酶解條件對谷物雜糧粉黏度的影響研究

馬麗媛，李 楊，尚爾坤，張 晟，張金鳳

（1.綏化學(xué)院食品與制藥工程學(xué)院，黑龍江綏化 152061；2.綏化市食品藥品檢驗(yàn)檢測所，黑龍江綏化 152000）

谷物雜糧主要包括谷類（稻米、玉米、小米、紅米、黑米、紫米、大麥、燕麥、蕎麥等）、雜豆類（黃豆、綠豆、紅豆、黑豆、蠶豆、豌豆等）和塊莖類（紅薯、山藥、馬鈴薯等）。在中國，大米和面粉以外的糧食作物被稱作粗糧或雜糧，所以五谷雜糧也泛指糧食作物[1]。谷物雜糧因其豐富的營養(yǎng)、充足的資源，在我國的膳食結(jié)構(gòu)中占有著舉足輕重的地位[2]。然而，谷物雜糧富含膳食纖維，因現(xiàn)有加工手段的限制，使具有營養(yǎng)保健功能的谷物雜糧可食性較差，消費(fèi)者很難接受因傳統(tǒng)加工方法導(dǎo)致口感粗糙的五谷雜糧，不僅造成了資源上的浪費(fèi)，也限制了對谷物雜糧進(jìn)行的深加工利用，不能充分發(fā)揮其功效[3-5]。通過有效的技術(shù)方法如生物酶技術(shù)，可使谷物雜糧粉更易被人們接受和充分消化吸收，提高其可食性和資源上的利用率，為谷物雜糧的深加工奠定了基礎(chǔ)[6-7]。

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會又好又快發(fā)展，我國人民對谷物的攝入要求越來越高，谷物的單一攝入，難以滿足人體生長需要。谷物雜糧中富含豐富的各類營養(yǎng)元素，尤其是微量元素（鐵、鎂、鋅、硒、鉀、鈣）及蛋白質(zhì)，維E、葉酸、生物類黃酮的含量也比細(xì)糧豐富，其保健功效在現(xiàn)代日常生活中是不可或缺的地位，比較符合人體攝入需求營養(yǎng)成分的比例，其特殊的食療功效是由其獨(dú)特的生理活性成分形成[2，8-12]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1.1 材料

小米、紅小豆、玉米、高粱、燕麥，均購于黑龍江省綏化市華辰超市；中溫淀粉酶，南寧東恒華道生物科技有限公司提供；纖維素酶，和氏璧生物科技有限公司提供；脂肪酶、糖化酶，滄州夏盛酶生物技術(shù)有限公司提供；α -淀粉酶，上海祥瑞生物科技有限公司提供。

1.1.2 設(shè)備

CF-100KS 型萬能粉碎機(jī)，廣州晨雕機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；HH-6 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市萊華儀器制造有限公司產(chǎn)品；XS 365M 型天平，瑞士普里賽斯儀器有限公司產(chǎn)品；101-3AB 型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司產(chǎn)品；80-2B 型離心機(jī)，湖南星科技科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；NDJ-5S 型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，武漢格萊莫檢測設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 谷物雜糧粉制作方法

選用新鮮優(yōu)質(zhì)的小米、紅小豆、玉米、高粱、燕麥，去除雜質(zhì)，用清水洗凈。洗凈后在10～20 ℃的氣溫下風(fēng)干[13]，用萬能粉碎機(jī)粉碎，粉碎細(xì)度為50～200 目，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。將所磨谷物粉過不同粒徑的篩網(wǎng)，備用。將上述備用谷物粉按1∶1∶1∶1∶1 混合，并按一定底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)漿，使谷物粉與水混合均勻，并于95 ℃下滅酶10 min。調(diào)節(jié)酶解的適宜溫度和pH 值，加入適量的生物酶，攪拌均勻，使?jié){料與酶充分接觸，置于恒溫水浴鍋中酶解一定時(shí)間，酶解結(jié)束后溫度升至95 ℃滅酶10 min[14-17]。將反應(yīng)后的谷物雜糧粉溶液冷卻至室溫進(jìn)行黏度測定。

1.2.2 單因素試驗(yàn)

分別選取不同的生物酶制劑、雜糧粉溶液底物濃度、pH 值、酶解溫度、酶解時(shí)間為單因素，以黏度為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，從中選取適宜的條件，進(jìn)行下一步正交試驗(yàn)。

