蒸汽爆破技術(shù)在葡萄釀酒副產(chǎn)物可溶性膳食纖維提取中的應(yīng)用

張立娟，王琦，佟永薇，鄭琳琳，姚駿，陳闖

（天津市食品研究所有限公司，天津 301609）

葡萄釀酒副產(chǎn)物是指在釀造葡萄酒的過程中，經(jīng)榨汁或發(fā)酵后以葡萄皮、籽、枝條為主的副產(chǎn)物，其重量大約占原果重的20%[1]。葡萄釀酒副產(chǎn)物中含有豐富的膳食纖維、多酚、葡萄籽油、酒石酸等營養(yǎng)成分[2-3]，這些營養(yǎng)成分對人體具有良好的保健功效。葡萄釀酒副產(chǎn)物中的總膳食纖維含量占副產(chǎn)物干質(zhì)量的70%以上，其中可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）含量 9.2%，不溶性膳食纖維（insoluble dietary fiber，IDF）含量超60%。SDF具有多種有益的功效（如預(yù)防心腦血管疾病、改善腸道菌群、抗氧化、清除自由基、阻礙重金屬吸收、維持正常的血糖水平、預(yù)防便秘和結(jié)腸癌等[4-7]），因此膳食纖維中SDF的含量是評價(jià)膳食纖維生理功能的一個(gè)重要指標(biāo)[8]。膳食纖維中SDF含量占膳食纖維的比例高于10%才稱為高品質(zhì)膳食纖維[9]，但葡萄釀酒副產(chǎn)物中可溶性膳食纖維含量并未達(dá)到這一要求，因此可采用一定的方法對膳食纖維改性，以增大SDF所占比例，進(jìn)而使膳食纖維的理化及功效特性得到增強(qiáng)。

蒸汽爆破（steam explosion，SE）技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一種預(yù)處理方法，可在高溫高壓蒸汽作用下破壞生物質(zhì)的細(xì)胞壁物質(zhì)，使纖維素聚合度下降，半纖維素部分降解，木質(zhì)素軟化。原料被過熱液體潤脹，孔隙中充滿蒸汽，當(dāng)瞬間（毫秒級）泄壓時(shí)，原料孔隙中的水汽迅速氣化，體積急劇膨脹而產(chǎn)生“爆破”效果，從而實(shí)現(xiàn)原料的組分離散和結(jié)構(gòu)改變，使目標(biāo)成分從細(xì)胞內(nèi)溶出進(jìn)入提取液中[10-12]。蒸汽爆破技術(shù)在生物質(zhì)能[13]、紡織工業(yè)[14]、飼料[15]和食品[16-18]等行業(yè)都有應(yīng)用。鄭佳欣[19]研究發(fā)現(xiàn)利用蒸汽爆破技術(shù)改性刺梨渣膳食纖維，可顯著促進(jìn)刺梨渣中不溶性膳食纖維向可溶性膳食纖維轉(zhuǎn)化并在一定程度上改變其結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)。蒸汽爆破技術(shù)對葡萄釀酒副產(chǎn)物可溶性膳食纖維提取的影響鮮有報(bào)道。

為了提高可溶性膳食纖維的提取率，本文對葡萄釀酒副產(chǎn)物進(jìn)行蒸汽爆破預(yù)處理，考察物料粒徑、物料含水率、蒸汽爆破壓力、維壓時(shí)間對SDF提取率的影響，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化蒸汽爆破預(yù)處理的最優(yōu)工藝，以期為葡萄釀酒副產(chǎn)物可溶性膳食纖維的更深入研究及葡萄釀酒副產(chǎn)物資源的綜合利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葡萄釀酒副產(chǎn)物：某葡萄釀酒公司；纖維素酶（3 U/mg）：北京索萊寶科技有限公司；無水乙醇、95%乙醇、丙酮、石油醚、氫氧化鈉、重鉻酸鉀、三羥甲基氨基甲烷、冰乙酸、鹽酸、硫酸（分析純）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；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）：南寧東恒華道生物科技有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QBS-80蒸汽爆破機(jī)：鶴壁正道生物能源有限公司；DHG-9625A鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；FW-300高速萬能粉碎機(jī)：常州市國旺儀器制造有限公司；HH-3數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州榮華儀器制造有限公司；CLT55臺式低速大容量離心機(jī)：湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

葡萄釀酒副產(chǎn)物SDF提取工藝流程：葡萄釀酒副產(chǎn)物→干燥、過篩、破碎→蒸汽爆破→粉碎→酶解→離心、過濾→測定上清液中SDF含量。

1.3.2 操作要點(diǎn)

1.3.2.1 葡萄釀酒副產(chǎn)物預(yù)處理

葡萄釀酒副產(chǎn)物經(jīng)水洗除雜后放入60℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥12 h。干燥后的葡萄釀酒副產(chǎn)物用粉碎機(jī)粉碎，并依次通過不同孔徑的樣品篩，收集不同粒度的樣品待用。

