大豆加工副產(chǎn)物資源化利用研究進(jìn)展

邰孟雅，袁岐山，楊欣玲，馬勝濤，崔 廷，孫 巖，黃五星

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 鄭州 450000；3.河南省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002）

我國(guó)是大豆主產(chǎn)國(guó)之一，大豆種植面積也在逐年上升，但消費(fèi)者對(duì)大豆的需求仍遠(yuǎn)超實(shí)際生產(chǎn)[1]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021年國(guó)產(chǎn)大豆的總產(chǎn)量約為1 640萬(wàn)t，其中僅食用需求就消耗約1 600萬(wàn)t。隨著國(guó)內(nèi)居民對(duì)豆制品及植物油消費(fèi)需求的提高，大豆進(jìn)口量節(jié)節(jié)攀升，2020年中國(guó)大豆進(jìn)口量首次破億噸[2]。雖然2021年進(jìn)口量有所降低，但仍處于較高水平[3]。

由于巨大的大豆進(jìn)口量以及國(guó)內(nèi)豆制品產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，相應(yīng)副產(chǎn)物的產(chǎn)量也急劇增加。豆渣和豆粕是大豆加工中產(chǎn)生的主要固體廢物，是富含高蛋白和低脂肪的優(yōu)質(zhì)原料[4-5]。黃漿水是豆制品加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的液態(tài)有機(jī)廢水，含有大量大豆水溶性功能物質(zhì)[6]。若這些副產(chǎn)物得到合理加工，不僅可以降低環(huán)境壓力，還可實(shí)現(xiàn)廢棄物的高值利用[7]。目前關(guān)于豆制品加工副產(chǎn)物附加價(jià)值的開發(fā)利用已有大量研究，并取得明顯成效。該文就豆渣、豆粕和黃漿水的綜合應(yīng)用研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述，以期為大豆加工副產(chǎn)物資源化高效利用研究提供參考依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外大豆加工副產(chǎn)物研究可視化分析

1.1 國(guó)內(nèi)研究

選擇中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，以“豆渣”、“豆粕”和“黃漿水”等為關(guān)鍵詞進(jìn)行高級(jí)檢索。文獻(xiàn)發(fā)表時(shí)間不做規(guī)定，對(duì)會(huì)議、報(bào)紙等無(wú)效文獻(xiàn)進(jìn)行人工精煉。最后對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行可視化分析，年度發(fā)表趨勢(shì)見圖1、研究機(jī)構(gòu)分布見圖2及主題分布見圖3。

圖1 1982-2022年CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)大豆加工副產(chǎn)物研究發(fā)文量總體趨勢(shì)Fig.1 Overall trend of the number of published articles in CNKI database on soybean processing by-products research of 1982-2022

圖2 1982-2022年CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)大豆加工副產(chǎn)物主要研究機(jī)構(gòu)Fig.2 Major research institutions of soybean processing by-products in CNKI database of 1982-2022

圖3 1982-2022年CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)大豆加工副產(chǎn)物主要研究主題Fig.3 Major research topics of soybean processing by-products in CNKI database of 1982-2022

由圖1可知，全國(guó)大豆加工副產(chǎn)物研究年度發(fā)文量總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。首篇文獻(xiàn)發(fā)表于1982年，至1999年發(fā)文數(shù)量均較低；2000年該領(lǐng)域發(fā)文量超過60篇，至2013年到達(dá)頂峰（283篇）；自2014年起發(fā)文量逐漸減少。

由圖2可知，4 483篇文獻(xiàn)中以東北農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)文最多（116篇），其次分別為蘭州大學(xué)、江南大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，8家機(jī)構(gòu)共計(jì)發(fā)文656篇。

由圖3可知，除去“廣東省”、“大豆市場(chǎng)”等低價(jià)值關(guān)鍵詞后，研究主題“發(fā)酵豆粕”出現(xiàn)的頻次最高，發(fā)文量達(dá)218篇。原因可能是隨著消費(fèi)者對(duì)豆油需求的增加，豆粕產(chǎn)量也與日俱增[8]。其次關(guān)于“大豆異黃酮”、“大豆蛋白”和“大豆肽”等生物活性成分的研究也較多。

