（食品科学专业论文）大豆低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究.pdf

摘要 大豆是优质的蛋白质源，但是低聚糖胀气因子的存在限制了大豆蛋白的开发利用，因此低 聚糖的有效去除对于提供优质廉价的大豆蛋白和提高大豆的生物利用率是很有实际意义的。 本文主要是从物理方法，酶法，微生物降解法着手，确定相应的最佳工艺条件，有效降低 大豆中的低聚耱。此外建立低聚糖在浸泡、蒸煮过程中含量变化的机理模型。能动态预测低聚 糖含量的变化趋势。具体工作有： 对于蒸煮处理法，考虑到蒸煮过程中水溶性物质的损失，确定在1 0 0 c 蒸煮条件下，最 佳的蒸煮时间为9 0 r a i n ，跟未蒸煮前相比，蔗糖棉子糖水苏糖的含量分别下降了6 2 0 ， 7 2 4 ，5 4 6 ；而在1 2 1 的蒸煮温度下，最佳的蒸煮时间为4 5 r a i n ，跟未蒸煮前相比， 则分别下降了7 9 1 8 4 7 7 7 6 。 运用建立的有效扩散数学模型，分析了浸泡和蒸煮过程中低聚糖含量的变化机理。对于 浸泡过程，前期可理解为扩散过程，随着浸泡时间的延长，实验数据跟模拟数据存在一 定的出入，说明在后期的浸泡过程中，仅仅是扩散原理是解释不通的。而对于蒸煮过程， 实验数据跟模拟数据的吻合度比较好，而且煮豆水和豆子中的低聚糖含量基本上是符合 质量守恒规律，也就是在蒸煮过程中，低聚糖的变化机理可以仅仅用扩散原理解释。 运用建立的扩散数学模型，分析了浸泡时间、浸泡温度、蒸煮时间、蒸煮温度、豆子尺 寸大小等因素对低聚糖扩散速度的影响。同时还考察了浸泡时间与蒸煮过程的交互作用。 研究了大豆发芽过程中低聚糖含量的变化：棉子糖和水苏糖的含量呈明显的下降趋势， 当发芽7 2 h ，棉子糖和水苏糖含量分别下降到0 0 9 1 和0 3 7 。 考察了用大豆a 半乳糖粗酶酶法处理豆粉和整粒大豆的效果，在4 0 条件下酶解6 小 时后，整粒大豆中的蔗糖、棉子糖、水苏糖的含量分别下降了6 9 5 ，7 9 0 ，8 0 3 ，而 豆粉中的蔗糖则下降了8 7 9 而棉子糖和水苏糖则没有检出。 考察了菌种r h i z o p u so l i g o s p o m s 和n e u r o s p o r as i t o p h i l a 的发酵法对大豆低聚糖的降解作 用。其发酵时间分别达到3 6 小时和3 2 小时时，棉子糖和水苏糖均下降到不能检出的水 平。 关键词：大豆，低聚糖，数学模刊 a b s t r a c t s o y b e a n i sa l le x c e l l e n ts o r l o ! o fp l a n tp r o t e i n ，b u tt h ep r e s e n c eo ff l a t u l e n c ef a c t o r - o f i g o s a c c h a r i d e h a sl i m i t e dt h e d e v e l o p m e n to fs o y b e a np r o t e i n ，s ot h e e f f e c t i v er e d u c t i o no f o l i g o s a c c h a r i d ei sp r a c t i c a l l yi m p o r t a n tf o rp r o v i d i n ge x c e h e n ta n di n e x p e n s i v es o y b e a np r o t e i na n d i m p r o v i n gt h eb i o a v a l l a b i f i t yo fs o y b e a n b ye m p l o y i n gt h ep h y s i c a lt r e a t m e n t ，e n z y m a t i ch y d r o l y s i sa n dm i c r o b i o l o g i c a lf e r m e n t a t i o n ， t h eo p t i m a lt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sh a dd e t e r m i n e da n dt h eo l i g o s a c c h a r i d el e v e l si ns o y b e a nw a s e f f e c t i v e l yr e d u c e d a d d i t i o n a l l y , t h em e c h a n i c a lm o d e lf o ro l i g o s a c c h a r i d el e v e l sf l u c t u a t i o nd u r i n g t h es o a k i n ga n db o i l i n gp r o c e s s e sw a sa l s od e f i n e da n di t sc h a n g et r e n dw a sd y