雙酶法優(yōu)化祿豐香醋糖化工藝

陳乾睿 趙銳環(huán) 徐志強(qiáng) 谷大海

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2024.05.014

引文格式：陳乾睿，趙銳環(huán)，徐志強(qiáng)，等.雙酶法優(yōu)化祿豐香醋糖化工藝[J].中國(guó)調(diào)味品，2024，49（5）：80-88.

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摘要：為提高祿豐香醋的生產(chǎn)效率，通過(guò)添加α-淀粉酶與糖化酶，對(duì)祿豐香醋生產(chǎn)過(guò)程中糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化。糖化工藝包括液化工藝與糖化工藝兩部分：液化實(shí)驗(yàn)以還原糖為指標(biāo);糖化實(shí)驗(yàn)以還原糖為主要指標(biāo)，黃酮類物質(zhì)、氨基酸態(tài)氮為次要指標(biāo)。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面分析法對(duì)祿豐香醋糖化過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明，祿豐香醋的最佳糖化工藝參數(shù)為α-淀粉酶添加量2.272%、液化pH 4.9、液化溫度50 ℃、液化時(shí)間43 min，此條件下還原糖含量為5.372 g/100 g。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，當(dāng)糖化酶添加量為2.336%、糖化pH為4、糖化溫度為55 ℃、糖化時(shí)間為60 min、蒸煮時(shí)間為1 h、料液比為1∶3時(shí)得到還原糖含量為13.614 g/100 g，黃酮含量為6.867 mg/L，氨基酸態(tài)氮含量為0.101 724 g/dL。

關(guān)鍵詞：祿豐香醋；糖化；工藝優(yōu)化；雙酶法；響應(yīng)面法

中圖分類號(hào)：TS264.22????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號(hào)：1000-9973（2024）05-0080-09

Optimization of Saccharification Process of Lufeng Aromatic

Vinegar by Double-Enzymatic Method

CHEN Qian-rui1，2， ZHAO Rui-huan1，2， XU Zhi-qiang1，2*， GU Da-hai1，2

（1.College of Food Science and Technology， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201，

China; 2.Engineering Technology Research Center for Processing of Livestock Products in

Yunnan Province， Yunnan Agricultural University， Kunming 650201， China）

Abstract： To improve the production efficiency of Lufeng aromatic vinegar， α-amylase and glucoamylase are added to optimize the saccharification process during the production of Lufeng aromatic vinegar. The saccharification process includes two parts： liquefaction process and saccharification process. In the liquefaction experiment， reducing sugar is used as the index. In the saccharification experiment， reducing sugar is used as the main index， and flavonoids and amino acid nitrogen are used as the secondary indexes. On the basis of single factor experiment， response surface analysis method is used to optimize the parameters in the saccharification process of Lufeng aromatic vinegar. The results show that the optimal process parameters for saccharification of Lufeng aromatic vinegar are as follows： the addition amount of α-amylase is 2.272%， the liquefaction pH is 4.9， the liquefaction temperature is 50 ℃ and the liquefaction time is 43 min. Under these conditions， the content of reducing sugar is 5.372 g/100 g. According to practical production conditions， when the addition amount of glucoamylase is 2.336%， the saccharification pH is 4， the saccharification temperature is 55 ℃， the saccharification time is 60 min， the cooking time is 1 h and the solid-liquid ratio is 1∶3. the content of reducing sugar is 13.614 g/100 g， the flavonoid? content is 6.867 mg/L， and the amino acid nitrogen content is 0.101 724 g/dL.