1.2 國(guó)外研究

選擇Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，以“soy by-products”為主題詞，語(yǔ)種為“English”，檢索相關(guān)文獻(xiàn)。發(fā)表時(shí)間不作規(guī)定，文獻(xiàn)類型選擇“artical”精煉后，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行可視化分析，年度發(fā)文量見圖4和研究機(jī)構(gòu)分布見表1。

表1 2002-2022年Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)大豆加工副產(chǎn)物主要研究機(jī)構(gòu)Table 1 Major research institutions of soybean processing by-products in the Web of Science Core Collection database 2002-2022

圖4 2002-2022年Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)大豆加工副產(chǎn)物研究發(fā)文量總體趨勢(shì)Fig.4 Overall trends of soybean processing by-products research publications in the Web of Science Core Collection database of 2002-2022

由圖4可知，英文文獻(xiàn)中，關(guān)于大豆加工副產(chǎn)物研究的年度發(fā)文量總體也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。2002年發(fā)表首篇文獻(xiàn)，2014年出現(xiàn)第一個(gè)峰值（37篇）；隨后發(fā)文量先稍有減少又開始增加，至2021年到達(dá)頂峰（58篇）；2022年截至目前共發(fā)文15篇。與國(guó)內(nèi)研究相比，國(guó)外的發(fā)文數(shù)量明顯偏低。原因之一可能是東西方人在飲食習(xí)慣等方面的差異，國(guó)外大豆制品類型相對(duì)單一[9]。

由表1可知，449篇文獻(xiàn)中，以美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)文最多（20篇），其次主要是圣保羅大學(xué)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究委員會(huì)、新加坡國(guó)立大學(xué)和華南理工大學(xué)。

2 大豆加工副產(chǎn)物的發(fā)酵工藝研究

大豆加工副產(chǎn)物所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的種類及含量十分豐富，可經(jīng)簡(jiǎn)單處理后直接應(yīng)用。比如豆渣和豆粕經(jīng)預(yù)消化后可用于飼喂動(dòng)物[10]，也可干燥后部分替代面粉等原料添加至糕點(diǎn)、面條等食品中[11]。但未經(jīng)加工的副產(chǎn)物存在大量抗?fàn)I養(yǎng)因子和大分子物質(zhì)，都會(huì)阻礙其作用的有效發(fā)揮[12]。同時(shí)豆渣、豆粕和黃漿水中水分含量較高，若不加以處理極易發(fā)霉變質(zhì)，不僅資源利用率大大降低，還會(huì)造成環(huán)境污染。大豆加工副產(chǎn)物的改良方式主要有酶解法、物理加工和發(fā)酵改性等，也可先通過物理和酶法使其分解，再經(jīng)微生物發(fā)酵達(dá)到更為理想的效果[13]。實(shí)際生產(chǎn)中可針對(duì)不同原料選擇合適的方法，目前關(guān)于副產(chǎn)物發(fā)酵改性的研究最為廣泛。

發(fā)酵是復(fù)雜的有機(jī)物在微生物作用下分解成簡(jiǎn)單物質(zhì)的過程。發(fā)酵可接種單一菌株，亦可采用復(fù)合菌株，后者還需注意配比問題[14]。利用霉菌、芽孢桿菌和酵母菌等可產(chǎn)生蛋白酶、纖維素酶的微生物發(fā)酵大豆加工副產(chǎn)物可有效提升其應(yīng)用價(jià)值[15]。范陽(yáng)等[16]研究發(fā)現(xiàn)，以植物乳桿菌∶枯草芽孢桿菌∶釀酒酵母菌=3∶2∶1的比例發(fā)酵豆渣，在10%接種量、35 ℃發(fā)酵48 h等條件下，粗脂肪含量顯著降低，酸溶蛋白含量提高7.35%。最適發(fā)酵工藝因菌株、發(fā)酵原料及發(fā)酵目的不同存在差異。李春梅等[17]采用依次接種枯草芽孢桿菌和植物乳桿菌的方式發(fā)酵豆粕，發(fā)現(xiàn)以小肽和游離氨基酸含量等為響應(yīng)值時(shí)的最佳工藝參數(shù)：接種枯草芽孢桿菌2 d后接種植物乳桿菌，前者接種量4%，枯草芽孢桿菌∶植物乳桿菌=1∶5，37 ℃發(fā)酵5 d。在此條件下發(fā)酵豆粕的抗?fàn)I養(yǎng)因子得到有效分解，小肽含量較發(fā)酵前提高161%，益生菌數(shù)量也明顯增加。

