蒸汽爆破技术在葡萄酿酒副产物可溶性膳食纤维提取中的应用

张立娟，王琦，佟永薇，郑琳琳，姚骏，陈闯

（天津市食品研究所有限公司，天津 301609）

葡萄酿酒副产物是指在酿造葡萄酒的过程中，经榨汁或发酵后以葡萄皮、籽、枝条为主的副产物，其重量大约占原果重的20%[1]。葡萄酿酒副产物中含有丰富的膳食纤维、多酚、葡萄籽油、酒石酸等营养成分[2-3]，这些营养成分对人体具有良好的保健功效。葡萄酿酒副产物中的总膳食纤维含量占副产物干质量的70%以上，其中可溶性膳食纤维（soluble dietary fiber，SDF）含量 9.2%，不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber，IDF）含量超60%。SDF具有多种有益的功效（如预防心脑血管疾病、改善肠道菌群、抗氧化、清除自由基、阻碍重金属吸收、维持正常的血糖水平、预防便秘和结肠癌等[4-7]），因此膳食纤维中SDF的含量是评价膳食纤维生理功能的一个重要指标[8]。膳食纤维中SDF含量占膳食纤维的比例高于10%才称为高品质膳食纤维[9]，但葡萄酿酒副产物中可溶性膳食纤维含量并未达到这一要求，因此可采用一定的方法对膳食纤维改性，以增大SDF所占比例，进而使膳食纤维的理化及功效特性得到增强。

蒸汽爆破（steam explosion，SE）技术是近年来迅速发展的一种预处理方法，可在高温高压蒸汽作用下破坏生物质的细胞壁物质，使纤维素聚合度下降，半纤维素部分降解，木质素软化。原料被过热液体润胀，孔隙中充满蒸汽，当瞬间（毫秒级）泄压时，原料孔隙中的水汽迅速气化，体积急剧膨胀而产生“爆破”效果，从而实现原料的组分离散和结构改变，使目标成分从细胞内溶出进入提取液中[10-12]。蒸汽爆破技术在生物质能[13]、纺织工业[14]、饲料[15]和食品[16-18]等行业都有应用。郑佳欣[19]研究发现利用蒸汽爆破技术改性刺梨渣膳食纤维，可显著促进刺梨渣中不溶性膳食纤维向可溶性膳食纤维转化并在一定程度上改变其结构和功能性质。蒸汽爆破技术对葡萄酿酒副产物可溶性膳食纤维提取的影响鲜有报道。

为了提高可溶性膳食纤维的提取率，本文对葡萄酿酒副产物进行蒸汽爆破预处理，考察物料粒径、物料含水率、蒸汽爆破压力、维压时间对SDF提取率的影响，通过正交试验优化蒸汽爆破预处理的最优工艺，以期为葡萄酿酒副产物可溶性膳食纤维的更深入研究及葡萄酿酒副产物资源的综合利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葡萄酿酒副产物：某葡萄酿酒公司；纤维素酶（3 U/mg）：北京索莱宝科技有限公司；无水乙醇、95%乙醇、丙酮、石油醚、氢氧化钠、重铬酸钾、三羟甲基氨基甲烷、冰乙酸、盐酸、硫酸（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司；α-淀粉酶（10 000 U/mL）、蛋白酶（300 U/mL）、淀粉葡萄糖苷酶（3 000 U/mL）：南宁东恒华道生物科技有限责任公司。

1.2 仪器与设备

QBS-80蒸汽爆破机：鹤壁正道生物能源有限公司；DHG-9625A鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；FW-300高速万能粉碎机：常州市国旺仪器制造有限公司；HH-3数显恒温水浴锅：常州荣华仪器制造有限公司；CLT55台式低速大容量离心机：湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

葡萄酿酒副产物SDF提取工艺流程：葡萄酿酒副产物→干燥、过筛、破碎→蒸汽爆破→粉碎→酶解→离心、过滤→测定上清液中SDF含量。

1.3.2 操作要点

1.3.2.1 葡萄酿酒副产物预处理

葡萄酿酒副产物经水洗除杂后放入60℃鼓风干燥箱中干燥12 h。干燥后的葡萄酿酒副产物用粉碎机粉碎，并依次通过不同孔径的样品筛，收集不同粒度的样品待用。

1.3.2.2 蒸汽爆破处理葡萄酿酒副产物粉

取200 g葡萄酿酒副产物粉放入蒸汽爆破机处理仓中，通入饱和水蒸气，使处理仓中压力达到设定值，维持压力一定时间后，瞬间释放压力，完成样品的蒸汽爆破处理，收集处理后的葡萄酿酒副产物粉待用。