Key words： Lufeng aromatic vinegar; saccharification; process optimization; double-enzymatic method; response surface method

收稿日期：2023-11-09

基金項(xiàng)目：云南省許正宏專家工作站，云南省重大專項(xiàng)及重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（202105AF150062）；科技入滇專項(xiàng)資金（202105AF150062）

作者簡(jiǎn)介：陳乾睿（1999—），女，碩士，研究方向：食品科學(xué)。

*通信作者：徐志強(qiáng)（1974—），男，副教授，博士，研究方向：畜產(chǎn)品品質(zhì)控制。

醋是中國(guó)傳統(tǒng)的酸性調(diào)味品。中國(guó)傳統(tǒng)食醋是以糧食為主要原料，經(jīng)多種微生物共同發(fā)酵，再經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間陳釀而成的酸性液體調(diào)味料，在我國(guó)已有3 000多年的歷史[1]。

祿豐香醋是一種具有云南風(fēng)味的傳統(tǒng)名醋。史書記載，明朝中葉，祿豐當(dāng)?shù)匾耘疵诪樵?，?jīng)20余味中藥制曲，釀制成醋，將醋吸附在清潔的布帛上，名曰“干醋”，曾作為貢品送進(jìn)京城。近年來(lái)，許坤一等[2]對(duì)傳統(tǒng)技藝重點(diǎn)進(jìn)行微生物菌種學(xué)和發(fā)酵方式的技術(shù)改造，形成了一套新的固態(tài)生產(chǎn)程序。在不同地區(qū)，因?yàn)榈乩憝h(huán)境與氣候不同，食醋的釀造工藝與使用的原料具有不同的特點(diǎn)。采用傳統(tǒng)工藝，出醋率較低，原材料的利用率較低，成本較高。

生產(chǎn)食醋一般有4個(gè)過(guò)程：液化、糖化、酒精發(fā)酵、醋酸發(fā)酵。原料需經(jīng)糖化酶或糖化菌分解（一般用米曲菌和黑曲菌等）才能成為可被酵母菌利用的糖類，再進(jìn)一步進(jìn)行酒精發(fā)酵和醋酸發(fā)酵，最終轉(zhuǎn)化成醋[3]。

糖化階段是一個(gè)重要的階段，因?yàn)樵谠线M(jìn)行加熱蒸煮時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分成分損失，以及加熱過(guò)程中溫度變化會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)代謝，會(huì)直接影響后續(xù)發(fā)酵，從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)[4]。

采用糖化酶與α-淀粉酶可以生產(chǎn)出水解糖[5]?，F(xiàn)已有制醋工藝直接采用酶、純種酵母、純種醋酸菌代替糖化曲法發(fā)酵生產(chǎn)食醋[6-8]，這表明用酶來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的糖化曲生產(chǎn)食醋具有可實(shí)施性。

1? 材料與方法

1.1? 材料與試劑

糯米：產(chǎn)自云南省祿豐市；α-淀粉酶（10萬(wàn)U/g）；糖化酶（10萬(wàn)U/g）；檸檬酸；檸檬酸鈉、鹽酸、硫酸銅、亞甲藍(lán)、乙酸鋅、氫氧化鈉、冰乙酸、酒石酸鉀鈉、亞鐵氰化鉀、葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99%）、甲醛、酚酞、乙醇、鄰苯二甲酸氫鉀（基準(zhǔn)物質(zhì)）、亞硝酸鈉、氯化鋁、蘆丁標(biāo)準(zhǔn)品（純度≥99%）：昆明賽捷生物科技有限公司。

1.2? 儀器與設(shè)備

DZKW-S-4水浴鍋? 北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；UV-9000S紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)? 上海元析儀器有限公司；SZCL-2型智能數(shù)顯控溫磁力攪拌器? 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；LC22006368 pH計(jì)? 上海力辰邦西儀器科技有限公司。

1.3? 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1? 工藝流程

原料→浸泡→蒸煮→料液比→調(diào)節(jié)pH→添加α-淀粉酶→水浴加熱→冷卻1→調(diào)節(jié)pH→添加糖化酶→水浴加熱→冷卻2。

1.3.2? 測(cè)定方法

1.3.2.1? 還原糖的測(cè)定

參照GB 5009.7—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中還原糖的測(cè)定》中的方法。

