基于響應(yīng)曲面法的中老年營養(yǎng)米粉酶解工藝優(yōu)化研究

徐樹來,吳　陽,金慧榮,張　靜

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150076; 2.黑龍江省普通高校食品科學(xué)與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

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基于響應(yīng)曲面法的中老年營養(yǎng)米粉酶解工藝優(yōu)化研究

徐樹來,吳陽,金慧榮,張靜

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150076; 2.黑龍江省普通高校食品科學(xué)與工程重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150076)

以優(yōu)質(zhì)碎米為原料,利用單因素實驗、Box-Behnken實驗設(shè)計和響應(yīng)面分析研究漿料濃度、酶解時間、酶解溫度、酶添加量對水解程度(DE值)的影響,優(yōu)化酶解工藝參數(shù),結(jié)合噴霧干燥技術(shù),制得中老年營養(yǎng)米粉基料。優(yōu)化結(jié)果表明,在漿料濃度13%、酶解時間42 min、酶解溫度69 ℃、酶添加量0.34%條件下生產(chǎn)的米粉基料水解程度可達33.02%,米粉中無殘存酶活力,淀粉消化指數(shù)比非酶解工藝提高21.71%,達到50.62%。

米粉,酶解工藝,響應(yīng)曲面法,DE值,淀粉消化指數(shù)

稻谷是我國主要糧食作物,產(chǎn)量居世界之首。我國大米消費主要以食用為主,占大米消費總量的84%[1]。而碎米作為大米加工的副產(chǎn)物,其食用及營養(yǎng)價值與整米相當,但價格僅為整米的30%～50%[2]。如何提高碎米的利用率及附加值成為稻谷加工行業(yè)亟需解決的問題。以優(yōu)質(zhì)碎米為主要原料,加工生產(chǎn)沖調(diào)型營養(yǎng)米粉則成為解決這一問題的有效途徑之一。

目前,市售米粉多采用擠壓膨化法和輥筒干燥法這一傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工技術(shù),由于加工技術(shù)及工藝上的局限性,致使產(chǎn)品溶解速度慢、沖調(diào)性較差,特別是沖調(diào)后呈糊狀食用不方便[3],且主要針對嬰幼兒群體。隨著我國老齡化人口的增加及人們保健意識的增強,中老年類營養(yǎng)食品的消費將呈現(xiàn)快速增長趨勢[4]。本研究以優(yōu)質(zhì)碎米為原料,采用α-淀粉酶和β-淀粉酶雙酶水解法,利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化酶解工藝,結(jié)合噴霧干燥技術(shù)制得米粉基料。目的是改善米粉品質(zhì)、提高米粉消化率,同時降低粉漿粘度,以滿足噴霧干燥工藝要求,為老年人沖調(diào)營養(yǎng)米粉生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大米哈爾濱市凱隆米業(yè)有限公司;α-淀粉酶(3700 U/g)北京奧博星生物技術(shù)有限公司;β-淀粉酶(50 U/mg)上海源葉生物科技有限公司;胰酶Sigma公司;葡萄糖、3,5-二硝基水楊酸、氫氧化鈉、鹽酸等均為國產(chǎn)分析純。

電子天平上海光正醫(yī)療儀器有限公司;粉碎機浙江大德制藥有限公司;恒溫水浴鍋天津市泰斯特儀器有限公司;V-5000可見分光光度計上海元析儀器有限公司;離心機上海安亭科學(xué)儀器廠;均質(zhì)機上海錦竹機械設(shè)備有限公司;真空干燥箱上海中光儀器有限公司;噴霧干燥機瑞士BUCHI實驗室儀器公司

1.2實驗方法

1.2.1米粉基料生產(chǎn)工藝流程優(yōu)質(zhì)碎米→粉碎→過篩→調(diào)漿→酶處理→磨漿→均質(zhì)→噴霧干燥→米粉基料

粉碎:使用粉碎機(粉碎細度:50～200目)將碎米進一步粉碎成粉。為避免過熱出現(xiàn)焦粉現(xiàn)象,應(yīng)采用間歇粉碎法,即一次性磨粉30 s,間歇1 min。

過篩:將所磨米粉過100目篩,備用。

調(diào)漿:將上述備用米粉按下列實驗所需比例(米粉:水)調(diào)制,不斷攪拌,使米粉與水混合均勻。

酶處理:按照工藝要求,加入一定量的α-淀粉酶和β-淀粉酶(質(zhì)量比為1∶3),攪拌均勻,使?jié){料與酶充分接觸。置于恒溫水浴鍋中,并控制溫度、時間等條件進行水解。

