（食品科学专业论文）利用膜技术分离纯化大豆低聚糖工艺的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得沈阳农业大学或其它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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名： 硅击 时间： 卯1 年参月，午日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究监名：域屯 聊鹕研参。卜影 时间： p 。7 年多月哆日 时间： w 。7 年6 月，牛日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 大豆低聚糖是由功能性因子( 棉子糖、水苏糖) 与非功能性因子( 蔗糖) 构成。目 前大豆低聚糖主要存在于生产大豆分离蛋白产生的大量乳清废水中，据统计每加工一吨 大豆将排放2 - 5 吨乳清废水。一般传统的分离方法如真空蒸发浓缩，由于能耗大、效益 差而无法实现工业应用。近年来，随着膜分离技术研究和膜组件开发的日益发展，为低 浓度溶液的分离浓缩提供了有效的手段，使大豆低聚糖的分离回收成为可能。本研究的 目的正是探索一条利用膜集成技术分离纯化大豆低聚糖的工艺，并尽可能提高功能性低 聚糖的纯度。 本研究是以豆粕为原料，从生产大豆分离蛋白的工艺出发提取大豆低聚糖，对大豆 乳清进行预处理、树脂脱色、超滤纯化和纳滤分离浓缩等精制大豆低聚糖的过程进行了 比较系统的研究，确定了各个操作单元的最佳工艺参数。 碱溶酸沉法提取大豆低聚糖通过单因素和正交实验分析，最终确定最佳工艺参数为 粉碎粒度7 0 目、p h 9 、时间l h 、温度5 0 c 、料液比1 ：1 4 。此工艺参数与工业上生产大豆 分离蛋白的工艺参数基本一致。 大豆乳清预处理采用热处理技术，即7 0 c 水浴保持l o 1 5 m i n ，这样可以除去8 0 左右的蛋白质。然后调节p h 值到7 5 左右，进行絮凝沉淀，除去磷酸、植酸以及无机 阳离子等杂质。此预处理工艺不需要加入c a c i 。，因为其不但不能提高蛋白质去除率而 且还会加重后续超滤过程的浓差极化现象。 活性炭脱色的最佳条件为温度5 0 c 、反应时间2 0 m i n 、p h 4 5 ，活性炭用量为固形 物的1 。g n 一2 0 2 树脂脱色效果比活性炭好，且对低聚糖没有吸收，其脱色能力为3 1 0 4 l m 3 。 在超滤试验中，根据渗透通量、蛋白质截留率和总糖透过率三方面因素考虑，我们 选择截留分子量为1 0 0 0 0 的p e ( 聚砜膜) 为试验用膜。确定此中空纤维膜组件最佳操作 条件为：大豆乳清p h 值为7 左右；压力为0 0 6 m p a o 0 7 m p a ；温度控制在4 0 4 5 c 范 围内；流速在超滤设备稳定运行的前提下，越快越好，既达到湍流状态，本仪器采用速 度裆7 ( 3 m l m i n ) 。其蛋白质截流率为8 5 3 6 ，总糖透过率为8 8 5 。 对大豆乳清超滤透过液进行纳滤试验表明，随着操作压强的增大，三种无机盐的截 留率都有所升高；随者操作温度的升高，n a c i 、c a c i ：的截流率都有所下降，而对n a z s 0 4 的截流率影响不大；随着料液浓度增大，n a c i 、c a c l ：的截留率都有所下降，而n a ：s 0 ， 的截留率基本不变。此纳滤膜组件( 大连屹东膜工程设备有限公司) 最佳操作条件为压强 0 6 m p a 、温度4 5 ( 2 ，浓缩倍数可达到1 0 倍以上，随着浓缩倍数增大，无机盐截流率越 低，脱盐效果越好。总糖截流率基本与浓缩倍数无关，约在9 0 左右。最终确定产品 中功能性低聚糖( 棉子糖、水苏糖) 的纯度为3 5 5 4 关键词：超滤；纳滤；大豆乳清；大豆低聚糖 2 沈阳农业大学硕士学位论文 s t u d i e so ne x t r a c t i o n ，i s o l a t i o na n dp u r i f i c a t i o no fs o y b e a n o l i g o s a c c h a r i d e sb ym e m b r a n et e c h n o l o g y a b s t r a c t s o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e si n c l u d e f u n c t i o n a lf a c t o r s ( r a e f m o s ea n ds t a c h y o s e ) a n d n o n - f u n c t i o n a lf a c t o r ( s u c r o s e ) , n o ws o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e sc o m e sf r o mag r e a to fw h e y w a s t e rw a t e r