微波-酸法優(yōu)化提取葡萄皮渣水溶性膳食纖維

中圖分類號：TS209 文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2025）07-0001-06

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.001

Optimization of Extraction of Water-Soluble Dietary Fiber from Grape Skin Pomace by Microwave-Acid Method

ZHANG Yan1，MAIMAITI·Gulinuer1，YANG Hua-feng2，XUE Shu-hua2， GAO Ya-jie1，LIU Chen-long1，ZHENG Shu-qin，KONG Ling-ming1 （1.School of Food Science and Pharmacy， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 83oo52，China; 2. Xinjiang Xiangdu Liquor Industry Co.，Ltd.，Bayingolin Mongol Autonomous Prefecture 841loo，China）

Abstract： In this study，soluble dietary fiber （SDF） is successfully extracted from Cabernet Sauvignon grape skin pomace in Yanqi Basin of Xinjiang using microwave-assisted acid method，and the optimal process parameters during extraction are explored. The research focus is concentrated on evaluating the yield of SDF，and through analysis of four key variables such as citric acid mass fraction，solid-liquid ratio， microwave power and microwave time，the effect of these parameters on the yield of SDF is explored in depth. On the basis of single factor test，response surface analysis method is used to finely adjust and optimize these conditions，and the optimal extraction process parameters are finally determined to be solid-liquid ratio of 1：24.97 ，microwave power of 22o.56 W and microwave time of 60.24s ，Under these optimized conditions，the yield of SDF in grape skin pomace reaches 22.17% . In addition，the swelling force，water holding capacity and oil holding capacity of SDF are measured，and its microstructure is analyzed by scanning electron microscopy （SEM）. The research results have not only provided a powerful theoretical basis for the high-value utilization of grape skin pomace，but also opened up new avenues for the deep processing of related industries and the comprehensive utilization of resources.

Key words： Cabernet Sauvignon grape skin pomace in Yanqi Basin of Xinjiang；water-soluble dietary fiber;microwave-assisted acid method;response surface methodology

新疆是全國釀酒葡萄的主要產(chǎn)區(qū)之一[1]，新疆焉耆盆地因其獨特的地理和氣候條件，孕育了豐富且優(yōu)質(zhì)的赤霞珠葡萄，赤霞珠葡萄更是以其優(yōu)良的品質(zhì)和獨特的口感被譽為“釀酒紅葡萄之王”。然而，在釀酒過程中，大量葡萄皮渣的產(chǎn)生不僅占用了寶貴的土地資源，而且導致了資源的嚴重浪費，對環(huán)境和經(jīng)濟造成了不容忽視的雙重壓力。長期以來，含水量高、難以長期儲存的葡萄皮渣往往被粗放處理，甚至被當作廢棄物丟棄，不僅浪費了寶貴的資源，而且造成了環(huán)境污染。同時，葡萄皮渣中含有的如單寧等抗營養(yǎng)因子也限制了其在動物飼料領域的進一步應用[2-3]。因此，對葡萄皮渣進行合理的開發(fā)利用，既可以提高資源的利用率，又能夠提升其產(chǎn)業(yè)附加值，對推動葡萄產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠影響[4-6]。

葡萄皮渣，作為葡萄酒生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，主要包括葡萄的果皮、籽粒和果梗[。然而作為一種廢棄物，它富含多種生物活性物質(zhì)，如花色昔、原花青素、單寧、酒石酸、果膠等[8]。水溶性膳食纖維（soluble dietaryfiber，SDF）是一種獨特的纖維類型，富含微生物和生物多糖，易溶于水且不被人體消化酶分解，被譽為“第七大營養(yǎng)素\"[9]。SDF 的獨特之處在于其在腸道內(nèi)能吸取大量水分，有助于維持糞便的柔軟度，從而預防便秘。此外，SDF還能激活并促進腸道益生菌的增殖，強化腸道健康防線。因此，SDF對于改善腸道菌群、防癌抗癌、降血糖、降血脂、預防糖尿病等都有積極的作用[10-12] 。