n a m i c a l l yp r e d i c t e d d e t a i l sa r ef o l l o w i n g ： f o rt h ep h y s i c a lt r e a t m e n t c o n s i d e r i n gt h el o s so fw a t e r - s o l v a b l es u b s t a n c ed u r i n gt h eb o i l i n g p e r i o d , t h eo p t i m a lb o i l i n gt i m ew a sd e f i n e da s9 0 r a i na t1 0 0 c a n dt h ec o n c e n t r a t i o n so fs u c t o $ e ， r a l 五n o s ea n ds t a c h y o s ew a gr e d u c e db y6 2 0 7 2 4 a n d5 4 6 w h e nt h eb o i l i n gt e m p e r a t u r er o s e u pt o1 2 1 c ，t h eo p t i m a lb o i l i n gt i m ew a sd e f i n e da s4 5 r a i na n dt h ec o n c e n t r a t i o no fs n c l o s e ， r a 伍由o a n ds t a c h y o s ew a sr e d u c e db y7 9 8 4 7 a n d7 7 6 b ye m p l o y i n gt h ed i f f u s i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l 。t h eo l i g o s a c e h a r i d ec h a n g em e c h a n i s m d u r i n gt h es o a k i n ga n db o i l i n gp e r i o d s f o rs o a k i n gp r o c e s s ，t h eb e g i n n i n gp a r to fs o a k i n gp e r i o dc a n b ee e x p a l i n e db yd i f f u s i o nm e c h a n i s m b u tt h el a t t e rp a r tc n o tb e e x p l a i n e db yd i f f u s i o n m e c h a n i s mo n l yl o tt h ep r e s e n c eo f r e s p i r a t i o np h e n o m e n o nw i t ht h es o a k r i gt i m ep r o l o n g e d b u tf o r t h eb o i l i n gp e d o d ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dp r e d i c a t e dd a t aw e r ei n o s c u l a t e df a i r l yw e l la n dt h e o l i g o s a c c h a r i d ec o n c e n t r a t i o n si nt h es o a k i n gw a t e ra n db o i l i n gw a t e rb a s i c a l l yc o n f o r mw i t ht h er u l e o fm a s sc o n s e r v a t i o n a l lt h e s em e a n sd u r i n gt h eb o i l i n gp e r i o d ，t h ed i f f u s i o nm e c h a n i s mo n l yc a n e x p l a i nt h eo l i g o s a c c h a d d e c h a n g em e c h a n i s m ( 爹t h ee f f e c t so fs o a k i n gt i m e 、s o a k i n gt e m p e r a t u r e 、b o i l i n gt i m e 、b o h i n gt e m p e r a t u r ea n d s o y b e a nd i m e n s i o nf a c t o r se t co nt h ed i f f u s i o nv e l o c i t yo fo l i g o s a c c h a r i d ew e r ea n a l y z e d a n dt h e e f f e c t so fs o a k i n gt i m eo nt h ed