磨漿:使用膠體磨細化經(jīng)酶處理后的漿料。

均質(zhì):將上述漿料利用均質(zhì)機在30 MPa壓力下均質(zhì)10 min,為噴霧干燥做準備。

噴霧干燥:使用噴霧干燥機,設(shè)定參數(shù)為:進口溫度160 ℃,物料流量630 mL/h,壓縮空氣流量600 L/h,將粉漿干燥制成米粉基料。

1.2.2DE值測定工業(yè)上用DE值(也稱葡萄糖值)表示淀粉的水解程度或糖化程度，即還原糖(以葡萄糖計)占干物質(zhì)的百分比[5]。酶解液中還原糖含量越高,表示淀粉水解越徹底[6]。采用3,5-二硝基水楊酸法測定[7]。計算公式如下,其中DE值以葡萄糖計:

式(1)

1.2.3單因素實驗設(shè)計研究漿料濃度、酶解時間、酶解溫度和酶添加量(酶量占原料總量的百分比)對DE值的影響。其中,漿料維持在自然pH條件下,經(jīng)預(yù)實驗確定α-淀粉酶與β-淀粉酶質(zhì)量比為1∶3。

1.2.3.1漿料濃度酶解時間40 min,酶解溫度65 ℃,酶添加量0.05%,研究不同漿料濃度(10%、15%、20%、25%及30%)對DE值的影響。重復(fù)3次實驗。

1.2.3.2酶解時間在漿料濃度為15%,酶解溫度65 ℃,酶添加量0.05%,研究不同酶解時間(25、30、35、40及45 min)對DE值的影響。重復(fù)3次實驗。

1.2.3.3酶解溫度在漿料濃度為15%,酶解時間40 min,酶添加量0.05%,研究不同酶解溫度(55、60、65、70及75 ℃)對DE值的影響。重復(fù)3次實驗。

1.2.3.4酶添加量在漿料濃度為15%,酶解時間40 min,酶解溫度70 ℃,研究不同酶添加量(0.05%、0.15%、0.25%、0.35%及0.45%)對DE值的影響。重復(fù)3次實驗。

1.2.4響應(yīng)面實驗設(shè)計在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用Design-Expert 8.0.6.1軟件及Box-Behnken設(shè)原理設(shè)計響應(yīng)面實驗,以漿料濃度、酶解時間、酶解溫度、酶添加量(占米粉干基質(zhì)量分數(shù)計)為自變量,以DE值為響應(yīng)值,設(shè)計四因素三水平響應(yīng)面分析實驗,對所得數(shù)據(jù)進行二次回歸擬合分析。響應(yīng)面實驗因素與水平設(shè)計如表1所示。

表1　響應(yīng)面實驗因素與水平編碼值

1.2.5米粉基料中殘存酶活測定準確稱取2 g米粉基料,用溫水調(diào)配成5%的米粉溶液,密封保存于65 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi),使米粉中殘余的酶在適宜溫度下充分作用。分別在反應(yīng)12 h和24 h后取樣,測定樣品DE值。所測DE值差值越大,淀粉酶殘余活力越強[8]。

1.2.6米粉淀粉體外消化速率測定對酶解與非酶解工藝制備的米粉進行模擬體外消化實驗,測定米粉淀粉體外消化速率。根據(jù)Englyst[9]等按淀粉消化特性進行的劃分,用淀粉消化指數(shù)(SDI)表示淀粉體外消化速率。

稱取上述兩種米粉基料各5 g,分別放入2個250 mL燒杯中,加入50 mL蒸餾水、10 mL pH7.2的磷酸緩沖溶液,置于37 ℃水浴中保溫5 min,加入0.4 mL 1%豬胰酶。酶解12 h后放入沸水浴中5 min使酶失活,冷卻,5000 r/min離心10 min,取上清液于50 mL容量瓶中定容,用3,5-二硝基水楊酸法測定酶解液中還原糖含量。平行操作3次,得出還原糖含量平均值[10-11]。計算公式如下:

式(2)

式(2)中,SDI-淀粉體外消化速率(%);G-淀粉水解產(chǎn)生的最大葡萄糖含量(以水解12 h后葡萄糖含量計算);F-理論上淀粉水解成葡萄糖的含量(g)。

1.3數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Box-Behnken設(shè)計原理設(shè)計響應(yīng)面實驗,采用Design-Expert 8.0.6.1軟件,對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素實驗