1.3.2.2? 黃酮的測(cè)定

參照DB34/T 2743—2016《槐米及其制品中總黃酮含量的測(cè)定 分光光度法》中的方法。

1.3.2.3? 氨基酸態(tài)氮的測(cè)定

參照GB 5009.235—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中氨基酸態(tài)氮的測(cè)定》中的方法。

1.3.3? 單因素研究

在液化實(shí)驗(yàn)中，以還原糖為指標(biāo)，在保持研究中工藝條件不變的基礎(chǔ)上，取25 g糯米，浸泡8～12 h[9]，料液比為1∶3，α-淀粉酶添加量分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%；pH分別為3，4，5，6，7；液化溫度分別為30，40，50，60，70 ℃；液化時(shí)間分別為20，30，40，50，60 min。

在糖化實(shí)驗(yàn)中，以還原糖為主要指標(biāo)，氨基酸態(tài)氮、黃酮為次要指標(biāo)，在保持研究中工藝條件不變的基礎(chǔ)上，糖化酶添加量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%；pH分別為3，4，5，6，7；糖化溫度分別為30，40，50，60，70 ℃；糖化時(shí)間分別為30，40，50，60，70 min。

1.3.4? Box-Behnken實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定各因素的范圍，在液化實(shí)驗(yàn)中選取α-淀粉酶添加量、pH、溫度、時(shí)間4個(gè)影響顯著的因素，以還原糖含量為響應(yīng)值。在糖化實(shí)驗(yàn)中選取糖化酶添加量、pH、溫度、時(shí)間4個(gè)影響顯著的因素，以還原糖、氨基酸態(tài)氮和黃酮含量為響應(yīng)值。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1和表2。

1.3.5? 數(shù)據(jù)處理

采用Design-Expert 10、Origin 2018、Excel軟件處理數(shù)據(jù)。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1? α-淀粉酶添加量、液化pH、液化溫度、液化時(shí)間的確定

由圖1中a可知，其余因素一定時(shí)，隨著α-淀粉酶添加量的增加，還原糖含量逐漸上升。當(dāng)α-淀粉酶添加量達(dá)到2%時(shí)，糖化液中還原糖含量達(dá)到最大值，然后隨著α-淀粉酶添加量的增加，還原糖含量下降。陳磊等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，釀醋原料中含有一定量的黃酮類物質(zhì)，而黃酮類物質(zhì)可通過(guò)疏水作用、氫鍵或范德華力與α-淀粉酶結(jié)合在一起，當(dāng)黃酮類物質(zhì)結(jié)合到α-淀粉酶的非活性中心部位時(shí)，對(duì)α-淀粉酶表現(xiàn)出非競(jìng)爭(zhēng)性抑制?；诖嗽?，當(dāng)黃酮含量增加時(shí)，對(duì)α-淀粉酶的抑制性也會(huì)增強(qiáng)，從而使還原糖含量呈現(xiàn)下降或平穩(wěn)趨勢(shì)。

由圖1中b可知，隨著pH在3～7范圍內(nèi)增加，還原糖含量先上升后下降，這是因?yàn)樵谝欢ǖ乃釅A條件下，α-淀粉酶的活性受到了影響[11-12]。在液化過(guò)程中，pH為5時(shí)，酶活性最佳。大部分真菌α-淀粉酶在生產(chǎn)中的最適作用溫度在 50～55 ℃之間，最適pH一般在5.2～5.6之間[13-14]。所以，在本實(shí)驗(yàn)中，pH為5時(shí)還原糖含量最高是合理的。

由圖1中c可知，隨著溫度的上升，還原糖含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，還原糖含量最高，繼續(xù)升溫，還原糖含量開始下降。從α-淀粉酶的最適作用溫度來(lái)看，溫度一旦超過(guò)60 ℃或pH小于5時(shí)，酶的活性開始迅速下降，從而導(dǎo)致催化反應(yīng)速率降低[15-17]。

