粗脂肪采用索氏提取法测定GB 5009.6-2016；灰分含量采用燃烧方法测定GB 5009.4-2016；总膳食纤维含量（Total dietary fiber，TDF）、IDF 和SDF 含量采用酶重量法测定GB 5009.88-2014。

1.2.2.4 红外光谱表征 参照Lin 等方法测定，利用傅立叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR），称取样品1 mg，加入溴化钾150 mg，充分研磨，压片制备待测样品，于4000～400 cm波长范围内扫描，分辨率：4 cm，扫描次数：16。

1.2.2.5 热稳定性表征 豆渣热稳定性采用Chen等的方法测定。称取少量（2～5 mg）样品置于铝制坩埚中，压片备用。转移至差示扫描量热仪中进行检测。测量范围为室温至600 ℃，升温速度设定为10 ℃/min。

1.2.3 豆渣高固酶解处理 将一定质量的豆渣加入到100 mL 锥形瓶中，加入10 mL 0.05 mol/L 柠檬酸缓冲液（pH4.8±0.05），将纤维素酶加入缓冲溶液中。考察豆渣固体含量为2%、5%、10%、20%（w/v）；用酶量为5、10、20、40 FPU/g 固体。在50 ℃及200 r/min水浴摇床孵育12 h，取出沸水浴灭酶活。

在用酶量为5 FPU/g 固体的条件下，考察汽爆豆渣（lgR=2.91）和未处理豆渣在不同固体含量与酶解时间（0.5、1、2、4、6、12 h）下SDF 得率的变化，获取酶解动力学曲线。

1.2.4 豆渣SDF 提取 参照Chen 等的方法。脱除淀粉：酶解豆渣中加入MES-Tris 缓冲液40 mL，加入50 μL 热稳定-淀粉酶液，加盖铝箔缓慢搅拌，置于95 ℃恒温振荡水浴箱反应35 min，取出冷却。脱除蛋白：将脱除淀粉试样置于60 ℃水浴中，加入100 μL 蛋白酶溶液，加盖上铝箔搅拌，反应35 min，待结束取出沸水浴灭活。将试样于3500 r/min 离心20 min，过滤收集上清液。加4 倍体积95%乙醇，静置8～12 h，离心分离，沉淀复溶、冷冻干燥，称量并收集SDF 粉备用。

式中：m为提取所得SDF 质量的干重，g；m为提取所用豆渣质量的干重，g。

1.3 数据处理

所有实验重复三次，数据表示为平均值±标准差的形式表示。采用（SPSS statistics 24）软件分析数据，使用单因素方差分析（ANOVA），并使用Duncan检验分析之间差异的显著性值（<0.05）。利用OriginPro 9.0 进行制图。

2 结果与分析

2.1 汽爆处理对豆渣结构与性质的影响

2.1.1 汽爆豆渣结构形貌 由汽爆豆渣和原料的宏观形貌图可见，豆渣原料呈白色粉末，汽爆后颜色加深呈棕褐色粉末，且随汽爆强度的增强豆渣粉由浅褐色转为深褐色（如图1a-I，b-I，c-I，d-I，e-I）。原因可能是汽爆过程豆渣中多糖和蛋白类成分发生美拉德褐变反应和焦糖化反应产生了暗色的物质。豆渣中纤维等降解形成的还原糖与蛋白质降解形成的氨基酸，在水热作用下裂解脱水形成的挥发性醛、酮类物质，引起一系列美拉德反应，诱导非酶褐变，最终导致产生棕黑色的大分子类黑素。

图1-II，III 为汽爆豆渣和原料的扫描电镜图。由图1 中可见（图1a-II，a-III），豆渣原料表面片状层叠致密，结构完整有序，基本没有碎片化现象。汽爆后豆渣结构形貌完全改变，微粒化作用明显，内部形成蜂窝状多孔结构，裂隙增多，粗糙度增加；且随汽爆强度增加，颗粒表面熔浆化加剧。即在汽爆高温蒸煮过程中，豆渣中纤维结构软化，整体无序性增强，部分结构性成分解聚并降解，使其表面呈熔浆态；而在随后瞬时爆破过程中，多孔结构内部液态水发生闪蒸、气态水蒸气发生绝热膨胀，破坏豆渣立体结构，使其内部结构暴露、多孔性增加、体系复杂程度增加。

图1 不同汽爆强度处理豆渣光学照片与扫描电子显微照片Fig.1 Optical and scanning electron micrographs of steam exploded soybean dregs