a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，i tl e t s2 - 5 t o nw h e yw a s t e rw a t e re v e r yy e a rw h e n p r o d u c e so n e - t o ns o y b , ；a n i tw o u l dn o tb ea p p l i e di ni n d u s t r yw i t ht r a d i t i o n a li s o l a t i o n m e t h o d sf o re x a m p l ev a c u u me v a p o r a t i o nc o n c e n t r a t i o n ，b e c a u s eo fb i ge n e r g yc o s ta n dl i t t l e b e n e f i t r e c e n t l y , a l o n gw i t hs t u d i e do fm e m b r a n et e c h n o l o g ya n de x p l o i t a t i o no fm e m b r a n e m o d u l e ，w h i c hs u p p l i e sa l le f f e c t i v ew a yf o rs o l u t i o no fl o w - c o n c e n t r a t i o n t h ep u r p o s eo f t h i sr e s e a r c hi st og r o p ef o ro n ec r a f l w o r kt op r o d u c es o y b e a no l i g o s a e c h a r i d e sw i t h m e m b r a n ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya n di n c r e a s et h ep u r e n e s so ff u n c t i o n a lf a c t o r sm o r ea n d m o r e t h i sr e s e a r c hu s e sb e a n - p o w d e ra st h em a t e r i a l , ，w h i c he x t r a c t ss o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e s f r o mt h ec r a f t w o r ko fp r o d u c i n gs o y b c a ni s o l a t i o n - p r o t e i n , t h e nm a k eas y s t e m i cr e s e a r c ho n s o y b , r a nf o rp r e t r e a t m e n t , d e c o l o r a t i o n ，, u l t r a f i l t r a t i o n ，n a n o f i l t r a t i o na n d s oo n f i n a l l y , m a k e s u r p t h eb e s tc r a f t w o r k p a r a m e t e ro fe v e r y u n i t t h eb e s tc r a f t w o r kp a r a m e t e ro f e x t r a c t i n gs o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e sb ys i n g l ea n d a h o g o n a le x p e r i m e n ti sp h 9 , t i m e l h , t e m p e r a t u r e 5 0 c a n dm a t e r i a l - f l u i d l ：1 4 t h i sc r a f t w o r k p a r a m e t e ri st h es a m ea st h a to fp r o d u c i n gs o y b , 。