由圖1中d可知，當(dāng)時(shí)間為20～40 min時(shí)，還原糖含量的上升速度十分迅速，但時(shí)間超過(guò)40 min后，還原糖含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由解華東等[18]的研究可知，這是由于淀粉的液化分為兩個(gè)階段：第一階段，α-淀粉酶作用于直鏈淀粉使其迅速分解；第二階段，α-淀粉酶作用于支鏈淀粉產(chǎn)生葡萄糖等，同時(shí)促進(jìn)寡糖分解為葡萄糖，第二階段的反應(yīng)速度比第一階段慢。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，底物濃度的降低也會(huì)減緩酶反應(yīng)的效率。大多數(shù)酶促反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，酶反應(yīng)速度受底物濃度的影響，也受生成物濃度的影響，生成物濃度升高會(huì)抑制酶的活性。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，酶活性降低，所以導(dǎo)致還原糖含量下降。

2.1.2? 糖化酶添加量、糖化pH、糖化溫度、糖化時(shí)間的確定

由圖2中a可知，糖化酶添加量影響氨基酸態(tài)氮、還原糖、黃酮的含量。隨著糖化酶添加量的增加，氨基酸態(tài)氮含量先下降后升高，在糖化酶添加量為2%時(shí)，氨基酸態(tài)氮含量達(dá)到最高，隨著糖化酶添加量的繼續(xù)升高，氨基酸態(tài)氮含量下降。還原糖含量隨著糖化酶添加量的增加而升高，當(dāng)糖化酶添加量為2.5%時(shí)達(dá)到最高，隨著糖化酶添加量的繼續(xù)增加，還原糖含量下降。孫潔心等[19]的研究表明，糖化酶添加量低于2.5%時(shí)，糖化酶與底物充分反應(yīng)導(dǎo)致糖化反應(yīng)受酶添加量的影響較大，當(dāng)糖化酶添加量大于2.5%時(shí)，糖化酶添加量已過(guò)量，高濃度底物降低了水的有效濃度和分子的擴(kuò)散性，從而降低了酶促反應(yīng)速度。黃酮含量隨著糖化酶添加量的增加而增加，當(dāng)糖化酶添加量為2.5%時(shí)，黃酮含量達(dá)到最高，隨著糖化酶添加量的繼續(xù)增加，黃酮含量下降，原因是隨著糖化酶添加量的增加，逐漸將黃酮水解為異黃酮苷。

由圖2中b可知，隨著pH的增加，氨基酸態(tài)氮含量和還原糖含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，黃酮含量呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)，于pH為5時(shí)達(dá)到峰值，其原因是pH過(guò)高或過(guò)低均會(huì)抑制酶的活性。pH使酶制劑變性失活的原理主要是能破壞其空間結(jié)構(gòu)[20]，引起酶構(gòu)象的改變，使酶活力喪失。

由圖2中c可知，隨著糖化溫度的上升，黃酮含量和氨基酸態(tài)氮含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，于50 ℃時(shí)達(dá)到峰值，之后隨著溫度的上升而下降。其原因是溫度對(duì)酶的影響較大，從而影響了氨基酸態(tài)氮含量與黃酮含量。隨著溫度升高，還原糖含量也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，于60 ℃時(shí)達(dá)到峰值。其原因主要與溫度對(duì)酶的影響有關(guān)。絕大多數(shù)糖化酶的最適酶解溫度在40～60 ℃范圍內(nèi)，世界上糖化酶最適反應(yīng)溫度最高為65 ℃[10]。李多川[21]報(bào)道過(guò)一株嗜熱真菌最適溫度為70 ℃，最適pH值為5.7，在60 ℃條件下保溫24 h后酶活性基本無(wú)損失，是目前為止我國(guó)發(fā)現(xiàn)的熱穩(wěn)定性最高的糖化酶。

由圖2中d可知，隨著糖化時(shí)間的延長(zhǎng)，黃酮含量和還原糖含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，氨基酸態(tài)氮含量呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)。氨基酸態(tài)氮含量于30～40 min急速上升，之后趨于平穩(wěn)。黃酮含量于40 min時(shí)達(dá)到峰值，之后下降。還原糖含量于50 min時(shí)達(dá)到峰值，之后下降。其原因?yàn)樘腔缸饔玫牡孜餄舛戎饾u降低，使得還原糖含量增長(zhǎng)變緩，這時(shí)糖化酶對(duì)黃酮進(jìn)行水解，導(dǎo)致黃酮含量下降。

