速溶小米粉酶解工藝研究

張春曉,田　然,李耀姝,史小雙,于佳鑫,田　波

(東北農業(yè)大學乳品科學教育部重點實驗室 食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

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速溶小米粉酶解工藝研究

張春曉,田然,李耀姝,史小雙,于佳鑫,田波

(東北農業(yè)大學乳品科學教育部重點實驗室 食品學院,黑龍江哈爾濱 150030)

通過單因素實驗和響應面實驗,采用ɑ-淀粉酶降解小米淀粉,探討了酶解工藝對速溶小米粉還原糖含量(DE值)和黏度的影響。研究表明,最優(yōu)酶解工藝條件如下:底物濃度29%,加酶量0.87%,酶解時間27 min。在最優(yōu)工藝條件下,黏度為99 cP,DE值為23.36%,所得料液黏度適中,適合噴霧干燥,且干燥后的小米粉沖調分散性和穩(wěn)定性得到改善,水溶性指數(shù)為0.25%±0.01%,吸水性指數(shù)為4.42%±0.20%,結塊率為10.34%±0.20%,易于消化吸收。

小米粉,酶解,優(yōu)化

隨著我國經濟社會進程的進一步提高,我國谷物飲食存在攝入量少、油炸烘烤多、添加劑使用多、谷物飲食單一、加工過于精細等問題,增加谷物攝入種類成為調整飲食結構,改變飲食習慣的重要一環(huán)[1]。小米也稱粟米,是我國傳統(tǒng)谷物的一種,起源于黃河流域,廣泛種植于我國北方地區(qū),是常見雜糧的一種,年產量450萬噸左右[2]。小米中含有豐富的膳食纖維,是大米的2.5倍[3]。小米蛋白屬于低敏蛋白,尤其適合嬰幼兒食用,此外,還能提高血漿中高密度脂蛋白含量,改善心腦血管疾病[4]。含有人體所需的8種必需氨基酸,含量與FAO/WHO氨基酸推薦量對比如表1所示,亮氨酸和賴氨酸含量有所遜色。小米中脂肪含量為3.68%,且其中85.54%為不飽和脂肪酸。小米中維生素和礦物質種類多且含量豐富[5],尤其是硒元素含量較高,為8.78 μg/100 g,且以較易吸收的有機硒形式存在[6]。存在于小米中的小米黃色素、多酚、單寧等物質具有較強的抗氧化性,可以有效抑制自由基氧化反應[7-9]。

隨著人們生活節(jié)奏的提高,對方便快捷飲食的要求日益提高。傳統(tǒng)工藝生產小米粉過程中,料液中小米通常小于12%,噴霧干燥效率低,當其含量達到15%時,采用RVA-EII快速黏度分析儀測定料液最終粘度值為2491 cP,黏度高,流動性差,極易堵塞噴頭,不適宜噴霧干燥。為解決傳統(tǒng)工藝生產的小米粉沖調時結塊溶解性差、噴霧干燥效率低的問題,本文力求通過液化酶解及噴霧干燥技術的結合開發(fā)速溶小米粉,從而降低料液黏度,提高小米粉沖調時的溶解性及噴霧干燥效率,此外還可以提高消化吸收率[10]。本文通過探討速溶小米粉生產中關鍵的酶解環(huán)節(jié)及對其工藝參數(shù)的優(yōu)化,從而得到營養(yǎng)豐富食用方便的速溶小米粉,為工業(yè)生產提供有效依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

小米市售;中溫α-淀粉酶BR≥4000 u/g:SUMMUS生物技術公司;3,5-二硝基水楊酸分析純,天津市光復精細化工研究所;苯酚分析純,天津市紅巖化學試劑廠;氫氧化鈉分析純,天津市光復科技發(fā)展有限公司;酒石酸鉀鈉分析純,天津市光復科技發(fā)展有限公司;葡萄糖分析純,天津市基準化學試劑有限公司。

表1　幾種谷物必需氨基酸含量與FAO/WHO推薦量的比較(mg/100 g)[6]

UV-6100型紫外可見分光光度計常州百密斯儀器有限公司;均質機德國IKA公司;RVA-EII快速黏度分析儀澳大利亞NewPort Scientific;B-290 迷你噴霧干燥機德國BUCHI公司。

1.2小米粉酶法生產工藝

小米精選→清洗→浸泡→粉碎→預糊化→酶解→滅酶→均質→噴霧干燥→輔料混合→包裝→檢驗入庫→成品[11]

1.3最佳酶解條件的確定

以濕法粉碎小米為原料,選擇中溫α-淀粉酶,以DE值和酶解后料液的黏度為指標,分別考察底物濃度、加酶量及酶解時間對小米料液酶解程度的影響,并在此基礎上進行響應面優(yōu)化實驗,得到酶解法制備速溶小米粉最優(yōu)工藝條件。