2.1.2 汽爆豆渣理化性质 汽爆后豆渣水溶性明显增加，而持水性、持油性和浸水溶胀性明显降低（见图2）。随汽爆强度的加，豆渣的水溶性从9.52 g/100 g上升到了48.85 g/100 g，提升了5.13 倍，总体呈现先上升后下降的显著趋势（<0.05）。汽爆豆渣水溶性增加一方面是由于汽爆破坏豆渣复杂多孔结构，促进其细胞内物质大量溶出；另一方面则是由于汽爆水热作用使豆渣中纤维素、半纤维素等结构性成分转化，降解生成易溶于水的糖类、酚类等小分子物质。在最高汽爆强度下，豆渣的水溶性转为降低趋势，可能是由于可溶性糖进一步分解产生醛类和小分子有机酸等易于挥发性成分或者进一步缩合形成腐殖酸类大分子物质所致。原料持水性、持油性与溶胀性分别为9.55、1.79 g/g 与9.65 mL/g，汽爆后豆渣的持水性、持油性与溶胀性最低分别降至4.65、0.84 g/g与4.87 mL/g，分别降低了51.31%、53.07%与49.53%。持水/油性是评估样品在无外力作用下可以吸收的水/油量，溶胀性是在过量水存在情况下，一定量的纤维平衡后的体积，较高分子量的纤维可以改善豆渣的溶胀性。因此汽爆豆渣持水性、持油性与溶胀性的降低，这可能由于汽爆处理在高温/高压下的强大剪切力使豆渣纤维聚合物的断裂，豆渣致密结构变得疏松多孔，无稳定结构保留水与油；此外，也可能是纤维与蛋白等大分子结构受到一定的破坏，大分子物质减少所致。

图2 豆渣与汽爆豆渣的理化性质变化Fig.2 Changes in physicochemical properties of steam exploded soybean dregs

2.1.3 汽爆豆渣化学组成 由表1 可知，豆渣原料中主要成分是膳食纤维，总膳食纤维含量占比高达77.54%，其中以IDF（67.96%）为主，SDF 含量仅为9.58%。此外蛋白质、脂质与灰分含量分别为14.52%，4.75%与2.97%。汽爆后豆渣中SDF 含量显著上升，IDF 含量显著下降（<0.05），而TDF 含量略有下降。随汽爆强度增加，豆渣中SDF 含量先增后降，在汽爆强度为2.91 时增加至36.90%，与原料相比提高了3.85 倍；豆渣中IDF 和TDF 在汽爆强度为3.30时降低至31.11%和61.94%，与原料相比分别降低了59.27%和20.12%。上述结果表明汽爆促进了豆渣中IDF 向SDF 的转化，这与其他文献报道的汽爆对食物纤维原料的作用趋势一致。汽爆对纤维性原料兼具机械力改性和热改性特点，一方面从结构上改性高纤原料，使其微观结构疏松且为蜂窝状的多孔结构、比表面积增加，从而提高SDF 提取效率；另一方面，使膳食纤维中部分IDF 向SDF 转变，从而提高SDF 得率，这主要是由汽爆能够显著脱除纤维性原料中大量半纤维素的作用所致。汽爆过程高压热酸性环境会导致细胞壁上半纤维素大量水解、纤维素非结晶区遭到破坏、木质素解聚和重排，以及淀粉糊化、蛋白质热变性和热降解等一系列水热反应，均是导致IDF 向SDF 转化的途径。且随汽爆强度增加，转化趋势愈明显。对木质纤维素类生物质原料的汽爆结果表明，汽爆能使半纤维素脱除率达到85%以上。而在最高汽爆强度条件下，SDF 含量有所下降，这主要是由于在更剧烈的条件下小分子糖类成分进一步降解所致。

2.1.4 汽爆豆渣官能团结构 采用FTIR 表征进一步分析原料和汽爆豆渣的官能团含量与分布（如图3所示）。从图中可见豆渣的光谱峰吸收带形状相似，但吸收带的相对强度不同。3427 和2921 cm两处的波数吸收带分别归因于糖类中O-H 伸缩振动和甲基上C-H 的收缩振动。该两处峰值随汽爆强度增加而减弱，表明汽爆可能使豆渣中纤维素分子间的氢键断裂，糖类物质有降解效应。位于1642、1377、1252 cm三处的吸收带归属于豆渣中蛋白中酰胺I、酰胺II 和酰胺III。汽爆豆渣在此处吸收峰明显减弱，表明汽爆对豆渣蛋白质有降解作用，可能改变其组成肽链的氨基酸排列顺序。位于1052 cm处与886 cm两处的吸收峰归属于豆渣中的多糖，包括豆渣中淀粉和木糖等。1052 cm处的峰主要是C-O-C、C-OH、CH、CH弯曲振动，是糖类特征峰。在886 cm处则归于-糖苷键的特征峰。其吸收值均在汽爆后降低，表明汽爆破坏了木质素和多糖结构的连接键，可能导致了IDF 向SDF 的转化、降低了IDF 的相对含量，这与表1 豆渣中化学组成结果与相关报道相一致。

