葡萄釀酒副產物膳食纖維提取與應用研究進展

張立娟，劉元，姚駿，郝惠陽，王玥瑋

（天津市食品研究所有限公司，天津301609）

葡萄是葡萄科植物的果實，為落葉藤本植物。葡萄營養豐富，具有抗惡性貧血、殺菌、抗毒等功效[1]，葡萄中含有大量纖維以及礦物質和多種維生素[2]，可作為滋補性水果食用。葡萄的食用方法主要以鮮食、榨汁、干制及釀酒加工為主。

葡萄釀酒副產物（主要以葡萄皮、籽、枝條為主）指的是在葡萄酒的釀制過程中，經過壓榨取汁處理或發酵后的副產物，大約占原果重的20%左右[3]。葡萄釀酒副產物中存在著多種且大量的營養成分，其中包括膳食纖維、多酚類物質[4]、芳香物質、酒石酸及葡萄籽油等成分[5-6]，具有良好的醫療保健作用。葡萄的種植比較廣泛，據統計，2016年全球葡萄園面積共750萬公頃，其中前十名為西班牙、中國、法國、意大利、土耳其、美國、阿爾及尼亞、伊朗、智利和羅馬尼亞，種植面積分別為 975、847、785、693、480、443、224、223、214、191 千公頃[7]，葡萄年產量近6 000萬噸，每年約有超2 500萬噸葡萄用于葡萄酒的釀造，因此產生的副產物高達百萬噸[8]。我國葡萄的栽培區域不斷擴大，到2016年底，全國葡萄的種植面積超過100萬畝的有2個省，超50萬畝的省有6個，超10萬畝的省有14個，10萬畝以下的省有9個[9]。據估算，2019年我國葡萄酒產量為45.1萬千升[10]，可產生葡萄釀酒副產物約1.1×105噸～2×105噸。據了解，產生的葡萄釀酒副產物一般有專人回收，除少部分回收提取功能性物質外，大部分葡萄釀酒副產物主要用作飼料、曬干分離葡萄籽和皮直接施入田中作肥料，剩余的被當作垃圾隨處堆放、傾倒，不僅造成葡萄釀酒副產物利用方式單一、利用率低等問題，還使環境受到一定污染[11]。因此合理開發利用葡萄釀酒副產物，不僅可以增加產業的附加值，使其經濟有效地利用資源，提高葡萄的綜合利用價值，還對促進葡萄產業的可持續發展具有重要的發展意義。

1 膳食纖維概述

1.1 膳食纖維定義及分類

1972年Torwels等提出了膳食纖維（dietary fibre，DF）的定義，是指植物性食物中含有的不能被人體消化吸收的多糖類碳水化合物與木質素[12]，包括菊糖、甲殼質、纖維素、木質素、果膠和低聚糖等[13]。

膳食纖維以是否溶解于水中可分為兩個基本類型，水溶性纖維與非水溶性纖維。纖維素、部分半纖維素和木質素是3種常見的非水溶性纖維，存在于植物細胞壁中；而果膠和樹膠等屬于水溶性纖維，則存在于自然界的非纖維性物質中。常見的食物中的大麥、豆類、胡蘿卜、柑橘、亞麻、燕麥和燕麥糠等食物都含有豐富的水溶性纖維，水溶性纖維可減緩消化速度和最快速排泄膽固醇，有助于調節免疫系統功能，促進體內有毒重金屬的排出，所以可讓血液中的血糖和膽固醇控制在最理想的水準之上，還可以幫助糖尿病患者改善胰島素水平和三酸甘油脂[14-15]。非水溶性纖維包括纖維素、木質素和一些半纖維素以及來自食物中的小麥糠、玉米糠、芹菜、果皮和根莖蔬菜。非水溶性纖維可降低罹患腸癌的風險，同時可經由吸收食物中有毒物質預防便秘和憩室炎，并且降低消化道中細菌排出的毒素[14-15]。

1.2 膳食纖維理化性質及生理功效

根據研究發現，膳食纖維是由各種單糖分子結合組成的大分子結構，具有不同于其它大分子能量物質（碳水化合物、蛋白質、脂質等）的理化特性和生理功效。

膳食纖維具有多種理化性質[16-22]：（1）高吸水性、保水性和膨脹性；（2）黏性；（3）離子交換作用；（4）網孔吸附作用；（5）機械隔離作用；（6）增大容積作用；（7）微生物調節作用；（8）吸附螯合作用等。膳食纖維具有多種生理功效，可在機體中起到重要作用：（1）降血糖作用；（2）促進代謝作用（預防便秘和結腸癌）；（3）預防心血管疾??；（4）治療肥胖癥（塑造體態）；（5）消除外源有害物質；（6）預防脂肪肝；（7）對有機農藥有一定吸附作用；（8）抗氧化活性和清除羥基自由基的作用；（9）有抗突變作用；（10）清除 NO2-能力；（11）促進鈣、鐵、鎂吸收的作用。各種不同的膳食纖維其生理功能是不同的，不能認為凡是膳食纖維就具備上述所有的生理功能。

