加酶擠壓處理玉米淀粉對低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響

葛 潔吳春森 王 瀅 王 韌金征宇 徐學(xué)明 焦愛權(quán) 周 星

(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學(xué)食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122)

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加酶擠壓處理玉米淀粉對低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響

葛 潔1,2吳春森1,2王 瀅1,2王 韌1,2金征宇2,3徐學(xué)明1,3焦愛權(quán)1,3周 星1,3

(1. 江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學(xué)食品安全與營養(yǎng)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 無錫 214122)

采用加酶擠壓技術(shù)處理玉米淀粉，以擠出產(chǎn)物制備低聚異麥芽糖。以異麥芽糖(IG2)、潘糖(P)、異麥芽三糖(IG3)含量之和作為低聚異麥芽糖產(chǎn)量指標(biāo)，通過正交試驗優(yōu)化相關(guān)參數(shù)，確定最優(yōu)的加酶擠壓工藝(擠壓過程中擠壓溫度為95 ℃，擠壓物料含水量為45%，擠壓加酶量為0.8%)。通過上述參數(shù)進(jìn)行試驗所得的低聚異麥芽糖產(chǎn)量最高可達(dá)35%以上。

α-淀粉酶；擠壓；玉米淀粉；低聚異麥芽糖

低聚異麥芽糖(Isomalto-oligosaccharides, IMOs)是一種分支性功能低聚糖，葡萄糖單位間至少有一個α-1,6糖苷鍵連接而成[1]。作為食品添加劑可以降低甜度，改善口感；在酸性和高溫條件下較穩(wěn)定；保濕能力強(qiáng)；不易被微生物利用，所提供的能量較低；低聚異麥芽糖屬于非消化性低聚糖，是益生菌的增值因子，能促進(jìn)改善腸道菌群，提高生理機(jī)能[2-3]。因其特殊的生理功能，已被廣泛運(yùn)用在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。目前，低聚異麥芽糖的生產(chǎn)主要是以淀粉為原料，通過噴射液化的方式對原料進(jìn)行液化預(yù)處理，再經(jīng)糖化和轉(zhuǎn)苷等步驟實現(xiàn)低聚異麥芽糖的生產(chǎn)[4-6]。然而利用此法，在高壓噴射處理階段存在著蒸汽使用量大、處理原料濃度低、能耗大等問題。因此，尋求一種高效率、低能耗的生產(chǎn)方式將大有前途[7]。早先就有提出將擠壓機(jī)作為連續(xù)生物反應(yīng)器用于生產(chǎn)的概念，將擠壓技術(shù)運(yùn)用在淀粉糖的生產(chǎn)中，則具有零蒸汽消耗、所處理的淀粉濃度可達(dá)50%以上、設(shè)備要求低等優(yōu)點，是一種有效降低能耗，綠色環(huán)保的淀粉糖生產(chǎn)方式[8-10]。高溫高剪切的擠壓條件可以有效糊化、降解淀粉，擠壓時添加耐熱型的α-淀粉酶能進(jìn)一步液化降解淀粉，使淀粉黏度下降，有利于調(diào)漿等后續(xù)操作[11-15]。

綜上，考慮將擠壓技術(shù)運(yùn)用于低聚異麥芽糖的生產(chǎn)。本試驗研究了將加酶擠壓技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴射液化對玉米淀粉進(jìn)行處理，并將擠壓產(chǎn)物用于低聚異麥芽糖的生產(chǎn)，考察了擠壓溫度、物料水分含量、擠壓加酶量3種擠壓參數(shù)對淀粉降解及最終低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響。根據(jù)正交試驗確定了加酶擠壓處理玉米淀粉生成低聚異麥芽糖的最優(yōu)生產(chǎn)工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

玉米淀粉：食品級，市售；

耐高溫α-淀粉酶、普魯蘭酶、真菌α-淀粉酶、β-淀粉酶：丹麥Novozymes公司；

α-葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶：日本Amano酶制劑公司；

潘糖標(biāo)品、異麥芽糖標(biāo)品、異麥芽三糖標(biāo)品：美國Sigma化學(xué)試劑公司；

乙腈：色譜純，天津賽孚瑞科技有限公司；

3,5-二硝基水楊酸：化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氫氧化鈉、苯酚等：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電熱恒溫震蕩搖床：DKZ型，上海一恒科技有限公司；