3 大豆加工副產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值研究

3.1 常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分

每加工一噸干豆產(chǎn)生豆渣、豆粕和黃漿水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的成分大致相同，但因加工工藝不同其含量存在差異，但總體來(lái)說內(nèi)含物的種類及發(fā)酵過程中的變化規(guī)律較為相似。WANG F等[18]研究發(fā)現(xiàn)，豆渣中含有膳食纖維50%～55%，蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為18%～23%和6%～10%。除此之外豆渣中還含有豐富的礦質(zhì)元素、維生素和必需氨基酸等[19]。豆粕中蛋白質(zhì)占比可達(dá)50%左右，脂肪含量較低，賴氨酸、色氨酸和蛋氨酸含量較高[20]。豆粕中還含有較高含量的卵磷脂[21]。李小鳳等[22]研究發(fā)現(xiàn)，黃漿水中蛋白質(zhì)和脂肪含量分別為6.5 mg/g、3.6 mg/g。也有研究顯示黃漿水中蛋白質(zhì)含量為4.08 g/L，脂肪含量為1.10 g/L[23]。說明不同來(lái)源的同種副產(chǎn)物之間成分含量也不盡相同。

經(jīng)發(fā)酵后副產(chǎn)物中蛋白質(zhì)、粗脂肪和粗纖維等得到充分降解，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量更加平衡。張杰等[24]研究發(fā)現(xiàn)，豆渣發(fā)酵后蛋白質(zhì)含量由33.8 g/100 g下降至20.1 g/100 g，氨基酸態(tài)氮含量從1.12 mg/g上升至8.75 mg/g，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)得到改善。李飛龍等[25]研究表明，發(fā)酵對(duì)豆渣營(yíng)養(yǎng)特性的改善主要表現(xiàn)在粗脂肪和粗纖維含量降低、維生素等有益物質(zhì)增加以及抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)含量的下降等方面。

3.2 生物活性成分及功能特性

大豆加工副產(chǎn)物自身即存在功能物質(zhì)，豆腐黃漿水中異黃酮含量占大豆總異黃酮的50%[26]。經(jīng)發(fā)酵后活性成分的含量和價(jià)值得到大幅提升，主要成分有異黃酮、納豆激酶、多肽、磷脂、皂苷和小肽等[27-28]。

3.2.1 異黃酮

異黃酮主要存在于豆科植物中，具有抗氧化、抗腫瘤和雌激素作用等功能[29-30]。在大豆加工副產(chǎn)物中異黃酮絕大部分以結(jié)合型糖苷的形式存在，需要分解為苷元態(tài)才能被直接利用[31]。尹琳琳等[32]利用雅致放射毛霉、枯草芽孢桿菌與植物乳桿菌發(fā)酵豆渣，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后異黃酮多轉(zhuǎn)化為易于吸收及活性更高的苷元型。據(jù)上官修蕾等[33]的研究，茯茶金花菌發(fā)酵豆粕后異黃酮糖苷轉(zhuǎn)化率明顯提高。歐紅艷等[34]以黃漿水為原料發(fā)酵豆清飲料，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)隨發(fā)酵時(shí)間的延長(zhǎng)，黃酮苷大量轉(zhuǎn)化為黃酮苷元，發(fā)酵22 h時(shí)染料木素含量顯著提高。

3.2.2 納豆激酶

納豆激酶提取自以豆類為原料生產(chǎn)的發(fā)酵納豆，是由納豆桿菌產(chǎn)生的具有纖溶酶原激活作用的蛋白酶，具有抗血栓、降血壓血脂等活性[35]。據(jù)吳錦源等[36]的研究，粵小黃粒3號(hào)大豆發(fā)酵納豆酶活可達(dá)20 586 IU/g。YANG Y等[37]以枯草芽孢桿菌和雙歧桿菌發(fā)酵納豆，一定條件下，納豆激酶活性有所增強(qiáng)，溶栓性能也得到改善。但以大豆為原料生產(chǎn)納豆激酶成本較高，今后應(yīng)關(guān)注其副產(chǎn)物的發(fā)酵利用。蘇敏等[38-39]以豆渣為原料生產(chǎn)納豆激酶，優(yōu)化工藝后所得酶活分別為1 751.28 U/g和1 734 U/g。郭玩湘等[40]研究發(fā)現(xiàn)，在豆粕∶麩皮配比為5∶1，pH 7.6，37 ℃發(fā)酵36 h條件下生產(chǎn)的納豆激酶活力最高。