1.3.2.2 蒸汽爆破處理葡萄釀酒副產(chǎn)物粉

取200 g葡萄釀酒副產(chǎn)物粉放入蒸汽爆破機(jī)處理倉中，通入飽和水蒸氣，使處理倉中壓力達(dá)到設(shè)定值，維持壓力一定時(shí)間后，瞬間釋放壓力，完成樣品的蒸汽爆破處理，收集處理后的葡萄釀酒副產(chǎn)物粉待用。

1.3.2.3 酶解

參考郭紅珍等[20]的方法，略做修改。取1.3.2.2的蒸汽爆破處理葡萄釀酒副產(chǎn)物粉，加入20倍的蒸餾水，攪拌均勻，調(diào)pH5，40℃加熱5 min后加入0.06%的纖維素酶，酶解2 h后滅酶。

1.3.2.4 SDF提取

酶解液冷卻至室溫（25℃）后4 000 r/min離心20 min，收集上清液，測定上清液中的SDF含量。

1.3.3 SDF提取率的測定

SDF含量參考GB 5009.88—2014《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中膳食纖維的測定》[21]的方法測定，每個(gè)樣品重復(fù)測定3次。SDF提取率/%=[上清液中SDF含量（g/100g）×上清液的質(zhì)量（g）]/原料干重（g）×100。

1.3.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取物料粒徑、物料含水率、蒸汽爆破時(shí)的蒸汽壓力和維壓時(shí)間作為影響葡萄釀酒副產(chǎn)物SDF提取率的4個(gè)因素，固定原料質(zhì)量和蒸汽爆破溫度不變，選取4個(gè)因素水平為：物料粒徑160 μm（過90目篩）、212 μm（過 70 目篩）、270 μm（過 50 目篩）、550 μm（過30目篩）、>550 μm（過 30目篩的篩上物）；物料含水率5%、10%、15%、20%、25%、30%；蒸汽壓力 0.7、0.9、1.1、1.3、1.5、1.7MPa；維壓時(shí)間 1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5min。

1.3.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以蒸汽爆破后葡萄釀酒副產(chǎn)物SDF的提取率為考察指標(biāo)，以物料粒徑、物料含水率、蒸汽壓力、維壓時(shí)間為試驗(yàn)因素，根據(jù)SDF的提取率優(yōu)化蒸汽爆破處理?xiàng)l件。正交試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factor and level for orthogonal design

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SigmaPlot 14.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 物料粒徑對蒸汽爆破效果的影響

按照1.3.4的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，固定物料含水率20%、蒸汽壓力1.1 MPa、維壓時(shí)間2.0 min，對葡萄釀酒副產(chǎn)物進(jìn)行蒸汽爆破處理。物料粒徑對SDF提取率的影響見圖1。

圖1 物料粒徑對SDF提取率的影響Fig.1 Effect of different material particle size on SDF extraction ratio

由圖1可知，物料粒徑在270 μm時(shí)，葡萄釀酒副產(chǎn)物中的SDF提取率達(dá)到最大值，為40.2%，當(dāng)物料粒徑大于270 μm時(shí)，SDF提取率隨物料粒徑的減小而增加，這是因?yàn)槲锪狭阶冃『笈c水蒸氣的總接觸面積變大，使更多的物料能夠參與蒸汽爆破，進(jìn)而使更多的SDF溶出，提取率增加；當(dāng)物料粒徑在270μm～160 μm時(shí)，葡萄釀酒副產(chǎn)物中SDF的提取率隨著物料粒徑的減小而減小，這可能是因?yàn)槲锪狭教。锪现g空隙較小，不利于蒸汽爆破，因?yàn)槲锪腺N合太緊密不利于蒸汽的溶脹從而減弱蒸汽的作用[12]。因此，選擇蒸汽爆破時(shí)葡萄釀酒副產(chǎn)物的粒徑為550 μm～212 μm進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.2 物料含水率對蒸汽爆破效果的影響

按照1.3.4的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，固定物料粒徑270 μm、蒸汽壓力1.1 MPa、維壓時(shí)間2.0 min，對葡萄釀酒副產(chǎn)物進(jìn)行蒸汽爆破處理。物料含水率對SDF提取率的影響見圖2。

圖2 物料含水率對SDF提取率的影響Fig.2 Effect of different material moisture content on SDF extraction ratio

由圖2可知，物料含水率為20%時(shí)，SDF提取率達(dá)到最高，為40.8%；物料含水率在5%～20%時(shí)，SDF提取率隨著物料含水率的增加而提高，主要是因?yàn)槲锪虾瘦^低時(shí)不能夠充分溶脹，蒸汽滲透效率較差，進(jìn)而影響蒸汽爆破效果；物料含水率在20%～30%之間時(shí)，SDF提取率隨著物料含水率的增加而降低，這可能是因?yàn)楹蔬^高造成物料過飽和，多余的水分填充物料內(nèi)部間隙，阻礙蒸汽的滲透，降低蒸汽爆破效果[12]。因此，選擇蒸汽爆破時(shí)葡萄釀酒副產(chǎn)物的含水率為15%～25%進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.3 蒸汽壓力對蒸汽爆破效果的影響

