響應(yīng)面法優(yōu)化紫薯汁糖化工藝研究

黨 婭，劉水英

（1.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723099；2.陜西理工學(xué)院 秦巴藍(lán)莓研究所，陜西 漢中 723099；3.陜西省資源生物重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710000；4.陜西省黑色有機(jī)食品工程技術(shù)研究中心，陜西 漢中 723000）

紫薯[Ipomoea batatas（L.）Lam]屬旋花科甘薯屬草本植物。薯肉呈紫色至深紫色，故又稱(chēng)黑薯、紫心甘薯、紫肉甘薯等，兼有糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和藥用作物的特點(diǎn)[1-3]。除了具有普通甘薯的成分和功能外，還具有多種生理作用，是食品、醫(yī)藥、化工、輕工、紡織等領(lǐng)域的重要原料[4-6]。紫薯汁以紫薯為原料，經(jīng)清洗、打漿、糊化-液化、糖化、過(guò)濾、澄清、精濾、濃縮、殺菌冷卻而成。在紫薯汁的制備過(guò)程中，淀粉[7-8]的糖化過(guò)程直接影響其澄清度和品質(zhì)[9-10]。紫薯汁經(jīng)淀粉酶液化后，淀粉轉(zhuǎn)化為大量的糊精、低聚糖和少量的葡萄糖，大量的糊精易老化，形成沉淀，影響紫薯汁的澄清度和外觀效果，所以要進(jìn)一步糖化，使大量糊精轉(zhuǎn)化為葡萄糖，因而糖化是紫薯汁生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，酶處理[11-13]不僅可提高紫薯汁糖化效果、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出，而且對(duì)紫薯汁中花青苷含量無(wú)明顯影響[14-16]。本研究采用響應(yīng)面法對(duì)紫薯汁糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化，以期為紫薯汁酶法糖化的研究提供試驗(yàn)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯1號(hào)：楊凌金薯種業(yè)科技有限公司；糖化酶（5.0×104U/mL）：無(wú)錫德賽生物工程有限公司；鹽酸（分析純）：北京化工廠；檸檬酸（食用級(jí)）：河南向富精細(xì)化工發(fā)展有限公司；葡糖糖（分析純）：天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；硫酸銅（分析純）：天津市恒興化學(xué)試劑有限公司；乙醇（分析純）：天津富宇精細(xì)化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BSA224S電子天平：上海精密科技儀器有限公司；UV-2550型紫外分光光度計(jì)：日本島津公司；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海亞榮生化儀器廠；ZKT-1002型真空泵：上海嘉鵬科技有限公司；GZKW-4型恒溫水浴鍋：黃驊市渤海電器廠；LC-800型低速臺(tái)式離心機(jī)：科大創(chuàng)新股份有限公司；101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京科偉永興儀器有限公司；FW177型中草藥粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司；pHS-3C型精密酸度計(jì)：上海大普儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紫薯汁加工工藝

1.3.2 紫薯汁糖化試驗(yàn)

（1）糖化單因素試驗(yàn)

由紫薯汁的糊化-液化試驗(yàn)制備所得的薯汁為糖化工藝研究的試驗(yàn)材料。

糖化溫度的確定：準(zhǔn)確稱(chēng)取15等份糊化-液化后的紫薯汁，每份240 mL，分成5組（每組做3個(gè)平行），分別置于500 mL錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值為4.5，加入其體積1.0%的糖化酶，分別置于40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃的恒溫水浴鍋中，糖化2 h，采用熱滴定的方法測(cè)定各自總糖含量（取三組平行試驗(yàn)的平均值）[17-18]，以總糖含量的高低作為糖化最適溫度選擇的依據(jù)，并考察溫度對(duì)花青苷（以吸光度值A(chǔ)530nm計(jì)）及糖化總糖含量的影響。

糖化pH值的確定：其他條件不變，糖化溫度按上述最優(yōu)條件，分別調(diào)節(jié)pH 3.5、4.0、4.5、5.0、5.5，加入其體積1.0%的糖化酶，置于60 ℃的恒溫水浴鍋，糖化2 h，測(cè)定其總糖含量，確定最適糖化pH值，并考察pH值對(duì)花青苷（以吸光度值A(chǔ)530nm計(jì)）及糖化總糖含量的影響。

糖化酶添加量的確定：其他條件不變，調(diào)節(jié)pH 4.5，分別加入其體積0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%的糖化酶，置于60 ℃的恒溫水浴鍋，糖化2 h，測(cè)定其總糖含量，確定最適糖化酶添加量，并考察加酶量對(duì)花青苷（以吸光度值A(chǔ)530nm計(jì)）及糖化總糖含量的影響。

糖化時(shí)間的確定：其他條件不變，調(diào)節(jié)pH4.5，加入其體積1.0%糖化酶，置于60 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)，分別糖化0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h后，測(cè)定其總糖含量，確定最適糖化時(shí)間，并考察糖化時(shí)間對(duì)花青苷（以吸光度值A(chǔ)530nm計(jì)）及糖化總糖含量的影響。

（2）糖化工藝優(yōu)化

表1 糖化工藝優(yōu)化響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for saccharification process optimization

采用Design-Expert.8.06軟件，根據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理[6]，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別以X1（糖化酶量）、X2（糖化pH）、X3（糖化時(shí)間）、X4（糖化溫度）作為自變量，每個(gè)自變量的低、中、高水平分別以-1、0、1進(jìn)行編碼。各試驗(yàn)因素及編碼水平表見(jiàn)表1。以糖化后薯汁中的總糖含量為響應(yīng)值，設(shè)計(jì)4因素3水平的糖化響應(yīng)面試驗(yàn)，建立回歸方程，確定紫薯汁糖化的最佳工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 糖化單因素試驗(yàn)

