葡萄皮渣膳食纤维酶法改性工艺研究

杨 慧，王永刚，贾文婷，吴洪斌*

（1新疆农垦科学院农产品加工研究所，石河子 832000；2新疆农垦科学院农产品加工重点实验室，石河子 832000；3鹤壁职业技术学院，河南 458030）

葡萄皮渣膳食纤维酶法改性工艺研究

杨 慧1，2，王永刚3，贾文婷1，2，吴洪斌1，2*

（1新疆农垦科学院农产品加工研究所，石河子 832000；2新疆农垦科学院农产品加工重点实验室，石河子 832000；3鹤壁职业技术学院，河南 458030）

以新疆酿酒葡萄皮渣副产物膳食纤维为主要研究对象，采用纤维素酶法对其进行改性处理，从而提高葡萄皮可溶性膳食纤维（Grape Soluble Dietary Fiber，GSDF）得率，并对其功能性质进行了初步测定。结果表明：液料比11∶1（mL/g），酶解温度52℃，酶解时间62 min，酶添加量1.4 mg/mL时为改性技术最佳工艺条件，得率为33.68%；改性后的持水力、持油力、膨胀力和阳离子交换能力4项功能性质指标均显著提高。

葡萄皮渣；膳食纤维；酶法改性；功能性质

新疆由于得天独厚的气候、地理条件，拥有十分丰富的葡萄资源，2014年种植15万hm2，其中酿酒葡萄2万hm2；葡萄产量达232万t，其中酿酒葡萄60万t［1］。葡萄酒酿制过程中产生大量葡萄皮渣，皮渣中含有大量的膳食纤维、蛋白质等营养物质。这些葡萄皮渣除少部分用作提取花青素外，其余大部分作为饲料甚至直接废弃，既浪费资源又污染环境。据统计，每年废弃的葡萄皮渣数以万吨计［2］。如何将废弃葡萄皮渣变废为宝，已成为新疆葡萄产业快速、健康、持续发展的重要因素。

膳食纤维是一种不被人体消化酶消化和小肠吸收的大分子糖类的总称，是人类第七大营养素，对人体健康有着很重要的生理功能［3-5］，根据溶解性差异分为水溶性膳食纤维（SDF）和不溶膳食纤维（IDF）。据报道增加SDF的摄入量可显著降低血清胆固醇，防止高血脂、糖尿病、中风、高血压等［6-9］。因此膳食纤维中SDF的含量是评价膳食纤维品质的一个重要指标，然而包括葡萄皮膳食纤维在内的许多天然膳食纤维中SDF含量较低，因此研究膳食纤维的改性工艺，提高SDF的含量具有重要的意义。目前膳食纤维的改性技术主要有化学法、酶法、微生物法及物理法等［10］，其中酶法条件温和，不易破坏SDF活性成分。在提取过程中，选用合适的酶进行提取，可以克服细胞壁及细胞间质的双重阻力，破坏细胞壁的致密结构，减少细胞壁及细胞间质传质屏障，从而有利于SDF的溶出［11］。本研究利用纤维素酶对葡萄皮渣膳食纤维进行改性，提高SDF含量，为新疆葡萄产业发展及葡萄皮渣的开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

葡萄皮渣，为酿酒葡萄皮渣，由新疆西域酒业有限公司提供；纤维素酶，美国Sigma公司；无水乙醇、丙酮、浓盐酸、氢氧化钠，均为分析纯。

涡轮自冷式粉碎机，长沙市岳麓区中南制药机械厂；LGJ-18S冷冻干燥机，北京松源华兴科技发展有限公司；DGG-9070B电热恒温鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司；TGL-10B高速离心机，上海安亭科学仪器厂；LD电子天平，沈阳龙腾电子有限公司；SHZ-Ⅲ型循环水真空泵，上海亚荣生化仪器厂；R-201旋转蒸发器，上海申胜生物技术有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 预处理

