葡萄酿酒副产物膳食纤维提取与应用研究进展

张立娟，刘元，姚骏，郝惠阳，王玥玮

（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

葡萄是葡萄科植物的果实，为落叶藤本植物。葡萄营养丰富，具有抗恶性贫血、杀菌、抗毒等功效[1]，葡萄中含有大量纤维以及矿物质和多种维生素[2]，可作为滋补性水果食用。葡萄的食用方法主要以鲜食、榨汁、干制及酿酒加工为主。

葡萄酿酒副产物（主要以葡萄皮、籽、枝条为主）指的是在葡萄酒的酿制过程中，经过压榨取汁处理或发酵后的副产物，大约占原果重的20%左右[3]。葡萄酿酒副产物中存在着多种且大量的营养成分，其中包括膳食纤维、多酚类物质[4]、芳香物质、酒石酸及葡萄籽油等成分[5-6]，具有良好的医疗保健作用。葡萄的种植比较广泛，据统计，2016年全球葡萄园面积共750万公顷，其中前十名为西班牙、中国、法国、意大利、土耳其、美国、阿尔及尼亚、伊朗、智利和罗马尼亚，种植面积分别为 975、847、785、693、480、443、224、223、214、191 千公顷[7]，葡萄年产量近6 000万吨，每年约有超2 500万吨葡萄用于葡萄酒的酿造，因此产生的副产物高达百万吨[8]。我国葡萄的栽培区域不断扩大，到2016年底，全国葡萄的种植面积超过100万亩的有2个省，超50万亩的省有6个，超10万亩的省有14个，10万亩以下的省有9个[9]。据估算，2019年我国葡萄酒产量为45.1万千升[10]，可产生葡萄酿酒副产物约1.1×105吨～2×105吨。据了解，产生的葡萄酿酒副产物一般有专人回收，除少部分回收提取功能性物质外，大部分葡萄酿酒副产物主要用作饲料、晒干分离葡萄籽和皮直接施入田中作肥料，剩余的被当作垃圾随处堆放、倾倒，不仅造成葡萄酿酒副产物利用方式单一、利用率低等问题，还使环境受到一定污染[11]。因此合理开发利用葡萄酿酒副产物，不仅可以增加产业的附加值，使其经济有效地利用资源，提高葡萄的综合利用价值，还对促进葡萄产业的可持续发展具有重要的发展意义。

1 膳食纤维概述

1.1 膳食纤维定义及分类

1972年Torwels等提出了膳食纤维（dietary fibre，DF）的定义，是指植物性食物中含有的不能被人体消化吸收的多糖类碳水化合物与木质素[12]，包括菊糖、甲壳质、纤维素、木质素、果胶和低聚糖等[13]。

膳食纤维以是否溶解于水中可分为两个基本类型，水溶性纤维与非水溶性纤维。纤维素、部分半纤维素和木质素是3种常见的非水溶性纤维，存在于植物细胞壁中；而果胶和树胶等属于水溶性纤维，则存在于自然界的非纤维性物质中。常见的食物中的大麦、豆类、胡萝卜、柑橘、亚麻、燕麦和燕麦糠等食物都含有丰富的水溶性纤维，水溶性纤维可减缓消化速度和最快速排泄胆固醇，有助于调节免疫系统功能，促进体内有毒重金属的排出，所以可让血液中的血糖和胆固醇控制在最理想的水准之上，还可以帮助糖尿病患者改善胰岛素水平和三酸甘油脂[14-15]。非水溶性纤维包括纤维素、木质素和一些半纤维素以及来自食物中的小麦糠、玉米糠、芹菜、果皮和根茎蔬菜。非水溶性纤维可降低罹患肠癌的风险，同时可经由吸收食物中有毒物质预防便秘和憩室炎，并且降低消化道中细菌排出的毒素[14-15]。

1.2 膳食纤维理化性质及生理功效

根据研究发现，膳食纤维是由各种单糖分子结合组成的大分子结构，具有不同于其它大分子能量物质（碳水化合物、蛋白质、脂质等）的理化特性和生理功效。

膳食纤维具有多种理化性质[16-22]：（1）高吸水性、保水性和膨胀性；（2）黏性；（3）离子交换作用；（4）网孔吸附作用；（5）机械隔离作用；（6）增大容积作用；（7）微生物调节作用；（8）吸附螯合作用等。膳食纤维具有多种生理功效，可在机体中起到重要作用：（1）降血糖作用；（2）促进代谢作用（预防便秘和结肠癌）；（3）预防心血管疾病；（4）治疗肥胖症（塑造体态）；（5）消除外源有害物质；（6）预防脂肪肝；（7）对有机农药有一定吸附作用；（8）抗氧化活性和清除羟基自由基的作用；（9）有抗突变作用；（10）清除 NO2-能力；（11）促进钙、铁、镁吸收的作用。各种不同的膳食纤维其生理功能是不同的，不能认为凡是膳食纤维就具备上述所有的生理功能。