1.3.2.3 酶解

参考郭红珍等[20]的方法，略做修改。取1.3.2.2的蒸汽爆破处理葡萄酿酒副产物粉，加入20倍的蒸馏水，搅拌均匀，调pH5，40℃加热5 min后加入0.06%的纤维素酶，酶解2 h后灭酶。

1.3.2.4 SDF提取

酶解液冷却至室温（25℃）后4 000 r/min离心20 min，收集上清液，测定上清液中的SDF含量。

1.3.3 SDF提取率的测定

SDF含量参考GB 5009.88—2014《食品安全国家标准食品中膳食纤维的测定》[21]的方法测定，每个样品重复测定3次。SDF提取率/%=[上清液中SDF含量（g/100g）×上清液的质量（g）]/原料干重（g）×100。

1.3.4 单因素试验设计

选取物料粒径、物料含水率、蒸汽爆破时的蒸汽压力和维压时间作为影响葡萄酿酒副产物SDF提取率的4个因素，固定原料质量和蒸汽爆破温度不变，选取4个因素水平为：物料粒径160 μm（过90目筛）、212 μm（过 70 目筛）、270 μm（过 50 目筛）、550 μm（过30目筛）、>550 μm（过 30目筛的筛上物）；物料含水率5%、10%、15%、20%、25%、30%；蒸汽压力 0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7MPa；维压时间 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5min。

1.3.5 正交试验设计

在单因素试验的基础上，采用L9（34）进行正交试验设计，以蒸汽爆破后葡萄酿酒副产物SDF的提取率为考察指标，以物料粒径、物料含水率、蒸汽压力、维压时间为试验因素，根据SDF的提取率优化蒸汽爆破处理条件。正交试验因素水平见表1。

表1 正交试验因素及水平Table 1 Factor and level for orthogonal design

1.3.6 数据处理

采用Excel 2010和SigmaPlot 14.0软件对试验数据进行分析处理及作图。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 物料粒径对蒸汽爆破效果的影响

按照1.3.4的试验设计，固定物料含水率20%、蒸汽压力1.1 MPa、维压时间2.0 min，对葡萄酿酒副产物进行蒸汽爆破处理。物料粒径对SDF提取率的影响见图1。

图1 物料粒径对SDF提取率的影响Fig.1 Effect of different material particle size on SDF extraction ratio

由图1可知，物料粒径在270 μm时，葡萄酿酒副产物中的SDF提取率达到最大值，为40.2%，当物料粒径大于270 μm时，SDF提取率随物料粒径的减小而增加，这是因为物料粒径变小后与水蒸气的总接触面积变大，使更多的物料能够参与蒸汽爆破，进而使更多的SDF溶出，提取率增加；当物料粒径在270μm～160 μm时，葡萄酿酒副产物中SDF的提取率随着物料粒径的减小而减小，这可能是因为物料粒径太小，物料之间空隙较小，不利于蒸汽爆破，因为物料贴合太紧密不利于蒸汽的溶胀从而减弱蒸汽的作用[12]。因此，选择蒸汽爆破时葡萄酿酒副产物的粒径为550 μm～212 μm进行正交试验。

2.1.2 物料含水率对蒸汽爆破效果的影响

按照1.3.4的试验设计，固定物料粒径270 μm、蒸汽压力1.1 MPa、维压时间2.0 min，对葡萄酿酒副产物进行蒸汽爆破处理。物料含水率对SDF提取率的影响见图2。

图2 物料含水率对SDF提取率的影响Fig.2 Effect of different material moisture content on SDF extraction ratio

由图2可知，物料含水率为20%时，SDF提取率达到最高，为40.8%；物料含水率在5%～20%时，SDF提取率随着物料含水率的增加而提高，主要是因为物料含水率较低时不能够充分溶胀，蒸汽渗透效率较差，进而影响蒸汽爆破效果；物料含水率在20%～30%之间时，SDF提取率随着物料含水率的增加而降低，这可能是因为含水率过高造成物料过饱和，多余的水分填充物料内部间隙，阻碍蒸汽的渗透，降低蒸汽爆破效果[12]。因此，选择蒸汽爆破时葡萄酿酒副产物的含水率为15%～25%进行正交试验。