2 葡萄釀酒副產物膳食纖維改性與提取

2.1 改性

葡萄釀酒副產物中不溶性膳食纖維超過60%，可溶性膳食纖維含量僅占9%左右，如對葡萄釀酒副產物中的膳食纖維進行改性以增加可溶性膳食纖維的含量，進而改善葡萄釀酒副產物膳食纖維的理化特性，使其更好的發揮生理功能。目前，應用較多的膳食纖維改性方法有化學改性法、物理改性法、生物改性法以及協同改性法等[23]。

2.1.1 化學改性

最早膳食纖維改性多是應用化學法，在一定的溫度、pH值等條件下用酸或堿處理膳食纖維，使其大分子的糖苷鍵斷裂、聚合度下降，形成新的還原性末端，也將一些纖維從不溶于水轉變為可溶于水，從而提高可溶性膳食纖維的含量。化學法中堿法改性效果相比其他方法效果更佳。孫艷[24]分別采用酸法和堿法提取8種釀酒葡萄品種的皮渣中可溶性膳食纖維，結果表明采用酸法提取時HCl的濃度對可溶性膳食纖維的提取率影響最大，最優的提取條件為：HCl濃度1.2%、提取溫度 75℃、提取時間 75 min、料液比 1∶20（g/mL），此條件下可溶性膳食纖維的含量超過56 mg/g；采用堿法提取時提取溫度對可溶性膳食纖維的提取率影響最大，最優的提取條件為：NaOH濃度1.4%、提取溫度85℃、提取時間 140 min、料液比 1 ∶10（g/mL），此條件下可溶性膳食纖維的含量超過246.2 mg/g。目前化學改性法較為成熟、成本低廉、便于工業化生產，但由于化學改性效果差、產品得率低、對設備要求高、食用安全性差以及會產生生態污染等問題，因此采用率越來越低[25]。

2.1.2 物理改性

膳食纖維物理改性常用的方法有：超微粉碎、擠壓蒸煮、高壓膨化、瞬時高壓法、蒸汽爆破等，經過物理改性纖維發生破碎、膨化以及氫鍵、離子鍵、疏水鍵等非共價鍵發生變化[26-27]。陶姝穎等[28]分別采用超微粉碎和擠壓超微粉碎技術對葡萄釀酒副產物膳食纖維進行改性，結果表明：兩種改性方法均能有效的增加可溶性膳食纖維的含量，經過兩種方法改性后葡萄釀酒副產物的可溶性膳食纖維的含量從12.81%分別提高到了15.56%和16.35%，同時其理化性質也有顯著改變，改性后纖維顆粒急劇減小但主要成分和化學結構基本無變化。采用物理方法對膳食纖維進行改性，使用的物料都為天然資源，不引入化學物質，不會造成環境污染，產品安全性也較高。因此用物理法改性膳食纖維，是一種重要的清潔生產手段，應用前景廣闊。

2.1.3 生物改性

膳食纖維的生物改性一般包括酶法和微生物法兩種方法，其基本原理都是利用酶的生物降解和轉化機理使蛋白質、淀粉等物質分解，使不溶性纖維類大分子發生降解，增加可溶性膳食纖維的含量[25]。楊慧等[29]采用纖維素酶對新疆釀酒葡萄皮渣副產物膳食纖維進行改性，使可溶性膳食纖維得率達到了33.68%、得到了大幅提高，且改性后的持水性、膨脹力等功能性質均顯著提高。王文華[30]將綠色木霉粗酶液用于處理葡萄釀酒副產物，使料液中的可溶性膳食纖維含量達到55%，達到了活化葡萄釀酒副產物膳食纖維的目的。生物改性反應條件溫和、反應迅速、能源消耗低、生產成本不高、環境污染小，有較好的使用前景。

2.2 提取

在1950年國外很多國家開始對膳食纖維進行研究。最近二十年膳食纖維的提取和利用研究得到了更多的關注，主要因為人們對膳食纖維生理活性和功能特性認識的不斷深入，使食品科學工作者對膳食纖維的研究更為熱切。葡萄釀酒副產物中總膳食纖維含量較高，占副產物干質量的70%以上，因此從葡萄釀酒副產物中提取膳食纖維，是合理利用葡萄廢棄物的途徑之一。目前，提取膳食纖維的方法主要有化學法、酶法以及微生物法。

