葡萄皮渣膳食纖維酶法改性工藝研究

楊 慧，王永剛，賈文婷，吳洪斌*

（1新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，石河子 832000；2新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，石河子 832000；3鶴壁職業(yè)技術(shù)學院，河南 458030）

葡萄皮渣膳食纖維酶法改性工藝研究

楊 慧1，2，王永剛3，賈文婷1，2，吳洪斌1，2*

（1新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，石河子 832000；2新疆農(nóng)墾科學院農(nóng)產(chǎn)品加工重點實驗室，石河子 832000；3鶴壁職業(yè)技術(shù)學院，河南 458030）

以新疆釀酒葡萄皮渣副產(chǎn)物膳食纖維為主要研究對象，采用纖維素酶法對其進行改性處理，從而提高葡萄皮可溶性膳食纖維（Grape Soluble Dietary Fiber，GSDF）得率，并對其功能性質(zhì)進行了初步測定。結(jié)果表明：液料比11∶1（mL/g），酶解溫度52℃，酶解時間62 min，酶添加量1.4 mg/mL時為改性技術(shù)最佳工藝條件，得率為33.68%；改性后的持水力、持油力、膨脹力和陽離子交換能力4項功能性質(zhì)指標均顯著提高。

葡萄皮渣；膳食纖維；酶法改性；功能性質(zhì)

新疆由于得天獨厚的氣候、地理條件，擁有十分豐富的葡萄資源，2014年種植15萬hm2，其中釀酒葡萄2萬hm2；葡萄產(chǎn)量達232萬t，其中釀酒葡萄60萬t［1］。葡萄酒釀制過程中產(chǎn)生大量葡萄皮渣，皮渣中含有大量的膳食纖維、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)。這些葡萄皮渣除少部分用作提取花青素外，其余大部分作為飼料甚至直接廢棄，既浪費資源又污染環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，每年廢棄的葡萄皮渣數(shù)以萬噸計［2］。如何將廢棄葡萄皮渣變廢為寶，已成為新疆葡萄產(chǎn)業(yè)快速、健康、持續(xù)發(fā)展的重要因素。

膳食纖維是一種不被人體消化酶消化和小腸吸收的大分子糖類的總稱，是人類第七大營養(yǎng)素，對人體健康有著很重要的生理功能［3-5］，根據(jù)溶解性差異分為水溶性膳食纖維（SDF）和不溶膳食纖維（IDF）。據(jù)報道增加SDF的攝入量可顯著降低血清膽固醇，防止高血脂、糖尿病、中風、高血壓等［6-9］。因此膳食纖維中SDF的含量是評價膳食纖維品質(zhì)的一個重要指標，然而包括葡萄皮膳食纖維在內(nèi)的許多天然膳食纖維中SDF含量較低，因此研究膳食纖維的改性工藝，提高SDF的含量具有重要的意義。目前膳食纖維的改性技術(shù)主要有化學法、酶法、微生物法及物理法等［10］，其中酶法條件溫和，不易破壞SDF活性成分。在提取過程中，選用合適的酶進行提取，可以克服細胞壁及細胞間質(zhì)的雙重阻力，破壞細胞壁的致密結(jié)構(gòu)，減少細胞壁及細胞間質(zhì)傳質(zhì)屏障，從而有利于SDF的溶出［11］。本研究利用纖維素酶對葡萄皮渣膳食纖維進行改性，提高SDF含量，為新疆葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展及葡萄皮渣的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葡萄皮渣，為釀酒葡萄皮渣，由新疆西域酒業(yè)有限公司提供；纖維素酶，美國Sigma公司；無水乙醇、丙酮、濃鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純。

渦輪自冷式粉碎機，長沙市岳麓區(qū)中南制藥機械廠；LGJ-18S冷凍干燥機，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；DGG-9070B電熱恒溫鼓風干燥箱，上海森信實驗儀器有限公司；TGL-10B高速離心機，上海安亭科學儀器廠；LD電子天平，沈陽龍騰電子有限公司；SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵，上海亞榮生化儀器廠；R-201旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海申勝生物技術(shù)有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 預處理

