鄭斌，陸烝，林忠寧，李春艷，鄧素芳，陳敏健，張麗君（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建福州350013）

加酶處理對薏苡仁淀粉降解及改性的研究

鄭斌，陸烝*，林忠寧，李春艷，鄧素芳，陳敏健，張麗君
（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建福州350013）

采用酶法對薏苡仁淀粉的降解和改性進(jìn)行研究，最終確定的酶解最佳工藝條件為：復(fù)合酶（普魯蘭酶：β-淀粉酶）配比1∶2、酶解溫度60℃、酶解時間85 min、pH 6.0，此條件下水解液中的DE值為23.28%。酶解后薏米仁淀粉含量為27.63%，淀粉糊化溫度為60.1℃、淀粉熱焓值為6.27 J/g，與對照組（酶解前）相比分別降低了30.05%、5.07℃和4.62 J/g。

薏苡淀粉；酶解；改性；研究

薏苡，是禾本科玉蜀黍族薏苡屬[1]，又名薏米或薏仁米。薏苡仁的營養(yǎng)成分比較齊全，所含的各營養(yǎng)成分平均值為：蛋白質(zhì)15.8%、脂肪5.49%、碳水化合物63.05%、粗纖維1.75%、灰分1.68%[2]，且含有豐富的薏苡仁酯（44.6 mg/g）、薏苡仁多糖（59.03 mg/g）、三萜類化合物（22.83 mg/g）等保健成分[3]。薏苡仁性甘味淡涼，有利水滲濕、健脾止瀉、除痹、排膿、解毒散結(jié)等功效[4]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明薏苡仁具有抗腫瘤、增強(qiáng)免疫、降血糖、抗?jié)冎篂a、鎮(zhèn)痛消炎、治療痤瘡和扁平疣、抗重度功能性痛經(jīng)等藥理作用[5]，是一種很好的營養(yǎng)平衡的藥食同源的經(jīng)濟(jì)谷物。

雖然薏米的營養(yǎng)及藥用價值高，但其淀粉結(jié)構(gòu)比較堅硬，結(jié)構(gòu)致密，很難被糊化，食用時必須經(jīng)過長時間浸泡后進(jìn)行煮沸，且較難蒸煮熟，過長的蒸煮時間限制了薏米家庭直接烹飪消費(fèi)或作為食品加工原料生產(chǎn)性應(yīng)用[6-8]。研究表明[8-9]，薏米難蒸熟的原因是由高淀粉初始糊化溫度和熱焓值、高蛋白質(zhì)含量、低淀粉和水分含量、顆粒大等因素綜合下引起，其中薏米淀粉熱焓值較高是最主要影響因素，薏米淀粉熱焓值與其支鏈淀粉的外部結(jié)構(gòu)結(jié)晶體有關(guān)。

本研究擬從淀粉酶解的角度，采用復(fù)合酶（普魯蘭酶與β-淀粉酶）將薏米仁中的直鏈淀粉和支鏈淀粉的外側(cè)支鏈部分降解為小分子的二糖（麥芽糖）和糊精等，使得薏米仁容易糊化，從而改善薏米顆?？臻g結(jié)構(gòu)以縮短薏米的蒸煮時間，并抑制其回生。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

薏米：產(chǎn)自福建省福州市北峰基地，選用顆粒飽滿，無發(fā)黃霉變的薏米，中藥材專用粉碎機(jī)中粉碎后過40目篩，備用。

普魯蘭酶（酶活力3 000 U/g）、β-淀粉酶（中溫，酶活力10 000 U/g）：購于寧夏和氏璧生物技術(shù)有限公司。

DHG-9123A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；800B臺式低速離心機(jī)：上海菲恰爾分析儀器有限公司；BS124S電子天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；DG120型中藥材粉碎機(jī)：浙江省瑞安市正達(dá)藥材器械廠；DK-98-1型水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；BCD-208K/ANCJN海爾家用電冰箱：青島海爾股份有限公司；722型分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；pH計。

1.2方法

1.2.1工藝流程

薏米仁→粉碎→過篩→調(diào)節(jié)固液比[1∶10（g/mL）]→預(yù)熱→調(diào)節(jié)pH→酶解→滅酶→冷卻→離心→沉淀烘干

1.2.2測定及分析方法

1.2.2.1薏苡仁主要成分和理化性質(zhì)的測定方法

總淀粉測定：酸水解法[10]；支鏈淀粉和直鏈淀粉的測定：雙波長分光光度法[11]；糊化度的測定[12-13]：參考方奇林等的方法；淀粉熱焓值等熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測定[14]：用差示掃描儀（DSC）法測定。