按照1.3.4的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，固定物料粒徑270 μm、物料含水率20%、維壓時(shí)間2.0 min，對葡萄釀酒副產(chǎn)物進(jìn)行蒸汽爆破處理。蒸汽壓力對SDF提取率的影響見圖3。

圖3 蒸汽壓力對SDF提取率的影響Fig.3 Effect of different steam pressure on SDF extraction ratio

由圖3可知，蒸汽壓力1.1 MPa時(shí)，SDF提取率最高，可達(dá)40.6%；蒸汽壓力在0.7 MPa～1.1 MPa時(shí)，SDF提取率隨著蒸汽壓力的增加而提高，主要是因?yàn)榧訅汉笥滞蝗恍箟菏沟盟魵饧彼倥蛎洠瑢?dǎo)致不溶性膳食纖維中的木質(zhì)素的糖苷鍵斷裂形成小分子的還原糖[12]，進(jìn)而提高SDF的提取率；蒸汽壓力在1.1 MPa～1.7 MPa時(shí)，SDF提取率隨著蒸汽壓力的增加而降低，這可能是因?yàn)檎羝麎毫^大，泄壓時(shí)水蒸氣膨脹力過強(qiáng)，使得部分SDF發(fā)生降解[22]。因此，選擇蒸汽爆破時(shí)的蒸汽壓力為0.9 MPa～1.3 MPa進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.1.4 維壓時(shí)間對蒸汽爆破效果的影響

按照1.3.4的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，固定物料粒徑270 μm、物料含水率20%、蒸汽壓力1.1 MPa，對葡萄釀酒副產(chǎn)物進(jìn)行蒸汽爆破處理。維壓時(shí)間對SDF提取率的影響見圖4。

圖4 維壓時(shí)間對SDF提取率的影響Fig.4 Effect of different maintenance pressure time on SDF extraction ratio

由圖4可知，當(dāng)維壓時(shí)間為2.5 min時(shí)，SDF的提取率達(dá)到最高（41.7%）。維壓時(shí)間在1.0 min～2.5 min時(shí)，葡萄釀酒副產(chǎn)物中的SDF提取率隨維壓時(shí)間的延長而增加，這可能是由于隨著維壓時(shí)間的延長水蒸氣能更多更徹底地滲透到物料中，泄壓時(shí)水蒸氣的膨脹力作用更充分，進(jìn)而提高了SDF的提取率；當(dāng)維壓時(shí)間超過2.5 min后，SDF的提取率隨著維壓時(shí)間的延長而降低，這主要是因?yàn)樵诟邷馗邏簵l件下可能會(huì)促使SDF發(fā)生化學(xué)變化，或降解成更小分子的物質(zhì)，或發(fā)生聚合反應(yīng)。因此，選擇蒸汽爆破時(shí)的維壓時(shí)間為2.0 min～3.0 min進(jìn)行正交試驗(yàn)。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

葡萄釀酒副產(chǎn)物可溶性膳食纖維提取條件的L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以看出，各因素對SDF提取率影響大小的次序?yàn)锽>A>D>C，即物料含水率>物料粒徑>維壓時(shí)間>蒸汽壓力。SDF提取率的最優(yōu)方案為A2B2C3D1，即物料粒徑270 μm，物料含水率20%，蒸汽壓力1.3 MPa，維壓時(shí)間2.0 min。優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果與正交試驗(yàn)過程中的最佳組合（第5組）一致。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of the orthogonal experiment

2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

在最優(yōu)的試驗(yàn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Verify test results

由表3可知，5組驗(yàn)證試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說明數(shù)據(jù)的離散程度較小，試驗(yàn)重復(fù)性較好，工藝較穩(wěn)定。葡萄釀酒副產(chǎn)物經(jīng)過蒸汽爆破處理后再進(jìn)行酶解，SDF的提取率為41.20%；不經(jīng)蒸汽爆破處理直接進(jìn)行酶解，SDF的提取率為33.16%，SDF提取率提高了24.25%，說明蒸汽爆破處理可顯著提高SDF的提取率。

3 結(jié)論

以葡萄釀酒副產(chǎn)物為原料，采用蒸汽爆破技術(shù)對其進(jìn)行預(yù)處理以提高可溶性膳食纖維（SDF）的提取率。試驗(yàn)考察物料粒徑、物料含水率、蒸汽壓力、維壓時(shí)間對SDF提取率的影響，經(jīng)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)優(yōu)化，得到蒸汽爆破處理葡萄釀酒副產(chǎn)物的最優(yōu)工藝條件：物料粒徑270 μm，物料含水率20%，蒸汽壓力1.3 MPa，維壓時(shí)間2.0 min，此工藝條件下SDF的提取率為41.20%，比不經(jīng)過蒸汽爆破處理的SDF提取率提高了24.25%。經(jīng)過蒸汽爆破預(yù)處理后提高了葡萄釀酒副產(chǎn)物SDF的提取率，為葡萄釀酒副產(chǎn)物SDF的開發(fā)提供理論依據(jù)，提升了葡萄釀酒副產(chǎn)物的附加值。