啤酒糟水溶性多糖的抗氧化活性及其飲料的開發

付全意，李 琳，余旭聰，袁慧娟，劉國琴，李 冰*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

啤酒糟水溶性多糖的抗氧化活性及其飲料的開發

付全意，李 琳，余旭聰，袁慧娟，劉國琴，李 冰*

(華南理工大學輕工與食品學院，廣東 廣州 510640)

以啤酒糟為原料，采用超微粉碎和超聲波輔助法提取水溶性多糖。通過清除羥自由基(·OH)、超氧陰離子自由基(O2－·)和1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)自由基能力的檢測，證明啤酒糟水溶性多糖具有一定的抗氧化活性。研究水溶性多糖復合果汁飲料的加工工藝，通過感官風味評價制備出一種新型的水溶性多糖復合果汁飲料。該水溶性多糖復合果汁飲料中水溶性多糖含量2g/100mL、總酸0.5430g/100mL、總糖12.15g/100mL、VC 18.97mg/100mL、蛋白質0.2029g/100mL，是補充VC和水溶性多糖的優質飲料。

啤酒糟；多糖；飲料

啤酒生產以大麥為主要原料，經發酵提取籽實中可溶性碳水化合物后的殘渣稱為啤酒糟。啤酒糟是啤酒工業的主要副產品，每生產1t的啤酒大約會產生0.25t的啤酒糟。啤酒糟具有較高的營養價值，研究發現啤酒糟中主要成分為蛋白質24%、纖維素16.8%、非纖維素的多糖(主要是阿拉伯木聚糖)28.4%和木質素27.8%[1-3]。

目前，國內大多數工廠將啤酒糟當做粗飼料直接低價出售，有的甚至將濕糟直接排放，不僅造成嚴重的環境污染，還導致資源的浪費。在發達國家，由于受環境保護法的嚴格制約，啤酒糟的開發利用獲得高度重視。國外研究人員利用啤酒糟發酵生產復合氨基酸營養液、多糖、食醋、甘油、醬油等，大大提高了啤酒糟的商用價值，同時還減少了環境污染[4-7]。人類體內的自由基與其他化學成分反應，從而導致了許多疾病的發生[8-11]。研究證實，多糖可以作為自由基清除劑，降低自由基對人體組織的損傷[12-16]。

本實驗以啤酒糟為原料提取水溶性多糖(BSGP)，研究BSGP的抗氧化活性，并將純化的BSGP添加到果汁飲料中，通過調配、均質和殺菌等工藝，制備一種營養豐富，感官評價高的水溶性多糖復合果汁飲料。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

啤酒糟 廣州珠江啤酒廠；1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH) 美國Sigma公司；食品添加劑(耐酸CMC和阿拉伯膠)、蔗糖、蜂蜜(均為食品級)；其他試劑均為分析純。

6002-8型高速粉碎機 上海鼎廣機械設備有限公司；100目標準篩網 上海豐行篩網制造有限公司；VCX500型超聲波破碎儀 美國Sonics公司；BS224S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；RE-52AA型真空旋轉蒸發儀 上海亞榮生化儀器廠；Wizard2.0型真空冷凍干燥機 美國VirTis公司；3K30型高速冷凍離心機 美國Sigma公司；HH-1型恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；PHSJ-4A型pH計 上海精密科學儀器有限公司；FA25型高剪切分散乳化機 上海弗魯克流體機械制造有限公司；DH3600A型恒溫培養箱 上海比朗儀器有限公司；SW-CJ-1D型單人凈化工作臺 蘇州凈化有限公司；MSP-100E型微波萃取儀 北京雷明科技有限公司；Kjeltec 2300型自動定氮儀 丹麥Foss公司。

1.2 啤酒糟水溶性多糖分離和純化工藝流程

啤酒糟干燥→粉碎過100目篩網→超聲波輔助提取→離心→上清液真空濃縮→Sevag法除蛋白質→乙醇沉淀→冷凍干燥→BSGP-1樣品→溶解→過濾→Sephadex G100凝膠柱層析→采用苯酚硫酸法測定水溶性多糖的含量→收集主要洗脫峰組分BSGP-2→純度鑒定→透析、濃縮、冷凍干燥→粉碎→啤酒糟BSGP-2純品

