響應(yīng)面法優(yōu)化堿法提取啤酒糟中可溶性膳食纖維的工藝研究

許禎毅，李力，姜咸彪，范俐

（武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院，福建 武夷山 354300）

啤酒糟是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中原料經(jīng)過(guò)處理后得到的固體物質(zhì)[1-2]，約占啤酒工業(yè)副產(chǎn)物的80%以上[3]。啤酒糟營(yíng)養(yǎng)成分豐富，其中蛋白質(zhì)含量約20%～30%[4]、膳食纖維含量達(dá)50%左右[5]，脂肪含量在5.8%～11.0%之間[6]，除主要成分以外，還含有維生素、礦物質(zhì)、單寧和香精油等成分[7]。2019年，國(guó)內(nèi)啤酒產(chǎn)量約為3 765.3萬(wàn)噸[8]，其中副產(chǎn)物約有400萬(wàn)噸（濕產(chǎn)物），而絕大多數(shù)啤酒廠都是將酒糟作為副產(chǎn)物直接低價(jià)出售，甚至有些小啤酒廠直接將濕酒糟排放到水體中或空地上，不僅污染環(huán)境，而且也是對(duì)糧食資源的浪費(fèi)。

膳食纖維被營(yíng)養(yǎng)學(xué)界認(rèn)定為“第七類營(yíng)養(yǎng)素”[9-10]，根據(jù)溶解性不同，可將膳食纖維分為可溶性膳食纖維（soluble dietary fiber，SDF）和不溶性膳食纖維兩類，其中SDF能量很低，吸水性強(qiáng)，有助于降低膽固醇，用于治療和預(yù)防心臟病、高血壓、糖尿病等慢性疾病，而且其溶解快、無(wú)色無(wú)味，是當(dāng)前保健食品行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，市場(chǎng)需求量較大[11-15]。近年來(lái)，有關(guān)植物中膳食纖維的提取方法主要有酶解法提取、酸堿提取、微生物提取、超聲波輔助提取等[16-20]。其中，堿法提取具有操作簡(jiǎn)單、易于控制，成本低，得率高等優(yōu)點(diǎn)，是提取SDF最廣泛使用的方法之一[9，21]。本研究采用堿法提取啤酒糟中SDF，以期提高啤酒糟的綜合利用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

啤酒糟：九江廬山啤酒有限公司；氫氧化鈉、鹽酸（分析純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水：武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自制。

電子分析天平（FA224型）：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；pH計(jì)（PHS-3E型）：上海儀電分析儀器有限公司；微型植物試樣粉碎機(jī)（FW80型）：天津泰斯特儀器有限公司；水浴恒溫振蕩器（SHA-C型）：常州榮華儀器制造有限公司；數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9245A型）：上海精密儀器儀表有限公司；高速冷凍離心機(jī)（Neofuge23R型）：上海力申科學(xué)儀器有限公司；循環(huán)水式多用真空泵（SHZ-D型）：河南予華儀器有限責(zé)任公司。

1.2 方法

1.2.1 堿法提取啤酒糟中SDF

1.2.1.1 試樣預(yù)處理

稱取質(zhì)量為ms啤酒糟試樣，置于（70±1）℃恒溫干燥箱內(nèi)干燥至恒重（前后兩次質(zhì)量之差不超過(guò)0.005g）。將干燥后試樣轉(zhuǎn)至干燥器中，待溫度降到室溫（25℃）后稱重（md），根據(jù)干燥前后試樣質(zhì)量，計(jì)算試樣質(zhì)量損失因子（f）。干燥試樣經(jīng)粉碎后置于干燥器內(nèi)備用。

式中：ms為濕啤酒糟初始質(zhì)量，g；md為啤酒糟干燥恒重后質(zhì)量，g。

1.2.1.2 堿法提取SDF流程

取粉碎后的啤酒糟樣品1 g（精確至0.001 g）置于錐形瓶?jī)?nèi)，加入一定量的8%NaOH溶液，混勻，在水浴中浸提一定時(shí)間后趁熱減壓過(guò)濾，收集濾液，待濾液冷卻至室溫（25℃）后用3 mol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)濾液的pH值至4.5，再次過(guò)濾，并用50 mL的離心管收集濾液，向?yàn)V液中加入4倍體積的95%乙醇（即上清液與乙醇體積比1∶4），靜置沉淀后，在5 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min，將沉淀轉(zhuǎn)移至已恒重的鋁盒（含鋁蓋）中，在70℃下干燥至恒重，稱重，計(jì)算啤酒糟中SDF得率。