2.1.1漿料濃度對DE值的影響由圖1可知,DE值在漿料濃度為10%～15%之間趨勢平緩,隨著漿料濃度的不斷增大,DE值逐漸減小。由于漿料濃度的增加導(dǎo)致米漿粘度增大,分子與分子之間作用不充分,會影響酶解效率,從而引起DE值呈下降趨勢。考慮到漿料濃度在10%～15%之間,DE值變化不大,為降低成本,選擇漿料濃度15%左右較為合適。

圖1　漿料濃度對DE值的影響Fig.1　Effect of slurry concentration on dextrose equivalent

2.1.2酶解時間對DE值的影響由圖2可知,DE值隨著酶解時間的增加不斷增大,當酶解時間超過40 min時,DE值呈平緩增長趨勢。經(jīng)40 min酶解后,淀粉酶與淀粉分子充分作用,裹覆淀粉分子的大米細胞壁已基本崩解,酶解基本完成[12]?？紤]到酶解40 min后,DE值變化不大,選擇酶解時間40 min左右比較適合。

圖2　酶解時間對DE值的影響Fig.2　Effect of enzymatic hydrolysis time on dextrose equivalent

2.1.3酶解溫度對DE值的影響由圖3可知,DE值隨著酶解溫度的增高先增加后減少。當酶解溫度達到70 ℃時,DE值最大。即在此酶解溫度下,淀粉酶水解淀粉分子反應(yīng)速率最大。酶解溫度過低或過高,會影響到淀粉酶的活性及結(jié)構(gòu),從而影響淀粉水解程度,因此選擇酶解溫度70 ℃左右比較適合。

圖3　酶解溫度對DE值的影響Fig.3　Effect of enzymatic hydrolysis temperature on dextrose equivalent

2.1.4酶添加量對DE值的影響由圖4可知,DE值隨酶添加量的增大先增加后減少。當酶添加量達到0.35%時,DE值最大。隨著酶添加量進一步增大,DE值呈微弱降低趨勢。根據(jù)分子絡(luò)合學(xué)說,酶分子與漿料在反應(yīng)過程中存在某個平衡點。隨著酶添加量的逐漸增加,酶分子與漿料結(jié)合程度逐漸增大,當反應(yīng)達到飽和后,酶活性趨于穩(wěn)定[13],此時達到反應(yīng)平衡點,酶用量最佳，因此選擇酶添加量為0.35%比較適合。

圖4　酶添加量對DE值的影響Fig.4　Effect of enzyme concentration on dextrose equivalent

2.2響應(yīng)曲面法優(yōu)化米粉酶解生產(chǎn)工藝

2.2.1數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及顯著性分析響應(yīng)面實驗根據(jù)表1進行,共29組,其中24組為析因?qū)嶒?研究各因素之間的交互作用,5組為中心實驗,用以估算實驗誤差。實驗結(jié)果如表2所示。

表2　響應(yīng)面實驗設(shè)計與結(jié)果

續(xù)表

利用Design-Expert 8.0.6.1 軟件分析實驗結(jié)果,經(jīng)回歸擬合,得到二次多項式回歸方程:Y=32.54-1.94A+1.24B-0.54C-0.32D+0.18AB-0.13AC-0.015AD-0.40BC-0.16BD-0.18CD-2.04A2-1.43B2-2.11C2-1.55D2

對回歸方程進行方差分析,如表3所示。

表3　響應(yīng)面方差分析

注:*差異顯著(p<0.05);**差異極顯著(p<0.01)。

2.2.2響應(yīng)面優(yōu)化與分析根據(jù)二次多項式回歸方程,繪制響應(yīng)面圖,如圖5～圖10所示。

圖5　漿料濃度和酶解時間交互作用對米粉DE值的影響Fig.5　Effect of interaction of substrate concentration and enzymatic hydrolysis time on rice cereal dextrose equivalent

圖6　漿料濃度和酶解溫度交互作用對米粉DE值的影響Fig.6　Effect of interaction of substrate concentration and enzymatic hydrolysis temperature on rice cereal dextrose equivalent

圖7　漿料濃度和酶添加量交互作用對米粉DE值的影響Fig.7　Effect of interaction of substrate concentration and α-amylase and β-amylase concentration on rice cereal dextrose equivalent

圖8　酶解時間和酶解溫度交互作用對米粉DE值的影響Fig.8　Effect of interaction of enzymatic hydrolysis time and enzymatic hydrolysis temperature on rice cereal dextrose equivalent