1.3 BSGP-2抗氧化活性的研究

啤酒糟水溶性多糖清除羥自由基(·OH)參考文獻[17]測定；啤酒糟水溶性多糖清除超氧陰離子自由基(O2－·)采用文獻[18]的方法測定；啤酒糟水溶性多糖清除1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)參考文獻[19-20]測定。

自由基清除率/%=(A0－A)/A0×100

式中：A0為空白對照液體的吸光度；A為加入水溶性多糖后的吸光度。

1.4 啤酒糟水溶性復合果汁飲料工藝流程

鮮橙汁→添加水溶性多糖→檸檬酸、蔗糖和蜂蜜溶解→加入穩定劑(黃原膠和耐酸CMC)→均質→灌裝→殺菌→成品

1.5 感官評價標準

表1 多糖復合果汁飲料的感官評價標準Table 1 Sensory evaluation criteria for compound beverage containing polysaccharides

對多糖復合果汁飲料的色澤、香氣、口感和組織狀態進行感官質量評定，具體評分標準見表1。

1.6 殺菌

分別采用巴氏殺菌法、超聲波殺菌法和微波殺菌法。每個樣品取25mL置于帶蓋玻璃瓶中，分別經過不同殺菌方法處理后，冷卻至室溫，取100μL樣品液涂于培養基表面，并轉動培養皿使液體在培養基表面分布均勻。再將培養基置于37℃培養箱中培養48h后取出，計算培養基表面菌落數。

1.7 多糖復合果汁飲料的指標測定

1.7.1 飲料沉淀率

將經處理的果汁靜置72h，8000r/min離心6min，棄去上清液，稱量沉淀質量，按下式計算沉淀率(M)：

M/%=m1/m2×100

式中：m1為沉淀物質量/g；m2為離心果汁飲料質量/g。

1.7.2 其他指標

飲料中VC含量測定采用SN/T 0869—2000《進出品飲料中維生素C的測定方法》；飲料中總酸(以檸檬酸計)的測定采用GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定》；飲料中總糖的測定采用苯酚硫酸法；飲料中蛋白質含量的測定采用GB/T 5009.5—2003《食品中蛋白質的測定》。

2 結果與分析

2.1 啤酒糟水溶性多糖的純化

本實驗采用的啤酒糟中粗脂肪含量約為0.5%，蛋白質含量約為28%。采用水提法提取的粗BSGP中含有較多的蛋白質。根據蛋白質在氯仿中變性的特點，按粗BSGP水溶液1/4體積加入Sevag試劑(氯仿:正丁醇=4:1，V/V)，混合振蕩30min，高速離心去除水層與溶劑層交界處的變性蛋白質，此操作重復8次，考馬斯亮蘭檢測為陰性證明蛋白質除盡，得到BSGP-1。

圖1 BSGP-1的凝膠柱層析Fig.1 Gel chromatography of BSGP-1

將BSGP-1水溶液用Sephadex G100凝膠柱層析，結果見圖1。收集主要洗脫峰組分，透析48h，冷凍干燥得純化后的BSGP-2，得率為0.36%，其中水溶性多糖的含量為91.35%。

2.2 啤酒糟水溶性多糖的純度檢測

水提法提取的水溶性多糖中的主要雜質的是水溶性蛋白質，采用紫外-可見光譜分析純度鑒定BSGP-2的純度，結果見圖2。蛋白質的紫外-可見光譜在260nm波長處有強烈的吸收峰，從圖2可知，BSGP-2的紫外-可見光譜在該處沒有吸收峰，結合考馬斯亮蘭法檢測為陰性的結果，確定純化的BSGP-2中不含蛋白質。水溶性多糖的主要成分是水溶性多糖，多糖是強極性物質，在紫外-可見光譜分析中沒有吸收峰，圖2證明凝膠柱層析后收集的主要成分是水溶性多糖。