a np r o t e i ni ni n d u s t r y s o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e s w h e yp r e t r e a t m e n ta d o p t sh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g y ，k e e pi t 7 0 cf o r1 0 1 5 m i n , w h i c hc a nr e m o v ep r o t e i na r o u n d8 0 9 et h e n ，a d j u s tp ht oa r o u n d7 5 ， f l o c c u l a t i n ga n dd e p o s i t i n g ，r e m o v es o m ei m p u r i t i e sw h i c ha r ep h o s p h o r i ca c i d ：# a n t a c i d a n da b i o c a t i o n t h i sp r e t r e a t m e n td on o tn e e dc a c l 2 b e c a u s ei tc a n n o ta d v a n c er e m o v i n g r a t eo fp r o t e i na n da l s oc a na g g r a v a t ep h e n o m e n o no fd e n s e - d i f f e r e n c ep o l a r i z a t i o ni nu e t h eb e s tc o n d i t i o no fd c c o l o r a t i o nb ya c t i v ec a r b o ni s5 0 。co ft e m p e r a t u r e ，2 0 r a i no f r e a c t i o nt i m e ，p h 4 5a n d0 2 3 9a c t i v ec a r b o no fe v e r y5 0 m ls o y b , p e a r lo l i g o s a c c h a r i d e s w h e y t h ed e c o l o r e de f f e c to fm n 2 0 2c o l o p h o n yi sb e t t e rt h a na c t i v ec a r b o n ，w h i c hc a l ld e c o l o r 3 摘要 3 x 1 0 4 u m 3s o y b e a no l i g o s a e c h a r i d e s - w h e y a b o u tu fe x p e f i m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ef l u x ，p r o t e i nm w c oa n dt o t a ls u g a ro ft h et h r e e f a c t o r s ，w ec h o o s et h e1 0 0 0 0 m w c ow h i c hi sb e t t e r t h eb e s to fo p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h i s f i b r em e m b r a n ei sp h 7 ，0 0 6 m p a 0 0 7 m p a , 4 0 4 5 c v e l o c i t yo ff l o ws h o u l dg of a s t e r a n df a s t e ra ts t e a d yr u n n i n go fe q u i p m e n t p r o t e i nr e j e c t i o nc o e f f i c i e n ti s8 5 3 6 ，a n dt o t a l s u g a rp e r m e a t ec o e f f i c i e n ti s8 8 5 s o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e s - w h e yu fp e r m e a t e f l u i dn fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h r e e i n o r g a n i cs a l t sr e j e c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa l o n gw i t ha d v a n c i n g o fp r e s s u r e t h er e j e c t i o n c o e f f i c i e n to fn a c ia n dc a c l 2d e c r e a s e sa l o n gw i t ha d v a n c i n go ft e m p e r a t u r e ，b u tt h e r e j e c t i o nc o e f f i c i e n to fn a 2 s 0 4i sn o tc h a n g e t h er c j e c t i o nc o e f f i c i e n to fn a c ia n dc a c l z d e c r e a s e sa l o n gw i t ha d v a n c i n go fc o n c e n t r a t i o no fm a t e r i a l ，b u tt