葛 潔吳春森 王 瀅 王 韌金征宇 徐學明 焦愛權 周 星

(1. 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學食品安全與營養(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徐學明1,3焦愛權1,3周 星1,3

(1. 江南大學食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2. 江南大學食品學院，江蘇 無錫 214122；3. 江南大學食品安全與營養(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，通過正交試驗優(yōu)化相關參數(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)進行試驗所得的低聚異麥芽糖產(chǎn)量最高可達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；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，能促進改善腸道菌群，提高生理機能[2-3]。因其特殊的生理功能，已被廣泛運用在食品、醫(yī)藥等領域。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行液化預處理，再經(jīng)糖化和轉苷等步驟實現(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作為連續(xù)生物反應器用于生產(chǎn)的概念，將擠壓技術運用在淀粉糖的生產(chǎn)中，則具有零蒸汽消耗、所處理的淀粉濃度可達50%以上、設備要求低等優(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-淀粉酶能進一步液化降解淀粉，使淀粉黏度下降，有利于調漿等后續(xù)操作[11-15]。

綜上，考慮將擠壓技術運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代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴射液化對玉米淀粉進行處理，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-葡萄糖苷轉移酶：日本Amano酶制劑公司；

潘糖標品、異麥芽糖標品、異麥芽三糖標品：美國Sigma化學試劑公司；

乙腈：色譜純，天津賽孚瑞科技有限公司；

3,5-二硝基水楊酸：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；

氫氧化鈉、苯酚等：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

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：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行討論。根據(jù)試驗要求，分別調節(jié)原料玉米淀粉水分含量(質量分數(shù))為35%，40%，45%，相應添加質量比為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 ℃冰箱內平衡水分12 h。擠壓溫度分別設定為75，85，95，105 ℃進行原料淀粉的擠壓試驗，其中螺桿轉速均為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)物加水調漿至物料濃度(質量分數(shù))為30%，pH調為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，糖化2 h后添加30 U/gα-轉移葡糖糖苷酶，反應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，進一步計算得到擠壓產(chǎn)物的葡萄糖當量值(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 在單因素試驗結果基礎上，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)生進一步的降解，隨擠壓溫度增加擠壓產(chǎn)物DE值逐漸增加，當溫度升至105 ℃時，相應的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，這有利于促進淀粉降解，進一步提高擠壓溫度，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行糖化轉苷試驗，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)反應中糖化酶及轉苷酶的作用底物，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，影響機器正常運行。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，由于酶促反應也需要水分參與，水分含量的提高會加速酶反應，促進淀粉水解。但同時，水分含量的增加會使擠壓機剪切能力降低，不利于淀粉糊化水解，因此需控制適當?shù)奈锪纤趾俊Ｔ谠囼炈x擇的物料水分含量范圍內，隨著物料的水分含量的增加，擠壓淀粉轉化生成的低聚異麥芽糖產(chǎn)量越高，最高可達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淀粉糊化降解，在擠壓過程中添加酶制劑可以促進淀粉進一步液化降解，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內的高溫環(huán)境，酶解淀粉，促進水解，有效降低淀粉黏度，利于后續(xù)調漿糖化。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)糖化酶和轉苷酶適宜的反應底物，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，導致葡萄糖的含量明顯增高，不利于后續(xù)反應。

圖3 加酶量對擠壓產(chǎn)物葡萄糖當量和

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苷后，其低聚異麥芽糖產(chǎn)量(IG2+P+IG3)，從而進一步確定擠壓液化的最優(yōu)組合。試驗設計及結果見表2。

表1 正交因素水平

表2 正交試驗設計與結果

根據(jù)正交試驗極差結果顯示，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)化條件下進行實驗驗證，3次平行實驗結果(IG2+P+IG3) 含量均在120 mg/mL以上，(IG2+P +IG3)產(chǎn)率大于35%，已達中國低聚異麥芽糖IMO-50生產(chǎn)標準(GB/T 20881—2007)。

3 結論

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)量的影響進行分析，通過三因素三水平正交試驗對條件進行優(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)化條件進行實驗驗證，最終所得粗糖中(IG2+P+IG3)含量均在35%以上，已達中國規(guī)定低聚異麥芽糖IMO-50的生產(chǎn)標準。因此，本研究為加酶擠壓技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的噴射液化對淀粉原料處理進行低聚異麥芽糖生產(chǎn)提供了一定的理論參數(shù)依據(jù)。

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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

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

葛潔，女，江南大學在讀碩士研究生。

周星(1982-)，女，江南大學副教授，博士。

E-mail:zhouxing@jiangnan.edu.cn

2016-04-29