當前，SDF的提取主要源于多樣化的原料，如米糠、香菇柄、花生殼及其桿、小麥麩皮、綠豆皮、玉米芯等[13-17]，提取方法亦呈多樣化，包括酶法、酸堿法、微波法、超聲波法、超濾膜法和微生物發(fā)酵法等[18]。本研究從新疆焉耆盆地赤霞珠葡萄皮渣中提取水溶性膳食纖維，通過微波輔助酸法結(jié)合響應面法優(yōu)化，從而確定水溶性膳食纖維的最佳提取條件，旨在實現(xiàn)水溶性膳食纖維的高效提取，不僅為葡萄皮渣資源的綜合開發(fā)提供了一種新思路，而且為水溶性膳食纖維的精深加工提供了新的途徑，以期為葡萄精深加工產(chǎn)業(yè)提供理論參考，有助于推動該領域的科學研究和技術創(chuàng)新。

1材料與方法

1.1 材料與試劑

新疆焉耆盆地赤霞珠葡萄皮渣：2023年11月新疆鄉(xiāng)都酒業(yè)有限公司葡萄酒生產(chǎn)結(jié)束后的皮渣；檸檬酸、無水乙醇：天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

主要使用儀器和對應生產(chǎn)廠家詳見表1，

Table1 Main instruments and manufacturers

1.3 試驗方法

1.3.1 葡萄皮渣預處理

將釀酒后的葡萄皮渣進行水洗除雜，并將其皮籽分離后放人 60^°C 烘箱中烘干至恒定重量，再使用小型粉碎機對烘干后的葡萄皮渣進行粉碎，過孔徑為 0.18mm 的篩網(wǎng)，獲得葡萄皮渣原料粉，供后續(xù)試驗使用。

1.3.2 葡萄皮渣中SDF的提取

準確稱取 2g 葡萄皮渣纖維原料粉于錐形瓶中，加入適量的檸檬酸溶液，確保充分混合后，將錐形瓶放入恒溫水浴振蕩器中，設置振蕩器的溫度為 60°C ，持續(xù)振蕩 20min ，以確保葡萄皮渣纖維原料粉與檸檬酸溶液充分反應。隨后，將錐形瓶從振蕩器中取出，使用微波爐進行萃取，以進一步提取纖維中的目標成分。萃取完成后，將溶液轉(zhuǎn)移至離心管中，并設置離心機的轉(zhuǎn)速為 5000r/min ，離心 15min 。為了最大化提取效率，對過濾后的殘渣進行二次提取，重復上述步驟，將兩次離心所得的上清液合并。利用旋轉(zhuǎn)式真空蒸發(fā)器在適宜條件下對混合上清液進行濃縮，直至達到一定的體積。向濃縮液中加入4倍體積的無水乙醇將濃縮液沉淀 5h ，使用真空泵進行抽濾，將濾紙置于恒溫干燥箱中干燥至恒重。SDF得率計算公式如下：

SDF得率

式中： m 表示葡萄皮渣纖維原料粉樣品的質(zhì)量，g;m₁ 表示濾紙在過濾前干燥至恒重的質(zhì)量， g;m₂ 表示濾紙與殘留物質(zhì)干燥至恒重的質(zhì)量， g 。

1.3.3單因素試驗設計

1.3.3.1檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對SDF得率的影響

準確稱取5份各 2g 葡萄皮渣原料粉，分別加入 60mL 檸檬酸溶液 （3%4%.5%.6%.7%） 。在240W微波功率下，每份樣品萃取 60s 。為確保結(jié)果準確可靠，進行3次平行試驗，取平均值，分析檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對葡萄皮渣水溶性膳食纖維得率的影響。

1.3.3.2料液比對SDF得率的影響

準確稱取5份各 2g 葡萄皮渣原料粉，每份加入40，50，60，70，80mL 的 6% 檸檬酸溶液，設定微波功率為240W，萃取 60s ，為確保結(jié)果準確可靠，進行3次平行試驗，取平均值，分析料液比對葡萄皮渣水溶性膳食纖維得率的影響。

1.3.3.3 微波功率對SDF得率的影響

準確稱取5份各 2g 葡萄皮渣原料粉，分別加入 50mL 的 6% 檸檬酸溶液，設定微波功率為80，240，400，640，800 W，萃取 60s ，為確保結(jié)果準確可靠，進行3次平行試驗，取平均值，分析微波功率對葡萄皮渣水溶性膳食纖維得率的影響。