3.2.3 多肽

豆渣和豆粕中蛋白質(zhì)的殘留量較高，發(fā)酵副產(chǎn)物中的蛋白質(zhì)主要以多肽的形式存在。發(fā)酵制備的多肽與酶解相比優(yōu)點(diǎn)更多，且發(fā)酵菌株及工藝都會(huì)對(duì)活性肽的功能產(chǎn)生影響[41]。多肽按功能分包括抗氧化肽、抑菌肽和抗糖尿病肽等[42]。尹樂斌等[43]以纖維素酶和枯草芽孢桿菌發(fā)酵豆渣，發(fā)現(xiàn)在3%接種量、37 ℃發(fā)酵60 h時(shí)，多肽產(chǎn)率可達(dá)88.12%。申春莉等[44]研究發(fā)現(xiàn)，以靈芝菌絲體發(fā)酵豆渣前多肽含量為11.90 mg/g，發(fā)酵后期上升至19.59 mg/g。劉國(guó)慶等[45]研究發(fā)現(xiàn)，豆粕發(fā)酵后功能成分大豆肽的含量較發(fā)酵前增加6倍，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值顯著提升。

3.2.4 膳食纖維

膳食纖維主要指食物中不能被消化的多糖。適當(dāng)攝入膳食纖維可以促進(jìn)腸胃蠕動(dòng)，預(yù)防腸癌和血管疾病的發(fā)生[46]。根據(jù)在水中的溶解性，膳食纖維分為可溶性和不溶性兩種，相對(duì)而言可溶性膳食纖維功能更強(qiáng)[47]。大豆加工副產(chǎn)物中的膳食纖維含量較高，但絕大部分為不溶性膳食纖維[48]。發(fā)酵可以破壞原料的纖維結(jié)構(gòu)，促進(jìn)不溶性膳食纖維可溶化[49]。吳學(xué)鳳等[50]以安卡紅曲霉As3.4811發(fā)酵豆渣，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵后不溶性膳食纖維的結(jié)晶度有所降低，可溶性膳食纖維含量增加，品質(zhì)得到明顯改善。張瑜[51]研究發(fā)現(xiàn)，利用毛霉和乳酸菌發(fā)酵的豆渣其可溶性膳食纖維含量相較新鮮豆渣提升8.5倍，結(jié)構(gòu)也更加疏松。

3.2.5 卵磷脂

脂類是人體必需的三大產(chǎn)能營(yíng)養(yǎng)素之一，包括脂肪、磷脂和固醇類。磷脂是除脂肪外人體內(nèi)含量最多的脂類。大豆磷脂主要包括卵磷脂、腦磷脂、肌醇磷脂和其他磷脂，其中卵磷脂最為重要[52]。卵磷脂在臨床中也叫磷脂酰膽堿，最早于1844年由法國(guó)科學(xué)家Gobley從蛋黃中發(fā)現(xiàn)并分離鑒定[53]。卵磷脂中富含不飽和脂肪酸，可降低膽固醇水平、促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育以及預(yù)防心腦血管等疾病[54]。孫家正等[55]以高脂肪酶活性菌株傘枝犁頭霉發(fā)酵制備豆豉，所得豆豉中磷脂酰膽堿含量明顯高于市售豆豉。

3.2.6 皂苷

皂苷由皂苷元、糖和有機(jī)酸組成，因糖以及皂苷元與糖結(jié)合部位的不同其種類呈現(xiàn)多樣性。大豆皂苷具有抗氧化、調(diào)節(jié)心腦血管系統(tǒng)和抑制腫瘤細(xì)胞等活性[56-57]。大豆加工副產(chǎn)物中的皂苷多以糖基取代形式存在，難以被直接利用。研究表明發(fā)酵可以改變?cè)闲螒B(tài)，產(chǎn)生各類水解酶，促進(jìn)皂苷向機(jī)體易于利用的形式轉(zhuǎn)化[58]。孫睿等[59]以黑曲霉發(fā)酵豆渣為原料制作豆腐乳，發(fā)現(xiàn)黑曲霉豆腐乳與傳統(tǒng)腐乳相比皂苷含量顯著提高。趙堂彥[60]的研究表明，以乳酸菌發(fā)酵鷹嘴豆，一定時(shí)間內(nèi)發(fā)酵液中的總皂苷含量增加。

