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)過程中原料經(jīng)過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，國內(nèi)啤酒產(chǎn)量約為3 765.3萬噸[8]，其中副產(chǎn)物約有400萬噸（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，而且也是對糧食資源的浪費(fèi)。

膳食纖維被營養(yǎng)學(xué)界認(rèn)定為“第七類營養(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、無色無味，是當(dāng)前保健食品行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，市場需求量較大[11-15]。近年來，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（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）置于錐形瓶內(nèi)，加入一定量的8%NaOH溶液，混勻，在水浴中浸提一定時間后趁熱減壓過濾，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，再次過濾，并用50 mL的離心管收集濾液，向濾液中加入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，計算啤酒糟中SDF得率。

式中：m為試驗用啤酒糟粉末的質(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

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、提取時間和沉淀時間，因此本試驗選取質(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 ℃）、提取時間（20、40、60、80、100 min）和沉淀時間（2、4、6、8、10 h）進(jìn)行單因素試驗，考察不同因素對堿法提取啤酒糟中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

在單因素試驗的基礎(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）、提取時間（C）和沉淀時間（D）為試驗因素設(shè)計試驗方案，優(yōu)化啤酒糟中SDF提取的工藝。響應(yīng)面方案設(shè)計的試驗因素與水平如表1。

表1 響應(yīng)面方案設(shè)計的試驗因素與水平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

2.1.1 液料比對SDF得率的影響

液料比對SDF得率的影響見圖1。

圖1 液料比對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，SDF得率變化不明顯，這是由于液料比較低時，SDF提取不充分，再加上此時提取液較黏稠，也不利于SDF的分離過濾，因此造成SDF 得率較低，當(dāng)液料比為 30∶1（mL/g）時，整個提取體系較適合SDF的提取和分離過濾，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SDF得率的影響

提取溫度對SDF得率的影響見圖2。

圖2 提取溫度對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，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，SDF的得率顯著高于40℃時的得率，當(dāng)溫度達(dá)到50℃時，SDF得率又呈下降趨勢。通過試驗表明，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)溫度過高時，會導(dǎo)致SDF部分分解，降低SDF得率[22]。因此提取溫度不宜超過45℃。

2.1.3 提取時間對SDF得率的影響

提取時間對SDF得率的影響見圖3。

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

2.1.4 沉淀時間對SDF得率的影響

沉淀時間對SDF得率的影響見圖4。

圖4 沉淀時間對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的沉淀時間里，啤酒糟中SDF得率隨著沉淀時間的增加而升高，當(dāng)沉淀時間超過6 h時，SDF得率基本保持不變，說明沉淀時間為6 h時，啤酒糟中所有的SDF已沉淀完全。

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果分析

2.2.1 響應(yīng)面試驗條件與結(jié)果

結(jié)合上述單因素試驗結(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）、提取時間（C）和沉淀時間（D）為影響因子，采用Box-Behnken試驗設(shè)計四因素三水平的響應(yīng)面試驗方案，試驗設(shè)計及結(jié)果如表2所示。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Response surface optimization experiment design and result

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

使用Design Expert 8.0.6軟件對表2的試驗結(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P＜0.000 1為極顯著；失擬項P=0.391 7，說明該試驗的數(shù)據(jù)擬合效果好，無失擬因素存在?；貧w方程的預(yù)測值之間的相關(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。

通過對回歸模型進(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 ℃、提取時間63.4min、沉淀時間6h，預(yù)測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℃、提取時間60 min、沉淀時間6 h，在此條件下重復(fù)試驗6次，驗證得到啤酒糟中SDF得率的平均值為19.89%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為2.64%，與預(yù)測值吻合度較高。

2.2.2 響應(yīng)面交互作用試驗結(jié)果

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

圖5 液料比和提取溫度對啤酒糟中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 提取溫度和提取時間對啤酒糟中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 液料比和提取時間對啤酒糟中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)面反映每兩個影響因素之間的交互作用，由圖5～圖7可知，液料比對SDF得率的影響最大，提取溫度和提取時間次之，沉淀時間對其影響相對較小。

3 結(jié)論

在單因素試驗基礎(chǔ)上，通過對堿法提取啤酒糟中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℃、提取時間60 min、沉淀時間6 h。在此工藝參數(shù)條件下進(jìn)行重復(fù)性試驗，啤酒糟中SDF平均得率為20.34%，RSD為2.64%，與理論預(yù)測值20.25%基本相符，充分驗證了所建模型的準(zhǔn)確性。因此，該試驗優(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。