1.2.2.2水解液相關(guān)指標(biāo)的測定方法

還原糖（以葡萄糖計）測定：DNS法[15]；溶液相對密度：密度計法；DE值：即葡萄糖當(dāng)量值[16]，是還原糖（以葡萄糖計）占溶液中干物質(zhì)的百分比，計算公式如下：

1.2.3試驗(yàn)設(shè)計

1）酶種的選擇：選用普魯蘭酶、β-淀粉酶以及普魯蘭酶與β-淀粉酶復(fù)合酶（按1∶1比例組合）進(jìn)行酶解試驗(yàn)，通過比較相同作用條件下酶解液的DE值，選出最佳的酶種組合，然后進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

2）復(fù)合酶的單因素試驗(yàn)：以酶解液的DE值作為酶解效果的指標(biāo)，對復(fù)合淀粉酶的不同配比、不同酶解時間、不同酶解溫度及不同pH條件做單因素試驗(yàn)，分別確定最佳的試驗(yàn)條件。

3）正交試驗(yàn)：選用復(fù)合淀粉酶（普魯蘭酶：β-淀粉酶）配比、酶解時間、酶解溫度及pH作為試驗(yàn)因素，因素和水平的設(shè)計見表1。

表1　L16（45）試驗(yàn)因素和水平Table 1　Factors and levels of L16（45）orthogonaltest

選取L16（45）正交表探討復(fù)合酶最佳的酶解工藝條件，以酶解液的DE值作為酶解效果的指標(biāo)。

2　結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)用酶及其用量的選擇

本項(xiàng)目采用兩種單一酶（即普魯蘭酶、β-淀粉酶），以及將它們按1∶1比例組合，制成3組不同的淀粉酶作為試驗(yàn)用酶。取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，在恒溫55℃、pH為6.0條件下對薏苡淀粉進(jìn)行80 min的酶解試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同淀粉酶組合對薏苡淀粉水解液DE值的影響Fig.1　The effectof different enzyme systerm on DE of adlay starch liquefaction

從圖1可以看出：復(fù)合酶水解效果強(qiáng)于單一酶；隨著淀粉酶用量的增加，酶解液的DE值都呈現(xiàn)逐步遞增的趨勢，當(dāng)酶用量在2.0%～2.5%之間時，增加酶的用量對酶解液中DE值無明顯影響。理論上，在一定條件下，酶反應(yīng)速度與酶濃度成正比。因?yàn)槊高M(jìn)行反應(yīng)時，首先要與底物形成中間產(chǎn)物，即酶底物復(fù)合物。當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶濃度時，反應(yīng)達(dá)到最大速度，此時增加酶濃度，可增加反應(yīng)速度，酶反應(yīng)速度與酶濃度成正比關(guān)系。當(dāng)酶濃度達(dá)到一定值，速度就不再增加，這可能原因隨著酶用量的增大，一部分酶分子沒有機(jī)會和底物接觸，致使水解液的DE值基本不再變化。考慮到成本因素，試驗(yàn)選擇2.0%為復(fù)合蛋白酶用量的較優(yōu)值。

2.2不同配比的復(fù)合酶對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復(fù)合淀粉酶，設(shè)定反應(yīng)溫度55℃、pH為6.0、酶解時間80min，改變改變復(fù)合酶配比（普魯蘭酶∶β-淀粉酶）按1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1進(jìn)行復(fù)合淀粉酶配比的單因素試驗(yàn)，計算酶解液的DE值，確定出復(fù)合淀粉酶作用薏苡淀粉酶解的最佳配比。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2　不同淀粉酶配比對DE值的影響Fig.2　The effect of differentratio ofamylase on DE of adlay starch liquefaction

由圖2可知，復(fù)合淀粉酶在普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶2的酶解條件下酶解效果最好，酶解后DE值為20.92%。因此，普魯蘭酶與β-淀粉酶的復(fù)合配比選擇在1∶2左右的范圍內(nèi)較好。