圖2 水溶性多糖的紫外-可見光譜分析Fig.2 UV-visible spectroscopy of BSGP-2

2.3 啤酒糟水溶性多糖的抗氧化活性

圖3 BSGP-2對自由基的清除率Fig.3 Scavenging activity of BSGP-2 on free radicals

啤酒糟水溶性多糖純品BSGP-2具有清除自由基的功能，但從圖3可看出，BSGP-2對自由基的清除率隨著質量濃度的增加而上升，清除率與質量濃度呈現一定的量效關系。·OH可快速地得到水溶性多糖碳氫鏈上的氫原子結合成水，而水溶性多糖的碳原子上則留下一個成單電子，成為碳自由基，進一步氧化形成過氧自由基，最后分解成對機體無害的產物。O2－·可以與水溶性多糖發生氧化反應，達到清除的目的。DPPH自由基是一類穩定的自由基，具有3個芳環結構，屬于芳香類自由基，研究水溶性多糖與DPPH自由基相結合的能力，可以推測其對對芳香自由基的清除能力。DPPH的乙醇溶液中呈深紫色在517nm波長處有強吸收。在有自由基清除劑存在的條件下，DPPH自由基與還原基團的反應模式為AH+DPPH·→DPPH—H+A·。DPPH被氧化后在517nm波長處的吸收逐漸減弱，其吸光度與清除劑的清除能力和接受電子數量有關。

本研究中采用體外實驗的方法說明啤酒糟水溶性多糖具有一定的抗氧化活性，但對生物體內氧化代謝所產生自由基的清除不能十分準確地模擬，故該反應體系只能用來定性說明某種物質是否具有抗氧化活性。啤酒糟水溶性多糖具有清除氧自由基活性的功能將為其合理開發利用提供依據。

2.4 多糖最適添加量對飲料的風味和口感的影響

選擇1、2、3、4、5g/100mL啤酒糟多糖粉BSGP-2用量進行感官比較實驗，結果見表2。

表2 多糖添加量對飲料的影響Table 2 Effect of polysaccharide amount on the quality of beverage

由表2可以看出，1、2g/100mL的多糖添加量其飲料感官評價最佳，復合飲料的口感柔和爽口、無澀味，故選用2g/100mL的啤酒糟多糖加入量。

2.5 均質時間對原料沉淀率的影響

均質的主要作用是使果汁飲料體系中較大顆粒分散質破裂為更小的微粒，從而提高穩定性，同時改善果汁飲料的口感，使其質地均勻細膩。本實驗采用的混合穩定劑是3g/L的耐酸MC和4g/L阿拉伯膠，按照原料最優配比配制果汁。先固定均質速率為13000r/min，均質時間分別設為15、30、45、60、75s，以飲料的沉淀率為指標，確定最優的均質時間，結果見圖4。

圖4 均質時間對原料沉淀率的影響Fig.4 Effect of homogenization time on precipitation rate

由圖4可知，在13000r/min的均質速率下，當均質時間75s時，果汁的沉淀率最低。

表3 不同巴氏殺菌條件的效果比較Table 3 Effect of pasteurization

2.6 不同殺菌方法的效果

2.6.1 巴氏殺菌法

制備6杯果汁飲料，將其中5杯分別置于65、75、85、90、95℃水浴加熱15min，待冷卻至室溫后進行菌落測定[18]。另外，剩下的一杯果汁不進行殺菌，作空白。對6杯果汁進行微生物實驗，測定菌落總數。不同巴氏殺菌溫度對殺菌效果及VC保存率的影響見表3。

根據表3可知，不同巴氏殺菌條件對VC保存率的影響有比較明顯的差異。采用95℃、5min時，VC保存率最高，達到83.93%，而且產品的感官評價較好，殺菌率為98.37%。

2.6.2 超聲波殺菌法

制備5杯果汁飲料。其中4杯分別采用11W(20%)、33W(35%)、52W(50%)和90W(65%)的功率進行殺菌，處理時間為20min。另外，剩下的一杯果汁不進行殺菌，作空白。對5杯果汁進行微生物實驗，測定菌落總數。不同超聲功率對殺菌效果及VC保存率的影響見表4。

表4 不同超聲殺菌功率的殺菌效果比較Table 4 Effect of ultrasonic sterilization

由表4可知，超聲殺菌法基本不會對果汁中的VC造成破壞，以上幾種超聲殺菌條件下，VC的保存率均在93%以上，彼此間差距甚微。另外，不同殺菌條件下產品的感官評價也差別不大，都能保持果汁的香味及良好色澤。從殺菌效果的角度看，采用90W(65%)的功率，處理時間20min這一超聲條件，其殺菌效果最佳，殺菌率為99.30%。