图3 豆渣原料与汽爆豆渣的FT-IR 光谱Fig.3 FT-IR spectrum of steam exploded soybean dregs

表1 豆渣基本化学组成（g/100 g）Table 1 Chemical composition of steam exploded soybean dregs (g/100 g)

2.1.5 汽爆豆渣热稳定性 不同汽爆强度下，原料与汽爆豆渣的DSC 曲线与热力学特征值如图4 所示。豆渣热分解过程可基本划分为三个阶段，P：30～200 ℃是水分的挥发；P：200～400 ℃，为非结晶态纤维素、半纤维素、羧基等其他含氧官能团降解；P：400～550 ℃，结晶态纤维素、木质素、裂解单糖缩聚物等物质降解。第一阶段P热降解中，汽爆豆渣与原料降解趋势相近，表明二者中游离水、结合水及连接氢键含量相近。在第二阶段P热降解中，原料的热解焓变值为2460 J/g，汽爆豆渣焓变明显降低，且随着汽爆强度的增加呈现先降低后增加趋势。其变化主要是汽爆导致豆渣中半纤维素部分脱除降低了在该区间的热焓变值。表明汽爆处理加强对豆渣中非结晶态纤维素、羧基等其他含氧官能团的降解，有利于生成SDF 及大量单糖缩聚物，导致吸热峰降低。在第三阶段P热降解中，最大热解峰温度由476 ℃增加至506 ℃，热解焓变值由4720 J/g 增加至12070 J/g。主要原因可能是汽爆促使豆渣中结构性生物大分子解聚后再缩聚生成假木质素类结构，导致该阶段热解焓变值和热解温度显著提升，即汽爆豆渣与原料相比具有更高的热稳定性。这一结论与汽爆橘皮提取可溶性膳食纤维的研究相一致。随后又呈现降低后增加的趋势，表明汽爆促进豆渣中结构性大分子解聚再缩聚反应是一个动态过程，生成假木质素类结构在高温高湿环境中不能稳定存在，呈现一定波动。这与表1 豆渣中化学组成结果与相关报道相一致。

图4 汽爆豆渣的DSC 曲线Fig.4 DSC curve of steam exploded soybean dregs

2.2 汽爆对豆渣高固酶解过程的强化效果

2.2.1 不同固体载荷和用酶量下的汽爆豆渣酶解效果 如图5 是不同固体载荷和酶用量对汽爆豆渣酶解SDF 得率的影响。根据表1 豆渣基本化学组成可知，lgR为2.43 与2.91 时，其所含SDF 含量较高，分别达到34.44%和36.90%。因此，选择这两个汽爆条件进行后续高固酶解研究。由图5 可知，汽爆显著增加了不同固体载荷和用酶量下豆渣SDF 酶解得率。随固体载荷增加，原料酶解SDF 得率由15.79%～17.08%（2%固体载荷）降低至11.63%～12.83%（20%固体载荷）。汽爆强度为2.43 时，在低固体载荷（2%）条件下豆渣酶解SDF 得率为40.06%～44.18%，随后SDF 得率略有降低，在高固体载荷（20%）条件下豆渣酶解SDF 得率为41.45%～43.75%。在最高固体载荷20%和最低用酶量5 FPU/g 的酶解条件下，豆渣原料中SDF 得率为11.63%，而汽爆豆渣中SDF 得率为43.75%，与原料相比提高至3.76 倍。且汽爆对豆渣SDF 提取得率的增加趋势随固体载荷增加而愈加明显。在高固条件下，随用酶量增加，原料酶解SDF 得率由11.63%（5 FPU/g 用酶量）增加至12.83%（40 FPU/g 用酶量）。汽爆后，在低固体载荷条件（2%）下，豆渣SDF 提取得率先增后降；在高固体载荷条件（20%）下，豆渣SDF 提取得率逐渐降低；且汽爆强度越大，下降趋势越明显。以上数据表明汽爆一方面能够显著降低豆渣酶解过程用酶量，从而为降低用酶成本；另一方面能够增加固体载荷、提高产物浓度，从而降低后续纯化成本。

图5 不同固体载荷下酶用量对汽爆豆渣SDF 得率的影响Fig.5 Effect of enzyme dosage on SDF yield of steam exploded soybean dregs under different solid loadings