圖9　酶解時間和酶添加量交互作用對米粉DE值的影響Fig.9　Effect of interaction of enzymatic hydrolysis time and α-amylase and β-amylase concentration on rice cereal dextrose equivalent

圖10　酶解溫度和酶添加量交互作用對米粉DE值的影響Fig.10　Effect of interaction of enzymatic hydrolysis temperature and α-amylase and β-amylase concentration on rice cereal dextrose equivalent

通過軟件對模型進行系統(tǒng)分析,得到酶解最優(yōu)工藝參數(shù)為:漿料濃度13.27%、酶解時間42.2 min、酶解溫度69.23 ℃、酶添加量0.34%,模型方程預(yù)測得到DE值為33.28%。結(jié)合實際操作局限性,確定修正后的工藝參數(shù)為:漿料濃度13%、酶解時間42 min、酶解溫度69 ℃、酶添加量0.34%。通過3組平行驗證實驗(33.06%、32.80%、33.17%),得到平均值為33.02%,與方程理論預(yù)測值基本一致。

2.3米粉基料酶活測定結(jié)果與分析

傳統(tǒng)酶解工藝生產(chǎn)通常采用高溫鈍化法使酶失活。鈍化后還需及時降溫,增加了能耗,提高了生產(chǎn)成本。

根據(jù)上述酶解工藝生產(chǎn)營養(yǎng)米粉基料。酶解后的漿料經(jīng)細化均質(zhì)后進行噴霧干燥。制得的米粉按照1.2.5方法進行酶活力測定,結(jié)果如表4所示。

表4　反應(yīng)時間對米粉DE值的影響

注:DE值取平均值±標準差(n=3)。

由表4可知,米粉的DE值變化差異不顯著,表明米粉中沒有殘存酶活力。經(jīng)酶處理后噴霧干燥制得的米粉,米粉中酶活力已經(jīng)完全鈍化。說明用噴霧干燥方法制得米粉,可以省去傳統(tǒng)工藝中高溫鈍化滅酶的工藝步驟,從而簡化操作,降低能耗,減少成本。

2.4酶解與非酶解米粉淀粉消化率對比與分析

在米粉制備條件完全相同的情況下,將經(jīng)過酶解與非酶解工藝制得的米粉進行了淀粉體外消化速率對比。結(jié)果表明酶解米粉淀粉體外消化速率為50.62%,非酶解米粉僅為28.91%。兩者淀粉消化指數(shù)差異顯著。酶解工藝制得米粉淀粉消化指數(shù)比非酶解工藝提高21.71%。原因是由于在酶解過程中,α-淀粉酶作用于淀粉分子中的α-1,4-葡萄糖苷鍵,能夠在短時間內(nèi)將淀粉長鏈大分子降解成短鏈小分子,形成小分子質(zhì)量的糊精,從而提高米粉的消化性能[14]。淀粉糊化后,隨著溫度的降低會出現(xiàn)回生現(xiàn)象,淀粉分子重新締合,形成的結(jié)晶性結(jié)構(gòu)不能被淀粉酶水解,會影響淀粉的消化性能[15]。相關(guān)研究表明,β-淀粉酶通過切斷大米支鏈淀粉外側(cè)支鏈,將糊化淀粉轉(zhuǎn)化成還原糖和β-糊精,能夠有效抑制淀粉回生,防止消化性能的降低[16]。因此,通過酶解工藝生產(chǎn)的米粉淀粉消化率遠高于非酶解工藝生產(chǎn)的米粉,更易于中老年人的消化吸收。

3　結(jié)論

對中老年營養(yǎng)米粉基料的酶解工藝進行了研究。以優(yōu)質(zhì)碎米為原料,采用生物技術(shù)及噴霧干燥技術(shù)制得米粉基料,在漿料濃度、酶解時間、酶解溫度、酶添加量對水解程度(DE值)影響的單因素實驗研究基礎(chǔ)上,利用Box-Behnken實驗設(shè)計和響應(yīng)面分析,優(yōu)化酶解工藝參數(shù),結(jié)合噴霧干燥技術(shù),制得中老年營養(yǎng)米粉基料。優(yōu)化結(jié)果表明,漿料濃度13%、酶解時間42 min、酶解溫度69 ℃、酶添加量0.34%。在此條件下生產(chǎn)的米粉基料水解程度可達33.02%,米粉中無殘存酶活力,淀粉消化指數(shù)比非酶解工藝提高21.71%,達到50.62%。本實驗為中老年人沖調(diào)營養(yǎng)米粉生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

[1]周顯青. 我國大米加工技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 糧油食品科技,2012(1):7-11.