新鮮葡萄皮渣經(jīng)水洗、皮籽分離后，放置在恒溫干燥箱中60℃干燥12 h，再經(jīng)渦輪自冷式粉碎機粉碎，過100目篩，作為纖維原料待用。

1.2.2 工藝流程

纖維原料→取樣→加水勻漿→酶法去除淀粉和蛋白質(zhì)→纖維素酶浸提→滅酶→冷卻→抽濾殘渣→減壓濃縮→乙醇沉淀→冷凍干燥→葡萄皮改性膳食纖維（GSDF）。

1.2.3 單因素試驗

通過查找相關文獻及前期預試驗結(jié)果，試驗考察各影響因素不同水平對葡萄皮膳食纖維酶法改性效果的影響。纖維酶添加量（mg/mL）設置為0.6、0.9、1.2、1.5四個水平，酶解時間（min）設置為 20、40、60、80四個水平，酶解溫度（℃）設置為30、40、50、60四個水平，液料比（mL/g）設置為 6∶1、8∶1、10∶1、12∶1四個水平，以GSDF得率及統(tǒng)計分析結(jié)果為評判標準。

1.2.4 響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Box-Behnken的中心組合試驗設計進行響應面試驗，以影響GSDF得率的主要參數(shù)酶添加量（A）、酶解時間（B）、酶解溫度（C）、液料比（D）四因素為自變量，以GSDF得率為響應值，試驗因素水平及編碼見表1。

表1 響應面試驗因素水平及編碼Table 1 Factors and levels of response surface test

1.3 分析測試方法

1.3.1 采用國標法［12］測定GSDF得率

1.3.2 功能性質(zhì)測定

分別測定葡萄皮渣及 GSDF的持水力［13］、持油力［13］、膨脹力［14］、陽離子交換能力［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果與分析

單因素試驗結(jié)果表明，各因素對葡萄皮膳食纖維酶法改性效果均有顯著影響。單因素試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 各影響因素對GSDF得率的影響Fig.1 Effects of different factors on GSDF yield

由圖1-A可知，隨著纖維素酶添加量的增加，GSDF得率呈先上升后平緩的趨勢，原因可能是纖維素酶濃度的提高增大了與底物的接觸面積，加快了酶促反應速度從而使得率上升。而當纖維素酶添加到一定程度（1.2 mg/mL），此時底物已與酶結(jié)合完全，繼續(xù)增加酶添加量將使酶與底物競爭產(chǎn)生抑制作用，造成酶的浪費。因此，纖維素酶添加量為1.2 mg/mL較為合適。由圖1-B可知，GSDF得率隨著酶解時間的增加呈先提高后平緩的趨勢。通過多重組間比較，發(fā)現(xiàn)60 min與20 min和40 min兩組相比，具有顯著性差異（P＜0.05），但與80 min無顯著性差異（P＞0.05）。因此，酶解時間選擇60 min較為適宜。由圖1-C可知，在30—50℃范圍內(nèi)，GSDF得率隨著酶解溫度的升高而升高，并在50℃時達到最高。而隨著酶解溫度進一步提高，GSDF得率迅速下降。分析原因可能是隨著酶解溫度升高，分子的運動及擴散速度增加，從而提高GSDF的析出，而過高的溫度導致酶活降低從而引起得率下降，因此選擇酶解溫度為50℃。由圖1-D可知，隨著液料比的增加，GSDF得率呈現(xiàn)上升趨勢，但是在10∶1（mL/g）之后，上升趨勢變緩，且與其他組間無顯著性差異。因此，從經(jīng)濟成本及統(tǒng)計學角度考慮，選擇液料比為10∶1（mL/g）。綜上所述，單因素篩選出各因素的最佳條件分別為酶添加量1.2 mg/mL，酶解時間60 min，酶解溫度為50℃，液料比為10∶1（mL/g）。

2.2 響應面試驗結(jié)果與分析

2.2.1 響應面試驗結(jié)果

響應面試驗設計及結(jié)果見表2。

表2 響應面試驗設計與結(jié)果Table 2 Design and result of response surface test

（續(xù)表1）

2.2.2 回歸方程的擬合及方差分析

響應面試驗結(jié)果經(jīng)Design-Expert 8.5軟件處理分析，采用二階模型，確定描述各因素與GSDF得率Y之間關系的多元二次回歸方程：

Y＝-234.78+151.80A+1.19B+1.75C+18.74D+0.09AB-0.38AC-0.11AD-0.0007BC-0.06BD+0.07CD-56.72A2-0.0005B2-0.019C2-0.90D2

對回歸方程進行方差分析和顯著性檢驗，結(jié)果見表3—4。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

表4 回歸系數(shù)顯著性分析Table4 Significance test for regression coefficients

由表3方差分析結(jié)果可知，回歸方程二階效應極顯著（P＜0.001），失擬項不顯著（P＝0.6447＞0.05），方程相關系數(shù)R2＝0.9216，表明響應值GSDF的變化有92.16%來自于影響因素的變化，即回歸模型對試驗的擬合情況較好，試驗誤差小，可以很好地描述各因素與響應值之間的真實關系，利用該回歸方程確定最佳因素水平。