高效液相色譜儀：LC-20A型，島津公司；

高效液相柱：APS-2 HYPERSIL型，賽默飛世爾科技有限公司；

雙螺桿擠壓機(jī)：POLYLAB型，美國賽默飛世爾科技公司；

紫外—可見光度計：SP-2102UV型，上海光譜儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米淀粉加酶擠壓試驗 主要對擠壓溫度、物料水分含量、耐熱性α-淀粉酶的添加量三個因素對加酶擠壓淀粉生產(chǎn)低聚異麥芽糖的影響進(jìn)行討論。根據(jù)試驗要求，分別調(diào)節(jié)原料玉米淀粉水分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為35%，40%，45%，相應(yīng)添加質(zhì)量比為0.0%，0.1%，0.5%，0.8%，1.0%含量的耐熱型α-淀粉酶，擠壓物料混合均勻后，放于4 ℃冰箱內(nèi)平衡水分12 h。擠壓溫度分別設(shè)定為75，85，95，105 ℃進(jìn)行原料淀粉的擠壓試驗，其中螺桿轉(zhuǎn)速均為150 r/min，喂料速率均為200 kg/h。

1.2.2 擠壓產(chǎn)物糖化轉(zhuǎn)苷生成低聚異麥芽糖 取適量擠壓產(chǎn)物加入pH 4.0的醋酸鹽緩沖液中，沸水浴滅酶10 min，滅酶后的擠壓產(chǎn)物加水調(diào)漿至物料濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為30%，pH調(diào)為5.5，分別添加20 U/g真菌α-淀粉酶、20 U/gβ-淀粉酶及10 U/g普魯蘭酶，置于55 ℃的水浴搖床中震蕩反應(yīng)，糖化2 h后添加30 U/gα-轉(zhuǎn)移葡糖糖苷酶，反應(yīng)48 h后沸水浴滅酶，取樣分析低聚異麥芽糖含量。

1.2.3 擠壓產(chǎn)物DE值測定 擠壓產(chǎn)物經(jīng)滅酶、稀釋處理，4 500 r/min離心15 min，取上清，利用DNS法測定540 nm處吸光度值，計算還原糖含量，進(jìn)一步計算得到擠壓產(chǎn)物的葡萄糖當(dāng)量值(DE值)[16]。

(1)

1.2.4 低聚異麥芽糖含量測定 利用高效液相色譜法對糖液進(jìn)行組分分析，流動相為水—乙腈混合液，水與乙腈的體積比為20∶80，流速1 mL/min，采用示差檢測，柱溫30 ℃，低聚異麥芽糖(IMOS)含量以異麥芽糖(IG2)、潘糖(P)、異麥芽三糖(IG3)總和進(jìn)行表示[17]。

1.2.5 加酶擠壓玉米淀粉生產(chǎn)低聚異麥芽糖正交試驗 在單因素試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，采用正交試驗方法，優(yōu)化加酶擠壓生產(chǎn)低聚異麥芽糖中擠壓操作單元。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓溫度對擠壓產(chǎn)物DE值和低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響