[2]遲明梅,方偉森. 碎米資源的綜合利用[J]. 糧食加工,2006(4):39-41.

[3]吳陽,徐樹來,鄭雨,等. 我國嬰幼兒米粉發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展對策[J]. 食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報,2014(2):607-612.

[4]琚爭艷,龐明利,李發(fā)財,等. 中老年奶粉市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[C].首屆中國奶業(yè)大會論文集(下冊),2010:109-111.

[5]劉梅森,林漢卿,高麗霄,等. 嬰幼兒營養(yǎng)米粉生產(chǎn)中輔料對酶解工藝的影響[J]. 食品工業(yè)科技,2015(3):195-198.

[6]馬濤,趙琨,毛闖. 大米淀粉為基質(zhì)制備低DE值麥芽糊精的研究[J]. 食品科學(xué),2007(10):237-240.

[7]趙凱,許鵬舉,谷廣燁. 3,5-二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究[J]. 食品科學(xué),2008(8):534-536.

[8]楊柳新,徐以撒. 淀粉液化液滅酶方法的研究[J]. 江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報,2002(3):22-24.

[9]Englyst H N,Kingman S M,Cummings J H. Classification and measurement of nutritionally important starch fractions.[J]. European Journal of Clinical Nutrition,1992,46(2):33-50.

[10]Hu P,Zhao H,Duan Z,et al. Starch digestibility and the estimated glycemic score of different types of rice differing in amylose contents[J]. Journal of Cereal Science,2004,40(3):231-237.

[11]Kim J,Kim J Y,Kang M,et al. Influence of the physical form of processed rice products on the enzymatic hydrolysis of rice starchinvitroand on the postprandial glucose and insulin responses in patients with type 2 diabetes mellitus[J]. Bioscience Biotechnology & Biochemistry,2004,68(9):1831-1836.

[12]朱建華,全小麗,黃彬. 酶法優(yōu)化有機嬰幼兒米粉基料工藝條件研究[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報,2012(4):120-123.

[13]石亞中,方嬌龍,錢時權(quán),等. 響應(yīng)曲面法優(yōu)化纖維素酶酶解提取工藝[J]. 食品科學(xué),2013(4):75-79.

[14]Tester R F,Qi X,Karkalas J. Hydrolysis of native starches with amylases[J]. Animal Feed Science & Technology,2006,130(1):39-54.

[15]Gary Williamson,Nigel J Belshaw,David J Self,et al. Hydrolysis of A-and B-type crystalline polymorphs of starch byα-amylase,β-amylase and glucoamylase 1[J]. Carbohydrate Polymers,1992,18(92):179-187.

[16]丁文平,丁霄霖. 普魯蘭酶和β-淀粉酶對大米支鏈淀粉回生影響的研究[J]. 中國糧油學(xué)報,2003(1):13-16.

Enzymatic hydrolysis technology optimization of the nutritious rice cereal for mid-aged and older people based on response surface methodology

XU Shu-lai,WU Yang,JIN Hui-rong,ZHANG Jing

(1.Food Engineering College,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China; 2.The Key Laboratory of Food Science and Engineering of Colleges and Universities in Heilongjiang,Harbin 150076,China)

Using the high quality broken rice as raw material,the effect of substrate concentration,enzymatic hydrolysis time,enzymatic hydrolysis temperature and enzyme concentration on the degree of hydrolysis(DE value)was systematically studied by single factor experiments. Box-Behnken design and response surface analysis,then the enzymatic hydrolysis parameters were optimized,and the basic material of mid-aged and older nutritious rice cereal was prepared combined with spray drying technology. In the conclusion,the optimal hydrolysis conditions were established as follows:substrate concentration 13%,enzymatic hydrolysis time 42 min,temperature 69 ℃,enzyme concentration 0.34%. Under the optimum enzymatic hydrolysis conditions,the dextrose equivalent reached to 33.02%,moreover,there was no residual enzyme activity,and the starch digestion index was 50.62%,which was higher compared to the non-enzymatic productions by 21.71%.

rice cereal;enzymatic hydrolysis technology;response surface methodology;dextrose equivalent;starch digestion index

2015-11-27

徐樹來(1966-),男,博士,教授,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏，E-mail:xushulai@sina.com。

哈爾濱市人才基金優(yōu)秀學(xué)科帶頭人項目(2015RAXXJ034);黑龍江省留學(xué)回國人員擇優(yōu)資助資金項目。

TS213.3

A

1002-0306(2016)10-0236-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.039