1.3.3.4微波時間對SDF得率的影響

準確稱取5份各 2g 葡萄皮渣原料粉，分別加入50mL 的 6% 檸檬酸溶液，在240W微波功率下萃取30，60，90，120，150s。為確保結(jié)果準確可靠，進行3次平行試驗，取平均值，分析微波時間對葡萄皮渣水溶性膳食纖維得率的影響。

1.3.4 響應面優(yōu)化試驗設計

基于上述4個單因素試驗，采用Design-Expert13軟件，根據(jù)Box-Bebnken中心組合試驗設計原理，設定響應面試驗的變量范圍，選取影響SDF得率的關鍵因素料液比（A）微波功率 （B ）、微波時間（C）為自變量，固定檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為 6% ，以SDF得率為響應值（Y），進行三因素三水平的響應面試驗，共設置17個試驗點，試驗因素水平見表2。

1.3.5 理化性質(zhì)測定

1.3.5.1 溶脹力（SC）的測定[19-20]

準確稱取 1.00g 葡萄皮渣SDF，向量筒中添加20mL 蒸餾水，使其充分混勻，在室溫條件下靜置 24h 讀取量筒內(nèi)樣品的體積。葡萄皮渣SDF的溶脹力（SC）計算公式如下：

式中： m₃ 表示葡萄皮渣SDF樣品的質(zhì)量， g;V 表示干品膨脹前的體積， mL;V₁ 表示干品膨脹后的體積， mL 。

1.3.5.2 持水力（WHC）的測定[19-20]

準確稱取 1.00g 葡萄皮渣SDF放入燒杯中，加入20mL 蒸餾水，使其充分混勻，在室溫條件下靜置 24h 用定量濾紙瀝干樣品水分，將濕樣在 5000r/min 條件下離心 5min 后棄去水分，稱取樣品的質(zhì)量。葡萄皮渣SDF的持水力（WHC）計算公式如下：

式中： m₄ 表示葡萄皮渣 SDF 樣品的干質(zhì)量，g;m₅ 表示葡萄皮渣 SDF 樣品的濕質(zhì)量， g 。

1.3.5.3 持油力（OHC）的測定[19-20]

方法同持水力的測定。選用市售植物油測定葡萄皮渣SDF的持油力。

1.3.6 掃描電鏡

參考唐順博等21]的方法進行掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）分析，取適量葡萄皮渣SDF粉末均勻涂抹于導電膠上，經(jīng)過真空噴金處理后，獲取500倍和2000倍掃描電鏡圖像。

2 結(jié)果與分析

2.1單因素試驗結(jié)果

2.1.1 檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對SDF得率的影響

由圖1可知，隨著檸檬酸質(zhì)量分數(shù)在 3%～7% 區(qū)間內(nèi)增加，SDF得率最初呈現(xiàn)上升趨勢，隨后逐漸下降，這一變化表明檸檬酸質(zhì)量分數(shù)對SDF得率具有重要影響。深入分析發(fā)現(xiàn)，當檸檬酸質(zhì)量分數(shù)較低時，葡萄皮渣中SDF分解緩慢，沒有充分析出，這可能是因為在提取過程中檸檬酸起到催化劑或助溶劑的作用。當檸檬酸質(zhì)量分數(shù)較高時，對SDF的析出存在抑制作用，這可能是因為高濃度的檸檬酸改變了溶液的pH或離子強度，從而影響SDF與溶劑之間的相互作用，導致SDF的溶解度降低或形成不溶性復合物。根據(jù)試驗結(jié)果，當檸檬酸質(zhì)量分數(shù)為 6% 時，SDF得率最高，表明 6% 的檸檬酸質(zhì)量分數(shù)是提取葡萄皮渣中SDF的最佳條件。

由圖2可知，隨著溶劑占比逐漸增大，溶液的黏稠度逐漸減小，傳質(zhì)阻力降低，SDF得率呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當料液比為 1：25 時，SDF得率達到最高值，表明在此料液比下溶液既不過于稀釋也不過于黏稠，傳質(zhì)阻力適中。因此，選擇最佳料液比為 1：25 。

