響應面法優化酶解馬鈴薯淀粉工藝

魏玉梅，李奇兵，劉 華（.西北民族大學實驗中心，甘肅蘭州730030；.西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州730030；3.西北民族大學數學與計算機學院，甘肅蘭州730030）

響應面法優化酶解馬鈴薯淀粉工藝

魏玉梅1，李奇兵2，劉 華3，*
（1.西北民族大學實驗中心，甘肅蘭州730030；
2.西北民族大學生命科學與工程學院，甘肅蘭州730030；
3.西北民族大學數學與計算機學院，甘肅蘭州730030）

采用中溫型α-淀粉酶對馬鈴薯淀粉進行水解，以馬鈴薯淀粉水解液的DE值為評價指標，在pH、酶解溫度、酶解時間單因素實驗的基礎上，采用響應面法優化了馬鈴薯淀粉酶解工藝條件。結果表明：pH7.90，酶解溫度62℃，酶解時間60 min，在此最優條件下酶解馬鈴薯淀粉的DE值達57.93%。

響應面法，馬鈴薯淀粉，酶解

馬鈴薯又名洋芋、土豆，為一年生草本植物，含豐富而齊全的營養素，是世界上僅次于小麥、水稻和玉米的第四種主要農作物。目前我國的馬鈴薯常年種植面積467萬公頃左右，是世界上馬鈴薯生產的第一大國［1］。馬鈴薯是生產馬鈴薯淀粉的重要工業原料，但加工利用至今仍處于初級階段［2］。我國馬鈴薯約30%用于鮮食，30%用于制淀粉，15%直接用作飼料，10%用作種薯，而用于深加工卻不到5%。在美國，馬鈴薯用于鮮食占30%，飼料僅占2%，而用于深加工則高達50%［3］。而加工后馬鈴薯渣中的淀粉含量占干基含量的37%，纖維素類占干基總量的31%，果膠占干基含量的17%，蛋白質或氨基酸僅占干基含量的4%［4-5］。本文以實驗室提取的馬鈴薯淀粉為原料，采用中溫型α-淀粉酶，通過響應面實驗設計方法，建立酶解模型，對淀粉酶解條件進行優化，旨在為馬鈴薯及馬鈴薯渣的加工再利用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

馬鈴薯淀粉 市售馬鈴薯實驗室提取；中溫型a-淀粉酶 天津市大茂化學試劑廠，活力為3000～5000 U/g；檸檬酸、磷酸二氫鈉、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉、重鉻酸鉀、硫酸、氫氧化鈉、高氯酸鉀、氯化鈣 均為分析純；可溶性淀粉。

玻璃儀器氣流烘干器 長城科工貿有限公司；BCD-212KA冰箱 Haier公司；DHG-9240型電熱鼓風干燥箱 上海-恒科技有限公司；HH-4數顯恒溫水浴鍋 常用國華電器有限公司；DELTA-320實驗室PH計 METTLER TOLEDO公司；PL-203型電子分析天平 瑞士梅特勒-托力多公司；SK-1快速混勻器 金壇市恒豐儀器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 DE值的測定 按照郝曉敏等［6］研究方法測定還原糖含量。稱取淀粉酶解液約10 mL移入250 mL的容量瓶中，用蒸餾水定容，搖勻。用移液管吸取10 mL，置于碘量瓶中，加入15 mL 0.1 mol/L碘液，再用滴定管慢慢加入15 mL 0.15 mol/L氫氧化鈉，邊加邊搖勻。在暗室放置20 min，溫度在20℃為宜，加入2 mol/L硫酸2 mL酸化，用0.05 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定過量的碘，記錄消耗的硫代硫酸鈉體積V1，同時做空白實驗，用10 mL水代替10 mL液化液，并記錄消耗的硫代硫酸鈉的體積V0。

還原糖含量（g/100mL）=｛［（V0-V1）×N×90.05］/ （V×1000）｝×H×100

式中：V0—空白滴定消耗的標準硫代硫酸鈉溶液的毫升數；V1—樣品滴定消耗的標準硫代硫酸鈉溶液的毫升數；V—反應試樣的吸取量毫升數；N—標準硫代硫酸鈉的溶液當量濃度；90.05—1 mL硫代硫酸鈉所相當的葡萄糖毫克數；H—被測樣品的稀釋倍數。