2.3溫度對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復(fù)合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶1），設(shè)定pH為6.0，酶解反應(yīng)時間80 min，分別在50、55、60、65、70、75℃進(jìn)行復(fù)合淀粉酶配比的單因素試驗(yàn)，計算酶解液的DE值，確定出薏苡淀粉酶解的最佳酶解溫度。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3　酶解溫度對DE值的影響Fig.3　The effect of variou temperatures on DE of adlay starch liquefaction

由圖3可知，水解液DE值隨著溫度的升高先增大后降低，溫度為60℃時DE值最大，達(dá)到19.98%。液化溫度同時影響化學(xué)反應(yīng)速率和酶的活性，當(dāng)溫度小于60℃時，隨著溫度的升高，單位時間內(nèi)酶分子與底物間的有效碰撞次數(shù)增加，液化反應(yīng)速率加快；而當(dāng)溫度超過60℃時，隨著溫度的繼續(xù)升高，淀粉酶變性失活，液化反應(yīng)速率迅速下降。因此，淀粉酶解較優(yōu)溫度范圍在55℃～60℃。

溫度對酶解的影響有兩個方面，一方面溫度提高可使反應(yīng)速度加快，另一方面隨著溫度的提高，酶失活速度也開始加快。這兩方面的綜合影響導(dǎo)致酶解反應(yīng)存在著最適溫度，偏離最適值會降低酶解效果。在最適溫度前，隨著溫度的升高，酶反應(yīng)速度加快，因?yàn)榧訜崾沟矸酆?，使原來結(jié)晶的淀粉顆粒溶脹伸展，使卷曲結(jié)構(gòu)內(nèi)部的糖苷鍵充分暴露出來，活性位點(diǎn)增多，更易于淀粉酶的作用。而最適溫度后，由于溫度較高，部分酶結(jié)構(gòu)開始松散無序，活性中心逐漸喪失，酶活性降低，酶解效果減弱。

2.4酶解時間對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復(fù)合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶1），設(shè)定pH為6.0，酶解溫度55℃，分別在經(jīng)過20、40、60、80、100 min的酶解，進(jìn)行酶解時間的單因素試驗(yàn)，計算酶解液的DE值，確定出薏苡淀粉酶解的最佳酶解時間。試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4　酶解時間對DE值的影響Fig.4　The effect ofvarious time intervalon DE ofadlay starch liquefaction

由圖4知，隨著酶解時間的延長，酶解液的DE值增加，在80 min以前，增長迅速，在80 min之后酶解液的DE值的趨于平緩。原因可能是隨著時間的延長，底物濃度降低，酶活力下降所致。淀粉的液化分兩個階段，開始時淀粉酶首先使直鏈淀粉快速降解，產(chǎn)生寡糖，使溶液黏度快速下降；然后作用于支鏈淀粉產(chǎn)生麥芽糖和限制糊精，同時使寡糖緩慢水解成葡萄糖和麥芽糖，從而使淀粉液化。后一階段反應(yīng)速率比前一階段要慢得多，這可能是導(dǎo)致液化80 min后DE值趨于穩(wěn)定的主要原因。另外，不斷積累的酶解產(chǎn)物也會抑制酶的活性，使水解逐漸變慢。為了節(jié)約時間以提高效率，確定液化時間為80 min左右。

2.5pH對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復(fù)合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶1），設(shè)定酶解溫度55℃，酶解時間80 min，分別在pH為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0條件下，進(jìn)行pH的單因素試驗(yàn)，計算酶解液的DE值，確定出薏苡淀粉酶解的最佳pH。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5知，pH在5.5～6.0時，酶解液的DE值較高，說明薏苡淀粉酶解的程度較大，但是隨著pH的進(jìn)一步增大，酶解液的DE值迅速下降，說明中堿性環(huán)境不利于復(fù)合淀粉酶的進(jìn)一步酶解。即復(fù)合淀粉酶的較好的酶解pH范圍為5.5～6.0。

圖5　pH對DE值的影響Fig.5　The effectof pH value on DE ofadlay starch liquefaction

2.6酶解工藝參數(shù)優(yōu)化

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用酶解時間、酶解溫度、復(fù)合酶配比、pH作為4個因素，以酶解后的DE值為指標(biāo)進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)，優(yōu)化酶解工藝參數(shù)。正交試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2　復(fù)合淀粉酶最佳酶解條件正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Orthogonaldesign and results of adlay starch enzymatic

表3　復(fù)合淀粉酶最佳酶解條件方差分析結(jié)果Table 3　The variance analysis ofthe moisture content ofadlay starch enzymatic