2.1.3 蒸汽压力对蒸汽爆破效果的影响

按照1.3.4的试验设计，固定物料粒径270 μm、物料含水率20%、维压时间2.0 min，对葡萄酿酒副产物进行蒸汽爆破处理。蒸汽压力对SDF提取率的影响见图3。

图3 蒸汽压力对SDF提取率的影响Fig.3 Effect of different steam pressure on SDF extraction ratio

由图3可知，蒸汽压力1.1 MPa时，SDF提取率最高，可达40.6%；蒸汽压力在0.7 MPa～1.1 MPa时，SDF提取率随着蒸汽压力的增加而提高，主要是因为加压后又突然泄压使得水蒸气急速膨胀，导致不溶性膳食纤维中的木质素的糖苷键断裂形成小分子的还原糖[12]，进而提高SDF的提取率；蒸汽压力在1.1 MPa～1.7 MPa时，SDF提取率随着蒸汽压力的增加而降低，这可能是因为蒸汽压力过大，泄压时水蒸气膨胀力过强，使得部分SDF发生降解[22]。因此，选择蒸汽爆破时的蒸汽压力为0.9 MPa～1.3 MPa进行正交试验。

2.1.4 维压时间对蒸汽爆破效果的影响

按照1.3.4的试验设计，固定物料粒径270 μm、物料含水率20%、蒸汽压力1.1 MPa，对葡萄酿酒副产物进行蒸汽爆破处理。维压时间对SDF提取率的影响见图4。

图4 维压时间对SDF提取率的影响Fig.4 Effect of different maintenance pressure time on SDF extraction ratio

由图4可知，当维压时间为2.5 min时，SDF的提取率达到最高（41.7%）。维压时间在1.0 min～2.5 min时，葡萄酿酒副产物中的SDF提取率随维压时间的延长而增加，这可能是由于随着维压时间的延长水蒸气能更多更彻底地渗透到物料中，泄压时水蒸气的膨胀力作用更充分，进而提高了SDF的提取率；当维压时间超过2.5 min后，SDF的提取率随着维压时间的延长而降低，这主要是因为在高温高压条件下可能会促使SDF发生化学变化，或降解成更小分子的物质，或发生聚合反应。因此，选择蒸汽爆破时的维压时间为2.0 min～3.0 min进行正交试验。

2.2 正交试验结果与分析

2.2.1 正交试验结果

葡萄酿酒副产物可溶性膳食纤维提取条件的L9（34）正交试验结果见表2。

由表2可以看出，各因素对SDF提取率影响大小的次序为B>A>D>C，即物料含水率>物料粒径>维压时间>蒸汽压力。SDF提取率的最优方案为A2B2C3D1，即物料粒径270 μm，物料含水率20%，蒸汽压力1.3 MPa，维压时间2.0 min。优化后的试验结果与正交试验过程中的最佳组合（第5组）一致。

表2 正交试验结果Table 2 Results of the orthogonal experiment

2.2.2 验证试验

在最优的试验条件下进行验证试验，试验结果见表3。

表3 验证试验结果Table 3 Verify test results

由表3可知，5组验证试验标准偏差较小，说明数据的离散程度较小，试验重复性较好，工艺较稳定。葡萄酿酒副产物经过蒸汽爆破处理后再进行酶解，SDF的提取率为41.20%；不经蒸汽爆破处理直接进行酶解，SDF的提取率为33.16%，SDF提取率提高了24.25%，说明蒸汽爆破处理可显著提高SDF的提取率。

3 结论

以葡萄酿酒副产物为原料，采用蒸汽爆破技术对其进行预处理以提高可溶性膳食纤维（SDF）的提取率。试验考察物料粒径、物料含水率、蒸汽压力、维压时间对SDF提取率的影响，经单因素试验和正交试验优化，得到蒸汽爆破处理葡萄酿酒副产物的最优工艺条件：物料粒径270 μm，物料含水率20%，蒸汽压力1.3 MPa，维压时间2.0 min，此工艺条件下SDF的提取率为41.20%，比不经过蒸汽爆破处理的SDF提取率提高了24.25%。经过蒸汽爆破预处理后提高了葡萄酿酒副产物SDF的提取率，为葡萄酿酒副产物SDF的开发提供理论依据，提升了葡萄酿酒副产物的附加值。