DE值（%）=水解液中還原糖的含量/干物質含量×100

1.2.2 α-淀粉酶活力測定 按照郝曉敏等［6］的研究方法測定α-淀粉酶活力。在150 mL錐形瓶中加入2%可溶性淀粉溶液20 mL，加入緩沖液5 mL，在60℃水浴中平衡4～5 min，加入0.5 mL稀釋酶液，立即計時，充分混勻，定時取出1 mL反應液于預先盛有3 mL比色碘液的試管內，當顏色由紫色逐漸變為紅棕色，與標準比色試管顏色相同時，即達到終點，記錄時間為液化時間。

1.2.3 酶解馬鈴薯淀粉的制備 以新鮮馬鈴薯為原料，洗凈、切塊，將其放入打漿機打漿，然后用100目的濾布過濾，靜置1～2 h后除去上清液，室溫干燥得實驗淀粉備用。

1.3 單因素實驗

1.3.1 酶解時間對馬鈴薯淀粉DE值的影響 取2.0 g干馬鈴薯淀粉于25 mL錐形瓶中，加入10 mL（硫酸-氫氧化鈉）pH7.5溶液混勻，加入2 mol/L CaCl2溶液50 μL保持溶液中Ca2+離子濃度為0.01 mol/L［7］，加入60℃水浴溫酶液800 μL（0.8%），充分混勻，在60℃下分別水解40、50、60、70、80 min后，滅酶冷卻定容測定液化液DE值及還原糖含量。

1.3.2 pH對馬鈴薯淀粉DE值的影響 基本操作同

1.3.1 ，硫酸-氫氧化鈉pH分別設為7.0、7.5、8.0、8.5、9.0，在60℃下水解70 min后，滅酶冷卻定容測定液化液DE值及還原糖含量。

1.3.3 酶解溫度對馬鈴薯淀粉DE值的影響 基本操作同1.3.1，加入保溫酶液溫度分別設為40、50、60、70、80℃，并在以上溫度下水解70 min后，滅酶冷卻定容測定液化液DE值及還原糖含量。

1.4 響應面實驗

使用Design-Expert 8.0軟件，采用Box-Behnken Design實驗設計原理［8］，以酶解時間、pH、酶解溫度為自變量，分別以A、B、C表示，并以1、0、-1分別代表自變量的高、中、低水平，以馬鈴薯淀粉水解液的DE值為響應值，進行響應面實驗，實驗因素與因素水平見表1。

表1 響應面實驗設計因素與水平Table1 Independent variables and levels used in response surface analysis

1.5 數據處理

響應面實驗結果利用Design-Expert 8.0軟件進行分析，建立回歸方程并作等高線和三維曲面圖，對任意兩種因素的交互效應進行分析和評價［9］，得到最優加工工藝組合。其他實驗結果均用Excel軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗

2.1.1 酶解時間對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響

酶解時間對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響如圖1所示。

圖1 酶解時間對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響Fig.1 Effect of liquid solution enzymolysis time on DE value of potato starch

圖1 表明，隨著酶解時間的延長，馬鈴薯淀粉酶解液的DE值先增大后減小。當酶解時間為60 min時，所得的水解液的DE值最高，達到57.94%；當酶解時間大于60 min時，隨著酶解時間的延長，馬鈴薯淀粉酶解液的DE值逐漸降低。其原因可能是：水解時間太短時，水解反應不徹底，水解液的DE值較低；水解時間過長時，水解產生的葡萄糖復合分解反應增加，導致水解液的DE值降低。因此，適宜的酶解時間為60 min。

2.1.2 酶解pH對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響 酶解pH對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響如圖2所示。

圖2表明，隨著pH的升高，馬鈴薯淀粉水解液的DE值先增大后減小。當水解pH為8.0，水解液的DE值最高，達到58.49%。可能是因為水解pH較低時，α-淀粉酶的水解活性失活，水解液的DE值較低。當pH過高時，同樣使α-淀粉酶的結構發生改變，水解速率下降。因此，適宜的酶解pH為8.0。