h er e j e c t i o nc o e f f i c i e n to f n a 2 s 0 4i sn o tc h a n g e t h eb e s tc o n d i t i o no ft h i sn fm e m b r a n e ( d a l i a ny id o n gm e m b r a n e e q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) i s0 6 m p a , 4 5 ca n d c o n c e n t r a t em u l t i p l ew i l la r r i v et o1 0t i m e sm o r e t h e r ei sn or e l a t i o nb e t w e e nt o t a ls u g a rr e j e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dc o n c e n t r a t i o nm u l t i p l e s ，a n d t o t a ls u g a rr e j e c t i o nc o e f f i c i e n ti sa l w a y sa b o u t9 0 f i n a l l y , c o n t e n t so ft h ep r o d u c t i o na r e ( r a f f i n o s e 、s t a c h y o s e ) 3 5 5 4 。 k e yw o r d s ：u l t m f i l t r a f i o mn a n o f i l t r a f i o n ；s o y b e a nw h e y ：s o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e s 4 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 大豆低聚糖概况 1 i 1 大豆低聚糖的结构 大豆低聚糖( s o y b e a no u g o s a c c h a r i d c s ) 是大豆中可溶性寡糖的总称，主要成分是蔗 糖( s u c r o s e ) 、棉子糖( p , a f 陆o s c ) 、水苏糖( s t a c h y o s e ) 及少量的毛蕊花糖 ( v e r b a s c o s e ) ，其化学结构如图1 1 所示。 水苏麓 照雌潞 难：孓 t - - 一- f 。一番 由抽 o i l1 1 图1 1 大豆低聚糖的化学结构 一 f i 9 1 1 t h ec h e m i c a lc o n f i g u r a t i o no f s o y b e a no e g o s a c c h a t i d e a 这类低聚糖广泛存在于各种植物中，以豆科植物的含量居多，除大豆外，豇豆、扁 豆、豌豆、绿豆和花生等中均存在，如表i i 所示。研究表明，大豆在未成熟期间几乎 不含低聚糖，只有到了成熟期后，其含量才会显著增加，但随着种子的发芽而逐渐减少。 采收后的大豆即使在低于1 5 c 。相对湿度6 0 以下的阴凉条件贮藏，其水苏糖和棉子糖 的含量也会减少。 表1 - 1 豆科檀物种子中大豆低聚糖的含量单位：质量分数( 干基) t a b l e1 - 1 t h es o y b e a no l i g o s a c c h a r l d e sc o n c e n t r a t i o ni n l e g u m e 5 第一章前言 r e db e a n 菜豆 b e a n 绿豆 m t m g b e a u ，己巴 s o y b e a n 毛豆( 青豆) g r e e ns o yb e a n 豇豆 c o w p e a 中田大豆 c h i n e s es o y b e a n 美国大豆 a m e f i ms o y b e a n 2 5 1 7 2 7 o o 3 5 3 8 3 7 1 2 o 5 1 3 0 1 0 5 1 0 1 1 2 6 0 9 4 2 4 2 1 0 5 2 4 5 1 。1 2 大豆低聚糖的分布、形成、含量 1 1 2 1 大豆籽粒中低聚糖的分布 大豆籽粒的总碳水化合物为2 5 ，主要含有蔗糖、棉子糖、水苏糖及少量的单糖， 与其他谷物碳水化合物的组分组成差别较大，大豆碳水化合物申几乎不含淀粉，单糖含 量极低。