2 葡萄酿酒副产物膳食纤维改性与提取

2.1 改性

葡萄酿酒副产物中不溶性膳食纤维超过60%，可溶性膳食纤维含量仅占9%左右，如对葡萄酿酒副产物中的膳食纤维进行改性以增加可溶性膳食纤维的含量，进而改善葡萄酿酒副产物膳食纤维的理化特性，使其更好的发挥生理功能。目前，应用较多的膳食纤维改性方法有化学改性法、物理改性法、生物改性法以及协同改性法等[23]。

2.1.1 化学改性

最早膳食纤维改性多是应用化学法，在一定的温度、pH值等条件下用酸或碱处理膳食纤维，使其大分子的糖苷键断裂、聚合度下降，形成新的还原性末端，也将一些纤维从不溶于水转变为可溶于水，从而提高可溶性膳食纤维的含量。化学法中碱法改性效果相比其他方法效果更佳。孙艳[24]分别采用酸法和碱法提取8种酿酒葡萄品种的皮渣中可溶性膳食纤维，结果表明采用酸法提取时HCl的浓度对可溶性膳食纤维的提取率影响最大，最优的提取条件为：HCl浓度1.2%、提取温度 75℃、提取时间 75 min、料液比 1∶20（g/mL），此条件下可溶性膳食纤维的含量超过56 mg/g；采用碱法提取时提取温度对可溶性膳食纤维的提取率影响最大，最优的提取条件为：NaOH浓度1.4%、提取温度85℃、提取时间 140 min、料液比 1 ∶10（g/mL），此条件下可溶性膳食纤维的含量超过246.2 mg/g。目前化学改性法较为成熟、成本低廉、便于工业化生产，但由于化学改性效果差、产品得率低、对设备要求高、食用安全性差以及会产生生态污染等问题，因此采用率越来越低[25]。

2.1.2 物理改性

膳食纤维物理改性常用的方法有：超微粉碎、挤压蒸煮、高压膨化、瞬时高压法、蒸汽爆破等，经过物理改性纤维发生破碎、膨化以及氢键、离子键、疏水键等非共价键发生变化[26-27]。陶姝颖等[28]分别采用超微粉碎和挤压超微粉碎技术对葡萄酿酒副产物膳食纤维进行改性，结果表明：两种改性方法均能有效的增加可溶性膳食纤维的含量，经过两种方法改性后葡萄酿酒副产物的可溶性膳食纤维的含量从12.81%分别提高到了15.56%和16.35%，同时其理化性质也有显著改变，改性后纤维颗粒急剧减小但主要成分和化学结构基本无变化。采用物理方法对膳食纤维进行改性，使用的物料都为天然资源，不引入化学物质，不会造成环境污染，产品安全性也较高。因此用物理法改性膳食纤维，是一种重要的清洁生产手段，应用前景广阔。

2.1.3 生物改性

膳食纤维的生物改性一般包括酶法和微生物法两种方法，其基本原理都是利用酶的生物降解和转化机理使蛋白质、淀粉等物质分解，使不溶性纤维类大分子发生降解，增加可溶性膳食纤维的含量[25]。杨慧等[29]采用纤维素酶对新疆酿酒葡萄皮渣副产物膳食纤维进行改性，使可溶性膳食纤维得率达到了33.68%、得到了大幅提高，且改性后的持水性、膨胀力等功能性质均显著提高。王文华[30]将绿色木霉粗酶液用于处理葡萄酿酒副产物，使料液中的可溶性膳食纤维含量达到55%，达到了活化葡萄酿酒副产物膳食纤维的目的。生物改性反应条件温和、反应迅速、能源消耗低、生产成本不高、环境污染小，有较好的使用前景。

2.2 提取

在1950年国外很多国家开始对膳食纤维进行研究。最近二十年膳食纤维的提取和利用研究得到了更多的关注，主要因为人们对膳食纤维生理活性和功能特性认识的不断深入，使食品科学工作者对膳食纤维的研究更为热切。葡萄酿酒副产物中总膳食纤维含量较高，占副产物干质量的70%以上，因此从葡萄酿酒副产物中提取膳食纤维，是合理利用葡萄废弃物的途径之一。目前，提取膳食纤维的方法主要有化学法、酶法以及微生物法。