由表4可知，影響GSDF得率的主次順序為料液比＞酶解溫度＞酶解時間＞酶添加量。一次項中B、C和D對GSDF得率線性關系顯著；二次項AC、BD、A2、B2、C2、D2也對GSDF得率也有極高的顯著影響，說明回歸模型的響應值變化不是簡單的線性關系，曲面效應顯著。

2.2.3 響應面交互作用分析與優(yōu)化

繪制響應曲面是響應面試驗中評價兩試驗因素交互作用較為常用的方法，通過它們的形狀可以反映出兩試驗因素之間的交互作用是否顯著，比如曲率比較大的橢圓形曲面表示兩因素的交互作用顯著，而曲率小的則相反［16］。本試驗中只有酶添加量A和酶解溫度C、酶解時間B和料液比D之間交互作用有顯著影響，通過軟件繪制出響應面立體圖（圖2）。

圖2 各因素相互作用下GSDF得率的響應面Fig.2 Response surface of GSDF yields interacted by different factors

從圖2可以看出：AC、BD兩因素交互作用顯著，此結(jié)論與方差分析結(jié)果一致（表3）。從響應面三維圖可以看出，過高或過低的各因素水平對GSDF得率均有不利的影響，此結(jié)論與單因素試驗結(jié)果一致（圖1）。從圖2還可以看出，響應擬合面具有真實的最大響應值，說明各交互因子均有一個最佳編碼組合使響應值達到最大值，即各因素在一定水平組合可使GSDF得率達到最大。

2.2.4 反應條件的優(yōu)化及模型驗證

采用Design-Expert軟件進行GSDF最佳改性工藝分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酶添加量為1.4 mg/mL、酶解時間62 min、酶解溫度為52℃、液料比為11∶1（mL/g）條件下，GSDF得率預測值達34.72%。為了驗證模型方程的可行性，在此條件下進行3組平行試驗，結(jié)果GSDF得率為33.68%，與預測值吻合較好。說明預測值與真實值擬合良好，建立的回歸模型能真實描述工藝中各因素與評價指標的關系，通過此模型優(yōu)化能夠有效的提高GSDF得率，優(yōu)化后的工藝條件具有較好的實用價值。

2.3 改性前后葡萄皮渣膳食纖維功能性質(zhì)比較

葡萄皮渣膳食纖維的功能性質(zhì)主要有持水力、持油力、膨脹力和陽離子交換能力等，它們是反映葡萄皮渣加工性能的關鍵指標。改性前后葡萄皮膳食纖維的功能性質(zhì)有較大改變，如表5所示。

表5 改性前后葡萄皮渣膳食纖維功能性質(zhì)比較Table 5 Functional properties of dietary fiber from grape pomace before and after modification

由表5可知，經(jīng)過改性處理后，葡萄皮渣水溶性膳食纖維溶出量、葡萄皮渣放入持水力、持油力、膨脹力及陽離子交換能力都顯著提高。分析原因可能是改性處理使纖維結(jié)構(gòu)變得更加疏松，改善了葡萄皮渣與水、油的相互作用，從而提高了葡萄皮渣的持水力、持油力；改性后纖維顆粒的粒度減小［17］，使纖維相對表面積增大，吸水后體積膨脹增加，使改性的纖維膨脹力顯著提高；同時，改性處理使膳食纖維中大量極性和非極性基團更多的暴露出來，促使陽離子交換能力顯著提高。

3 結(jié)論

3.1 單因素試驗結(jié)果表明，GSDF在改性過程中受酶添加量、酶解時間、酶解溫度和料液比4個因素的影響較大。隨著酶添加量、酶解時間和料液比的增大，GSDF得率均呈上升趨勢；隨著酶解溫度的升高，GSDF得率先升高后降低。

3.2 響應面試驗結(jié)果表明，回歸模型決定系數(shù)較高，與實際情況吻合較好，反映了各因素對GSDF得率的影響規(guī)律。由此得出葡萄皮渣膳食纖維酶法改性的最佳工藝條件為：酶添加量為1.4 mg/mL、酶解時間62 min、酶解溫度為 52℃、液料比為11∶1（mL/g），此條件下 GSDF溶出量為 33.68 g/（100 g）。

3.3 改性前后葡萄皮渣GSDF溶出量顯著提高，功能性質(zhì)也出現(xiàn)明顯變化。持水力、持油力、膨脹力和陽離子交換能力4項指標在纖維素酶改性后均顯著提高。

［1］新疆維吾爾自治區(qū)統(tǒng)計局.新疆統(tǒng)計年鑒［J］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2015.

