酶法提取啤酒糟中水溶性膳食纖維的研究

姜福佳 張雪 杜佳欣

摘要[目的]采用響應面法優(yōu)化啤酒糟中水溶性膳食纖維的提取工藝，以期提高啤酒糟的綜合利用價值。[方法]采用酶法提取啤酒糟中水溶性膳食纖維。在單因素試驗基礎上，以溫度、纖維素酶量、固液比3個因素為自變量，水溶性膳食纖維得率為響應值，進行響應面分析，確定最佳工藝參數(shù)。[結果]啤酒糟中水溶性膳食纖維最佳提取條件：溫度為50.8 ℃、纖維素酶量為6.7%、固液比（g∶mL）為1∶14。當滿足最佳提取條件時，驗證值為5.16%。根據(jù)最佳提取條件進行驗證試驗，水溶性膳食纖維的實際得率為5.09%，相對誤差為1.36%。[結論]酶法提取提高了水溶性膳食纖維得率，且操作簡單、可重復性強，適用于啤酒糟中水溶性膳食纖維的提取。

關鍵詞 啤酒糟；響應面法；水溶性膳食纖維；酶法

中圖分類號 TS262.5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）02-0114-04

Abstract[Objective]The extraction process of watersoluble dietary fiber from beer vinasse was optimized by using response surface method，to improve the comprehensive utilization value of beer vinasse.[Method]We adopted enzymatic method to extract the watersoluble dietary fiber from beer vinasse.Based on single factor experiment， temperature，cellulase amount，solidliquid ratio were used as independent variables，the watersoluble dietary fiber extraction yield as response value， to make response surface analysis and determine the parameters of the best process.[Result]The best process of the watersoluble dietary

fiber from beer vinasse was temperature 50.8 ℃，cellulase amount 6.7%， the solidliquid ratio （g∶mL） 1∶14. In this condition， verify the value was 5.16%. According to the optimal extraction condition for validation test， the actual watersoluble dietary fiber yield was 5.09%， relative error was 1.36%.[Conclusion]This method improves the yield of watersoluble dietary fiber.The operation is simple， strong repeatability and applied to the extraction of watersoluble dietary fiber from beer vinasse.

Key words Beer vinasse；Response surface method；Watersoluble dietary fiber；Enzymatic method

啤酒糟又稱麥糟，是啤酒生產的副產物，占啤酒工業(yè)副產物的80%以上[1-5]。 啤酒糟的主要成分為蛋白質、膳食纖維以及少量多糖、脂肪等。隨著啤酒產量的不斷增加，啤酒釀造過程中的酒糟數(shù)量迅速增加。目前，多數(shù)工廠將濕酒糟作為粗飼料直接低價出售，收益甚微，有些將濕酒糟直接排放，對環(huán)境造成嚴重污染，導致資源浪費。研究人員開始關注對啤酒糟的開發(fā)與利用。

啤酒糟中含有豐富的膳食纖維，其中水溶性膳食纖維（SDF）含量為39.3%，水不溶性膳食纖維（IDF）含量為60.4%[6]。膳食纖維不能被胃腸道消化吸收，也不能產生能量，曾被認為是一種“無營養(yǎng)物質”而未能得到足夠的重視。隨著科學家們不斷研究，他們發(fā)現(xiàn)膳食纖維具有重要的生理作用，比如吸水溶脹性、抑制膽固醇等，對人類健康有著積極的作用，在預防腸道疾病和維護胃腸道健康等功能方面作用突出，被營養(yǎng)學界補充認定為“第七類營養(yǎng)素”[7-12]，膳食纖維在食品、醫(yī)藥等行業(yè)也有重要的應用。該研究采用響應面法優(yōu)化啤酒糟中水溶性膳食纖維的提取工藝，以期提高啤酒糟的綜合利用價值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

啤酒糟由華潤雪花啤酒長春有限公司提供；乙醇（分析純，北京化工廠）；纖維素酶R-10（活性≥10 000 U/g，北京鼎國昌盛生物技術有限公司）；DL-5C離心機（上海安亭科學儀器廠）；SHZ-88水浴恒溫振蕩器（金壇市開發(fā)區(qū)吉特實驗儀器廠）。