1.2.3 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以黏度為指標(biāo)，進(jìn)行四因素三水平L9（34）正交試驗(yàn)，確定谷物雜糧粉的最佳酶解工藝。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

1.3 谷物雜糧粉黏度檢測

使用黏度計(jì)進(jìn)行如下標(biāo)準(zhǔn)操作[18]：

（1）開啟機(jī)器。在開啟機(jī)器之前，將蓋在機(jī)器上的保護(hù)罩取下，讓數(shù)字顯示屏亮，但不讓電機(jī)工作，預(yù)熱20 min。

（2）選擇量程。先取來被測樣品，預(yù)估計(jì)其黏度值范圍，然后選擇轉(zhuǎn)子，將選用的轉(zhuǎn)子慢慢地旋轉(zhuǎn)到連接螺桿上（向左擰裝備轉(zhuǎn)子，向右擰取下轉(zhuǎn)子）。無法估計(jì)預(yù)測的樣品，從小體積的轉(zhuǎn)子（4、3）到大體積的轉(zhuǎn)子（2、1）逐步試用。

（3）緩慢旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)升降架，使旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)慢慢下落，轉(zhuǎn)子慢慢浸入待測樣品中，直到轉(zhuǎn)子上的刻度線與待測樣品液面相平為止，保護(hù)架裝置、轉(zhuǎn)子在正中心。調(diào)整黏度計(jì)的位置為水平。

（4）先使轉(zhuǎn)子在待測樣品中浸泡3 min，使轉(zhuǎn)子溫度與待測樣品溫度相近。

（5）按下“測量”鍵，機(jī)器開始運(yùn)作，開始測量。當(dāng)轉(zhuǎn)子在液體中旋轉(zhuǎn)20 圈以上時(shí)再讀數(shù)。

（6）每次測量后都要清洗轉(zhuǎn)子，以免影響其他測量結(jié)果。

（7）測試結(jié)果取2 次測量的算術(shù)平均值。2 次測量結(jié)果之差小于或等于2 次測量結(jié)果平均值的10%，否則測量第3 次。

（8）結(jié)束試驗(yàn)時(shí)要及時(shí)清潔轉(zhuǎn)子和機(jī)身，必須將轉(zhuǎn)子拆下來清洗，轉(zhuǎn)子清洗干凈擦干后放回裝置盒中。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 酶制劑的選取

不同酶制劑對谷物雜糧粉黏度的影響見圖1。

圖1 不同酶制劑對谷物雜糧粉黏度的影響

由圖1 可知，脂肪酶和α -淀粉酶對谷物雜糧粉溶液黏度值改變最小，堿性蛋白酶和糖化酶對谷物雜糧粉的黏度有一定影響，纖維素酶和中溫淀粉酶對谷物雜糧粉的黏度改善最明顯。谷物雜糧粉的黏度主要受淀粉糊化的影響，同時(shí)在酶解過程中酶可能改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對黏度產(chǎn)生影響[19-20]。參考丁長河等人[21]研究果膠酶與纖維素酶對馬鈴薯漿黏度的影響，選擇效果最佳的2 種酶進(jìn)行1∶1 復(fù)配，這樣可增加酶化催位點(diǎn)，可使反應(yīng)更加快速高效，因此試驗(yàn)采用纖維素酶和中溫淀粉酶1∶1 復(fù)配進(jìn)行酶解試驗(yàn)。

2.1.2 雜糧粉溶液底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對谷物雜糧粉黏度的影響見圖2。

由圖2 可知，底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對谷物雜糧粉的黏度影響相對較小，且底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，7.5%，10%時(shí)，谷物雜糧粉黏度相差不大，可能是因?yàn)槿芤涸谶@一區(qū)間已經(jīng)趨于飽和，當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量分?jǐn)?shù)相對過高超過10%時(shí)，出現(xiàn)結(jié)塊和小粉團(tuán)。由于底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%時(shí)，黏度較高，且相差較小。因此，選擇底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%進(jìn)行下一步試驗(yàn)篩選。