2.2.1 酸碱法

对葡萄酿酒副产物膳食纤维的化学法提取主要是酸法和碱法。孙艳等[31]分别采用酸法（HCl）及酶法（纤维素酶）提取葡萄酿酒副产物中的可溶性膳食纤维，应用正交试验法优化工艺条件，确定酸法和酶法提取葡萄酿酒副产物中可溶性膳食纤的最佳工艺条件；同时采用酸法和酶法获得的最佳工艺条件，比较8种葡萄酿酒副产物中可溶性膳食纤维的含量。结果表明，HCl与纤维素酶液提取葡萄酿酒副产物中可溶性膳食纤维是可行的，且HCl提取的可溶性膳食纤维的产量普遍高于纤维素酶液，但差异不显著。杜彬等[32]应用酸法提取葡萄酿酒副产物中的可溶性膳食纤维，采用响应面法对可溶性膳食纤维的提取工艺进行优化，最佳工艺条件下提取的可溶性膳食纤维得率为47.56 mg/g。秦婷等[33]以山葡萄酒酿酒副产物为原料，采用酸碱法制备山葡萄皮渣纤维素，优化了山葡萄皮渣纤维素的制备工艺，最优的制备条件为NaCO3质量分数22%，反应时间120 min，反应温度60℃，料液比1∶16（g/mL），最优条件下山葡萄皮渣纤维素的得率为38.89%。酸碱法提取膳食纤维简便快捷，在工业上应用较多，但是得到的膳食纤维色泽相对较差且纯度不高，同时膳食纤维的活性也会遭到破坏，还会产生大量的废水，应用度不高。

2.2.2 酶法

酶法提取膳食纤维是利用纤维素酶、半纤维素酶、糖化酶等水解除去非纤维类物质，同时将大分子纤维分解成小分子的可溶性的膳食纤维的一种提取方法。郭红珍等以葡萄酿酒副产物为原料[34]采用正交试验法优化纤维素酶法提取原料中可溶性膳食纤维，最佳提取条件为：纤维素酶量为2.0%，温度为50℃，提取时间为7 h，pH 5，此条件下可溶性膳食纤维的提取率为14.32%。樊柳等[35]采用多酶法活化葡萄酿酒副产物中的膳食纤维，可增加葡萄酿酒副产物中可溶性膳食纤维含量，通过单因素和正交试验优化得到最佳反应条件为蛋白酶添加量0.3%，糖化酶和纤维素酶（混合酶）的最佳配比1∶4，混合酶添加量1.2%，混合酶酶解温度60℃，混合酶酶解时间120 min。酶法提取工艺简单、反应条件温和、所得产品纯度高，目前应用较广泛。

2.2.3 微生物法

微生物法是采用发酵的原理，在合适的条件下，从原料中提取膳食纤维的一种方法。令博[36]和刘娅[37]等以葡萄酿酒副产物为原料，采用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌混合菌为发酵菌种，以微生物发酵法制取葡萄酿酒副产物膳食纤维，在最佳工艺条件下提取的膳食纤维的产率分别为（17.25±0.23）%和19.54%。微生物发酵法制得的葡萄酿酒副产物膳食纤维素与原料相比膳食纤维的纯度和理化性质均得到一定提高，微生物发酵法是一种较好的高品质膳食纤维制备方法。但此方法不是很完善、需要的条件环境较复杂、工业化生产相对困难。

综合膳食纤维改性和提取方法，葡萄酿酒副产物膳食纤维可先采用物理和生物协同改性方法进行前处理，然后采用酶法对可溶性膳食纤维进行提取，可提高可溶性膳食纤维的得率，同时得到的产品绿色健康、提取工艺高效、对环境无污染。

3 葡萄酿酒副产物膳食纤维的应用

近年来，越来越多的研究人员开始关注膳食纤维与人体健康方面的联系。人们高度重视膳食纤维的补充，除了注意膳食纤维在食物中的添加量外，还将通过加工处理的膳食纤维添加到食品中。国内外现己经开发出了丰富的膳食纤维食物和保健品[38]。葡萄酿酒副产物膳食纤维目前也有不少应用。