2.2.1 酸堿法

對葡萄釀酒副產物膳食纖維的化學法提取主要是酸法和堿法。孫艷等[31]分別采用酸法（HCl）及酶法（纖維素酶）提取葡萄釀酒副產物中的可溶性膳食纖維，應用正交試驗法優化工藝條件，確定酸法和酶法提取葡萄釀酒副產物中可溶性膳食纖的最佳工藝條件；同時采用酸法和酶法獲得的最佳工藝條件，比較8種葡萄釀酒副產物中可溶性膳食纖維的含量。結果表明，HCl與纖維素酶液提取葡萄釀酒副產物中可溶性膳食纖維是可行的，且HCl提取的可溶性膳食纖維的產量普遍高于纖維素酶液，但差異不顯著。杜彬等[32]應用酸法提取葡萄釀酒副產物中的可溶性膳食纖維，采用響應面法對可溶性膳食纖維的提取工藝進行優化，最佳工藝條件下提取的可溶性膳食纖維得率為47.56 mg/g。秦婷等[33]以山葡萄酒釀酒副產物為原料，采用酸堿法制備山葡萄皮渣纖維素，優化了山葡萄皮渣纖維素的制備工藝，最優的制備條件為NaCO3質量分數22%，反應時間120 min，反應溫度60℃，料液比1∶16（g/mL），最優條件下山葡萄皮渣纖維素的得率為38.89%。酸堿法提取膳食纖維簡便快捷，在工業上應用較多，但是得到的膳食纖維色澤相對較差且純度不高，同時膳食纖維的活性也會遭到破壞，還會產生大量的廢水，應用度不高。

2.2.2 酶法

酶法提取膳食纖維是利用纖維素酶、半纖維素酶、糖化酶等水解除去非纖維類物質，同時將大分子纖維分解成小分子的可溶性的膳食纖維的一種提取方法。郭紅珍等以葡萄釀酒副產物為原料[34]采用正交試驗法優化纖維素酶法提取原料中可溶性膳食纖維，最佳提取條件為：纖維素酶量為2.0%，溫度為50℃，提取時間為7 h，pH 5，此條件下可溶性膳食纖維的提取率為14.32%。樊柳等[35]采用多酶法活化葡萄釀酒副產物中的膳食纖維，可增加葡萄釀酒副產物中可溶性膳食纖維含量，通過單因素和正交試驗優化得到最佳反應條件為蛋白酶添加量0.3%，糖化酶和纖維素酶（混合酶）的最佳配比1∶4，混合酶添加量1.2%，混合酶酶解溫度60℃，混合酶酶解時間120 min。酶法提取工藝簡單、反應條件溫和、所得產品純度高，目前應用較廣泛。

2.2.3 微生物法

微生物法是采用發酵的原理，在合適的條件下，從原料中提取膳食纖維的一種方法。令博[36]和劉婭[37]等以葡萄釀酒副產物為原料，采用保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌混合菌為發酵菌種，以微生物發酵法制取葡萄釀酒副產物膳食纖維，在最佳工藝條件下提取的膳食纖維的產率分別為（17.25±0.23）%和19.54%。微生物發酵法制得的葡萄釀酒副產物膳食纖維素與原料相比膳食纖維的純度和理化性質均得到一定提高，微生物發酵法是一種較好的高品質膳食纖維制備方法。但此方法不是很完善、需要的條件環境較復雜、工業化生產相對困難。

綜合膳食纖維改性和提取方法，葡萄釀酒副產物膳食纖維可先采用物理和生物協同改性方法進行前處理，然后采用酶法對可溶性膳食纖維進行提取，可提高可溶性膳食纖維的得率，同時得到的產品綠色健康、提取工藝高效、對環境無污染。

3 葡萄釀酒副產物膳食纖維的應用

近年來，越來越多的研究人員開始關注膳食纖維與人體健康方面的聯系。人們高度重視膳食纖維的補充，除了注意膳食纖維在食物中的添加量外，還將通過加工處理的膳食纖維添加到食品中。國內外現己經開發出了豐富的膳食纖維食物和保健品[38]。葡萄釀酒副產物膳食纖維目前也有不少應用。