1.2 試驗方法

1.2.1 水溶性膳食纖維得率測定方法。

稱取一定量啤酒糟，加入水和纖維素酶，調pH為5.5，水浴后離心。濾液調pH至中性后旋轉蒸發(fā)，用4倍體積95%乙醇沉淀，靜置一定時間后過濾，將沉淀干燥并稱重，計算水溶性膳食纖維得率。

水溶性膳食纖維得率=提取出水溶性膳食纖維的質量/啤酒糟粉的質量×100%。

1.2.2 溫度對水溶性膳食纖維得率的影響。

稱取1 g啤酒糟置于含蒸餾水的燒杯中，固液比（g∶mL）為1∶12，加入6%的纖維素酶，調pH為5.5，將其混合后分別放在35、40、45、50、55、60、65 ℃水浴搖床中連續(xù)振蕩保溫3 h，離心3 min（轉速4 500 r/min），取上清液加入4倍體積的95%乙醇，靜置1 h后進行二次離心5 min（轉速4 500 r/min），將沉淀干燥并稱重，計算水溶性膳食纖維得率。

1.2.3 纖維素酶量對水溶性膳食纖維得率的影響。稱取1 g啤酒糟置于含蒸餾水的燒杯中，固液比為1∶12，分別加入3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%的纖維素酶，調pH為5.5，將其混合后放在50 ℃水浴搖床中連續(xù)振蕩保溫3 h，離心3 min（轉速4 500 r/min），取上清液加入4倍體積的95%乙醇，靜置1 h后進行二次離心5 min（轉速4 500 r/min），將沉淀干燥并稱重，計算水溶性膳食纖維得率。

1.2.4 固液比對水溶性膳食纖維得率的影響。稱取1 g啤酒糟置于含蒸餾水的燒杯中，固液比分別為1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18、1∶20，加入6%的纖維素酶，調pH為5.5，將其混合后放在50 ℃水浴搖床中連續(xù)振蕩保溫3 h，離心3 min（轉速4 500 r/min），取上清液加入4倍體積的95%乙醇，靜置1 h后進行二次離心5 min（轉速4 500 r/min），將沉淀干燥并稱重，計算水溶性膳食纖維得率。

1.2.5 攪拌時間對水溶性膳食纖維得率的影響。

稱取1 g啤酒糟置于含蒸餾水的燒杯中，固液比為1∶12，加入6%的纖維素酶，調pH為5.5，將其混合后分別放在50 ℃水浴搖床中連續(xù)振蕩保溫1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 h，離心3 min（轉速4 500 r/min），取上清液加入4倍體積的95%乙醇，靜置1 h后進行二次離心5 min（轉速4 500 r/min），將沉淀干燥并稱重，計算水溶性膳食纖維得率。

1.2.6 響應面試驗設計。

通過單因素試驗，分別考察溫度（X1）、纖維素酶量（X2）、固液比（X3）對啤酒糟中水溶性膳食纖維得率（Y）的影響，依據(jù)單因素試驗結果，使用Box-Benhnken試驗設計和響應面法分析溫度（X1）、纖維素酶量（X2）、固液比（X3）對水溶性膳食纖維得率（Y）的影響，當P<0.05時表示兩交互項顯著，P<0.01時表示兩交互項極顯著。響應面分析因素與水平見表1。

2 結果與分析

2.1 酶法提取水溶性膳食纖維的單因素試驗結果

2.1.1 溫度對水溶性膳食纖維得率的影響。

由圖1可知，在溫度為35～65 ℃時，水溶性膳食纖維得率隨著溫度的遞增先上升后下降，當溫度為50 ℃時，得率最大，繼續(xù)增加溫度，得率有所下降，故最佳反應溫度為50 ℃。

2.1.2 纖維素酶量對水溶性膳食纖維得率的影響。由圖2可知，在最佳溫度時，水溶性膳食纖維得率隨著纖維素酶量的增加而上升；當纖維素酶量增加時，纖維素酶與底物接觸機會增加使其分解充分，纖維素酶量達6%時，得率最大。當酶超過底物所需酶量時，產物量不再增加，水溶性膳食纖維得率幾乎不變。

2.1.3 固液比對水溶性膳食纖維得率的影響。

由圖3可知，水溶性膳食纖維得率隨固液比的增加而上升；當固液比為1∶12后，隨著固液比繼續(xù)增加，水溶性膳食纖維得率上升緩慢，在保證試驗效果、節(jié)約能耗的前提下，固液比應控制在1∶12 。