由圖3可知，隨著微波功率從 80W 逐漸增加至800W，SDF得率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，表明微波功率對SDF得率具有顯著影響。進一步分析表明，在微波功率較低時，SDF分子的振動頻率較慢，這意味著它們吸收的微波能量有限，無法產(chǎn)生足夠的動力來克服與葡萄皮渣之間的結(jié)合力，進而限制了SDF的析出率。在較高的微波功率下，由于微波產(chǎn)生的熱量較高，SDF的分子結(jié)構(gòu)可能遭到破壞，導致SDF分子鏈斷裂或結(jié)構(gòu)改變，從而降低SDF得率。當微波功率為240W時，SDF得率達到峰值，說明在此微波功率下，SDF分子能夠吸收足夠的微波能量來克服與葡萄皮渣之間的結(jié)合力，同時避免高溫對SDF分子結(jié)構(gòu)的破壞。因此，選擇最佳微波功率為 240W 。

2.1.4 微波時間對SDF得率的影響

Fig.4Effect ofmicrowave time on SDFyield

由圖4可知，SDF得率隨著微波時間從30s逐漸延長至150s呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，表明微波時間對SDF得率具有直接影響。深人分析發(fā)現(xiàn)，若微波時間過短，葡萄皮渣中的SDF無法完全析出，因為較短的微波時間可能無法提供足夠的能量來克服SDF與葡萄皮渣之間的結(jié)合力，導致SDF析出不完全。而微波時間較長，會由于長時間的高溫環(huán)境導致SDF分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或降解，從而降低SDF得率。當微波時間為6Os時，SDF得率最高，表明此時SDF分子能夠充分吸收微波能量來克服與葡萄皮渣之間的結(jié)合力，同時避免了長時間高溫對SDF分子結(jié)構(gòu)的破壞。因此，選擇最佳微波時間為 60s 。

2.2 響應面試驗

2.2.1響應面試驗設計與結(jié)果

根據(jù)表2進行響應面試驗，對葡萄皮渣SDF得率（Y）進行考察，試驗設計與結(jié)果見表3，相應的方差分析見表4。

使用Design-Expert13軟件對表3中的試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸分析，構(gòu)建SDF得率（Y）與自變量料液比（A）、微波功率（B）、微波時間 （C） 之間的多項式回歸模型；Y=22 11-0.0437A-1.03B+0.04C-0.0625AB- 0.175AC-0.005BC-3.07A²-4.24B²-2.66C² 。此模型為后續(xù)分析奠定了基礎，有助于深入了解各因素對SDF得率的影響機制。

由表4可知，模型的 F 值為 70.91，Plt;0.000 1 ，表明該模型極顯著，即該模型能很好地解釋試驗數(shù)據(jù)的差異；失擬項的 P=0.3478gt;0.05 ，說明模型中沒有其他顯著未考慮的因素，模型的擬合度良好；回歸模型的相關系數(shù) R²=0.989 2，R_Adj²=0，975 2，R_Pred²=0.900 7， R² 接近 1，R_Adj² 與 R_Pred² 之間的差值小于0.2，該模型展現(xiàn)出較高的擬合度，數(shù)據(jù)準確可靠，且能較精確地反映實際情況，表明其具有良好的預測和解釋能力。一次項 B 與二次項 A²，B²，C² 均具有極顯著影響（ （Plt; 0.01），通過對 F 值的分析，可以明確3個因素對葡萄皮渣中SDF得率的影響程度，其中微波功率（B）的影響最顯著，其次是料液比（A），最后是微波時間（C），這一排序揭示了各因素在提取過程中的相對重要性。

2.2.2 響應面分析

各因素交互作用對SDF得率影響的響應曲面圖和等高線圖見圖5～圖7。

響應面圖的陡峭程度直接反映了不同因素對葡萄皮渣SDF得率的影響程度。陡峭程度的顯著變化強調(diào)了某一因素對SDF得率的重要性，而曲面陡峭說明兩因素間的交互作用強。等高線圖的形狀與線條密度是評價兩因素間交互作用的有效工具。圓形且稀疏的等高線表明兩因素間的交互作用較弱，而橢圓形且密集的等高線表明兩因素間的交互作用顯著[22]。由圖 5～ 圖7可知， AB 等高線圖較AC、BC更接近橢圓形，但線條較 AC 稀疏，因此3個因素之間的交互作用對葡萄皮渣SDF得率的影響程度為 ACgt;ABgt;BC 。