i f f u s i o nv e l o c i t yd u r i n gt h eb o i l i n gp e r i o dw a sa l s oe x a m i n e d t 1 l eo l i g o s a c e h a r i d ec o n c e n t r a t i o nd u r i n gt h eg e r m i n a t i n gp e r i o dw a sa l s oe x a m i n e da n da l l s i g n i f i c a n tr e d u c t i o nw a sf o u n df o rr a f f i n o s ea n ds t a c h y o s ec o n c e n t r a t i o n s t h e yr e s p e c t i v e l yr e d u c e d t ot h el e v e i so f0 0 9 1 a n d0 3 7 1 r h ee f f e c t so fc r u d ea g a l a c t o s i d a s ee n z y m ee x t r a c t e df r o mg e r m i n a t i n gs o y b e a n0 1 1t h e s o y b e a np o w d e ra n do r i g i n a lg r o u n ds o y b e a nw e r ea n a l y z e d a f l e rap r o b a t i o no f6 ha t4 0 c ，t h e c o n c e n t r a t i o n so fs t l c r o s e ，r a f f i n o s ca n ds t a c h y o s ew a sr e d u c e db y 6 9 5 ，7 9 0 ，8 0 3 r e s p e c t i v e l y , w h i l et h es u c r o s ec o n c e n t r a t i o ni nt h es o y b e a np o w d e rw a sr e d u c e db y8 7 9 a n dt h ec o n c e n t r a t i o n s o fr a f 矗m o s ea n ds t a c h y o s ew a sn o td e t e c t e d o l i g o s a c c h a r i d ec o n c e n t r a t i o n sd u r i n gt h ef e r m e n t a t i o nb yr h i z o p u so l i g o s p o r u s a n d n e u m s p o r as i t o p h i l aw e r ee x a m i n e da n d1 r h e yw e mr e d u c e di ot h en o n - d e t e c t i o nl e v e l sw h e nt h e f e r m e n t a t i o nt i m er e a c h e d3 6 ha n d3 2 hr e s p e c t i v e l y 1 0 0 k e yw o r d s ：s o y b e a n o l i g o s a c c h r a i d e m e t h a m a t i c a lm o d e l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥江盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝鎏盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年 月 日签字日期：年月日 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 第一章绪论 1 1 大豆的营养价值及生理功能 大豆是一种优质的蛋白质食源( 蛋白质含量为4 0 - 5 0 ) ，大豆蛋白不仅消化吸收率高，舍 有的8 种人体必需氨基酸的组成更接近f a o w h o 的推荐标准( 如表1 - 1 所示) ( 李里特，1 9 9 9 ； 丛建民，2 0 0 3 ；徐临玉，2 0 0 0 ；周雪松等，2 0 0 5 ) ，而且还能预防乳腺癌、前列腺癌及其它一些 癌症，同时具有保护肝脏的功能( p e t r a k sn le ta 1 ，1 9 9 6 ；p o l l a r dmc ta l ，1 9 9 7 ；v a h o u n yg ve i a 1 ，1 9 8 5 ) 。 