由2.1 汽爆处理对豆渣结构与性质的影响结果可知，汽爆对豆渣兼具物理破壁作用与化学热改性作用。汽爆能够破坏豆渣多级孔隙结构，使其表面和内部呈现疏松多孔，有助于充分暴露酶解作用位点。半纤维素和木质素复合结构被公认为是影响酶水解的重要抗降解屏障之一，汽爆能够脱除细胞壁中大部分半纤维素并使木质素发生部分解聚和重排，从而促进纤维素酶与其底物的充分接触，进一步提高SDF 酶解得率。而且汽爆豆渣在20%的高固体载荷条件下依然保持较高的SDF 得率（40.54%以上），而豆渣原料为12.83%以下，说明汽爆能够显著降低豆渣原料固体载荷的制约，提高其酶解过程的底物浓度。提高豆渣固体载荷势必增加了酶解体系内水分约束与传质阻力，高固体系下自由水含量降低，水与其他物质作用从而导致体系流动性降低，产生了明显的水束缚效应。其将导致在酶解过程中无法将纤维素酶运送到酶解作用点，且无法扩散酶解产物，影响酶解解效率。由图5 酶解前后豆渣照片可明显看出，在高固体载荷条件下，豆渣原料酶解体系中已无游离水存在，而汽爆后，豆渣酶解体系形成了均匀的泥浆状态，体系流动性增加，且有部分游离水存在。可能是由于汽爆部分降解豆渣中生物大分子使其聚合度降低，水溶性物质多，从而提高酶的可及性和酶解体系的流动性。然而随用酶量的增加，汽爆豆渣SDF 提取得率略有降低，可能是由于酶解过度导致部分纤维素降解产物持续分解，分子量减小，生成寡糖或单糖而无法提取所致。

2.2.2 不同固体载荷下的汽爆豆渣酶解动力学曲线

如图6 所示为汽爆前后豆渣物料的酶解动力学曲线。根据图5 不同固体载荷下酶用量对汽爆豆渣SDF 得率的影响可知，在2%～10%固体载荷下，汽爆强度lgR为2.91 时SDF 提取得率较高，因此选取该汽爆条件下处理豆渣进行酶解动力学实验。在较低固体载荷条件（2%与5%）下，豆渣原料与汽爆料均在酶解6 h 左右基本达到酶解反应平衡，之后SDF 酶解得率基本变化不大；在较高固体载荷条件（10%与20%）下，豆渣原料酶解时间12 h 仍未达到反应平衡，而汽爆豆渣的酶解SDF 得率仍在6 h 后基本不再变化。因此从过程经济性考虑，汽爆豆渣酶解时间可优化选择在6～12 h。

图6 酶用量为5 FPU/g 下豆渣酶解动力学曲线Fig.6 Enzymatic hydrolysis kinetic curve of steam exploded soybean dregs at 5 FPU/g of enzyme dosage

上述数据表明汽爆能够显著缩短豆渣高固体载荷下酶解时间，使酶解反应平衡时间缩短50%左右，提高酶解得率同时增加反应效率。由于高固体载荷条件下，豆渣原料体系粘度急剧增加，体系流动性降低，酶分子传质阻力增大，从而不利于酶解反应的进行。而汽爆处理一方面能够增加豆渣的多孔性，使其酶分子可及的表面积和可传递的孔道增加；另一方面能够降低酶解体系黏度，增加体系的流动性，促进酶分子的结合与转移，从而缩短了酶解反应时间，显著提高酶解效率。

3 结论

汽爆处理显著改善豆渣理化性质，其作用兼具机械力改性和热力改性特点。汽爆后豆渣微观结构呈疏松的蜂窝状多孔态且表面熔浆态明显；汽爆豆渣水溶性显著提升，与原料相比增加了5.13 倍，而持水性、持油性和浸水溶胀性降低；汽爆对豆渣结构性大分子物质的水热降解作用促进部分IDF 向SDF 转变，且随汽爆强度增加转化趋势越明显，在最高汽爆强度条件下豆渣中SDF 含量达到原料的3.85 倍；汽爆对豆渣组成的改变使其热稳定性增加，豆渣最大热解峰温度和焓变值均提高。

豆渣汽爆改性后强化其高固酶解效果，通过改善酶解底物组成结构和体系流动状态，降低高固酶解过程固体载荷制约，从而提高酶解底物浓度、降低酶用量、缩短酶解时间。在最高固体载荷20%和最低用酶量5 FPU/g 的酶解条件下，汽爆豆渣中SDF 得率达到43.75%，与原料相比提高3.76 倍；汽爆后豆渣高固体载荷条件下酶解反应平衡时间缩短50%左右。本文采用汽爆解离改性联合高固酶解制取豆渣SDF，阐明了豆渣汽爆改性作用及其对高固酶解过程的强化作用，为大量豆渣原料的高效转化和利用提供理论指导和技术支持。