响应面法优化酶法制备全豆豆浆工艺

黄磊，候吉超，朴春红，代伟长，王玉华，刘俊梅，于寒松

（吉林农业大学食品科学与工程学院国家大豆产业技术体系加工研究室，吉林长春130118）

古往今来，豆制品是人类摄取大豆营养成分的最佳方式，而豆浆又是工艺相对简单和最受欢迎的豆制品之一。传统生产工艺在使用1 kg 大豆原料制备豆浆时，添加约8 kg～10 kg 水过滤后产生大约0.3 kg 的豆渣（干基）[1]。豆渣由于水分活度高，容易造成腐败，在商业生产和工厂管理问题上没办法得到更好的解决。豆渣通常被浪费掉或者用来制作动物饲料[2]。但是，豆渣中含有很丰富的营养物质，例如蛋白质（25.4%～28.4%），油（9.3%～10.9%），膳食纤维（52.8%～58.1%）和异黄酮（0.14%）[3]含量都比较高，如果丢弃对于大豆资源利用率来说是非常严重的浪费。而且，在浪费了原材料和增加了成本的同时，还对环境造成了污染。

而全豆豆浆不仅可以保留大豆原料的全部营养成分，不造成任何浪费，与传统豆浆相比还大大提高了豆浆中膳食纤维的含量[4]，同时，可以解决上述豆渣的浪费和造成的环境压力的问题，同时节省了大量处理豆渣需要的人力物力和财力。既保证了营养，又降低了成本，提高了产品附加值，还可以做到绿色环保。

目前，全豆（全籽粒）产品的开发逐渐成为国内外大豆加工领域的热点[5]。但关于全豆豆浆工艺的优化的报道较少，大部分都是研究全豆豆浆及全豆豆腐的质构特性及对豆腐产品的感官特性进行评价[6-8]。制备全豆浆的方法有很多种，例如湿式超细粉碎法，干式超细粉碎法和酶水解法。已有学者使用干法、湿法超微粉碎结合高压均质可以使全籽粒大豆制作成为全豆豆浆[9-10]。然而，由于单次使用干式微研磨或湿式超细粉碎，整个豆浆的感官品质未得到优化。根据吴金鋆等[11]研究表明，干法磨粉制作方法体系稳定较差，而且产品颗粒感较强，感官上让消费者难以接受，同时，根据Owsley 等[12]研究表明，原料颗粒度的减小可以增大原料与消化酶的接触面积，从而增加原料与消化酶的相互作用频率。也就说明全豆豆浆粒径的减小有利于其在体内的消化吸收。因此，如何降低全豆豆浆的颗粒直径成为了全豆豆浆工艺的关键技术问题，也是其产业化所必须突破和解决的关键问题。据报道，目前全豆豆浆粒径最小的是采用湿法超微粉碎结合高压均质技术获得的产品，该产品的D50为37.07 μm[13]。本研究拟联合使用湿法微粉碎和酶水解的方法进一步降低全豆豆浆粒径，其中湿法微研磨可以将大豆与水充分研磨和混合，酶解法可以对大颗粒的不可溶性膳食纤维起到了一定的裂解作用，不仅可以降低豆浆的粒径，同时还可以改善了豆浆的口感并增加豆浆中可溶性物质的含量。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

黑河43 号大豆：国家大豆产业技术体系岗位科学家鹿文成研究员提供；纤维素酶（酶活力60 000 U/g）：江莱生物科技有限公司；蒸馏水。

1.2 试验仪器

YY-162 大豆脱皮机：山东誉亚大豆机械有限公司；QDGX-1 高精密湿法超微粉碎设备：无锡轻大食品装备有限公司；BT-9300HT 激光粒度分布仪：丹东百特仪器有限公司；THZ-82 恒温振荡器：常州智博瑞仪器制造有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 原料预处理