表1 - 1 不同蛋白中8 种必需氨基酸组成的比较( 毋l o o g 蛋白质) ( 李里特，1 9 9 9 ：丛建民2 0 0 3 ；徐临玉，2 0 0 0 ；周雪松等2 0 0 5 ) t a b l e1 - 1c e m p a r i s e a “8k i n d se s s e n t i a l a m i n o a c i df r o md i f f e r e n tp r o t e i n ( g 1 0 e gp m ) 此外，大豆脂肪中含有8 5 4 的不饱和脂肪酸( 赵德安2 0 0 1 ) ，较其它动物脂肪配比更 健康( 如表1 - 2 所示) 。其中亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸等人体必需脂肪酸占脂肪总量的5 2 2 。除此这外，大豆脂质中还含有8 7 8 的卵磷脂。卵磷脂能在卵磷脂胆固酵酰基转移酶作用 下，使胆固醇酯化，转入血浆而排出体外。因此经常食用大豆制品，可降低血胆固醇和预防 4 浙江大学博( 硕) 士学位论文 低聚塘的脱除方法及其数学模型的研究 高血压、动脉硬化和心血管等疾病。 衰1 - 2 常见几种含蛋白的食物中脂质组成( g l o o g 可食用部分) ( u s d a n a t i o n a l n u t r i e n t d a t a b a s e f o f s t a n d a r d r e f e r e n c e ，2 0 0 5 ) t a b l e i - 2 c o m p o s i t i o n s o f l i p t d s f r o m f a m i l i a r f o o dc o n t a i n i n g p r o t e i nc g g l o e ge d i b l e p o r t i o n ) 除此之外，大豆含有大量的生物活性物质及微量元素：如皂苷、大豆异黄酮、钙等，对防 治骨质疏松( a r j m a n d ib h , 1 9 9 6 ) 和更年期综合症( c a s s i d y ra 1 9 9 4 ) ，抗氧化( w e ih ，1 9 9 5 ) 等 都有良好的作用。其具体各活性成分及其功能见下表1 3 而美国f d a ( 1 9 9 9 ) 在审核了大量 长期研究的数据后，发表了一条健康公告：每天食用2 5 9 大豆蛋白能降低心血管疾病。这是f d a 仅有的1 2 条食品健康声明之一，提倡公民更多地食用大豆食品。因此，如何更好的利用大豆就 成了国内外专家学者的研究方向和目标。 1 2 大豆低聚糖的结构 大豆低聚糖( s o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e s ) 是大豆中或豆科作物种子所含有的寡糖类物质的总称， ( 黄贤校等，2 0 0 6 ；赵秀红等，2 0 0 6 ) 是由2 1 0 个单精通过糖苷键连接形成直链或支链的低度 聚合糖，主要包括蔗糖( s u c r o s e ) 、棉子糖( r a f f i n o s e - b - d f r u c t o f u r a n o s y l - o - n - d - g a l a c t o p y r a n o s y l 一( 1 “ m d - g l u c o p y r a n o s i d e ) 和水苏糖( s t a c h y o s e 一 b _ d f r a c t o f u r a n o s y l - o 一口 - d - g a l a c t o p y r a n o s y l - ( 1 _ 6 十d - g a l a c t o p y r a n o s i d e - ( 1 哟q - d - g l u c o p y r a n o s i d e ) 。蔗糖由q - d - 葡萄 糖和b d 果糖以a 1 , 2 糖苷键结合而成，水苏糖和棉子糖则是在蔗糖结构中的葡萄糖c 6 位又分别 结合了两分子和一分子的半乳糖。大豆低聚耱广泛分布于植物中，尤其以豆科植物含量居多，除 大豆外，扁豆、豌豆、蚕豆、绿豆、花生等豆类作物中均存在。 5 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 水苏糖 棉子糖 ：o h 蔗糖 围i - i 大豆低聚糖的化学结构 f i g i - i c h e m i c a ls t r u c t u r e s o f s o y b e a n o i i g o s a c c h a r i d c 裹i - 3 豆科作物中的低聚糖含量( 干重) ( 赵秀红，2 0 0 6 ) t a b l e1 - 3o l i g o s a c c h a r i d cc o n c e n t r a t i o n si nl e g u m i n o u sc r o p s 1 3 大豆中低聚糖的转换机理 研究表明了大豆中棉子糖和水苏糖的代谢途径( 形成机理) 尿苷二磷酸乳糖+ 肌醇一肌醇半乳糖+ 尿苷二磷酸 肌醇半乳糖+ 蔗糖一一棉子糖+ 肌醇 肌醇半乳糖+ 棉子糖一水苏糖+ 肌醇 6 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 肌醇半乳糖( 1 - o - e r - d - g a l a c t o p y r a n o s y l d m y o i n o s i t 0 1 ) 在蔗糖转化成棉子糖和水苏糖的反 应中起到了提供半乳糖的作用。