1.3.1酶解單因素實驗

1.3.1.1底物濃度對小米粉料液水解程度的影響在自然pH條件下,固定加酶量為0.4%,酶解溫度為60 ℃、酶解時間30 min,分別選取15%、20%、25%、30%、35%、40%不同底物濃度進行實驗,確定最佳底物濃度。

1.3.1.2加酶量對小米粉料液水解程度的影響在自然pH條件下,底物濃度固定為30%、溫度60 ℃、酶解時間為30 min,加酶量梯度設置為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%,以確定最適加酶量。

1.3.1.3酶解時間對小米粉料液酶解程度的影響在自然pH條件下,底物濃度為30%、加酶量為0.4%、溫度為60,將時間梯度設置為10、20、30、40、50、60 min,進行單因素實驗,選擇最佳酶解時間。

1.3.2響應面優(yōu)化實驗在酶解條件單因素實驗結果基礎上,以小米漿液水解度(DE值)及酶解后料液黏度為指標,采用響應面設計實驗優(yōu)化酶法制備小米粉,以達到最佳工藝。實驗設計如表2,實驗均平行三次。

表2　因素水平編碼

1.4指標測定

1.4.1DE值的測定DE值也稱為葡糖糖值,用來表示淀粉的水解程度或糖化程度。其中糖化液中的還原性糖全部當作葡糖糖計算,占干物質的百分比稱為DE值。

DE(以葡糖糖計,%)=還原糖含量/總干物質含量×100

還原糖含量采用DNS法測定[12]。

1.4.2黏度的測定黏度值即表征酶解后料液的黏度。料液的黏度直接影響噴霧干燥的效果,料液黏度較低時,物料可以順利噴出,但是干燥效率低能耗大;料液黏度較高時,或致噴頭堵塞,實驗無法進行。針對本實驗采用的B-290迷你噴霧干燥機經反復實驗確定黏度值保持在100 cP左右時可以順利進行噴霧干燥,不會堵塞噴頭且干燥效果較好。

1.4.3結塊率的測定結塊率用來表征沖調時粉料分散性差異的物理量。通常,結塊率越小,沖調時干粉的分散性越好。結塊率的測定方法[13]:取100 mL沸水加入燒杯中,加入10 g干燥后的酶解小米粉,置于轉速為120 r/min的自動攪拌器攪拌上,將勻速攪拌20 s后的料液過80目篩網,將未通過篩網的塊狀物烘干至恒重,稱得質量為M(g)。

X(%)=M×100/[10×(1-W)]

式中:W-小米粉的水分含量,單位%。

1.4.4吸水性和水溶性的測定準確稱取2.5 g小米粉樣品放入經稱重的帶蓋離心管中,加入30 mL蒸餾水后蓋好蓋子震蕩,使樣品充分分散在水中后,將離心管置于30 ℃水浴30 min,過程中間歇性搖動5次。取出后于4000 r/min離心20 min,將上清液注入已知重量的帶蓋鋁盒中,將沉淀及上清液于105 ℃烘干、冷卻后稱重。吸水性(WAI)及水溶性(WSI)計算公式如下:

WSI=上清液干重/樣品干重

WAI=沉淀中水的重量/沉淀干重

1.5數(shù)據(jù)處理

微軟辦公軟件Office2007,Design-Expert8.0.6 Trial,SigmaPlot 11.0軟件處理數(shù)據(jù)。本實驗均做了三次平行,結果為三次實驗的平均值。

2　結果與分析

2.1單因素實驗結果

2.1.1底物濃度對小米粉料液水解程度的影響底物濃度高低是影響酶解的重要參數(shù)。由圖1可知,在加酶量一定,酶解時間相同時,黏度隨底物濃度的增加不斷升高;而DE值隨底物濃度的不斷增加呈先增后降,當?shù)孜餄舛葹?0%時,DE值達到最大值28.71%,隨著底物濃度持續(xù)增加,DE值反而有所下降。這是由于當?shù)孜餄舛容^低時,反應速率增加快,呈一級反應[14],但隨底物濃度持續(xù)增加,底物與底物之間出現(xiàn)競爭性抑制,從而影響酶解效果[15],所以在固定酶解條件下,最適底物濃度為30%。