3.1 在烘焙产品中的应用

由于葡萄酿酒副产物膳食纤维具有较好的持水功能，将其应用到焙烤食品中可提高食品的适口性和感官喜好性，对其添加量、添加方式及添加后对产品的影响都有学者进行了研究。马慧明等[39]采用双螺杆挤压机对葡萄酿酒副产物进行挤压膨化，对经过膨化改性的物料进行酶解纯化得到可溶性膳食纤维，将得到的葡萄酿酒副产物纤维添加于面包中，通过正交试验研究不同比例的可溶性膳食纤维对面包品质和质构特性的影响，结果表明：以面粉为基料面包配方中可溶性膳食纤维粉的添加量为6%时面包的感官评分最高，加工出的面包硬度、弹性、凝聚力、回复性、咀嚼性、胶着性都可达到面包的品质要求。Mildner-Szkudlarz等[40]将白葡萄酿酒副产物作为膳食纤维的来源添加到饼干中，试验结果表明添加葡萄酿酒副产物膳食纤维的面团吸水性、硬度降低，同时面团的亮度、黄度都有所下降，添加10%的葡萄酿酒副产物可以使饼干的总膳食纤维增加大约88%。

3.2 在肉制品中的应用

葡萄酿酒副产物膳食纤维能够提高肉制品的烹饪质量、增加脂肪持水性并改善产品的质地，还具有较强的抗氧化性[41]。令博[25]将葡萄酿酒副产物纤维添加到低温香肠中，结果表明：纤维对香肠质构和色泽均有显著的影响，尤其是硬度、咀嚼性、亮度值、红度值随添加量增加呈现明显的下降趋势；且在香肠的贮藏过程，葡萄酿酒副产物纤维体现出显著的抗氧化和抑菌效果。

3.3 在乳制品及饮料中的应用

葡萄酿酒副产物膳食纤维具有多种保健功能，还可增加饮料及酸奶的稳定性、改善口感。李凤英等[42]以葡萄皮为原料，用酸法提取葡萄皮中的水溶性膳食纤维并将其应用在饮料中制得一款富含膳食纤维的具有保健作用的葡萄皮饮料。樊柳[38]将制备的葡萄酿酒副产物水溶性膳食纤维添加到酸奶制品里，通过对白砂糖使用量、膳食纤维使用量以及接种量的优化，得出白砂糖含量7.5%，膳食纤维含量3%，菌种含量2.5%时制备的酸奶效果最佳，影响发酵周期的最主要因素是膳食纤维使用量。

3.4 在主食中的应用

主食是指传统上餐桌上的主要食物，它们是人类日常饮食所需蛋白质、淀粉、油脂、矿物质和维生素等的主要来源，因此在主食中添加膳食纤维以提高主食的营养价值显得尤为重要。张进良等[43]将提取的葡萄酿酒副产物膳食纤维与小麦粉混合制成面条，研究巨峰、红宝石和红提葡萄酿酒副产物酸法提取膳食纤维对面条风味的影响，结果表明：添加3种葡萄酿酒副产物膳食纤维的面条风味不同，红宝石品种葡萄中可溶性膳食纤维与不溶性膳食纤维的含量适中，口味最佳，可溶性膳食纤维与不溶性膳食纤维的比值直接影响面条的风味。

葡萄酿酒副产物存在大量的膳食纤维，其生理功能与小麦麦麸纤维相近，可以应用于各种食品中，但小麦麦麸纤维是GB/T 23779-2009《预包装食品中的致敏原成分》[44]中规定的一种食品致敏原，而葡萄酿酒副产物膳食纤维不是食品致敏原，应用范围更广，更安全。

4 展望

膳食纤维可以防病治病，对于预防糖尿病、心脑血管疾病、结肠癌等疾病均有一定的功效，葡萄酿酒副产物膳食纤维作为一种具有多种功能性的天然食品配料，从营养学的角度出发，对人类健康有着重要的作用，而我国的膳食纤维产品种类较少，从葡萄酿酒副产物中提取膳食纤维并进行应用，具有积极的意义，制得的富含膳食纤维产品市场潜力较好。如何高效提取葡萄酿酒副产物中的膳食纤维、纤维的应用及富含膳食纤维产品的推广中所存在的问题成为目前研究的热点。根据当前国内外的开发利用现状，可以从以下几个方面进行深入研究：1）提高葡萄酿酒副产物中可溶性膳食纤维的提取、分离纯化方法的创新性，降低生产成本、缩短提取时间，提高可溶性膳食纤维的得率、纯度；2）尝试更多的改性手段，提高可溶性膳食纤维的含量；3）深入研究葡萄副产物膳食纤维（可溶性及不可溶性纤维）的生物功能，研究葡萄酿酒副产物与其他生物活性成分是否具有协同作用，提高其生物效能；4）加大力度研制富含膳食纤维的功能性产品，拓宽其应用领域。