2.6.3 微波殺菌法

制備5杯果汁飲料。固定微波功率為300W(40%)，其中4杯分別采用分別處理30、45、60、75s。另外，剩下的一杯果汁不進行殺菌，作空白。分別測定5杯果汁的菌落總數。不同微波殺菌條件對殺菌效果及VC保存率的影響見表5。

表5 不同微波殺菌條件的效果比較Table 5 Effect of microwave sterilization

由表8可知，微波殺菌法對果汁中VC的破壞程度很小，以上幾種微波殺菌條件下，VC的保存率均在90%以上，彼此間差別不超過4%。同時，不同殺菌條件下產品的感官評價也差別不大，都能保持果汁的香味及良好色澤。從殺菌效果的角度看，采用300W(40%)的功率，處理時間75s這一微波條件，其殺菌效果最佳，菌落總數為0。

綜上所述，比較巴氏殺菌、超聲殺菌和微波殺菌3種殺菌方法，它們都有各自的優點與不足。巴氏殺菌法整體殺菌效果最佳，但往往容易造成產品品質和感官指標的下降，影響產品的商品價值；超聲殺菌法屬于冷殺菌，很好地保持了產品的原始風味，防止營養物質的流失，有利于保持產品的穩定性，但是單一使用超聲殺菌法，其殺菌效果往往比較有限；微波殺菌法則具有低溫、短時等特點，能保持食品營養成分不被流失和破壞，色、香、味、VC等損失較少，有利于保持產品的原有品質，而且殺菌效果也比較理想，缺點是由于加熱時間非常短，較小的誤差可能會導致較大的影響。

2.7 多糖復合果汁飲料的營養成分

通過各項檢測可知，多糖復合果汁飲料的營養成分如表6所示。

本多糖復合果汁飲料的主要營養成分為總酸0.5430g/100mL、總糖12.15g/100mL、VC含量18.97mg/100mL、蛋白質0.2029g/100mL。

表6 多糖復合果汁飲料營養成分表Table 6 Nutritional components of compound beverage containing polysaccharides

3 討 論

以水提法提取的水溶性多糖作為輔料，研制復合果汁飲料的加工工藝。通過對多糖復合果汁飲料的穩定性進行研究發現以3g/L的耐酸MC和4g/L阿拉伯膠作為混合穩定劑，在13000r/min的均質速率下均質75s，得到的飲料沉淀率最低為0.797%，穩定性和組織狀態皆良好。

研究表明，果汁飲料對加熱敏感，不同殺菌方法對果汁營養成分及風味物質的破壞程度不同。微波殺菌法有利于VC及風味物質的保存，同時耗能小，采用在300W的微波功率下殺菌75s時，VC的保存率為90.38%，殺菌率為100.00%。

本研究中制備的啤酒糟多糖復合果汁中水溶性多糖含量2g/100mL、總酸0.5430g/100mL、總糖12.15 g/100mL、VC 18.97mg/100mL、蛋白質0.2029g/100mL，表明此復合果汁飲料產品是補充VC和多糖的優質飲料。

[1] ISHIWAKI N, MURAYAMA H, AWAYAMA H, et al. Development of high value uses of spent grain by fractionation technology[J]. Technical Quarterly-Master Brewers Association of the Americas, 2000, 37: 261-265.

[2] XIROS C, TOPAKAS E, KATAPODIS P, et al. Evaluation ofFusarium oxysporumas an enzyme factory forthe hydrolysis of brewerspent grain with improved biodegradability for ethanol production[J]. Industrial Crops and Products, 2008, 28: 213-224.

[3] MUSSATTO S I, DRAGONE G, ROBERTO I C. Brewerspent grain: generation, characteristics and potential applications[J]. Journal of Cereal Science, 2006, 43(1): 1-14.

[4] KEPPLINGER W L, ZANKER G. Utilisation of brewers grains within a brewery complex[J]. Brauwelt International, 2003, 23(3): 162-165.

[5] MANDALARI G, FAULDS C B, SANCHO A I, et al. Fractionation and characterization of arabinoxylans from brewers spent grain and wheat bran[J]. Journal of Cereal Science, 2005, 42: 205-212.

[6] CARVALHEIRO F, DUARTE L C, MEDEIROS R, et al. Optimisation of brewery s spent grain dilute-acid hydrolysis for the production of pentose-rich culture media[J]. Applied Biochemistry and Biotechnology,2004, 115: 1059-1072.