圖1　底物濃度對酶解效果的影響Fig.1　Effect of substrate concentration on ability of hydrolysis

2.1.2加酶量對小米粉料液水解程度的影響酶解實驗中,加酶量是影響酶解重要參數(shù)。由圖2可知,當?shù)孜餄舛纫欢?酶解時間相同時,隨著加酶量的增加,料液黏度不斷下降,加酶量在0.2%～0.8%之間時,料液黏度顯著降低,當加酶量大于0.8%時,黏度降低不明顯;加酶量對DE值也有顯著影響,加酶量在0.2%～0.8%之間,DE值顯著增高,當加酶量達到0.8%時,DE值達到39.02%,繼續(xù)增大加酶量,DE值增幅不明顯。這是因為當?shù)孜锍渥愣用噶枯^少時,隨著加酶量的增加反應速率隨之增大;當加酶量持續(xù)增加,底物相對不夠充足時,反應速率的增加趨于緩慢,甚至出現(xiàn)下降趨勢[16]。結合生產成本因素,選用0.8%為最適加酶量。

圖2　加酶量對酶解效果的影響Fig.2　Effect of the enzyme concentration on ability of hydrolysis

2.1.3酶解時間對小米粉料液酶解程度的影響酶解時間是酶解實驗的又一重要參數(shù)。由圖3可知,當物料濃度為30%,加酶量為0.4%時,料液黏度隨酶解時間延長黏度逐漸降低,當酶解時間達到30 min后,降低趨勢趨緩;DE值隨著酶解時間的延長顯著提高,酶解時間達到40 min時增幅減小。這是因為酶解具有專一性,酶解前期需識別底物并與之結合,后期隨著底物減少,酶解效果減弱[17],而且隨著反應時間的推移酶的相對活力下降[18]。由于本實驗中時間設定在酶解前半段,故沒有出現(xiàn)下降趨勢。由圖3可知,酶解時間為30 min時斜率最大,酶解效率最大,在40 min時也保持相對較高的酶解效率,最適酶解時間需考慮酶解時間與底物濃度、加酶量交互作用的綜合影響。

圖3　酶解時間對酶解效果的影響Fig.3　Effect of the enzyme concentration on ability of hydrolysis

2.2響應面實驗結果

綜合考慮DE值和料液黏度兩個衡量指標優(yōu)化酶解條件,選取小米漿料最優(yōu)酶解工藝條件為:X1=-0.19,X2=0.35,X3=-0.33,即底物濃度29.05%,加酶量0.87%,時間26.7 min,DE值預測值為24.32%,黏度預測值為96.08 cP。

按照最佳酶解條件(底物濃度29%,加酶量0.87%,時間27 min)進行驗證性實驗,重復三次取均值,黏度值為99 cP,DE值為23.36%,誤差范圍在置信區(qū)間內,該模型可用,方程可有效的反映出酶解過程中黏度和DE值的變化情況。

表3　響應面實驗設計及結果

表4　回歸方程模型的方差分析-黏度

表5　回歸方程模型的方差分析-DE值

注:**表示極顯著,p<0.01;*表顯著,p<0.05。

2.3小米粉沖調性質測定

良好的沖調性是沖調小米粉的重要衡量指標。自制酶解噴霧干燥小米粉與市售某品牌沖調小米粉沖調性指標對比如表6。自制酶解噴霧干燥小米粉的結塊率要顯著小于市售沖調小米粉,同時具有較好的水溶性和吸水性,沖調時可以獲得良好的分散性質和感官指標。

表6　對小米粉沖調性質的影響

3　結論

本實驗以濕法粉碎小米粉為原料,探究適宜噴霧干燥工藝的酶解條件,在單因素實驗的基礎上進行響應面實驗優(yōu)化,分析得到最佳酶解條件為:底物濃度29%,加酶量0.87%,酶解時間27 min,此時料液黏度達到99 cP,DE值為23.36%,且沖調性良好。此酶解液化條件為大規(guī)模工業(yè)化生產提供了有力的理論依據(jù)。

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Production of instant millet powder by enzymolysis technology

ZHANG Chun-xiao,TIAN Ran,LI Yao-shu,SHI Xiao-shuang,YU Jia-xin,TIAN Bo

(Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

To investigate the effects of the substrate concentration,enzyme quantity and enzymolysis temperature on the reducing sugar content and viscosity,theα-amylase was used to degrade the starch in millet and single factor test and orthogonal experiment were used to optimize the enzymolysis technology. The results showed that the optimal enzymatic hydrolysis process conditions were :substrate concentration of 29%,enzyme dosage of 0.87%,reaction time of 27 min. Under optimum conditions,the viscosity and DE value were 99 cP and 23.36% separately,which resulted in materials with moderate viscosity and suitable for spray-dried. Moreover,the reconstituted dispersion and stability of millet powder after drying were improved,water solubility index of 0.25%±0.01%,water absorption index of 4.42%±0.20%,caking rate of 10.34%±0.20%,which leading to easy digestion and absorption.

millet powder;hydrolysis;optimization

2015-12-14

張春曉(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：食品加工，E-mail:shuxiaoqiu89@163.com。

TS213.3

B

1002-0306(2016)13-0234-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.039