圖2 酶解pH對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響Fig.2 The effect of pH on the enzymatic hydrolysis of potato starch solution DE value

2.1.3 酶解溫度對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響 酶解溫度對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響如圖3所示。

圖3 酶解溫度對馬鈴薯淀粉酶解液DE值的影響Fig.3 Effect of liquid solution enzymolysis temperature on DE value of potato starch

圖3表明，隨著酶解溫度的升高，馬鈴薯淀粉水解液的DE值先增大后減小。當水解時間為60℃時，所得的水解液的DE值最高，達到54.14%。可能是因為酶解溫度較低時，α-淀粉酶的水解活性較低，同時溫度較低時化學反應速率較低；當溫度過高時，酶活性降低甚至失活，使水解液的DE值降低。因此，適宜酶解溫度為60℃左右。

2.2 響應面實驗

2.2.1 模型建立與分析 影響馬鈴薯淀粉酶解的因素有三個：酶解時間、pH、酶解溫度，實驗采用三因素三水平響應面法優化水解工藝參數，實驗設計與結果如表2所示。

表2 響應面實驗方案及結果Table2 Scheme and experimental results for response surface design

表3 回歸模型方差分析結果Table3 ANVONA results for the fitted regression model

按照Design Expert軟件中的Box-Behnken Design模型，對實驗設計各組酶解液的DE值進行回歸分析，得回歸方程為：Y=57.93-0.65A+2.47B-2.177C+2.89AB+0.79AC-2.98BC-9.24A2-7.48B2-6.93C2

式中，Y為水解液的DE值；A、B、C分別為上述3個自變量的編碼值。回歸方程的R2為0.9137，模型回歸系數顯著性檢驗如表3所示：

由表3可知，模型的p＜0.0001，表明該實驗模型極顯著。失擬項p=0.1351＞0.05，不顯著，說明方程對實驗的擬合度較好，該方案可靠。另外，因素B和因素C對馬鈴薯淀粉酶解DE值影響極顯著（p＜0.01），因素A的影響不顯著；因素A2、B2、C2對DE值的影響均極顯著（p＜0.01）；因素AB、BC交互作用對DE值影響極顯著（p＜0.01）。根據一次回歸系數絕對值大小可知，影響馬鈴薯淀粉酶解的主次因素為：pH＞酶解溫度＞酶解時間。

2.2.2 響應面分析與優化 通過多元回歸方程分析可知3個因素交互作用對DE值的影響情況。用響應面和等高線圖可以直觀的反映該影響。

圖4 酶解時間和pH的交互作用響應面圖Fig.4 Response surface of interaction between time and pH value

從圖4可以看出，酶解時間和pH對淀粉酶解DE值的影響較大（p＜0.01），當酶解時間和pH過高或過低的時候，DE值較低。適中的酶解時間和pH時，響應面出現最高點，此時DE值最高。

圖5 酶解溫度和pH的交互作用響應面圖Fig.5 Response surface of interaction between temperature and pH value

從圖5可以看出，酶解溫度和pH對淀粉酶解DE值的影響較大（p＜0.01），當酶解溫度和pH過高或過低時，DE值較低。適中的酶解溫度和pH時，響應面出現最高點，此時DE值最高。

根據回歸模型方程以及酶解時間、pH、酶解溫度對馬鈴薯淀粉DE值的影響的等高線、響應面圖可知，pH、酶解溫度對DE值的影響最為顯著，表現的曲線最陡。

2.3 優化及驗證實驗

用Design Expert 8.0軟件進行優化，得到馬鈴薯淀粉酶解的最佳工藝條件為：pH7.90、酶解溫度62.22℃、酶解時間59.21 min，在此條件下，馬鈴薯淀粉酶解液的預測DE值為58.46%。考慮到實際應用，馬鈴薯淀粉酶解的最佳工藝條件調整為：pH7.90、酶解溫度62℃、酶解時間60 min，在此條件下，馬鈴薯淀粉酶解液的DE值為57.93%，與預測值接近。由此表明該模型可靠。