挑选颗粒圆润，无杂质，无虫蛀的黑河43 号大豆，使用大豆脱皮机脱去表层果皮。取1 kg 脱皮黑河43号大豆，进行清洗后，加入5 倍蒸馏水浸泡12 h～14 h，去除多余水分后，110 ℃压热15 min。

1.3.2 全豆豆浆的制备

将压热后的大豆与11 倍蒸馏水混合在3 000 r/min下超微粉碎15 min 后，将获得的全豆豆浆称重，加入纤维素酶，使用恒温振荡器在100 r/min 下进行酶解处理。分别对酶解温度、酶解时间和加酶量进行单因素和响应曲面试验。

1.3.3 酶解温度对全豆豆浆粒径（D50）的影响

取底物干物质含量3%的纤维素酶，分别在40、45、50、55、60 ℃下酶解 3 h。对全豆豆浆的粒径进行测定比较分析。

1.3.4 酶解时间对全豆豆浆粒径（D50）的影响

取底物干物质含量3%的纤维素酶，在50 ℃下分别酶解 1、2、3、4、5 h。对全豆豆浆的粒径进行测定比较分析。

1.3.5 加酶量对全豆豆浆粒径（D50）的影响

分别取相当于底物干物质含量1%、2%、3%、4%和5%的纤维素酶，在50 ℃下分别酶解3 h。对全豆豆浆的粒径进行测定比较分析。

1.3.6 响应曲面试验

将单因素的试验数据进行分析后，设置合适范围进行响应曲面试验。选择Box-Behnken 组合试验，选取中位径（D50）作为最终评判标准设计三因素三水平响应曲面试验，以确定最佳酶解法制备全豆豆浆的工艺。响应曲面试验的因素与水平情况见表1。

表1 响应面试验的因素与水平表Table 1 Factors and levels of response surface methodology

1.3.7 数据分析

数据表示为平均值±标准差（SD）。在单因素方差分析（ANOVA）之后，进行事后检验以使用IBM SPSS统计数据（版本19.0）检测组间平均值之间的差异。显着性定义为P 值小于0.05。

2 结果与分析

2.1 酶解温度对全豆豆浆粒径的影响

酶解温度对全豆豆浆粒径的影响见图1。

由图1 可知，随着酶解温度不断升高，全豆豆浆的粒径（D50）不断降低，这是由于酶解温度在逐渐接近纤维素酶的最适温度，在50 ℃的时候粒径（D50）最小，其表明纤维素酶达到了最适酶解温度，此刻酶解效果最佳。50 ℃后又略有升高。这也证实了纤维素酶具有较高酶活性的温度范围为45 ℃～55 ℃，此次试验最佳酶解温度为50 ℃。

图1 酶解温度对全豆豆浆粒径的影响Fig.1 Effect of enzymatic hydrolysis temperature on the particle size of whole soybean milk

2.2 酶解时间对全豆豆浆粒径的影响

酶解时间对全豆豆浆粒径的影响见图2。

图2 酶解时间对全豆豆浆粒径的影响Fig.2 Effect of enzymatic hydrolysis time on the particle size of whole soybean milk

从图2 可以看出，随着酶解时间的逐渐增加，全豆豆浆的粒径（D50）不断降低，但是在酶解 3 h～5 h 时，粒径（D50）变化不显著。其表示3 h 已经是酶解的最佳时间，再延长时间从其作用也不会十分明显，从节省能源和经费的角度考虑，选择最佳酶解时间为3 h。

2.3 加酶量对全豆豆浆粒径和可溶性膳食纤维的影响

加酶量对全豆豆浆粒径的影响见图3。

图3 加酶量对全豆豆浆粒径的影响Fig.3 Effect of enzyme dosage on the particle size of whole soybean milk

根据图3 可知，随着加酶量的逐渐增加，全豆豆浆的粒径（D50）不断降低，在加酶量为3%的时候，其粒径值（D50）最低。在加酶量为 3%～5%的时候，粒径（D50）变化不显著（P＞0.05）。从节省试验材料和经费考虑，选择最佳加酶量为底物干物质量的3%。