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果表2和表3，比較各列的極差結(jié)果R值，可以發(fā)現(xiàn)RA>RB>RD>RC，即在試驗(yàn)所設(shè)定的因素中，A（復(fù)合酶配比）對復(fù)合酶酶解的影響最大，其次是B（酶解溫度）、D（酶解時間），C（pH）的影響最小，方差分析分析結(jié)果和顯著性檢驗(yàn)表明，因素A顯著（P<0.01），因素B顯著（P<0.05），因素C和因素D不顯著（P>0.05），說明復(fù)合酶配比、酶解溫度對酶解的影響顯著，而pH和酶解時間對其影響不顯著。通過對K值的比較，可知A3、B3、C3、D3為最優(yōu)水平。即酶解最佳工藝條件為A3B3C3D3，即復(fù)合酶的配比為1∶2、酶解溫度60℃、酶解時間85 min、pH為6.0。

2.7復(fù)合蛋白酶酶解最優(yōu)工藝的驗(yàn)證試驗(yàn)

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復(fù)合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶2），設(shè)定酶解溫度60℃，酶解時間85 min，pH為6.0條件下進(jìn)行酶解，計算酶解液的DE值，得到最優(yōu)工藝組合的酶解液DE值為23.28%。

2.8酶解前后的薏苡仁淀粉等理化指標(biāo)分析對比

分別測定酶解處理前后的薏苡仁淀粉的糊化溫度、淀粉熱焓值、淀粉含量、支鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量等，其結(jié)果見表4。

表4　酶解前后的薏苡仁淀粉理化指標(biāo)分析對比Table 4　The change ofthe physicaland chemicalof adlay starch before and after enzymolysis

3　結(jié)論

1）通過單一酶種和復(fù)合酶種的酶解試驗(yàn)對比，結(jié)果表明：復(fù)合酶水解效果強(qiáng)于單一酶。復(fù)合酶的添加量為2.0%。

2）通過復(fù)合酶單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明：復(fù)合酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶）的最佳配比為1∶2；酶解反應(yīng)的最佳溫度為60℃；酶解時間以80 min左右為宜；復(fù)合淀粉酶的較好的酶解pH范圍為5.5～6.0。

3）通過正交試驗(yàn)，得到薏苡淀粉酶解的最佳工藝參數(shù)為：得出A（復(fù)合酶配比）對復(fù)合酶酶解的影響最大，其次是B（酶解溫度）和D（酶解時間），C（pH）的影響最小，復(fù)合酶水解的最佳工藝條件為A3B3C3D3，即復(fù)合酶的配比為1∶2、酶解溫度60℃、酶解時間85 min、pH為6.0。在此條件下水解液中的DE值為23.28%。

4）經(jīng)過酶解處理后的薏米仁淀粉的糊化溫度為60.1℃、淀粉熱焓值為6.27 J/g，與對照組（酶解前）相比分別降低了5.07℃和4.62 J/g。說明加酶處理可以脫除薏米的部分淀粉，并改變淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

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Study on Degradation and Modification of Adlay Starch by Enzymatic

ZHENG Bin，LU Zheng*，LIN Zhong-ning，LIChun-yan，DENG Su-fang，CHEN Min-jian，ZHANG Li-jun （Agricultural Ecology Institute，F(xiàn)ujian Academy of Agricultural Sciences，F(xiàn)uzhou 350013，F(xiàn)ujian，China）

This paper studied on degradation and modification of Adlay starch by enzymatic，the optimum parameters were：the ratio between Pullulanase andβ-amylase 1∶2，reaction temperature 60℃，enzymolysis time 85 min and enzymolysis pH 6.0.In this condition，the DE of adloy starch liquefaction was 23.28%，and content of Adlay Starch was 27.63%，the initial gelatinization temperature was 60.1℃，and starch enthalpy was 6.27 J/g，compared with the controlgroup（no enzymatic），the contentwas reduced by 30.05%，5.07℃and 4.62 J/g.

adlay starch；enzymatic；modification；study

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.004

福建省科技廳公益類科研院所基本科研專項(xiàng)（2014R1017-4；2014R1017-1；2014R1017-2）

鄭斌（1986—），男（漢），碩士研究生，研究方向：食品保鮮及加工。

陸烝（1975—），男（漢），高級工程師。

2015-06-08