新鲜葡萄皮渣经水洗、皮籽分离后，放置在恒温干燥箱中60℃干燥12 h，再经涡轮自冷式粉碎机粉碎，过100目筛，作为纤维原料待用。

1.2.2 工艺流程

纤维原料→取样→加水匀浆→酶法去除淀粉和蛋白质→纤维素酶浸提→灭酶→冷却→抽滤残渣→减压浓缩→乙醇沉淀→冷冻干燥→葡萄皮改性膳食纤维（GSDF）。

1.2.3 单因素试验

通过查找相关文献及前期预试验结果，试验考察各影响因素不同水平对葡萄皮膳食纤维酶法改性效果的影响。纤维酶添加量（mg/mL）设置为0.6、0.9、1.2、1.5四个水平，酶解时间（min）设置为 20、40、60、80四个水平，酶解温度（℃）设置为30、40、50、60四个水平，液料比（mL/g）设置为 6∶1、8∶1、10∶1、12∶1四个水平，以GSDF得率及统计分析结果为评判标准。

1.2.4 响应面试验

在单因素试验的基础上，采用Box-Behnken的中心组合试验设计进行响应面试验，以影响GSDF得率的主要参数酶添加量（A）、酶解时间（B）、酶解温度（C）、液料比（D）四因素为自变量，以GSDF得率为响应值，试验因素水平及编码见表1。

表1 响应面试验因素水平及编码Table 1 Factors and levels of response surface test

1.3 分析测试方法

1.3.1 采用国标法［12］测定GSDF得率

1.3.2 功能性质测定

分别测定葡萄皮渣及 GSDF的持水力［13］、持油力［13］、膨胀力［14］、阳离子交换能力［15］。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果与分析

单因素试验结果表明，各因素对葡萄皮膳食纤维酶法改性效果均有显著影响。单因素试验结果如图1所示。

图1 各影响因素对GSDF得率的影响Fig.1 Effects of different factors on GSDF yield

由图1-A可知，随着纤维素酶添加量的增加，GSDF得率呈先上升后平缓的趋势，原因可能是纤维素酶浓度的提高增大了与底物的接触面积，加快了酶促反应速度从而使得率上升。而当纤维素酶添加到一定程度（1.2 mg/mL），此时底物已与酶结合完全，继续增加酶添加量将使酶与底物竞争产生抑制作用，造成酶的浪费。因此，纤维素酶添加量为1.2 mg/mL较为合适。由图1-B可知，GSDF得率随着酶解时间的增加呈先提高后平缓的趋势。通过多重组间比较，发现60 min与20 min和40 min两组相比，具有显著性差异（P＜0.05），但与80 min无显著性差异（P＞0.05）。因此，酶解时间选择60 min较为适宜。由图1-C可知，在30—50℃范围内，GSDF得率随着酶解温度的升高而升高，并在50℃时达到最高。而随着酶解温度进一步提高，GSDF得率迅速下降。分析原因可能是随着酶解温度升高，分子的运动及扩散速度增加，从而提高GSDF的析出，而过高的温度导致酶活降低从而引起得率下降，因此选择酶解温度为50℃。由图1-D可知，随着液料比的增加，GSDF得率呈现上升趋势，但是在10∶1（mL/g）之后，上升趋势变缓，且与其他组间无显著性差异。因此，从经济成本及统计学角度考虑，选择液料比为10∶1（mL/g）。综上所述，单因素筛选出各因素的最佳条件分别为酶添加量1.2 mg/mL，酶解时间60 min，酶解温度为50℃，液料比为10∶1（mL/g）。

2.2 响应面试验结果与分析

2.2.1 响应面试验结果

响应面试验设计及结果见表2。

表2 响应面试验设计与结果Table 2 Design and result of response surface test

（续表1）

2.2.2 回归方程的拟合及方差分析

响应面试验结果经Design-Expert 8.5软件处理分析，采用二阶模型，确定描述各因素与GSDF得率Y之间关系的多元二次回归方程：

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

对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果见表3—4。

表3 回归模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression model

表4 回归系数显著性分析Table4 Significance test for regression coefficients

由表3方差分析结果可知，回归方程二阶效应极显著（P＜0.001），失拟项不显著（P＝0.6447＞0.05），方程相关系数R2＝0.9216，表明响应值GSDF的变化有92.16%来自于影响因素的变化，即回归模型对试验的拟合情况较好，试验误差小，可以很好地描述各因素与响应值之间的真实关系，利用该回归方程确定最佳因素水平。

