響應面法優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

（武夷學院茶與食品學院，福建 武夷山 354300）

啤酒糟是啤酒生產過程中原料經過處理后得到的固體物質[1-2]，約占啤酒工業副產物的80%以上[3]。啤酒糟營養成分豐富，其中蛋白質含量約20%～30%[4]、膳食纖維含量達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、單寧和香精油等成分[7]。2019年，國內啤酒產量約為3 765.3萬噸[8]，其中副產物約有400萬噸（濕產物），而絕大多數啤酒廠都是將酒糟作為副產物直接低價出售，甚至有些小啤酒廠直接將濕酒糟排放到水體中或空地上，不僅污染環境，而且也是對糧食資源的浪費。

膳食纖維被營養學界認定為“第七類營養素”[9-10]，根據溶解性不同，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，有助于降低膽固醇，用于治療和預防心臟病、高血壓、糖尿病等慢性疾病，而且其溶解快、無色無味，是當前保健食品行業的主導產品，市場需求量較大[11-15]。近年來，有關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，得率高等優點，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）：國藥集團化學試劑有限公司；去離子水：武夷學院茶與食品學院實驗教學中心自制。

電子分析天平（FA224型）：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；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（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；數顯鼓風干燥箱（DHG-9245A型）：上海精密儀器儀表有限公司；高速冷凍離心機（Neofuge23R型）：上海力申科學儀器有限公司；循環水式多用真空泵（SHZ-D型）：河南予華儀器有限責任公司。

1.2 方法

1.2.1 堿法提取啤酒糟中SDF

1.2.1.1 試樣預處理

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

式中：ms為濕啤酒糟初始質量，g；md為啤酒糟干燥恒重后質量，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，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的鹽酸溶液調節濾液的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轉速下離心20 min，將沉淀轉移至已恒重的鋁盒（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量，g；m1為干燥的空離心管的質量，mg；m2為離心管和干燥稱重的SDF 質量之和，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 響應面優化堿法提取工藝試驗

在單因素試驗的基礎上，采用Design Expert 8.0.6軟件優化四因素三水平的設計方案，以啤酒糟中SDF得率為響應值，以液料比（A）、提取溫度（B）、提取時間（C）和沉淀時間（D）為試驗因素設計試驗方案，優化啤酒糟中SDF提取的工藝。響應面方案設計的試驗因素與水平如表1。

表1 響應面方案設計的試驗因素與水平Table 1 Experimental design and results for response surface analysis

2 結果與分析

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，啤酒糟中SDF得率隨著液料比的增加逐漸提高，當液料比為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一步增加，SDF得率也趨于穩定。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，當提取溫度為45℃時，SDF的得率顯著高于40℃時的得率，當溫度達到50℃時，SDF得率又呈下降趨勢。通過試驗表明，適當增加提取溫度，可促進和加快啤酒糟中SDF的提取，但當溫度過高時，會導致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的得率未出現顯著性變化，當提取時間為60 min時，SDF得率顯著增加，達到最大值。隨著提取時間繼續增加，SDF的得率反而呈現下降趨勢。這是由于啤酒糟在堿液中浸泡時間過長時，堿液會破壞SDF的結構，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 響應面試驗結果分析

2.2.1 響應面試驗條件與結果

結合上述單因素試驗結果，以啤酒糟中SDF得率為響應值，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試驗設計四因素三水平的響應面試驗方案，試驗設計及結果如表2所示。

表2 響應面優化試驗設計與結果Table 2 Response surface optimization experiment design and result

續表2 響應面優化試驗設計與結果Continue table 2 Response surface optimization experiment design and result

使用Design Expert 8.0.6軟件對表2的試驗結果進行擬合分析，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。

對該模型進行方差分析，結果如表3所示。

表3 響應面回歸方程方差分析結果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，說明該試驗的數據擬合效果好，無失擬因素存在?；貧w方程的預測值之間的相關系數模型的R2=0.912 8，R2Adj=0.825 5，表明試驗數據可用該模型進行相關解釋，方程可靠性較高。

通過對回歸模型進行解析，可得出最優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，預測SDF得率20.25%。根據實際操作，調整工藝參數為液料比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%，相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）為2.64%，與預測值吻合度較高。

2.2.2 響應面交互作用試驗結果

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個因素兩兩進行比較，各因素之間交互作用的響應面圖見圖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 結論

在單因素試驗基礎上，通過對堿法提取啤酒糟中SDF進行響應面優化分析，獲得啤酒糟中SDF提取優化工藝參數最終確定為液料比30∶1（mL/g）、提取溫度45℃、提取時間60 min、沉淀時間6 h。在此工藝參數條件下進行重復性試驗，啤酒糟中SDF平均得率為20.34%，RSD為2.64%，與理論預測值20.25%基本相符，充分驗證了所建模型的準確性。因此，該試驗優化得到的工藝參數可為啤酒糟中SDF的提取及后續的應用提供一定的理論參考。