2.1.4 攪拌時間對水溶性膳食纖維得率的影響。

由圖4可知，水溶性膳食纖維得率隨著攪拌時間的增加而上升；當攪拌時間為3.0 h時，得率最大；當攪拌時間繼續(xù)增加，啤酒糟中的膳食纖維已充分水解，水溶性膳食纖維得率幾乎不變。

2.2 響應面法優(yōu)化啤酒糟中水溶性膳食纖維提取工藝

在單因素試驗基礎上，分別以溫度、纖維素酶量、固液比3個因素作為自變量，水溶性膳食纖維得率為響應值，用響應面分析法在3因素3水平基礎上進行工藝優(yōu)化，以確定最大得率時的工藝參數(shù)。

采用多元二次回歸方程擬合試驗結果，再用F檢驗統(tǒng)計分析工具和響應面圖研究考察因子之間的交互關系及因子與響應值間的關系。

對表2中數(shù)據(jù)進行回歸分析，獲得水溶性膳食纖維得率對編碼自變量溫度、纖維素酶量、固液比的多元二次回歸方程：

Y=17.406 670+0.806 250X1-0.035 000X2-0.326 250X3-2.650 833X1X1+0.552 500X1X2-0.860 000X1X3-1.608 333X2X2+0.027 500X2X3+1.384 167X3X3。

對表2試驗結果進行統(tǒng)計分析可知，模型P=0.000 652，表明模型顯著。其中一次項X1，交互作用項X1X2、X1X3，二次項X12、X22、X32對響應值Y影響顯著（P<0.05），其余項均不顯著（P>0.05）。失擬項P=0.426 310>0.05，表明模型失擬度不顯著，說明殘差均由隨機誤差引起，建立的回歸模型能代表試驗真實度，解釋響應結果。模型決定系數(shù)R2=98.32%，說明該模型可以解釋98.32%的試驗。由此可見，此模型可用于酶法提取啤酒糟中水溶性膳食纖維工藝的分析和預測。

根據(jù)以上回歸分析的結果繪制相應的曲線圖及其等高線，直觀形象地描述溫度、纖維素酶量、固液比對水溶性膳食纖維得率的影響，結果如圖5～7所示。

從以上3個響應曲面圖及等高線圖中可明顯觀察到，3個曲面圖開口均為向下凸形曲面，在該范圍內響應值Y（SDF得率）存在極大值，表明該多元二次回歸模型能夠較好地用于描述響應值和自變量之間的顯著性。由圖5可知，溫度（X1）和纖維素酶量（X2）對響應值Y存在交互影響。當溫度（X1）達到最適值時，隨著纖維素酶量（X2）的增加，Y值呈現(xiàn)不同的變化，表明X1X2交互項對響應值Y有著顯著的交互影響，與回歸分析中的X1X2項（P<0.05）相對應。圖6表現(xiàn)出與圖5相似的規(guī)律，表明X1X3交互項對響應值Y有著顯著的交互影響，與回歸分析中的X1X3項（P<0.05）相對應。由圖7可知，X2X3交互項對響應值Y無顯著影響。經響應面優(yōu)化，當SDF的最佳提取工藝滿足溫度為50.8 ℃、纖維素酶量為6.7%、固液比為1∶14時，水溶性膳食纖維的得率可達5.16%。

2.3 驗證試驗結果

為了檢驗模型預測的準確性，按優(yōu)化后的最佳提取條件：溫度為50.8 ℃、纖維素酶量為6.7%、固液比為1∶14進行提取，試驗重復3次，結果3個平行的得率分別為4.75%、4.92%、5.60%，平均得率為5.09%，與理論預測值相比相對誤差為1.36%，可見該模型能較好地模擬和預測試驗得率。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，通過響應面分析對膳食纖維提取工藝進行優(yōu)化，并得到回歸方程。經回歸方程分析，結合實際操作的方便性進行修正，得出啤酒糟中提取水溶性膳食纖維最佳溫度為50.8 ℃、纖維素酶量為6.7%、固液比為1∶14，在最佳工藝條件下，啤酒糟中提取水溶性膳食纖維的相對誤差為1.36%。

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