式中：m為試驗(yàn)用啤酒糟粉末的質(zhì)量，g；m1為干燥的空離心管的質(zhì)量，mg；m2為離心管和干燥稱重的SDF 質(zhì)量之和，mg。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

影響堿法提取啤酒糟中SDF得率的主要因素有液料比、提取溫度、提取時(shí)間和沉淀時(shí)間，因此本試驗(yàn)選取質(zhì)量濃度為8%的NaOH溶液作為提取液，分別以液料比[15:1、20:1、25:1、30:1、35:1（mL/g）]、提取溫度（25、35、40、45、50 ℃）、提取時(shí)間（20、40、60、80、100 min）和沉淀時(shí)間（2、4、6、8、10 h）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，考察不同因素對(duì)堿法提取啤酒糟中SDF得率的影響情況。

1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化堿法提取工藝試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用Design Expert 8.0.6軟件優(yōu)化四因素三水平的設(shè)計(jì)方案，以啤酒糟中SDF得率為響應(yīng)值，以液料比（A）、提取溫度（B）、提取時(shí)間（C）和沉淀時(shí)間（D）為試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，優(yōu)化啤酒糟中SDF提取的工藝。響應(yīng)面方案設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素與水平如表1。

表1 響應(yīng)面方案設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental design and results for response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 啤酒糟中SDF堿法提取條件的單因素試驗(yàn)

2.1.1 液料比對(duì)SDF得率的影響

液料比對(duì)SDF得率的影響見(jiàn)圖1。

圖1 液料比對(duì)SDF得率的影響Fig.1 Effects of liquid-solid ratio on the yield of SDF

如圖 1 可知，液料比在 15∶1（mL/g）～30∶1（mL/g）范圍內(nèi)，啤酒糟中SDF得率隨著液料比的增加逐漸提高，當(dāng)液料比為35∶1（mL/g）時(shí)，SDF得率變化不明顯，這是由于液料比較低時(shí)，SDF提取不充分，再加上此時(shí)提取液較黏稠，也不利于SDF的分離過(guò)濾，因此造成SDF 得率較低，當(dāng)液料比為 30∶1（mL/g）時(shí)，整個(gè)提取體系較適合SDF的提取和分離過(guò)濾，隨后隨著液料比的進(jìn)一步增加，SDF得率也趨于穩(wěn)定。綜合考慮提取效果和試劑消耗，最終將液料比固定為30∶1（mL/g）。

2.1.2 提取溫度對(duì)SDF得率的影響

提取溫度對(duì)SDF得率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 提取溫度對(duì)SDF得率的影響Fig.2 Effects of extraction temperature on the yield of SDF

如圖2可知，在25℃～40℃時(shí)，隨著提取溫度的升高，啤酒糟中SDF得率也在緩慢增加，但變化不顯著，當(dāng)提取溫度為45℃時(shí)，SDF的得率顯著高于40℃時(shí)的得率，當(dāng)溫度達(dá)到50℃時(shí)，SDF得率又呈下降趨勢(shì)。通過(guò)試驗(yàn)表明，適當(dāng)增加提取溫度，可促進(jìn)和加快啤酒糟中SDF的提取，但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致SDF部分分解，降低SDF得率[22]。因此提取溫度不宜超過(guò)45℃。

2.1.3 提取時(shí)間對(duì)SDF得率的影響

提取時(shí)間對(duì)SDF得率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 提取時(shí)間對(duì)SDF得率的影響Fig.3 Effects of extraction time on the yield of SDF

如圖3可知，在20 min～100 min的提取時(shí)間里，啤酒糟中SDF得率隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。提取時(shí)間在20 min～40 min時(shí)，SDF的得率未出現(xiàn)顯著性變化，當(dāng)提取時(shí)間為60 min時(shí)，SDF得率顯著增加，達(dá)到最大值。隨著提取時(shí)間繼續(xù)增加，SDF的得率反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于啤酒糟在堿液中浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，堿液會(huì)破壞SDF的結(jié)構(gòu)，使其不完全醇沉或無(wú)法醇沉，致使SDF得率減少[23]。因此最佳提取時(shí)間在60 min左右。

2.1.4 沉淀時(shí)間對(duì)SDF得率的影響

沉淀時(shí)間對(duì)SDF得率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 沉淀時(shí)間對(duì)SDF得率的影響Fig.4 Effects of precipitation time on the yield of SDF