2.4 响应曲面结果分析

通过以上试验所得出的数据和结论进行响应面优化分析，采用Box-Behnken 试验设计。通过软件分析，方差分析表（表2、表3）可知，二次模型失拟检验其结果为不显著，标示着二次模型可以用于该试验的优化，最后结果选取二次方程作为模型。

表2 响应面优化试验设计表和试验结果Table 2 The experimental design and results of response surface methodology（RSM）

表3 试验结果（粒径D50）方差分析表Table 3 Test results（particle diameterD50）analysis of variance table

续表3 试验结果（粒径D50）方差分析表Continue table 3 Test results（particle diameterD50）analysis of variance table

得到方程：粒径D50=+16.85-12.26A-2.98B-2.22C+4.20AB+2.40AC+3.68BC+9.96A2+5.64B2+14.86C2

在方差分析结果显示，模型的P 值＜0.000 1，表示模型的差异显著。仅有0.01%的可能性该模型不可使用，所以，可以使用此模型。在本次试验中，A、B、C、AB、AC、BC、A2、B2、C2，均是显著项（P≤0.01）。失拟检验中的P 值为0.058 表明失拟项与标准误相比不显著，只有5.80%可能性失拟发生躁动，拟合情况良好。按照F 值的影响大小对结果影响排序为：加酶量＞酶解时间＞酶解温度。

从Design-expert 软件中获得了响应曲面图见图4～图6。

图4 加酶量和酶解时间的交互作用（粒径D50）Fig.4 Interaction of Enzyme Addition and Enzymatic Time（Particle Size D50）

图5 加酶量和酶解温度的交互作用（粒径D50）Fig.5 Interaction of Enzyme Addition and Enzymatic Temperature（Particle Size D50）

图6 酶解时间和酶解温度的交互作用（粒径D50）Fig.6 Interaction between enzymatic hydrolysis time and enzymatic hydrolysis temperature（Particle Size D50）

从图4～图6 可以直观的看到两因素的交互作用对酶解（粒径D50）试验结果的影响，曲面表现出逐渐下降趋势并达到一定的顶点随后又有上升的趋势，曲面坡度的陡峭程度表明结果的变化幅度，表明出现了最小值，通过使用软件的数据分析可以得出最佳的工艺条件。

2.5 粒径响应曲面优化的最佳工艺和试验验证

通过Design-expert 软件对试验得到的数据进行优化得到的最佳工艺条件为：加酶量为2.45%，酶解时间为3.45 h，酶解温度为50.32 ℃。为了便于试验操作，将得到的最优试验结果做稍微的调整，加酶量为2.50%，酶解时间为3.50 h，酶解温度为50.00 ℃。得到最小中位径 D50为（16.09±0.12）μm 的全豆豆浆。对以上数据作为试验条件反复进行3 次试验，得到的最终结果与最佳工艺条件结果的吻合度较高，具有较强的可信度。

3 结论

本试验通过对全豆豆浆进行纤维素酶的酶解处理，最终酶解后的试验表明：通过单因素试验获得最佳酶解温度为50.00 ℃，酶解时间为3.00 h，加酶量为3.00%，在经过单因素的试验后，使用Design-expert 软件进行响应曲面优化，验证后为了方便试验操作，试验结果均取操作最方便的数值。酶解温度选取50.00 ℃，酶解时间选取3.50 h，加酶量为2.50%（底物干物质）。获得全豆豆浆D50为16.09 μm。与未加酶的全豆豆浆（D5063.54 μm） 比较，D50缩小了 3.95 倍，D90缩小了2.02 倍。对优化后的结果进行试验验证，结果表示预测性相对较好，可以用来预测该工艺试验。酶解试验的结果与所见论文的论述结论基本吻合。该试验结果可以为全豆豆浆加工生产提供一定的技术参考，对豆制品生产具有一定的实际意义。