这两个反应是由肌醇半乳糖苷蔗糖半乳糖基转移酶和肌醇半乳 糖苷- 棉子糖半乳糖基转移酶催化的( 赵秀红等，2 0 0 6 ：e u g e n i am e a s t i l l o ，1 9 9 0 ；r j b c i r 0l v l a r l u c i ， 2 0 0 0 ) 。 1 4 大豆低聚糖的。陛质 以豆类为主的食品中含有一定量的低聚糖，会引起胀气现象，因此限制了大豆的生物利用 率和接受度。棉子糖和水苏糖是最主要的胀气因子( d el u m e n a 9 9 2 ) 。由于人体的消化道中没 有可以降解a - - 1 ，6 半乳糖键的a 一半乳糖酶。这些低聚糖在人体大肠中积聚，引起厌氧微生 物的发酵，导致胀气现象。f a b r i z i sl s u a r e z ( 1 9 9 9 ) 等研究表明，摄入3 4 9 普通豆粉和3 4 9 低 含量低聚糖的豆粉后，人体的胀气有显著性差异，但是胀气频率并没有显著增加。当摄入量达 到8 0 9 的时候，差异更为显著，人体的胀气频率则显著增加。因此低聚糖的有效去除对于提供 优质廉价的大豆蛋白和提高大豆的生物利用率是很有实际意义的。 但是大豆低聚糖同时具有保健功能：能有效促进人体肠道内双歧杆菌有益菌群的生长，具有 促进肠蠕动、防止便秘，预防肠癌、提高机体免疫力、降血脂、降血压、降血糖、预防龋齿、促 进钙和镁的吸收等一系列保健功能的特殊活性物质，可广泛用于多种营养、功能性保健食品的生 产( f u l l e r r 1 9 9 7 ：g i b s o n g r ，1 9 9 5 ：d e g u c h i y ，1 9 9 7 ：m e 筠m a m ，1 9 9 1 ：a l p h o n s g j ，1 9 9 8 ： e l l i o t j b l a n d ，2 0 0 4 ；c h o n a no 。1 9 9 6 ) 。因此有必要理解处理工艺对低聚糖的影响及其变化机理， 使低聚糖的含量降低到不引起胀气现象的水平，同时保持其原有的益生菌功能。 1 5 国内外大豆低聚糖脱除方法的研究现状 大豆低聚糖的有效去除对于提供优质廉价的大豆蛋白和提高大豆的生物利用率具有重要意 义。而低聚糖的去除主要有以下几种方法：浸泡，蒸煮，辐射，发芽，微生物或植物源的a 半乳糖酶的降解处理，国内外对此也有较多的研究报告( g u i m a r a e s , v - m 2 0 0 1 ：m a c h a i a h , j 1 , 2 0 0 2 ：m u l i m a n i ，v h ，1 9 9 5 ：s c a l a b d n i ，1 9 9 8 ：m o d i ，a 2 0 0 0 ：w p r i n y a w i w a t k u l ，1 9 9 6 ) 。 对于浸泡和蒸煮过程对低聚糖的影响的研究，有比较多的相关报道。f r a n c i sc or u i z - t e r a n j d a v i d o w e n s ( 1 9 9 9 ) 的研究表明t e m p e 的前期制作过程中，水合阶段( 1 0 0 c ，3 0 m i n ) 低聚糖 下降4 5 ，脱皮和浸洗过程下降1 4 ，蒸煮过程( 1 2 1 1 2 ，1 0 r a i n ) 下降2 4 。发酵后大豆子叶中的 7 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 蔗糖，棉子糖，水苏糖则分别由原来的5 7 ，1 1 ，3 下降到0 7 2 ，0 2 1 ，0 7 0 。 m e g o u n l e t y ( 2 0 0 3 ) 的研究表明在t e m p e 的前期制作过程中，浸泡1 2 1 4 h 后，大豆中的蔗糖， 棉子糖和水苏糖分别下降了2 6 6 8 ，2 5 4 1 和2 0 2 3 。而去皮蒸煮过程中( 1 0 0 c ，3 0 r a i n ) ，跟 原样大豆相比，蔗糖。棉子糖和水苏耱分别下降t 6 1 1 1 , 4 7 5 4 和6 3 0 5 。t e m p e 发酵4 8 小时后， 水苏糖下降t 5 6 8 ，而棉子糖下降了1 0 - 1 5 6 。因此整个过程中，水苏糖和棉子糖分别下降了 8 3 9 和5 5 4 。 1 gs a t f k e l e s ( 2 0 0 2 ) 以s e k c r 为研究对象，研究了不同浸泡时间，浸泡溶液p h 值，蒸 煮温度，蒸煮时间对s e k e r 中低聚糖含量的影响。( 具体的研究结果见下表1 - 4 ) 。研究表明低聚 糖的含量跟浸泡时间，浸泡溶液p h 值，蒸煮温度和蒸煮时间呈负相关性。 