4 大豆加工副產(chǎn)物在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究

由于消費(fèi)者健康意識(shí)的增強(qiáng)，新型功能食品的開發(fā)已成為市場(chǎng)中極具吸引力的研究方向[61]?？踪籟62]通過對(duì)大豆異黃酮在食品中的應(yīng)用專利進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前大豆異黃酮主要應(yīng)用于保健食品方面。如在奶粉和巧克力中添加異黃酮成分，可以降低心臟病等的發(fā)病幾率，緩解女性更年期癥狀。周艷華等[63]研究發(fā)現(xiàn)，富含納豆激酶的酸奶具有降血壓血脂等多重功效。另外大豆加工副產(chǎn)物的特性搭配中藥材健脾益氣等功效，可以促進(jìn)消化、清熱解毒。肖順治等[64]發(fā)明了一款發(fā)酵豆渣和中藥制成的顆粒沖劑，服用后可預(yù)防腸癌、維持血糖平衡等，增強(qiáng)人體免疫力。

隨著科研工作者對(duì)活性成分研究的不斷深入，大豆加工副產(chǎn)物的醫(yī)學(xué)價(jià)值不容忽視。豆渣、豆粕等活性成分殘留量相對(duì)較大。大豆異黃酮是一種天然雌性激素，目前已被用于癌癥、糖尿病、白血病治療以及心腦血管保護(hù)等多個(gè)方面[65]。黃宏等[66]通過對(duì)患肝癌小鼠的研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)大豆異黃酮處理后的腫瘤質(zhì)量明顯減輕，且在一定范圍內(nèi)，異黃酮高劑量處理組抑瘤率更高。納豆激酶也發(fā)揮著極其重要的作用，其中研究最為廣泛的是其血管保護(hù)功能。任莉莉等[67]通過模擬人體環(huán)境，觀察在血栓處注射納豆激酶后的溶解過程，發(fā)現(xiàn)藥物濃度越高、管徑越大，血栓的溶解效果越好。除此之外，納豆激酶還具有治療乳腺癌[68]、促進(jìn)口腔黏膜愈合[69]等多種藥理活性。膳食纖維對(duì)高膽固醇小鼠的抗高血脂效果顯著[70]，對(duì)于低劑量鏈脲霉素引發(fā)的小鼠2型糖尿病也有一定效果[71]。

5 展望

不同品種、不同來(lái)源的大豆以及不同加工工藝產(chǎn)生的副產(chǎn)物性質(zhì)具有不同程度的差異，應(yīng)根據(jù)具體情況實(shí)現(xiàn)利用途徑多元化。目前關(guān)于豆類加工副產(chǎn)物的研究多集中于黃豆，原因可能是黑豆食品尚不普及，今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高的黑豆加工副產(chǎn)物的產(chǎn)品研發(fā)。雖然大豆加工副產(chǎn)物經(jīng)處理后功能成分大大增加，但提取工藝仍需優(yōu)化。此外還可以加強(qiáng)對(duì)活性成分的改性研究，深度開發(fā)其所蘊(yùn)含價(jià)值，努力實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效。

目前研究者多關(guān)注大豆加工副產(chǎn)物中活性成分的有利功能，但對(duì)其作用機(jī)制、使用劑量及副作用等不甚了解，保證其安全性的相關(guān)研究可作為今后關(guān)注的重點(diǎn)。關(guān)于大豆加工副產(chǎn)物在臨床中的應(yīng)用主要以動(dòng)物為研究對(duì)象，而對(duì)人體效果的研究尚少，動(dòng)物與人體在某些方面存在差異。當(dāng)前雖然有關(guān)大豆加工副產(chǎn)物資源綜合利用的研究已不可枚舉，但大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室層面，科研成果的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用和推廣尚有不足。今后應(yīng)注重搭建企業(yè)與高校或科研院所間長(zhǎng)期對(duì)話的服務(wù)橋梁，實(shí)現(xiàn)大豆加工副產(chǎn)物資源的高效利用。