高溫剪切可促進(jìn)淀粉糊化，利于高溫α-淀粉酶作用，但過高的擠壓溫度不僅會使酶活性降低甚至失活，在試驗中發(fā)現(xiàn)，同時也會導(dǎo)致擠壓產(chǎn)物顏色變深生成不良產(chǎn)物，因此選擇擠壓溫度在75～105 ℃為宜。由圖1可知，在高溫高壓的擠壓剪切條件下有利于淀粉糊化降解，α-淀粉酶的添加可以使糊化的淀粉發(fā)生進(jìn)一步的降解，隨擠壓溫度增加擠壓產(chǎn)物DE值逐漸增加，當(dāng)溫度升至105 ℃時，相應(yīng)的DE值略有降低，這主要是在相同的擠壓條件下，擠壓溫度的變化會進(jìn)一步影響淀粉糊化以及耐熱型α-淀粉酶的活性。隨著溫度的提高，耐高溫α-淀粉酶的活性逐漸升高，這有利于促進(jìn)淀粉降解，進(jìn)一步提高擠壓溫度，淀粉酶會出現(xiàn)部分失活，從而使淀粉水解程度降低，DE值降低。對不同擠壓溫度條件下的樣品分別進(jìn)行糖化轉(zhuǎn)苷試驗，由所得的低聚異麥芽糖含量可知，隨著擠壓溫度的升高，低聚異麥芽的產(chǎn)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，結(jié)合淀粉DE值變化情況分析，這可能是在加酶擠壓處理的過程中，淀粉發(fā)生糊化、降解，大顆粒的淀粉被降解為小的淀粉鏈，小片段淀粉可作為后續(xù)反應(yīng)中糖化酶及轉(zhuǎn)苷酶的作用底物，利于低聚異麥芽糖的生成。

2.2 物料水分含量對擠壓產(chǎn)物DE值和低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響

物料水分含量過低，會使淀粉在擠壓剪切過程中不易糊化，甚至在擠壓過程中造成堵料現(xiàn)象，影響機(jī)器正常運(yùn)行。同時，在擠壓過程中添加的酶制劑也需要一定的水分含量才能正常發(fā)揮其水解作用。因此，在擠壓處理過程中，提高物料淀粉的水分含量將有利于促進(jìn)淀粉糊化，提高酶利用率，有效降低擠壓產(chǎn)物的黏度。然而，水分含量過高不利于剪切過程中摩擦力的產(chǎn)生，使擠壓機(jī)剪切能力降低，不利于淀粉糊化水解，降低了擠壓剪切效率。因此，本試驗選擇擠壓物料水分含量在35%～45%。由圖2可知，試驗所涉及的物料水分含量對擠壓產(chǎn)物的DE值影響不大，隨著水分含量的增加物料的DE值只有略微增加，基本在55左右。提高物料水分含量可以使淀粉充分糊化，另外，由于酶促反應(yīng)也需要水分參與，水分含量的提高會加速酶反應(yīng)，促進(jìn)淀粉水解。但同時，水分含量的增加會使擠壓機(jī)剪切能力降低，不利于淀粉糊化水解，因此需控制適當(dāng)?shù)奈锪纤趾?。在試驗所選擇的物料水分含量范圍內(nèi)，隨著物料的水分含量的增加，擠壓淀粉轉(zhuǎn)化生成的低聚異麥芽糖產(chǎn)量越高，最高可達(dá)129 mg/mL，說明隨水分含量增加，酶解擠壓降解的淀粉產(chǎn)物有利于轉(zhuǎn)化生產(chǎn)低聚異麥芽糖。

圖1 擠壓溫度對擠壓產(chǎn)物葡萄糖當(dāng)量和低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響

Figure 1 Effect of extrusion temperature on dextrose equivalent and isomalto-oligosaccharides content

圖2 物料水分含量對擠壓產(chǎn)物葡萄糖當(dāng)量和

Figure 2 Effect of feed moisture content on dextrose equivalent and isomalto-oligosaccharides content

2.3 加酶量對擠壓產(chǎn)物DE值和低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響

高溫高剪切的擠壓條件可以促進(jìn)淀粉糊化降解，在擠壓過程中添加酶制劑可以促進(jìn)淀粉進(jìn)一步液化降解，降低淀粉黏度。因此，選擇在擠壓時添加耐熱型α-淀粉酶，該酶可以適用于試驗條件下擠壓機(jī)內(nèi)的高溫環(huán)境，酶解淀粉，促進(jìn)水解，有效降低淀粉黏度，利于后續(xù)調(diào)漿糖化。由圖3可知，隨著耐熱型α-淀粉酶添加量的提高，淀粉水解程度增加，DE值逐漸升高。同時隨著擠壓加酶量的提高低聚異麥芽糖的含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這可能是淀粉在加酶擠壓過程中發(fā)生水解生成的短鏈淀粉成為了后續(xù)糖化酶和轉(zhuǎn)苷酶適宜的反應(yīng)底物，有利于低聚異麥芽糖的生成。但過高的加酶量會使淀粉過度水解，導(dǎo)致葡萄糖的含量明顯增高，不利于后續(xù)反應(yīng)。