[7] ATHANASIOS M, GEORGIOS I, MICHAEL K. A rapid microwaveassisted derivatization process for the determination of phenolic acids in brewer s spent grains[J]. Food Chemistry, 2007, 102: 606-611.

[8] 鄭建仙. 功能性多糖[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005.

[9] BRENNAN C S. Dietary fibre, glycaemic response, and diabetes[J].Molecular Nutrition and Food Research, 2005, 49(6): 560-570.

[10] TUNGLAND B C, MEYER D. Nondigestible oligo-and polysaccharides (dietary fiber): their physiology and role in humanhealth and food[J]. Institute of Food Technologists, 2002, 3(1): 90-109.

[11] BINGHAM S A, DAY N E, LUBEN R. Dietary fiber in food and protection against colorectal cancer in the European prospective investigation into cancer and nutrition (EPIC): an observational study[J]. Lancet,2003, 361: 1496-1499.

[12] GILL H S, CROSS M L. Anticancer properties of bovine milk[J].British Journal of Nutrition, 2000, 84: 161-166.

[13] BUTTERFIELD D A, CASTENGA A, POCERNICH C B, et al. Nutritional approaches to combat oxidative stress in Alzheimer s disease[J].The Journal of Nutritional Biochemistry, 2002, 13: 444-461.

[14] REYES-CAUDILLO E, TECANTE A. Dietary fiber content and antioxidant activity of phenolic compounds present in Mexican chia (Salvia hispanicaL.) seeds[J]. Food Chemistry, 2008, 107: 656-663.

[15] SAMAK G, SHENOY R P, MANJUNATHA S M, et al. Superoxide and hydroxyl radical scavenging actions of botanical extracts ofWagatea spicata[J]. Food Chemistry. 2009, 115: 631-634.

[16] LLOBERA A, CAELLAS J. Dietary fibre content and antioxidant activity of Manto Negro red grape (Vitis vinifera): pomace and stem[J]. Food Chemistry, 2007, 101: 659-666.

[17] HALLIWELL B, GUTTERIDGE J M C, ARUOMA O I. The deoxyribose method: A simple test-tube assay for determination of rate constants for reactions ofdroxyl racals[J]. Analytical Biochemistry,1987, 165: 215-219.

[18] MARKLUND S L. Ceruloplasmin, extracellular-superoxide dismutase,and scavenging of superoxide anion radicals[J]. Journal of Free Radicals in Biology and Medicine, 1986, 2(4): 255-260.

[19] QIAN Zhongji, JUNG Q K, KIM S K. Free radical scavenging activity of a novel antioxidative peptide purified from hydrolysate of bullfrog skin,Rana catesbeianaShaw[J]. Bioresource Technology, 2008, 99:1690-1698.

[20] SANCHEZ-MORENO C. Methods used to evaluate the free radical scavenging activity in foods and biological systems[J]. Food Science and Technology International, 2002, 8(3): 121-137.

Antioxidant Activity of Soluble Polysaccharides from Brewer' s Spent Grains and Development of a Compound Orange Juice Beverage with Them

FU Quan-yi，LI Lin，YU Xu-cong，YUAN Hui-juan，LIU Guo-qin，LI Bing*

(College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Soluble polysaccharides were extracted from brewers spent grains by ultra-fine grinding and ultrasound-assisted extraction method. Result showed that soluble polysaccharides had strong antioxidant activity. These soluble polysaccharides were used as the supplementary materials to develop a novel polysaccharide beverage. The optimal formula of this beverage (100 mL) was composed of 2 g of soluble polysaccharides, 0.5430 g of total acid, 12.15 g of total sugar, 18.97 mg of vitamin C and 0.2029 g of protein. Therefore, this beverage is a high quality drink containing vitamin C and polysaccharides.

brewerspent grains；polysaccharide；beverage

TS201.1

B

1002-6630(2010)20-0499-05

2010-06-30

廣東省教育廳產學研基地科技成果轉化重大項目(cgzhzd0704)；國際科技合作項目(2009DFA32070)；“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD27B04)

付全意(1982—)，男，博士研究生，研究方向為糖類物質及其藥物的制備與生物利用。

E-mail：fuquanyi@yahoo.com.cn

*通信作者：李冰(1972—)，女，副教授，博士，研究方向為食品化工與生物化工。E-mail：bli@scut.edu.cn