3.1 在烘焙產品中的應用

由于葡萄釀酒副產物膳食纖維具有較好的持水功能，將其應用到焙烤食品中可提高食品的適口性和感官喜好性，對其添加量、添加方式及添加后對產品的影響都有學者進行了研究。馬慧明等[39]采用雙螺桿擠壓機對葡萄釀酒副產物進行擠壓膨化，對經過膨化改性的物料進行酶解純化得到可溶性膳食纖維，將得到的葡萄釀酒副產物纖維添加于面包中，通過正交試驗研究不同比例的可溶性膳食纖維對面包品質和質構特性的影響，結果表明：以面粉為基料面包配方中可溶性膳食纖維粉的添加量為6%時面包的感官評分最高，加工出的面包硬度、彈性、凝聚力、回復性、咀嚼性、膠著性都可達到面包的品質要求。Mildner-Szkudlarz等[40]將白葡萄釀酒副產物作為膳食纖維的來源添加到餅干中，試驗結果表明添加葡萄釀酒副產物膳食纖維的面團吸水性、硬度降低，同時面團的亮度、黃度都有所下降，添加10%的葡萄釀酒副產物可以使餅干的總膳食纖維增加大約88%。

3.2 在肉制品中的應用

葡萄釀酒副產物膳食纖維能夠提高肉制品的烹飪質量、增加脂肪持水性并改善產品的質地，還具有較強的抗氧化性[41]。令博[25]將葡萄釀酒副產物纖維添加到低溫香腸中，結果表明：纖維對香腸質構和色澤均有顯著的影響，尤其是硬度、咀嚼性、亮度值、紅度值隨添加量增加呈現明顯的下降趨勢；且在香腸的貯藏過程，葡萄釀酒副產物纖維體現出顯著的抗氧化和抑菌效果。

3.3 在乳制品及飲料中的應用

葡萄釀酒副產物膳食纖維具有多種保健功能，還可增加飲料及酸奶的穩定性、改善口感。李鳳英等[42]以葡萄皮為原料，用酸法提取葡萄皮中的水溶性膳食纖維并將其應用在飲料中制得一款富含膳食纖維的具有保健作用的葡萄皮飲料。樊柳[38]將制備的葡萄釀酒副產物水溶性膳食纖維添加到酸奶制品里，通過對白砂糖使用量、膳食纖維使用量以及接種量的優化，得出白砂糖含量7.5%，膳食纖維含量3%，菌種含量2.5%時制備的酸奶效果最佳，影響發酵周期的最主要因素是膳食纖維使用量。

3.4 在主食中的應用

主食是指傳統上餐桌上的主要食物，它們是人類日常飲食所需蛋白質、淀粉、油脂、礦物質和維生素等的主要來源，因此在主食中添加膳食纖維以提高主食的營養價值顯得尤為重要。張進良等[43]將提取的葡萄釀酒副產物膳食纖維與小麥粉混合制成面條，研究巨峰、紅寶石和紅提葡萄釀酒副產物酸法提取膳食纖維對面條風味的影響，結果表明：添加3種葡萄釀酒副產物膳食纖維的面條風味不同，紅寶石品種葡萄中可溶性膳食纖維與不溶性膳食纖維的含量適中，口味最佳，可溶性膳食纖維與不溶性膳食纖維的比值直接影響面條的風味。

葡萄釀酒副產物存在大量的膳食纖維，其生理功能與小麥麥麩纖維相近，可以應用于各種食品中，但小麥麥麩纖維是GB/T 23779-2009《預包裝食品中的致敏原成分》[44]中規定的一種食品致敏原，而葡萄釀酒副產物膳食纖維不是食品致敏原，應用范圍更廣，更安全。

4 展望

膳食纖維可以防病治病，對于預防糖尿病、心腦血管疾病、結腸癌等疾病均有一定的功效，葡萄釀酒副產物膳食纖維作為一種具有多種功能性的天然食品配料，從營養學的角度出發，對人類健康有著重要的作用，而我國的膳食纖維產品種類較少，從葡萄釀酒副產物中提取膳食纖維并進行應用，具有積極的意義，制得的富含膳食纖維產品市場潛力較好。如何高效提取葡萄釀酒副產物中的膳食纖維、纖維的應用及富含膳食纖維產品的推廣中所存在的問題成為目前研究的熱點。根據當前國內外的開發利用現狀，可以從以下幾個方面進行深入研究：1）提高葡萄釀酒副產物中可溶性膳食纖維的提取、分離純化方法的創新性，降低生產成本、縮短提取時間，提高可溶性膳食纖維的得率、純度；2）嘗試更多的改性手段，提高可溶性膳食纖維的含量；3）深入研究葡萄副產物膳食纖維（可溶性及不可溶性纖維）的生物功能，研究葡萄釀酒副產物與其他生物活性成分是否具有協同作用，提高其生物效能；4）加大力度研制富含膳食纖維的功能性產品，拓寬其應用領域。