圖3 加酶量對擠壓產(chǎn)物葡萄糖當(dāng)量和

Figure 3 Effect of enzyme concentration on dextrose equivalent and isomalto-oligosaccharides content

2.4 正交優(yōu)化加酶擠液化生產(chǎn)低聚異麥芽糖

為進(jìn)一步優(yōu)化加酶擠壓生產(chǎn)低聚異麥芽糖的生產(chǎn)工藝，根據(jù)DE值和各擠壓參數(shù)對低聚異麥芽糖產(chǎn)量影響的單因素試驗結(jié)果，選擇擠壓溫度、物料水分含量以及耐熱型α-淀粉酶加酶量做三因素三水平正交試驗，正交因素水平見表1。分析正交擠壓樣品糖化轉(zhuǎn)苷后，其低聚異麥芽糖產(chǎn)量(IG2+P+IG3)，從而進(jìn)一步確定擠壓液化的最優(yōu)組合。試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

表1 正交因素水平

表2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果

根據(jù)正交試驗極差結(jié)果顯示，擠壓溫度>加酶量>物料水分含量，說明加酶擠壓參數(shù)中影響后續(xù)低聚麥芽糖生成主要因素是擠壓溫度，其次是加酶量，而物料水分含量影響最小。比較各因素均值效果值，隨著物料水分含量提高低聚異麥芽糖產(chǎn)量逐漸增加，但低聚異麥芽糖產(chǎn)量并非隨著擠壓溫度及加酶量的增加而增加。據(jù)分析，選擇最優(yōu)因素水平組合方案為A2B3C2。在此優(yōu)化條件下進(jìn)行實驗驗證，3次平行實驗結(jié)果(IG2+P+IG3) 含量均在120 mg/mL以上，(IG2+P +IG3)產(chǎn)率大于35%，已達(dá)中國低聚異麥芽糖IMO-50生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20881—2007)。

3 結(jié)論

加酶擠壓處理玉米淀粉可以有效降解淀粉，降低物料黏度，所處理的淀粉物料有利于后續(xù)糖化轉(zhuǎn)苷。DE值可用于衡量淀粉的液化程度，DE值越大，淀粉降解越大，黏度變小。試驗發(fā)現(xiàn)淀粉降解有利于低聚異麥芽糖的生產(chǎn)，但過高的DE值，會使產(chǎn)量降低。利用單因素試驗對擠壓溫度、物料水分含量和擠壓加酶量對擠壓產(chǎn)物DE值和最終低聚異麥芽糖產(chǎn)量的影響進(jìn)行分析，通過三因素三水平正交試驗對條件進(jìn)行優(yōu)化，最終確定最佳工藝參數(shù)：擠壓溫度為，95 ℃擠壓物料含水量為45%，擠壓加酶量為0.8%。利用此優(yōu)化條件進(jìn)行實驗驗證，最終所得粗糖中(IG2+P+IG3)含量均在35%以上，已達(dá)中國規(guī)定低聚異麥芽糖IMO-50的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，本研究為加酶擠壓技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴射液化對淀粉原料處理進(jìn)行低聚異麥芽糖生產(chǎn)提供了一定的理論參數(shù)依據(jù)。

[1] 李芃, 曾凡駿, 柳玲, 等. 大米制取低聚異麥芽糖工藝研究[J]. 糧食與飼料工業(yè), 2007(6): 21-23.

[2] 車夏寧, 林海龍, 趙永武, 等. 低聚異麥芽糖理化功能特性及生產(chǎn)方法研究進(jìn)展[J]. 中國釀造, 2014, 33(7): 20-23

[3] LIN Qin-lu, XIAO Hua-xi, ZHAO Jian, et al. Production of isomalto-oligosaccharide syrup from rice starch using an one-step conversion method[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2011, 46(6): 1 194-1 200.