2.2? 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1? 液化響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以還原糖含量為響應(yīng)值，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理和分析，見(jiàn)表3。液化工藝方差分析表見(jiàn)表4。

由表4可知，該模型回歸關(guān)系顯著，各因素對(duì)還原糖含量的影響大小為α-淀粉酶添加量>液化時(shí)間>液化pH>液化溫度。

各因素交互作用對(duì)還原糖含量的影響結(jié)果可以通過(guò)響應(yīng)面圖直觀地反映出來(lái)，其中圖像底部的等高線可以反映兩因素交互作用的強(qiáng)弱，若是橢圓形則表示交互作用較強(qiáng)，圓形則表示交互作用較弱[22]。

由回歸方程擬合得到液化工藝的最優(yōu)工藝條件為α-淀粉酶添加量2.272%、液化pH 4.922、液化溫度50 ℃、液化時(shí)間42.837 min，此條件下還原糖含量為5.274 g/100 g。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將工藝條件調(diào)整為α-淀粉酶添加量2.272%、pH 4.9、液化溫度50 ℃、液化時(shí)間43 min，此時(shí)還原糖含量為5.372 g/100 g。由此說(shuō)明該模型的擬合程度良好，得到的液化工藝參數(shù)可靠。

2.2.2? 糖化響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以還原糖、黃酮與氨基酸態(tài)氮含量為響應(yīng)值，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面分析對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理和分析，見(jiàn)表5。糖化-還原糖工藝方差分析表見(jiàn)表6。

由回歸方程擬合得到的糖化工藝的最優(yōu)工藝條件為糖化酶添加量2.336%、糖化pH 4.008、糖化溫度55.653 ℃、糖化時(shí)間59.851 min，此條件下還原糖含量為13.660 g/100 g，黃酮含量為6.883 42 mg/L，氨基酸態(tài)氮含量為0.022 486 4 g/dL。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將工藝條件調(diào)整為糖化酶添加量2.336%、糖化pH 4、糖化溫度55 ℃、糖化時(shí)間60 min，此時(shí)還原糖含量為13.614 g/100 g，黃酮含量為6.867 mg/L，氨基酸態(tài)氮含量為0.101 724 g/dL。由此說(shuō)明該模型的擬合程度良好，得到的糖化工藝參數(shù)可靠。

3? 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)對(duì)祿豐香醋生產(chǎn)過(guò)程中糖化工藝進(jìn)行了優(yōu)化，添加α-淀粉酶與糖化酶代替原本生產(chǎn)工藝中的大曲。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行Box-Behnken實(shí)驗(yàn)，篩選出α-淀粉酶添加量、液化時(shí)間、液化pH、液化溫度、糖化酶添加量、糖化時(shí)間、糖化溫度、糖化pH的顯著因素。采用響應(yīng)面法優(yōu)化了糖化工藝，得出α-淀粉酶添加量為2.272%、液化pH為4.922、液化溫度為50 ℃、液化時(shí)間為42.837 min時(shí)還原糖含量為5.274 g/100 g。糖化酶添加量為2.336%、糖化pH為4.008、糖化溫度為55.653 ℃、糖化時(shí)間為59.851 min、蒸煮時(shí)間為1 h、料液比為1∶3時(shí)還原糖含量為13.660 g/100 g，黃酮含量為6.883 42 mg/L，氨基酸態(tài)氮含量為0.022 486 4 g/dL。

在此之前，對(duì)于祿豐香醋的研究較少，未發(fā)現(xiàn)關(guān)于祿豐香醋生產(chǎn)工藝優(yōu)化的相關(guān)研究。本實(shí)驗(yàn)采用α-淀粉酶與糖化酶對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，為祿豐香醋后續(xù)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)。

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