表1 _ 4 浸泡和燕煮过程对s e k e r 中低聚糖的影响 t a b l e1 - 4t h ee f f e c t so f s o a k 【i n ga n d b o i l i n go no l l g o s a c c h a r i d ec o n c e n t r a t i o n si ns e k c r 目前对于在浸泡和蒸煮过程中，大豆低聚糖的降解机理并不明确( s o m i a r i r i & b a l o g h , e ，1 9 9 3 ) ，尽管认同比较多的是渗透原理( m u l y o w i d a r s o ，1 9 9 1 ) 。u p a d h y a y ，j k ( 1 9 8 8 ) 的研究 表明在浸泡和蒸煮过程中，低聚糖的渗透速度跟低聚糖的溶解度和扩散度有关。增加浸泡时间和 改变泡豆水的p h 能加速低聚糖含量的降低。而蒸煮过程中，低聚糖含量的下降可能是高压处理的 热水解作用引起的。但m u l y o w i d a r s o e ta l ( 1 9 9 1 ) 提出浸泡水合过程可能会激活大豆中的内源酶， 使淀粉和其他多糖降解成分子量更小的糖。而在其试验中的浸泡过程，棉子糖含量的上升表明该 过程不仅仅是渗透原理能够解释的。m u l y o w i d a r s oe ta l ( 1 9 9 1 ) 的研究表明大豆在浸泡过程中，即 使在泡豆水中添加抗菌素完全抑制细菌的生跃，其低聚糖的量也下降，因此实验的结果可以解释 8 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 为：水苏糖的下降是由于浸泡过程中内源酶的作用及蒸煮过程中的热作用引起的，从而降解成二 糖和单糖。而浸泡过程中棉子糖含量的上升可以解释为水苏糖的降解作用。 曹志军等( 1 9 9 1 ) 利用了大豆整体酶系统的活性，解决了利用外源酶造成的产物积累问题。 并且作者认为，浸泡法脱胀是自身酶系统作用的结果，并非大豆中的低聚糖被浸出。浸泡4 8 d 时 即可达到脱胀要求，棉子糖降解7 0 0 ，水苏糖降解5 1 9 。 国外酶法消除致胀低聚糖的研究很多，但用之于生产还有一定差距。迄今人们已经发现了 很多a - d 一半乳糖苷酶源，其中来源于植物的有甜巴旦杏仁，菜豆，小扁豆，菠萝，甘蔗和苜 蓿子等。多种微生物中也广泛分布有o - d 一半乳糖苷酶，其中黑曲霉、啤酒酵母、葡酒被胞霉， 链霉菌以及一些细菌都能产生r d 一半乳糖苷酶( 曹志军等，1 9 9 9 ) 。目前已经有不少研究指出降 解大豆低聚糖含量最有效的方法是酶解法( g u i m a r a , e ta 1 ，1 9 9 8 ；s a n n i ，o n i l u d e ，o g u n d o y e ，1 9 9 7 ； s c a a b r i 丑i r o s s i ，s p e u o l i , m a t t e u z z i ，1 9 9 8 ；m a c h a i a h , j p p c d n e k a r , m d ，2 0 0 2 ；p o l l y a n n a a m a r a lv i a n a ，2 0 0 5 ；v i a n a , s e ，2 0 0 5 ) 。但是酶的稳定性和安全性( 特别是菌源性酶) 限制了该 技术的应用。 s i m o n ed ef a t i m av i a n a 等人( 2 0 0 5 ) 研究表明大豆在发芽过程中，棉子糖和水苏糖得到了有 效的降解。当发芽时间达虱j 6 0 d , 时，棉子糖和水苏糖的去除率几乎达到了1 0 0 。而在大豆发芽过 程中提取的a 半乳糖酶能有效降解大豆粉中的低聚糖，酶反应6 个小时后，棉子糖和水苏塘的含 量分别下降了7 2 3 和8 9 2 。g u i m a r a e se ta 1 f 2 0 0 1 ) 研究报道，大豆源的a 半乳糖酶可以水解 低聚糖，改进豆浆的营养价值。但是目前从天然的大豆中提取酶来降解低聚糖的工艺技术并不常 见，因为目前大部分的酶是从微生物中提取的，这些酶往往被认为并不都是安全的。跟微生物源 的酶相比，大豆源的a 半乳糖酶很能适应大豆粉在酶处理过程中的高蛋白和高度缓冲环境。 m p u g a l e n t h i ( 2 0 0 2 ) 从c l a r 中提取部分纯化得到的酶能有效降解c a n a v a l i aa c c e s s i o n s 中 低聚糖的含量( 71 一85 ) ，而浸泡( 1 6 h , 2 5 ) 和蒸煮( 1 0 0 ，6 0 m i ) 过程的组合则 降低了14 一47 。vh m u l i m a n i ( 1 9 9 7 ) 从g u a r 中提取的a 半乳糖粗酶处理大豆粉， 酶解4 个小时后，棉子糖和水苏糖分别降了9 0 4 和9 1 9 。 此外，选择合适的菌种发酵，也是降解低聚糖的有效方法。w p r i n y a w i w a u m l 等人( 1 9 9 6 ) 用1 ：6 的比例浸泡豇豆，在2 5 c 的室温下浸泡2 4 小时，在不换水的情况下，蒸煮4 5 分钟，接 种r m i c r o s p o r u sv a l o l i g o s p o m s ( 1 12 0 0 ) ，发酵温度为3 0 c 。浸泡2 4 小时后，蔗糖和水苏糖 的含量分别下降了3 9 和1 8 4 ，而浸泡和蒸煮两个过程则能使蔗糖和水苏糖的含量分别下降 5 8 3 和4 9 3 。