[4] 陳輝. 秈米淀粉制取低聚異麥芽糖技術(shù)研究[D]. 長沙: 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2008: 2-9.

[5] 王鎮(zhèn)發(fā). 木薯淀粉制備低聚異麥芽糖及沸石在其分離純化中的應(yīng)用[D]. 泉州: 華僑大學(xué), 2012: 4-10.

[6] 劉國凌, 汪芳安. 異麥芽低聚糖酶法制備研究[J]. 韶關(guān)學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2002, 23(12): 132-135.

[7] 汪芳安, 董佳, 潘從道. 異麥芽低聚糖及其生產(chǎn)與應(yīng)用[J]. 武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2001(4): 14-16.

[8] 郝國東, 徐磊, 段志林. 提高玉米淀粉糖化率新工藝[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009(4): 102-103.

[9] LI Hong-yan, JIN Zheng-yu, XU Xue-ming. Design and optimization of an efficient enzymatic extrusion pretreatment for Chinese rice wine fermentation[J]. Food Control, 2013, 32(2): 563-568.

[10] BAKS Tim, KAPPEN Frans H J, JANSSEN Anja E M, et al. Towards an optimal process for gelatinisation and hydrolysis of highly concentrated starch-water mixtures with alpha-amylase from B. licheniformis[J]. Journal of Cereal Science, 2008, 47(2): 214-225.

[11] 申勛宇, 申德超. 低溫擠壓酶解干法脫胚玉米取代淀粉生產(chǎn)糖漿技術(shù)[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2014(6): 55-58.

[12] 杜雙奎, 魏益民, 張波. 擠壓膨化過程中物料組分的變化分析[J]. 中國糧油學(xué)報, 2005(3): 39-43.

[13] 李桂杰, 郭艷莉, 肖志剛, 等. 加酶擠壓法對玉米淀粉基脂肪替代物全質(zhì)構(gòu)的影響[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(3): 40-46.

[14] 楊夫光, 李飛, 母應(yīng)春, 等. 擠壓碎米生產(chǎn)淀粉糖漿的工藝優(yōu)化[J]. 食品與機(jī)械, 2013, 29(2): 190-194.

[15] 唐漢軍, 李林靜, 朱偉. 螺桿擠壓工藝對米粉品質(zhì)的改良作用[J]. 食品與機(jī)械, 2015, 31(5): 239-242.

[16] 宋巧. 馬鈴薯淀粉酶法制備高麥芽糖漿工藝研究[D]. 蘭州: 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012: 19.

[17] 林家永. 異麥芽低聚糖含量測定方法的研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2009(6): 351-353.

Influence of enzymatic extrusion of corn starch on preparation of isomalto-oligosaccharides

GE Jie1,2WUChun-sen1,2WANGYing1,2WANGRen1,2JINZheng-yu2,3XUXue-ming1,3JIAOAi-quan1,3ZHOUXing1,3

(1.TheStateKeyLaboratoryofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China;2.SchoolofFoodScienceandTechnology,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China;3.SynergeticInnovationCenterofFoodSafetyandNutrition,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

The treatment of corn starch by adding enzyme extrusion technology as material to produce isomalto-oligosaccharide. With the sum content of isomaltose (IG2), panose (P) and maltotriose (IG3) as the yield index of isomalto-oligosaccharide, the parameters were optimized by orthogonal experiment, and the optimum processes for production of ismalto-oligosaccharide from corn starch with enzymatic extrusion were as followed: the extrusion temperature 95 ℃, the water content 45%, and the amount of enzyme 0.8%. And the yield of the ismalto-oligosaccharide with the highest yield could reach over 35%.

α-amylose; extrusion; corn starch; isomalto-oligosaccharide

國家自然科學(xué)基金(編號：31301505)；江蘇省自然科學(xué)基金(編號：BK20130140，BE2013311)

葛潔，女，江南大學(xué)在讀碩士研究生。

周星(1982-)，女，江南大學(xué)副教授，博士。

E-mail:zhouxing@jiangnan.edu.cn

2016-04-29