大豆低聚糖主要分布在大豆胚轴中，大豆中各部分碳水化合物组成如表卜2 所 刁： 袭1 - 2 大豆中各部分碳水化合物组成单位：以干基计 t a b l e l 一2 t h ec a r b o h y d r a t ec o m p o s i t i o aa td i l i t r c n tp a r to f s o y b m 大豆各部位碳水化合物纤维素多聚半乳糖蔗糖 棉子糖水苏糖 s o y b e a n c a r b o h y d r a t e c e l l u l o s eg a l a c t o s e s u c r o s es a f f l n o s u s t a c h y o s e p a r t s 子叶2 9 46 61 4 5 3 c o t y l e d o n 种皮8 5 60 60 1 30 1 4 s e e dc a p s u l e 胚轴4 3 47 01 9 7 7 h y p o c o t y l 全粒2 5 73 3i 65 21 03 8 f u l l g r a i n 1 1 2 2 大豆低聚糖的形成机制 6 大豆中的水苏糖，棉子糖的形成一般认为按如下进行( 尤新，2 0 0 4 ) ： 沈阳农业大学硕士学位论文 尿苷二磷酸一乳糖+ 肌醇啼肌醇半乳糖+ 尿苷二磷酸 肌醇半乳糖+ 蔗糖棉子糖+ 肌醇 肌醇半乳糖+ 棉子糖水苏糖+ 肌醇 根据最近的研究，实际上并不是肌醇，而是肌醇的甲基异构体右旋肌醇甲醚 为主要成分，所以目前普遍认为半乳糖肌醇甲醚是半乳糖授予体。 1 1 2 3 大豆加工制品中低聚糖的含量 在各种大豆加工制品中大豆低聚糖的含量差别较大，在大豆粉、煮豆、豆乳、豆腐 等大豆食品中大豆低聚糖的含量较低，在纳豆、酱油等大豆发酵食品中几乎没有大豆低 聚糖，如表1 - 3 所示。 表1 - 3 大豆加工制品中大豆低聚糖的的含量佴) l 曲l e l - 3 t h es o y b e a no l i g o s a c c h a r i d e sc o n t e n ta ts o y b e a np r o d u c t s ( ) 1 1 3 大豆低聚糖物理化学性质 大豆低聚糖一般为无色透明糖浆。甜度约为蔗糖的7 0 阶7 5 ( 固形物之比) ，甜感 爽口，近似蔗糖。耐酸和耐热性比蔗糖好。能量值为8 3 6k j g ，热量约为蔗糖的5 0 。 如果单是由水苏糖和棉子糖组成的高纯度大豆低聚糖，则甜度仅为蔗糖的2 2 ，能量值 更低。 7 第一章前言 等浓度下大豆低聚糖的黏度，低于高麦芽糖浆而高于蔗糖与高果糖浆。它的保湿性 和吸湿性均小于蔗糖但大于高果糖浆，渗透压接近于蔗糖，比蔗糖略高，低于5 5 高果 糖浆。 大豆低聚糖的甜味特性类似于蔗糖，甜度为蔗糖的7 0 ，而精制大豆低聚糖的甜度 仅为蔗糖的2 2 。大豆低聚糖对酸、热较稳定，在1 4 0 c 短时间内加热不分解；p h 值为 3 o 条件下、常温( 2 0 ) 保存，大豆低聚糖的残留量为8 5 ；而在低酸度、高温条件下( 如 p h 值为3 0 ，1 2 0 ) ，可残留7 0 ；在p h 值为4 0 ，1 2 0 条件下较稳定。它在酸性环境 中的贮藏稳定性与温度有关，温度低于2 0 时相当稳定。用于果汁饮料中，不必担心在 酸化和加热条件下可能发生降解作用。在相对湿度较高8 0 的环境下，大豆低聚糖的吸 湿性高于蔗糖而低于高果糖浆；在低相对湿度3 0 下，失水高于蔗糖，低于高果糖浆。 大豆低聚糖浓度在5 0 7 0 时，水分活度接近蔗糖，2 5 下浓度7 6 的大豆低聚糖水 分活度为7 3 ，故不易生霉。此外，大豆低聚糖在5 5 下保存1 8 0 天不会析出结晶，在 低温下可以长期保存。 1 1 4 大豆低聚糖的应用 1 1 4 1 大豆低聚糖在面包生产上的应用 经过2 4h 的发酵，大豆低聚糖中棉子糖与水苏糖的保留量高达9 5 以上，而其中的 蔗糖完全被酵母所利用。这说明，在面包发酵过程中，大豆低聚糖中具有生理活性的三 糖和四糖可完整保留。主食面包含糖量为3 1 0 左右，添加大豆低聚糖替代部分蔗 糖，不仅可以增加保健作用，而且可以避免因食糖过多造成的肥胖和龋齿，同时可以延 长面包的货架期，因为大豆低聚糖可以延缓淀粉的老化，并具有抑菌的特性。据统计， 面包由于老化所造成的经济损失为3 7 ，因此，在面包中添加大豆低聚糖能减慢淀 粉的老化，减缓产品返生变硬而达到延长其货架期的目的。 1 1 4 2 大豆低聚糖在酸奶中的应用 随着人们生活水平的提高，酸奶以其独特的口味，丰富的营养成分，倍受大家喜爱。 将适量的大豆低聚糖与酸奶结仓起来不仅不影响酸奶的口味、稳定性和组织状态，并能 赋予酸奶低聚糖所具有的功能特性。东北农业大学对大豆低聚糖在酸奶中的应用进行了 研究，认为将大豆低聚糖用于发酵制品时，必须考虑其被微生物利用的特殊性，以及在 酸性条件下的稳定性，理论上大豆低聚糖在酸性条件下具有一定的稳定性，只要p h 值大 8 沈阳农业大学硕士学位论文 于4 ，在1 0 0 下加热杀菌也没闯题。但在实际中，由于国产大豆低聚糖纯度低，在食品 中的添加量不能随意投放，如果不使用正确的添加量，将造成食品物料体系不稳定和经 济上的损失，所以酸奶中的大豆低聚糖加入量受到一定的限制，需要对加入量的范围进 行研究，否则将影响产品的口感、风味、稳定性和组织状态。这样就可为大豆低聚糖在 食品中的广泛应用打开销路。 1 1 4 3 大豆低聚糖在饮料中的应用 大豆低聚糖由子在酸性条件下的热稳定性比蔗糖高，因此可应用于清凉饮料或需要 加热杀菌的酸性食品中。有关研究表明，乳酸菌饮料中大豆低聚糖替代蔗糖的量为2 0 ( 蔗糖原添加量为1 4 ) ，即大豆低聚糖添加量为4 时，在保质期内保留量达9 0 以上， 并且产品具有良好的风味和生理功能，符合国家标准。