如圖4所示，在2 h～10 h的沉淀時(shí)間里，啤酒糟中SDF得率隨著沉淀時(shí)間的增加而升高，當(dāng)沉淀時(shí)間超過(guò)6 h時(shí)，SDF得率基本保持不變，說(shuō)明沉淀時(shí)間為6 h時(shí)，啤酒糟中所有的SDF已沉淀完全。

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)條件與結(jié)果

結(jié)合上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，以啤酒糟中SDF得率為響應(yīng)值，以液料比（A）、提取溫度（B）、提取時(shí)間（C）和沉淀時(shí)間（D）為影響因子，采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)四因素三水平的響應(yīng)面試驗(yàn)方案，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Response surface optimization experiment design and result

續(xù)表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Continue table 2 Response surface optimization experiment design and result

使用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，建立啤酒糟SDF得率和影響因素之間的回歸方程模型為SDF得率/%=19.89+0.73A+0.61B+0.61C+0.023D-0.59AB+0.75AC-0.24AD-1.17BC+0.015BD+0.020CD-1.12A2-2.22B2-2.71C2+0.081D2。

對(duì)該模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 響應(yīng)面回歸方程方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis of regression equation by response surface

模型顯著性檢驗(yàn)P＜0.000 1為極顯著；失擬項(xiàng)P=0.391 7，說(shuō)明該試驗(yàn)的數(shù)據(jù)擬合效果好，無(wú)失擬因素存在?；貧w方程的預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)模型的R2=0.912 8，R2Adj=0.825 5，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用該模型進(jìn)行相關(guān)解釋，方程可靠性較高。

通過(guò)對(duì)回歸模型進(jìn)行解析，可得出最優(yōu)SDF堿法提取工藝：液料比 32.45∶1（mL/g）、提取溫度 43.13 ℃、提取時(shí)間63.4min、沉淀時(shí)間6h，預(yù)測(cè)SDF得率20.25%。根據(jù)實(shí)際操作，調(diào)整工藝參數(shù)為液料比30∶1（mL/g）、提取溫度45℃、提取時(shí)間60 min、沉淀時(shí)間6 h，在此條件下重復(fù)試驗(yàn)6次，驗(yàn)證得到啤酒糟中SDF得率的平均值為19.89%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為2.64%，與預(yù)測(cè)值吻合度較高。

2.2.2 響應(yīng)面交互作用試驗(yàn)結(jié)果

采用Design Expert 8.0.6軟件，將液料比（A）、提取溫度（B）、提取時(shí)間（C）和沉淀時(shí)間（D）這4個(gè)因素兩兩進(jìn)行比較，各因素之間交互作用的響應(yīng)面圖見(jiàn)圖5～圖7所示。

圖5 液料比和提取溫度對(duì)啤酒糟中SDF得率影響的響應(yīng)面Fig.5 Responsive surface and contour for the effects of liquid-solid ratio and extraction temperature on the SDF extraction yield from beer vinasse

圖6 提取溫度和提取時(shí)間對(duì)啤酒糟中SDF得率影響的響應(yīng)面Fig.6 Responsive surface and contour for the effects of extraction temperature and extraction time on the SDF extraction yield from beer vinasse

圖7 液料比和提取時(shí)間對(duì)啤酒糟中SDF得率影響的響應(yīng)面Fig.7 Responsive surface and contour for the effects of liquid-solid ratio and extraction time on the SDF extraction yield from beer vinasse

響應(yīng)面反映每?jī)蓚€(gè)影響因素之間的交互作用，由圖5～圖7可知，液料比對(duì)SDF得率的影響最大，提取溫度和提取時(shí)間次之，沉淀時(shí)間對(duì)其影響相對(duì)較小。

3 結(jié)論

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)堿法提取啤酒糟中SDF進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化分析，獲得啤酒糟中SDF提取優(yōu)化工藝參數(shù)最終確定為液料比30∶1（mL/g）、提取溫度45℃、提取時(shí)間60 min、沉淀時(shí)間6 h。在此工藝參數(shù)條件下進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，啤酒糟中SDF平均得率為20.34%，RSD為2.64%，與理論預(yù)測(cè)值20.25%基本相符，充分驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。因此，該試驗(yàn)優(yōu)化得到的工藝參數(shù)可為啤酒糟中SDF的提取及后續(xù)的應(yīng)用提供一定的理論參考。