2.2.3 最佳條件的確定與驗證

采用Design-Expert13軟件對回歸模型進行細致分析，確定了葡萄皮渣中SDF提取的最佳工藝參數(shù)為料液比 1：24.97 、微波功率 220.56W 微波時間60.24s，在此條件下葡萄皮渣SDF得率最高，可達 22.17% 。為了便于實際操作，將工藝參數(shù)微調(diào)為檸檬酸質(zhì)量分數(shù) 6% 、料液比 1：25 、微波功率 240W 、微波時間 60s ，基于調(diào)整后的參數(shù)，進行5次重復性驗證試驗，SDF得率分別為21.1%.21.6%.22.35%.21.35%.22.3% ，平均得率為21.74% ，與理論得率之間僅有 0.41% 的微小偏差，這有力證實了所建立的數(shù)學模型的準確性和可靠性。

2.3 理化性質(zhì)分析

水溶性膳食纖維的溶脹力、持水力和持油力是其重要的功能特性指標。SDF的溶脹力是指其吸水后體積增大的能力，SDF分子內(nèi)富含親水性羥基結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)作為親水性基團，能夠有效地與水分子結(jié)合形成氫鍵，進而大量吸收并保留水分，從而使其具有良好的溶脹性能。持水力是指其能夠保持水分不流失的能力，SDF分子中的親水性羥基基團與水分子之間的氫鍵作用非常穩(wěn)定，能夠長時間保留水分，使SDF在食品中起到保濕和穩(wěn)定的作用。持油力是指其能夠吸附和保留油脂的能力，這種特性在食品中可以起到防止油脂析出和提高食品穩(wěn)定性的作用。因此，這些功能特性有預防和治療便秘、增強飽腹感、清除腸道廢物等作用。本研究中微波輔助酸法提取SDF更能促進SDF親水基團網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的展現(xiàn)，從而顯著提升SDF的整體品質(zhì)。SDF的溶脹力、持水力、持油力測定結(jié)果見表5。

由表5可知，SDF的溶脹力、持水力、持油力都比較好，說明SDF在預防肥胖、治療胃腸道疾病等方面具有積極的作用。

2.4 掃描電鏡分析

通過掃描電子顯微鏡對葡萄皮渣水溶性膳食纖維進行分析，觀察其表面微觀結(jié)構(gòu)。500倍和2000倍下葡萄皮渣水溶性膳食纖維掃描電鏡圖像見圖8。

由圖8可知，在500倍的電子顯微鏡下可以清晰地觀察到葡萄皮渣水溶性膳食纖維呈現(xiàn)出明顯的小球狀結(jié)構(gòu)，并且整體較分散；在2000倍的電子顯微鏡下可以看出多個小球緊密簇擁在一起，其表面呈現(xiàn)出均勻的毛絨花狀特征，纖維形態(tài)清晰可見，說明葡萄皮渣SDF不僅形態(tài)良好，而且具有較高的均勻性。

3結(jié)論

本研究借助微波輔助酸法成功從新疆焉耆盆地赤霞珠葡萄皮渣中提取出水溶性膳食纖維（SDF），系統(tǒng)分析了檸檬酸質(zhì)量分數(shù)、料液比、微波功率和微波時間對SDF得率的影響。在單因素試驗的基礎上，采用三因素三水平的響應面法，重點優(yōu)化料液比、微波功率和微波時間這3個關鍵變量。通過構(gòu)建和驗證多項式回歸模型，得到各因素對SDF得率的影響程度，微波功率的影響最顯著，其次是料液比，最后是微波時間。通過模型分析，確定了最優(yōu)的提取工藝參數(shù)：料液比為 1：24.97 ，微波功率為220.56W，微波時間為60.24s，在此優(yōu)化條件下SDF得率達到 22.17% ，驗證了本研究所采用方法的有效性和可靠性。最后，測定了SDF的溶脹力、持水力和持油力，并對SDF掃描電鏡圖進行了分析，均表明其具有較好的功能特性與形態(tài)。采用該方法提取SDF操作工藝簡便，成本低廉，提取時間短，為葡萄皮渣資源的開發(fā)利用提供了理論基礎和技術支持，說明葡萄皮渣SDF具有一定的應用前景，有待進一步研究。

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