另外，果汁饮料的口感和风味越 来越受到消费者的青睐，但是蔗糖含量较高，容易使人发胖和患龋齿并且产生越喝越渴 的感觉。用大豆低聚糖代替部分蔗糖，既不影响饮料的风味，又可避免发胖和降低患龋 齿的概率，并能刺激体内双歧杆菌的生长和繁殖，成为保健型的果汁饮料。目前，日本 市场上推出一种含7 大豆低聚糖的低能量饮料，其有良好的风味和生理功能，很受消 费者欢迎。东北农业大学食品学院的李晓东等对果汁饮料中大豆低聚糖的最佳添加量进 行了研究，认为果汁饮料中大豆低聚糖的添加量以不超过4 为宜，其中纯大豆低聚糖 的量为1 3 5 ，消费1 5 0 m l 的饮料，纯大豆低聚糖的含量是2g ，可以满足保健功能的需 要。 1 1 4 4 大豆低聚糖在挂面中的应用 挂面是一种物荚价廉、保存期长、烹饪方便的面条，目前在我国的销售范围较广。 将大豆低聚糖应用其中，可以满足人们每天大豆低聚糖的有效摄入量，从而起到保健作 用添加了大豆低聚糖的挂面韧性好，不易折断，且不影响口感和风味。有研究表明， 大豆低聚糖的添加量宜在2 4 之闻，超过4 易出现混汤现象，从保健方面来说， 这样添加量的大豆低聚糖含0 6 1 3 5 的棉子糖和水苏糖，具有保健意义。 t 1 。4 5 大豆低聚糖在冰淇淋中的应用 冰淇淋是乳制品的传统产品之一，近年来，冰淇淋以其特有的适口性和清凉感风靡 于整个世界。但由于传统冰淇淋中脂肪和糖含量高，使心脑血管病患者及肥胖人群很难 接受。因此，低糖( 或无糖) 和低脂肪保健冰淇淋的研制显得越来越重要。冰淇淋中的糖 是其适口性的主要原因之一，含量高达1 4 左右。如果单方面降低糖的含量会影响冰淇 第一章前言 淋的逶日性和组织状态。经研究用3 4 的大豆低聚糖替代部分蔗糖，不仅不影昀口 感，还使冰洪淋具有一定的保健作用。但加入了大豆低聚糖的冰淇淋，其杀菌温度不宣 超过7 5 ，否则配料体系不稳定。 1 1 4 6 大豆低聚糖在馒头中的应用 馒头是中国最典型的发酵面团蒸食，被誉为是古代中华面食文化的象征，现代人常 把它同西方的面包相媲美，馒头在我国人民膳食结构中占有十分重要的地位，在我国北 方，馒头用的面粉歪占面粉总量的3 5 以上，但几千年我国馒头生产墨守成规，发展的 步子很慢。 中国主食馒头基本上都是以面粉、酵母、水为原料制得的，有时还加些盐或糖，此 外还添加其他物料，如油脂、鸡蛋或牛奶。由于馒头是蒸熟的，产品含水量比面包商出 许多，水分多不仅易受微生物感染，而且易返生，货架寿命比面包明显短，另外，馒头 只适宜热吃，冷了食用品质显著下降，而面包经过调整配方和加工工艺后，使产品有较 长得货架期。馒头的这些不足，是制约大规模生产的最主要原因。中国馒头的发展方向： 一是朝工业化、机械化生产发展，二是朝多样化高档化方向发展，三是朝速食化、方便 化发展。大豆低聚糖的加入已经被证实是可行的，一是增加馒头的保健功能，二是大豆 低聚糖有延缓淀粉老化的作用，可以适当延长馒头返生的时间，起到延长保质朗的作用。 1 ，1 4 7 其他应用 由于大豆低聚糖的防龋齿性，目前也被广泛应用于蛋糕、甜品和糖果的生产中。总 之，大豆低聚糖在食品生产中的应用非常广泛，除了上述提到的作为蔗糖的部分替代品 外，还可以作为功能因子添加于婴幼儿奶粉、老年奶粉和其他一些保健食品中。同时， 也是动物饲料的很好添加剂。作为一种具有保健功能的甜味剂，大豆低聚糖在食品领域 的应用开发，将创造出更大的社会效益及经济效益。 1 1 5 大豆低聚糖的生理功能 低聚糖的功能可分为初级、次级和三级。初级功能是指营养源；次级功能是指能提 供甜味，低聚糖的甜度为蔗糖的3 0 5 0 ；三级功能是指它的双歧因子、低热量、 抗蛀牙等的作用。 1 f 5 1 双歧杆菌的增殖 绝大多数的低聚糖都是双歧杆菌的最好增殖物，而其中大豆低聚糖与其他低聚糖比 沈阳农业大学硕士学位论文 较，在取得同样增殖效果的情况下，用量最少。换言之，大豆低聚糖对双歧杆菌增殖效 l 果最好。 。， 要使人体内双歧杆菌占绝对优势，大致有两种方法：一种称为活茵体外补充，另一 种为活菌体内增殖。活菌体外补充就是口服含有一定数量的双歧杆菌的活菌制剂由于 双歧杆菌对水分，温度，酸性等耐力很弱，因此，活菌制剂从生产到销售都必须严格管 理，最好要有冷藏链作保证。另外口服活菌制剂还会收到胃酸和胆汁的作用，其进入肠 道活性大大降低。为此，这类产品服用量较大，且价格昂贵。采用活菌体内增殖方法， 是用大多数难消化的低聚糖作为双歧杆菌的增殖物质的制剂。当人们服用后，这类低聚 糖往往不会被胃液消化，而直接进入肠道，而双歧杆菌却能选择性地利用这类糖而大量 增殖，大大抑制了腐败菌的发育，最大限度地保持了双歧杆菌的活性。因而服用量小， 价格也较便宜，而且这种方法不受环境及肠胃的影响，可以非常方便地应用与各种食品 中。已被证实，这种方法对双歧杆菌的增殖非常有效。 1 1 5 2 阻碍肠道病原菌存活。 病原菌通过细胞表面或绒毛上的特异性凝集素与动物肠壁黏膜上皮细胞表面上相 应的糖受体结合，粘附在肠壁上发育繁殖，低聚糖具有与此糖受体相似的结构，它可竞 争性地和病原菌细胞表外源凝集素结合，阻碍病原菌在上皮粘附，促使其随粪便排泄， 减少对动物的危害( 刘欣与冯杰，2 0 0 5 ) 。