但是棉子糖的含量却略有上升。而发酵时间达到1 5 小时后，蔗糖，棉子塘， 水苏糖的含量均下降到不能检测出的水平。因此相应的发酵豆粉可以作为良好的植物蛋白质来 9 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 源添加到食品中在培烤，点心食品中具有很大的应用前景。 1 6 数学模型的研究现状 在食品加工过程中，往往存在传质过程，如物质在气相，液相和固相中的扩散。而浓度梯度 是分子扩散的驱动力，通过分子扩散使体系由非平衡态自发得趋于平衡态。费克最早提出分子扩 。a c 散的经验公式：”2 o 而( 费克第一定律) 。他指出：在定温，定压条件下，二元扩散体系中 任意组元的分子扩散通量与该组元的浓度梯度成正比，扩散系数是控制扩散速率的一个很重要的 因素。目前对于气体分子扩散运动的研究已经很透彻，而液相扩散则是更多地模仿气体的扩散方 式。 此外在许多扩散体系中，在发生分子扩散的同时还存在相内或相边界上发生的化学反应。 在相内处处发生的化学反应叫均匀反应；在相内特定区域或者相界面上发生的反应叫作非均匀 反应。当同时发生扩散作用和化学反应作用时。这两个过程的相对速率极大地影响着过程的性 质。当化学反应率大大高于扩散速率时扩散决定传质速率，此种过程叫作扩散控制过程；当 化学反应速率大大低于扩散速率时，化学反应决定传质速率，这种过程叫作反应控制过程。伴 随化学变化的扩散体系是很复杂的，目前研究尚未很深入 目前扩散体系的扩散时间和速率的计算方法主要有三种实验方法：实验分析方法；通过 实验获得的大量数据进行回归来确定体系的扩散时间。此法精确、可靠，但需要进行大量实验， 工作量很大，而且得出的结论只适用于采集数据的状况，适用范围狭窄。理论分析方法：理 论分析和计算的基础是传质微分方程，通过求解传质导微分方程获得浓度随扩散时间的变化， 从而得出扩散速率和扩散完成时间的理论计算公式。求解传质导微分方程的方法，一种是在给 定的边界条件下对微分方程进行积分，获得解析解；另一种是用有限差分法和有限单元法获得 数值解。对于几何形状和边界条件比较简单的情况，人们已经求出了它们的解析解( c a r s l a w h s e ta 1 ，1 9 5 9 ) 。然而，在更多情况下，由于几何形状复杂或边界条件的限制使方程不能求解。在 这种情况下，最常用的手段就是数字法或有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ( m y e r se r e ， 1 9 9 7 ：e p 因克罗普拉等，1 9 8 7 ) 。简化计算方法；此法亦称半经验一半理论法，简化计算方 法综合实验和理论两种方法，对实验数据进行处理再对理论公式引入各种修正系数，形成简 化计算公式。虽然这些计算公式使用简捷方便，但经验公式往往局限于菜一工作范围；相交阀 题又使理论分析得出的计算公式相当复杂只能人为假设使其简化为近似公式，获得工程上可 l o 浙江大学博( 硕) 士学位论文 低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 以接受的近似结果。 目前还没有相关的报道把数学模型应用于食品生产或食品工艺等发面的动态预测，更没有 用数学模型来解释食品生产或食品工艺处理等过程中的机理变化。因此本文构建数学模型来理 解低聚糖在不同处理条件的变化机理是一大创新点，也是一个新的尝试 1 7 本课题的研究意义 目前，利用大豆主要有两个途径：传统豆制品业和油脂业，其中大豆油脂业是主要产业。 而大豆蛋白的加工规模较小而且经济成本很高。国内大豆普遍以油脂为中心，在尽量满足油 脂工业要求的条件下，才考虑蛋白资源的利用。大豆油脂的生产主要采用溶剂浸出法。此法可 将大豆中的绝大部分油脂取出取出油脂后含溶剂的豆粕脱溶采用主要有高温脱溶、闪蒸脱溶 和真空低温脱溶等工艺。高温脱溶，成本较低但是所生产豆粕中蛋白质严重变性，一般仅作 为饲料，极大地浪费蛋白质资源；闪蒸脱溶或者真空低温脱溶工艺虽然成本较高但是豆柏 中蛋白质变性程度低，可进一步用来生产浓缩蛋白或分离蛋白，但蛋白质是在制油后再进行提 取的。且其工艺设备相当复杂，仍然有少部分的蛋白质变性从而影响蛋白质的使用价值。 目前最广泛应用的两类大豆蛋白产品是浓缩大豆蛋白和分离大豆蛋白。工业化生产浓缩大豆 蛋白的工艺主要有稀酸浸提法，含水酒精法浸提法和湿热浸提法。稀酸浸提法生产的浓缩蛋白色 泽浅，异味小，蛋白的n s i 值高，功能性好，但需大量酸和碱，并排出大量含糖等营养物质的废 水，对环境造成污染。酒精浸提法生产的浓缩大豆蛋白色泽及风味较好，蛋白质损失也少但其 中的酒精会使蛋白质变性，失去一部分功能特性，其用途和功能特性受到一定的限制。湿热法处 理中，由于加热，大豆中的少量糖和蛋白反应，生成一些呈色呈味物质，产品色泽深、异味 大，而且蛋白质发生了不可逆变性，部分功能特性丧失，在应用上有限制。对于大豆分离蛋白， 目前国内外主要采用的还是碱提酸沉法碱性萃取，等电点沉降蛋白质，洗涤，中和，均质，喷 雾干燥等方法。工艺较为复杂，设备投资昂贵，能源消耗大成本价格高一般大众化的食品难 以应用( 岳梨，2 0 0 5 ；张淑霞。