由表4可知，影响GSDF得率的主次顺序为料液比＞酶解温度＞酶解时间＞酶添加量。一次项中B、C和D对GSDF得率线性关系显著；二次项AC、BD、A2、B2、C2、D2也对GSDF得率也有极高的显著影响，说明回归模型的响应值变化不是简单的线性关系，曲面效应显著。

2.2.3 响应面交互作用分析与优化

绘制响应曲面是响应面试验中评价两试验因素交互作用较为常用的方法，通过它们的形状可以反映出两试验因素之间的交互作用是否显著，比如曲率比较大的椭圆形曲面表示两因素的交互作用显著，而曲率小的则相反［16］。本试验中只有酶添加量A和酶解温度C、酶解时间B和料液比D之间交互作用有显著影响，通过软件绘制出响应面立体图（图2）。

图2 各因素相互作用下GSDF得率的响应面Fig.2 Response surface of GSDF yields interacted by different factors

从图2可以看出：AC、BD两因素交互作用显著，此结论与方差分析结果一致（表3）。从响应面三维图可以看出，过高或过低的各因素水平对GSDF得率均有不利的影响，此结论与单因素试验结果一致（图1）。从图2还可以看出，响应拟合面具有真实的最大响应值，说明各交互因子均有一个最佳编码组合使响应值达到最大值，即各因素在一定水平组合可使GSDF得率达到最大。

2.2.4 反应条件的优化及模型验证

采用Design-Expert软件进行GSDF最佳改性工艺分析，结果发现酶添加量为1.4 mg/mL、酶解时间62 min、酶解温度为52℃、液料比为11∶1（mL/g）条件下，GSDF得率预测值达34.72%。为了验证模型方程的可行性，在此条件下进行3组平行试验，结果GSDF得率为33.68%，与预测值吻合较好。说明预测值与真实值拟合良好，建立的回归模型能真实描述工艺中各因素与评价指标的关系，通过此模型优化能够有效的提高GSDF得率，优化后的工艺条件具有较好的实用价值。

2.3 改性前后葡萄皮渣膳食纤维功能性质比较

葡萄皮渣膳食纤维的功能性质主要有持水力、持油力、膨胀力和阳离子交换能力等，它们是反映葡萄皮渣加工性能的关键指标。改性前后葡萄皮膳食纤维的功能性质有较大改变，如表5所示。

表5 改性前后葡萄皮渣膳食纤维功能性质比较Table 5 Functional properties of dietary fiber from grape pomace before and after modification

由表5可知，经过改性处理后，葡萄皮渣水溶性膳食纤维溶出量、葡萄皮渣放入持水力、持油力、膨胀力及阳离子交换能力都显著提高。分析原因可能是改性处理使纤维结构变得更加疏松，改善了葡萄皮渣与水、油的相互作用，从而提高了葡萄皮渣的持水力、持油力；改性后纤维颗粒的粒度减小［17］，使纤维相对表面积增大，吸水后体积膨胀增加，使改性的纤维膨胀力显著提高；同时，改性处理使膳食纤维中大量极性和非极性基团更多的暴露出来，促使阳离子交换能力显著提高。

3 结论

3.1 单因素试验结果表明，GSDF在改性过程中受酶添加量、酶解时间、酶解温度和料液比4个因素的影响较大。随着酶添加量、酶解时间和料液比的增大，GSDF得率均呈上升趋势；随着酶解温度的升高，GSDF得率先升高后降低。

3.2 响应面试验结果表明，回归模型决定系数较高，与实际情况吻合较好，反映了各因素对GSDF得率的影响规律。由此得出葡萄皮渣膳食纤维酶法改性的最佳工艺条件为：酶添加量为1.4 mg/mL、酶解时间62 min、酶解温度为 52℃、液料比为11∶1（mL/g），此条件下 GSDF溶出量为 33.68 g/（100 g）。

3.3 改性前后葡萄皮渣GSDF溶出量显著提高，功能性质也出现明显变化。持水力、持油力、膨胀力和阳离子交换能力4项指标在纤维素酶改性后均显著提高。

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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

杨慧（1986—），女，硕士，助理研究员，研究方向：农产品加工。E-mail：yanghuicandy＠foxmail.com

*通信作者：吴洪斌（1980—），男，硕士，副研究员，研究方向：农产品加工。E-mail：wuhongbin1980＠126.com

TS209

A

1000-3924（2017）06-085-06

程智强）