双歧杆菌能够发酵大豆低聚糖产生短链脂肪酸 ( 主要是醋酸和乳酸) 和一些抗菌素，从而抑制外源致病菌和肠道内固有腐败细菌生长 繁殖。c h u n g 等人和t a m u r a 分别于1 9 7 0 年和1 9 8 3 年报道了醋酸和乳酸对沙门氏菌和 大肠杆菌的抑制作用。双歧杆菌可通过磷脂酸与肠粘膜表面形成一层具有保护作用的生 物膜屏障，从而阻止了有害微生物的入侵和定殖。 1 ，1 5 3 难消化性 大豆低聚糖的热值大约为蔗糖的5 0 ，发热量为8 3 6 j g ，原因是其中所含水苏糖 和绵子糖不会被人体的消化酶分解。利用大白鼠的消化管的粗酶液进行消化试验，确认 不会分解而存在予回肠的内容物中，从盲肠至排出粪便均未检出。无菌小白鼠食用后， 绝大部分存在于粪便之中。以上试验证实，水苏糖和绵子糖不会在小肠内被消化吸收， 一直到达双歧杆菌存在的消化管下部，才被肠内细菌利用。 1 。1 5 4 保护肝脏 人体肠道内腐败细菌( 如产气荚膜梭状芽孢杆菌和大肠杆菌等) 将氨基酸转化生成 i i 第一章前言 氨、吲哚等有毒代谢物质。大豆低聚糖可明显减少和缓解有毒代谢物质，同时抑制肠内 生成致癌物质有关的旦一葡萄糖醛酸酶和a - z o l e d a o t a s c 等酶的活力。因此减轻了肝脏解毒 的负担，促进有益菌增殖，防治肝炎和肝硬化等疾病的发生。 1 i 5 5 降血清胆固醇 低聚糖的重要作用之一是降低血脂。王素敏等报道：大豆低聚糖使小鼠血清总胆固 醇( t c ) 和甘油三酯( t g ) 分别降低3 8 和5 9 ，高密度脂蛋白升高4 5 ，说明大豆低 聚糖具有良好的降血脂作用( 刘欣与冯杰，2 0 0 5 ) 。 国外报道：果寡糖、半乳糖和a 一葡聚糖具有降低血清胆固醇的功效。胆固醇是一 种脂溶性物质，和蛋白分子结合成脂蛋白微粒在血液中运行，人体血液中胆固酵含量高 会导致动脉硬化和高血压的发生。经自然高血压鼠、糖尿病肥胖病鼠等的实验表明。摄 取低聚糖后，总胆固醇、甘油三醇、游离脂肪酸、血脂、血压等均有所降低 4 。大豆 低聚糖能促进双歧杆菌影响和干扰f 3 一羟基一b 一甲基戊二酸单酰辅酶a 还原酶的活性， 能改变糖的代谢途径，阻断由糖转化为脂肪的途径，抑制胆回醇合成，降低血清胆固醇 含量，从而降氐血脂，保护动脉。实验证明：包括双歧杆菌在内的乳酸菌及其他发酵乳 制品可以影响胆固醇的代谢，将其转化为人体不吸收的类固醇，降低血清胆固酵水平， 从而大大降低冠心病、高血压、动脉硬化的发病机率。 1 i 5 ，6 预防、治疗便秘 便秘患者多半是因肠内缺少双歧杆菌所致。尤其是老年人，随着年龄增长，肠内双 歧杆菌逐渐减少而极易患上便秘。人体在代谢过程中产生大量难以消化的低聚糖，当大 肠积累低聚糖过多时，就会出现腹胀、便秘等症状。摄入大豆低聚糖后，肠道内增殖的 双歧杆菌可发酵低聚糖，将其分解转化为大量短链脂肪酸，刺激肠道蠕动，增加粪便的 湿润度并保持一定的渗透性，从而双向调节肠道内环境而防止便秘的发生。试验证明， 健康人每天摄取3 9 大豆低聚糖，就能促进双歧杆菌生长，产生通便作用。 1 1 5 7 可防癌抗癌 肠道腐生茵在代谢中会产生很多致癌物质，如叼i 哚，胺，酚等，有的还能将一些致 癌前体物质转化为致癌物，例如将偶氮化舍物和芳香化会物还原成有致癌作用的 n 、n 一二苯亚硝基化合物。双歧杆菌可通过抑制腐生菌的生长和分解致癌物质起到防癌 作用。这种抗癌作用归功于双歧杆菌的细胞，细胞壁成分和胞外分泌物使机体的免疫力 提高，例如，喂养长双歧杆菌单因子的无菌小鼠，要比未处理的无菌小鼠活得长。口服 沈阳农业大学硕士学位论文 或静脉注射具有致死作用的埃希氏大肠杆菌或静脉注射肉毒素，在有活性长双歧杆菌存 在的情况下，小鼠在第2 - - 3 周内，就可诱导抗致死作用，但无胸腺的无菌小鼠宁，未 发现此现象。由此可见，长双歧杆菌可诱导抗埃希氏大肠杆菌感染的细菌免疫。口服长 双歧杆菌制品2 d 后，在喂以病原体埃希氏大肠杆菌的无菌小鼠，临床上并没有什么症 状，但在口服长双歧杆菌之前喂以埃希氏大肠杆菌的无菌小鼠，在4 8 小时之内就出现 死亡现象。无菌小鼠的长双歧杆菌单因子试验，也证实了双歧杆菌对宿主免疫的促进作 用。 1 。1 5 。8 提高免疫功能 佐剂和免疫调节效应是免疫刺激的两个组成部分。低聚糖能与一定的毒素、病毒、 真核细菌的表面结合而作为这些外抗原的佐齐j ，能减缓抗原吸收的时间，增加抗原的效 价。大豆低聚糖作为佐剂的效用可加强细胞免疫和体液免疫。大豆低聚糖也具有抗原性， 能够产生特异性免疫应答。双歧杆菌作为抗原产生的抗体比其他免疫球蛋白能力高7 1 0 倍，这些免疫球蛋白阻止有害菌附着在肠粘膜上，便于抗体清除这些细菌，双歧杆菌还 能够激活巨噬细胞，使其产生大量的淋巴因子，并且通过诱导反应大大增强机体的免疫 力和抗肿瘤的能力。 在细胞免疫反应中，淋巴细胞增生是一系列免疫应答的基础。大豆低聚糖能大量增 殖肠道内的双歧杆菌，刺激一淋巴细胞产生出大量的免疫球蛋白。大豆低聚糖可直接 作用于脾淋巴细胞和n l ( 细胞，促进脾淋巴细胞的转化，提高n l 【细胞的杀伤活性，从而 增强机体免疫力。 1 1 5 9 有改蔷皮肤过敏的作用 日本甜菜制糖等凡家企业联合做出的研究发现，大豆中所含的低聚糖有改善过敏性 皮炎的作用。3 1 名患者的饮用试验证明，皮肤的瘙痒有所减轻。