3 結論

本研究以馬鈴薯淀粉為原料，采用中溫型α-淀粉酶對馬鈴薯淀粉進行酶解，以淀粉酶解液DE值作為實驗指標，根據單因素實驗結果，采用響應面設計實驗，運用Box-Behnken的中心組合實驗設計原理，選擇對水解度有顯著影響的3個因素：pH、酶解溫度、酶解時間，進行3因素3水平的響應面分析實驗，得到α-淀粉酶水解馬鈴薯淀粉的最佳工藝參數：pH7.90，酶解溫度62.22℃，酶解時間59.21 min，在此條件下，馬鈴薯淀粉酶解液的DE值為58.46%。考慮到實際操作需要，將酶解溫度調整為62℃，酶解時間調整60 min，在此條件下，馬鈴薯淀粉酶解液的DE值為57.93%，與預測值接近。

［1］王拓一，張杰，吳耘紅，等.馬鈴薯渣的綜合利用研究［J］.農產品加工，2008（7）：103-105.

［2］李玉芹，袁正求，馮岳，等.α-淀粉酶和糖化酶協同酶解馬鈴薯淀粉的工藝條件優化［J］.西北農林科技大學學報：自然科學版，2011（7）：147-152.

［3］連喜軍，王吰，劉旭.α-淀粉酶水解馬鈴薯淀粉制備抗性淀粉［J］.糧食與油脂，2009（2）：12-14.

［4］史靜，陳本建.馬鈴薯渣的綜合利用與研究進展［J］.青海草業，2013，22（1）：42-45.

［5］劉達玉，黃丹，李群蘭.酶堿法提取薯渣膳食纖維及其改性研究［J］.食品研究與開發，2005，26（5）：63-65.

［6］郝曉敏，王遂，崔凌飛.α-淀粉酶水解玉米淀粉的研究［J］.食品科學，2006，27（2）：141-143.畢靜.中溫型α-淀粉酶水解玉米淀粉生產麥芽糊精工藝研究［J］.食品與發酵科技，2010（3）：72-74.

［7］于君妍，宋弋，張玉玉，等.響應面法優化板栗淀粉酸水解工藝［J］.食品研究與開發，2013（8）：32-35.

［8］王長虹，黃紀念，高向陽，等.響應面法優化糖化酶水解麥麩淀粉工藝研究［J］.浙江農業科學，2010（6）：1317-1322.

［9］張慧君，孫巖，王麗娜，等.響應面優化酶解法提取亞麻粕蛋白的工藝研究［J］.食品工業，2013，34（8）：67-70.

Optimizing process parameters for enzymolysis of potato starch by response surface methodology

WEI Yu-mei1，LI Qi-bing2，LIU Hua3，*
（1.Center of Experiment，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030，China；2.College of Science and Engineering，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030，China；3.School of Mathematics and Computer Science，Northwest University for Nationality，Lanzhou 730030，China）

Using medium temperature type-amylase on potato starch hydrolysis，the DE value of potato starch hydrolysate was the evaluation index.Based on single-factor experiments of the effect of the pH，enzymolysis temperature and enzymolysis time，the optimum condition of potato starch enzymolysis was determined by response surface methodology.The results showed that the optimum conditions were as follows:pH7.90，enzymolysis temperature 62℃，enzymolysis time 60 min，under the optimum conditions，the enzymolysis of potato starch DE value was 57.93%.

response surface method；potato starch；enzymolysis

TS234+2

A

1002-0306（2016）02-0176-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.02.027

2015－05－06

魏玉梅（1980-），女，碩士研究生，實驗師，研究方向：食品開發與安全檢測，E-mail：weijy1980@126.com。

*通訊作者：劉華（1977-），男，博士，教授，研究方向：數值計算，E-mail：649118046@qq.com。

中央高校基本科研業務費專項資金項目（31920140095）；國家自然科學基金（31260098）；西北民族大學2014年開放項目；國家民委中青年英才計劃（〔2014〕121號）；2013年西北民族大學創新團隊項目。