圖2 底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對谷物雜糧粉黏度的影響

2.1.3 pH 值的確定

不同pH 值對谷物雜糧粉黏度的影響見圖3。

圖3 不同pH 值對谷物雜糧粉黏度的影響

由圖3 可知，pH 值在4～7 的區(qū)間內(nèi)，谷物雜糧粉溶液的黏度值隨pH 值的增大而上升，在pH 值為7 時(shí)達(dá)到最大，當(dāng)pH 值大于7 時(shí)，谷物雜糧粉水解液黏度呈下降趨勢。參考丁錚等人[22]生物酶對高黏度壓裂返排液破膠處理的研究，酶制劑需在一定pH 值范圍內(nèi)保持其活性，pH 值對谷物雜糧粉的組織狀態(tài)和凝乳狀態(tài)均有重要影響，且因?yàn)殡s糧粉和酶制劑中均有蛋白質(zhì)存在，而溶液的pH 值不僅是淀粉糊化和酶活的重要影響因素，還直接影響蛋白質(zhì)的構(gòu)象，谷物雜糧粉黏度隨pH 值增大而增大，當(dāng)溶液趨于堿性時(shí)，谷物雜糧粉黏度略有降低，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，選擇pH 值為6～8 進(jìn)行下一步試驗(yàn)篩選。

2.1.4 酶解溫度的確定

酶解溫度對谷物雜糧粉黏度的影響見圖4。

由圖4 可知，谷物雜糧粉水解液黏度在40～50 ℃隨溫度上升而增大，在50～60 ℃呈下降趨勢。溫度對谷物雜糧粉黏度的影響，主要來自于溫度對酶制劑的水解過程產(chǎn)生的影響，而溫度也是淀粉糊化的另一個(gè)重要影響因素[23]。試驗(yàn)所用纖維素酶和中溫淀粉酶最適溫度范圍均為40～60 ℃，在50 ℃達(dá)到了黏度最高值。因此，試驗(yàn)選擇酶解溫度為45～55 ℃進(jìn)行下一步篩選。

圖4 酶解溫度對谷物雜糧粉黏度的影響

2.1.5 酶解時(shí)間的確定

酶解時(shí)間對谷物雜糧粉黏度的影響見圖5。

圖5 酶解時(shí)間對谷物雜糧粉黏度的影響

由圖5 可知，谷物雜糧粉水解液黏度在水解30 ～90 min 隨酶解過程而增大，在90～120 min 黏度呈下降趨勢。時(shí)間長短決定著酶對谷物雜糧粉作用效果，酶解時(shí)間過短可能會使酶解進(jìn)行不完全；時(shí)間過長，酶解過度反而導(dǎo)致雜糧粉黏度下降，水解90 min 時(shí)黏度最高。因此，選擇酶解時(shí)間為60～120 min 進(jìn)行下一步試驗(yàn)篩選。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH 值、溫度、時(shí)間進(jìn)行四因素三水平L9（34）正交試驗(yàn)，篩選谷物雜糧粉的最佳工藝條件，以谷物雜糧粉的黏度作為主要參考指標(biāo)。

正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用直觀分析方法，對正交試驗(yàn)中各因素的K值及R 值的大小進(jìn)行比較。由表中極差值R 可知，RC＞RB＞RD＞RA，對谷物雜糧粉水解液黏度影響最大的為酶解溫度，其次是酶解反應(yīng)pH 值，而后是酶解反應(yīng)時(shí)間，影響最小的是谷物雜糧粉底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。其最優(yōu)水平為A1B1C2D2，即底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溶液pH 值為6，加熱溫度為50 ℃，加熱時(shí)間為90 min，與表中的最大黏度值試驗(yàn)組A1B2C2D2，即底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溶液pH 值為7，加熱溫度為50 ℃，加熱時(shí)間為90 min 不符，因此要進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表3，方差分析見表4。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

表4 方差分析

由表3、表4 可知，由于組合A1B2C2D2和組合A1B1C2D2所得的黏度值結(jié)果接近，經(jīng)方差分析二者結(jié)果差異不顯著，考慮谷物雜糧粉口感，pH 值為6 可能不符合大眾口味。故選擇A1B2C2D2為最佳組合，即底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，溶液pH 值為7，加熱溫度為50 ℃，加熱時(shí)間為90 min 為谷物雜糧粉最佳酶解工藝配方，此時(shí)得出谷物雜糧粉水解液黏度最佳。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)得知纖維素酶和中溫淀粉酶可明顯改善谷物雜糧粉的黏度。谷物雜糧粉溶液黏度的改善主要是通過淀粉糊化和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)，不同的酶解條件對谷物雜糧粉溶液的黏度影響明顯，通過試驗(yàn)得到的谷物雜糧粉最佳酶解工藝為底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，纖維素酶和中溫淀粉酶配比為1∶1，pH 值為7，酶解溫度為50 ℃，酶解時(shí)間為90 min，此時(shí)谷物雜糧粉水解液的黏度有較大改善。