2 0 0 6 ) 。 大豆蛋白的分离因其高成本难以形成大规模的生产，而大豆整体本身富含大豆蛋白，如能 用相应的工艺去除大豆中的胀气因子，就可以提供廉价的大豆蛋白。此外大豆还含有一些对 人体有特殊功能作用的生理活性物质，如大豆异黄酮等。大豆对人体的保健作用是个复杂的体 系，并不是其中的一种或几种单一成分单纯加和的结果，因此可尝试在有效降低低聚糖含量的 浙江大学博( 硕) 士学位论文 低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 基础上食用整粒大豆作为植物蛋白来源。 1 8 本研究的目的和内容 本实验的目的主要是从物理方法，酶法，微生物降解法着手，确定相应的最佳工艺条件， 有效降低大豆中的低聚糖。此外建立低聚糖在浸泡、蒸煮过程中含量变化的机理模型，能动态 预测低聚糖含量的变化趋势。 通过相关的实验数据和数学模型的建立，将进一步优化有关的工艺条件，有效去除大豆低聚 糖，同时研究不同处理方法对低聚糖的影响，考察浸泡和蒸煮过程中低聚糖的变化机理，使低聚 糖的含量降低到不引起胀气现象的水平，同时具有可能的益生菌功能。这对于提供优质廉价的大 豆蛋白提高大豆的利用率是很有实际意义的。 研究内容： ( 1 ) 取东北豆为考察对象，确定浸泡，蒸煮的最佳工艺有效降低大豆低聚糖( 蔗糖，棉子糖， 水苏糖) 的含量 ( 2 ) 构建浸泡和蒸煮过程中低聚糖变化的数学模型，考察低聚糖的变化机理 ( 3 ) 考察大豆a - 半乳糖粗酶的酶法处理干豆粉和浸泡不同时间段的完整大豆( o h ，4 h , 6 h ) ，分 析比较豆粉和完整大豆的低聚糖的变化情况 ( 4 ) 考察食用菌种r h i z o p u so l i g o s p o m s 和n e u r o s p o r as i t o p h i l a 对大豆低聚糖的降解作 用。 1 2 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 第二章浸泡蒸煮过程对大豆中低聚糖含量的影响 2 1 前言 大豆是优质的蛋白质源，但是低聚糖胀气因子的存在限制了大豆蛋白的开发利用，因此低 聚糖的有效去除对于提供优质廉价的大豆蛋白和提高大豆的生物利用率是很有实际意义的。 本章的目的在于研究浸泡蒸煮过程对大豆中低聚糖含量的影响，建立低聚糖在浸泡、蒸煮 过程中含量变化的机理模型，能动态预测低聚糖含量的变化趋势。通过相关的实验数据和数学 模型的建立，将迸一步优化有关的工艺条件使大豆中低聚糖的含量降低到一个合适的水平。 2 2 实验材料和方法 2 2 1 实验材料 东北豆，由杭州豆制品有限公司提供( 选择两种尺寸的豆子，直径分别是1 6 r a m 和1 2 r a m ) 标准品：棉子糖，水苏糖，s i g m a 产品 标准品：蔗糖，分析纯，由广东光华化学厂提供 氨基柱：填料，h y p e r s i ln h 25 1 a m ；尺寸，4 6 m m x 2 5 0 r n m ；由大连饭剩特厂家供应 水膜：0 4 5 9 m 孔径微孔滤膜，直径2 5 m m ，由上海兴亚净化材料厂提供 油膜：0 4 5 p m 孔径微孔滤膜，直径5 0 r a m ， 进样瓶：规格为1 5 m l 油a t t g i l e m 公司提供 2 2 2 化学试剂 无水乙醇：分析纯，由双林化工试剂厂提供 石油醚( 3 0 - 6 0 3 分析纯，由杭州炼油厂提供 乙腈：色谱纯，由天律四友生物医学技术有限公司提供 甲醇：色谱纯。由天津四友生物医学技术有限公司提供 1 3 浙江大学博( 硕) 士学位论文低聚糖的脱除方法及其数学模型的研究 2 。2 3 实验仪器与设备 本实验研究主要使用的仪器设备见表2 - 1 表2 - 1 实验研究主要使用的仪器设备 t a b l e2 - 1i n n r u m e n t sa o d e q u i p m e n t su s e di nt h er e s e a r c h 2 2 4 实验方法 2 2 4 1 浸泡过程样品的制备 准确称2 0 9 无杂质饱满的大豆( 直径为1 6 r a m ) 入2 0 0 m l 的瓶子，以豆子：水= 1 ；6 的比 例添加蒸馏水，浸泡温度为4 ，2 5 和3 5 ，浸泡温度为0 c 时，准备4 个样品，每隔1 6 个 小时取样品；浸泡温度为2 5 和3 5 时，每隔4 个小时取样品。浸泡后的大豆用适量的蒸馏水 洗涤，于6 0 烘箱内干燥2 4 h 。将干燥后的样品用磨粉机磨碎过6 0 目的筛子，密封保存待分析 另取尺寸小的豆子( 直径为1 2 r a m ) ，选择2 5 的浸泡温度，用相同的方法制各样品，样 品用磨粉机磨碎过6 0 目的筛子，密封保存待分析。 2 2 4 2 燕煮过程样品的制备 将豆子浸泡1 6 小时后，取2 0 9 放入2 0 0 m l 的瓶子中，以豆子：水= l ：6 的比例添加蒸馏水， 浸泡温度为2 5 研究1 0 0 和1 2 1 c 的蒸煮温度对大豆中低聚塘的影响。蒸煮温度为1 0 0 v 时， 准备7 个样品，每隔1 5 r a i n 取样品。蒸煮温度为1 2 1 时，准备4 个样品