［2］涂正順，吳瑩，王華，等.世界葡萄與葡萄酒概況［J］.中外葡萄與葡萄酒，2009（1）：73-75.

［3］JUDITH A.Position of the American Dietetic Association：health implications of dietary fiber［J］.JAm Diet Assoc.，2008，108：1716-1731.

［4］SUZUKIR，NAOMIE，TIMOTHY J.etal.A prospective analysis of the association between dietary fiber intake and prostate cancer risk in EPIC［J］.Int.J.Cancer，2009，124：245-249.

［5］STEPHANIE A，SILVERA M.Dietary fiber intake and ovarian cancer risk：a prospective cohort study［J］.Cancer Causes Control，2007，18（3）：35-41.

［6］鄭建仙.功能性食品（第一卷）［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，1995：6.

［7］MONTONEN J，KNEKT P，JARVINEN R，etal.Whole-grain and fiber intake and the incidence of type2 diabetes［J］.Am JClin Nutr，2003，77（3）：622-629.

［8］ANDERSON JW，RANDLES K M，KENDALL C，et al.Carbohydrate and fiber recommendations for individuals with diabetes：a quantitative assessment and meta-analysis of the evidence［J］.Journal of the American College of Nutrition，2004，23（1）：5-17.

［9］WHELTON SP，HYRE A D，PEDERSEN B，et al.Effect of dietary fiber intake on blood pressure：a meta-analysis of randomized，controlled clinical trials［J］.Journal of Hypertension，2005，23（3）：475-481.

［10］陳雪峰，麻佩佩，李睿.擠壓改性對蘋果渣可溶性膳食纖維含量的影響［J］.陜西科技大學學報，2013，31（1）：70-72.

［11］李晶，張連富.玉米皮水溶性膳食纖維的酶法制備［J］.中國糧油學報，2014，29（10）：112-116.

［12］食品中膳食纖維的測定：GB/T 5009.88—2014［S］.北京：國家衛(wèi)生和計劃生育委員會，2014.

［13］RUPEREZ P，SAURA-CALIXTO F.Dietary fiber and physicochemi-cal properties of edible Spanish seaweeds［J］.Europe Food Research Technology，2001，212（3）：349-354.

［14］CHAU C，HUANG Y L.Characterization of passion fruit seed fiber：apotential fiber source［J］.Food Chemistry，2004，85（2）：189-194.

［15］CHAU C F，CHEUNG PC K.Effect of the physic-chemical properties of three legume fiber on cholesterol absorption in hamsters［J］.Nutrition Research，1999，19（2）：257-265.

［16］MURALIDHAR R V，CHIRUMAMILA R R，MARCHANT R，et al.A response surface approach for the comparison of lipase production by Candida cylindrical using two different carbon sources［J］.Biochemical Engineering Journal，2001，9（1）：17-23.

［17］陶姝穎，郭曉軍，令博，等.改性葡萄皮渣膳食纖維的理化特性和結(jié)構(gòu)［J］.食品科學，2012，33（15）：171-177.

An enzymatic modification process of dietary fiber from grape pomace

YANG Hui1，2，WANG Yong-gang3，JIAWen-ting1，2，WU Hong-bin1，2*
（1Agro-Products Processing Research Institute，Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation，Shihezi832000，China；2Key Laboratory of Agro-Products Processing，Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation，Shihezi832000，China；3Hebi Polytechnic，Henan458030，China）

The dietary fiber，a by-product of brewer’s grape pomace，was treated with cellulase so as to improve an extraction yield of grape soluble dietary fiber（GSDF），and then the functional properties of the modified dietary fiberwere analyzed.The results indicated thatwhen the liquid-material ratiowas11 to 1（mL/g），the enzymolysis temperature and time were respectively 52℃and 62 min and the enzyme amountwas added at 1.4 mg/mL，the enzymatic modification process was the best and the extraction yield reached 33.68%；After modification，the dietary fiber was significantly improved in water-holding power，oil-holding power，expansibility and cation exchange capacity.

Grape pomace；Dietary fiber；Enzymatic modification；Functional properties

2016-09-28

楊慧（1986—），女，碩士，助理研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：yanghuicandy＠foxmail.com

*通信作者：吳洪斌（1980—），男，碩士，副研究員，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：wuhongbin1980＠126.com

TS209

A

1000-3924（2017）06-085-06

程智強）