2.1.1 糖化溫度對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響

圖1 糖化溫度對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響Fig.1 Effect of temperature on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由圖1可看出，在其他條件一定的條件下，當(dāng)溫度＜60 ℃時(shí)，紫薯汁總糖及花青苷含量隨溫度的增加而增加，并在溫度為60 ℃時(shí)總糖含量達(dá)到最大值，當(dāng)溫度＞60 ℃時(shí)，總糖含量開(kāi)始下降，花青苷含量沒(méi)有顯著變化，紫薯汁的吸光度值基本維持在0.36左右。由于溫度過(guò)高，對(duì)設(shè)備要求更高，且造成能源消耗，從經(jīng)濟(jì)和設(shè)備角度考慮，糖化溫度以60 ℃為宜。

2.1.2 糖化pH值對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響

圖2 糖化pH值對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響Fig.2 Effect of pH on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由圖2可看出，在其他條件一定的條件下，當(dāng)pH＜4.5時(shí)，紫薯汁總糖含量隨pH值的增加而增加，并在pH 4.5時(shí)總糖含量達(dá)最大值，當(dāng)pH＞4.5時(shí)，總糖含量開(kāi)始下降。糖化pH值對(duì)紫薯汁吸光度值變化的影響說(shuō)明紫薯汁中花青苷含量隨著pH值的逐漸增大呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)。因此，綜合兩者糖化pH值以4.5為宜。

2.1.3 糖化酶添加量對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響

圖3 糖化酶添加量對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響Fig.3 Effect of glucoamylase addition on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由圖3可看出，紫薯汁總糖及花青苷含量與糖化酶添加量呈現(xiàn)基本相同的變化趨勢(shì)。其他條件一定的條件下，隨著糖化酶用量的增加，兩者含量逐漸升高，在糖化酶量＞1.0%以后，隨著糖化酶量的增加，兩者含量幾乎保持不變、均達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，糖化酶添加量以1.0%為宜。

2.1.4 糖化時(shí)間對(duì)紫薯汁總糖含量的影響

圖4 糖化時(shí)間對(duì)紫薯汁總糖及花青苷含量的影響Fig.4 Effect of saccharification time on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由圖4可看出，其他條件一定的條件下，紫薯汁總糖含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高，在2.0 h以后，隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，紫薯汁總糖含量增加減慢并逐漸達(dá)到平衡。紫薯汁吸光度值隨糖化時(shí)間的變化說(shuō)明在0.5～2.5 h時(shí)花青苷隨糖化時(shí)間的增加也呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，液化-糊化時(shí)間以≤2.0 h為宜。

2.2 紫薯汁糖化工藝優(yōu)化試驗(yàn)

響應(yīng)面法優(yōu)化紫薯汁糖化工藝試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，回歸模型方差分析見(jiàn)表3。

表2 糖化工藝優(yōu)化響應(yīng)面結(jié)果Table 2 Results of response surface methodology for saccharification process optimization

采用Design-Expert.8.06軟件，對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，以總糖含量（Y）為響應(yīng)值，以糖化酶（X1）、糖化pH值（X2）、糖化時(shí)間（X3）和糖化溫度（X4）為自變量，得回歸方程如下：

表3 模型和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)Table 3 Model and regression coefficient significance test

從表3可以看出，模型P＜0.000 1，表明模型達(dá)到了極顯著水平，R2＝0.990 4，說(shuō)明該模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合性較好。對(duì)紫薯汁糖化效果影響極顯著的因素為X1、X2、X3、X4、X12、X22、X32、X42。對(duì)紫薯汁糖化過(guò)程總糖含量影響的大小依次為時(shí)間、糖化酶量、溫度和pH值。

紫薯汁糖化試驗(yàn)的響應(yīng)面分析圖，各因素的交互作用見(jiàn)圖5。由圖5可知，X1X3交互作用對(duì)紫薯汁總糖含量的影響顯著，X1X2、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4交互作用對(duì)紫薯汁總糖含量的影響均不顯著。

2.3 糖化工藝優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)回歸方程計(jì)算得到紫薯汁糖化的最佳工藝參數(shù)：溫度61.08 ℃、pH值為4.46、糖化酶量1.15%、作用時(shí)間1.85 h。在此條件下紫薯汁總糖含量理論值為38.754 g/L。根據(jù)實(shí)際情況，將所得工藝參數(shù)修正為溫度60 ℃、pH值為4.5、糖化酶量1.0%、糖化酶作用時(shí)間2.0 h。在此條件下，重復(fù)3次，紫薯汁總糖含量試驗(yàn)值為38.691 g/L（見(jiàn)表4），與理論值的相對(duì)誤差為0.16%。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，糖化得到的工藝參數(shù)可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

表4 糖化工藝優(yōu)化后紫薯汁總糖含量Table 4 Total sugar content in purple potato juice with saccharification process optimization

圖5 各因素交互作用對(duì)紫薯汁總糖含量影響的響應(yīng)面及等高線Fig.5 Response surface plot and contour line of effect of interactions among each factors on total sugar content of purple potato juice

3 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)紫薯汁糖化工藝進(jìn)行了研究，并考察了影響紫薯汁糖化效果的因素，結(jié)果表明，各因素對(duì)紫薯汁糖化的影響大小依次為時(shí)間、糖化酶量、溫度和pH值。并得到紫薯汁糖化的最佳工藝參數(shù)：溫度60 ℃、pH值為4.5、糖化酶添加量1.0%、糖化酶作用時(shí)間2.0 h。在此條件下，紫薯汁總糖含量達(dá)到38.691 g/L，為紫薯汁及薯類(lèi)飲料制品的生產(chǎn)提供了科學(xué)的試驗(yàn)參考并具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

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