试验选择3 1 名1 7 叼6 岁患者，给予他们内服大豆低聚糖粉末3g ，每天2 次，时间为3 个月。试验结果表明， 有7 0 患者的皮肤瘙瘁有所减轻，有9 0 原来因瘙痒无法入睡的患者症状得到了改善。 经过采用“皮肤症状范围数值化”的s c o r a d 技术测验，也证实了患者症状减轻，而且 血液中嗜酸粒细胞数量减少了2 0 ，回到基本正常的范围。 1 1 5 1 0 促进钙的吸收 食物中的结合钙必须溶解后变为离子钙才能被吸收，而肠内溶物的酸度对钙的吸收 具有重要影响，p h 值约等于3 时钙呈离子状态，最容易吸收。大豆低聚糖进入结肠后， 筹一章翦言 能够吸收更多的水分而溶解更多的钙。同时，由于其在结肠内被生理性细菌酵解而产生 大量短链脂肪酸( 如乙酸、丙酸、丁酸和乳酸等) ，降低结肠内的p h 值，提高钙离子 的浓度，从而促进其吸收。另外，大豆低聚糖还能与肠钙通过钙结合蛋白的主动运转、 通过调整肠道菌群来调节雌激素的代谢、改善膳食营养状况等途径来促进钙的吸收。 i 1 5 ”抗衰老作用 衰老的自由基学说已被国内外专家学者所公认。自由基是能在代谢中不断产生损坏 自身的毒性产物，它广泛地参与生理及病理过程。机体在自由基及其诱导的氧化反应下 导致衰老，同时自由基促成的脂质过氧化左右及生成的氧化脂类也随年龄而增加。自由 基的消除主要靠抗氧化剂完成，尤其是超氧化物歧化酶( s o d ) 和过氧化氢酶( c a t ) 。 口服双歧杆菌能明显增加血中s o d 活性和含量，故双歧杆菌在抗衰老过程中发挥极为重 要的作用。 1 1 6 大豆低聚糖的测定 大豆低聚糖的测定方法有很多种，其中较准确的方法是气相色谱法( g c ) 和高效 液相色谱法( i p l c ) 。这两种方法都具有即可定性又可定量的优点。由于糖在受热时没 有足够的挥发性，故在g c 法测定时要预先将其制备成易挥发、对热稳定的衍生物。h p l c 法所耍测定的物质不必衍生化，可直接测定。g c 法由于进样口的高温会使糖的衍生物 分解，甚至可被留在迸样口上的残留物所催化，而h p l c 法贝f 完全避免这类缺陷，减小 了糖的损失和偶然误差，预处理简单。所以一般来说 i p l c 法不但分离效果好，重现性 及回收率均比g c 法好。 。 目前利用h p l c 测定大豆低聚糖时。普遍采用氨基柱，以乙腈一水作流动相，如郝岩 平等( 2 0 0 3 ) 采用色谱柱标为w a t e r s - - - n h 2 ，柱温为4 0 c ，流动相为乙睛：水( 7 ：3 ) ，流速 为1 o m l m i n 进行测定。但也有人认为，在使用氨基柱分离糖时，一些还原糖容易与固 定相的氨基发生化学反应，产生席夫碱：一c h 2 一n h t 如h 一c h 2 n ：c h ，困此氨基柱的使 用寿命一般较短。另外，作为流动相组分的乙腈要求纯度高，价格昂贵，否则在用示差 折光检测器检测时基线波动较大。乙腈是一种有毒的致癌物质，易挥发。使用氮基柱的 另一缺点是平衡所需时问较长。因此，有人提出以十八烷基修饰的硅胶( o d s ) 作为固定 相，以纯水作流动楣来分离单糖和寡糖。如张延坤等( 2 0 0 0 ) 人选用pb o n d a p a k c ，。色谱 柱，以纯水作流动相，研究建立了s b o s 的 p l c 测定方法，取得了较满意的结果。 1 4 沈阳农业大学硕士学位论文 大豆低聚糖结构的分析通常采用红外光谱法、核磁共振谱法和质谱法。高效液相色 质谱( 髓i c 舔) 联机进行低聚糖的结构序列分析是近几年来普遍使用的一种用于多糖结 构序列分析的方法。多糖的结构序列分析是在单糖和寡搪色谱分离和分析的基础上，采 用酸或糖苷酶降解成单糖或部分降解为寡糖的混合物，用高效液相色谱法分离和测定， 确定其单糖的组分和摩尔比。混合寡糖经卵l c 分离，收集各组分，得到纯品后，进行单 组分的质谱分析。 1 1 7 大豆低聚糖的生产技术 目前生产大豆低聚糖的方法主要是从生产大豆浓缩蛋白和大豆分离蛋白剩下的乳 清中提取和纯化。传统方法生产的大豆低聚糖纯度不高，生产过程能耗大。随着现代膜 分离技术的发展，使低浓度溶液中的溶质在耗能较低的情况下分离、浓缩成为可能。 膜分离是一种借助于外界能量或化学位差的推动，通过特定膜的渗透作用，对两组 分或多组分混合的气体或液体进行分离、分级、提纯和富集的方法。与传统的分离技术 如蒸馏、吸附、吸收、萃取、深冷分离等相比，膜分离技术具有以下特点： 。 ( 1 ) 高效的分离过程。它可以做到将相对分子量为几千至几百的物质进行分离。 ( 2 ) 低能耗。因为大多数膜分离过程都不发生相的变化，相变化的潜热是很大的。 传统的冷冻，萃取和闪蒸等分离过程是发生相的变化，通常能耗比较高。 ( 3 ) 接近室温的工作温度。多数膜分离过程的工作温度在室温附近，因而膜本身对 热过敏物质的处理就具有独特的优势。目前，尤其是在食品加工、医药工业、生物技 术等领域有其独特的推广应用价值。 ( 4 ) 品质稳定性好。膜设备本身没有运动的部件，工作温度又在室温附近，所以很 少需要维护，可靠度很高。它的操作工作十分简便，而且从设备开启到得到产品的时 间很短，可以在频繁的启、停下工作。相比传统工艺可显著缩短生产周期。 ( 5 ) 连续化操作。膜