陜南豆薯淀粉漿液液化和糖化的工藝研究

王穎 何強 陳文強 衛永華 張東 陳琰

摘要：以陜南豆薯淀粉漿液為試材，在單因素試驗的基礎上，采用L9（34）正交試驗優化其液化和糖化工藝。結果表明，陜南豆薯淀粉漿液最佳的液化工藝為α-淀粉酶添加量75 U/g，液化pH值5.0，液化時間90 min，液化溫度 90 ℃；最佳的糖化工藝為糖化酶添加量200 U/g，糖化pH值4.5，糖化時間120 min，糖化溫度60 ℃。在此優化條件下，糖化液的葡萄糖值（DE值）為16.23%。

關鍵詞：豆薯；淀粉；漿液；液化；糖化

中圖分類號： TS201.1文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0165-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-09-26

基金項目：陜西省“13115”科技創新工程計劃（編號：2008ZDGC-04）。

作者簡介：王穎（1994—），女，陜西西安人，碩士研究生，主要從事微生物資源利用開發等研究。E-mail：306104241@qq.com。

通信作者：陳文強，教授，碩士生導師，主要從事微生物資源的保護與利用方面的研究。E-mail：wenqiangc@126.com。

[ZK）]

豆薯（Pachyrhizus erosus）是豆科（Leguminosae）豆薯屬（Pachyrhizus）中能形成紡錘形或扁球形塊根的一年生或多年生草質藤本植物，喜炎熱而降雨較少的氣候，原產熱帶美洲，現分布于熱帶和亞熱帶地區，我國長江以南地區普遍栽培，以貴州、四川、湖南、廣東、廣西、陜南和臺灣等地區生產較多[1]。豆薯含鈣、鐵、鋅、銅、磷等人體必需礦質元素，且具有防癌、降血壓及降血脂等功效[2-4]。豆薯屬高產作物，作為一種重要的經濟作物被農民廣泛栽種。陜南每年9—11月盛產豆薯，當地俗稱“地瓜”，食用部分為肥大的塊根。豆薯塊根不耐貯藏，易腐爛變質，每年豆薯成熟季節，市場豆薯堆積，腐爛損失嚴重，農民雖豐產，經濟卻不能增收。現今利用豆薯加工的產品尚不多見，常見有涼薯酒[5]、豆薯汁果凍[6]、豆薯果脯[7]、豆薯片[8]、豆薯汁飲料[9-11]等。因此，對豆薯進行精深加工具有十分重要的意義。

豆薯富含淀粉，淀粉易被淀粉酶分解成小分子單糖和寡糖，非常適宜作為底物進行發酵產品的生產。但在發酵過程中，微生物無法直接利用淀粉進行發酵，需對豆薯原漿進行液化和糖化處理，因此，本試驗以陜南鮮豆薯打漿所得豆薯漿液為原料，研究其液化和糖化的最佳工藝條件，旨在為陜南豆薯發酵制品的生產提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

豆薯購自陜西漢中豐輝農貿市場，室溫下儲藏待用。

試劑：葡萄糖、氫氧化鉀、乙酸鋅、氫氧化鈉、硫酸銅、亞鐵氰化鉀、無水亞硫酸鈉、酒石酸鉀鈉等均為分析純；次甲基藍（生物染色試劑，天津市科密歐化學試劑有限公司）；α-淀粉酶（生化試劑，≥3 700 U/g，北京奧博星生物科技有限責任公司）；糖化酶（100 000 U/g，江蘇省無錫市雪梅酶制劑科技有限公司）；試驗用水為純化水。

儀器：電子恒溫水浴鍋（北京光明醫療儀器廠，DZKW-C）；電子天平（北京賽多利斯儀器系統有限公司，ALC-210）；離心機（上海安寧科學儀器廠，GL-20B）；折光儀（奧豪斯國際貿易（上海）有限公司，PR-101）；電子萬用爐（天津市中環科技開發公司）；酸式滴定管（北京玻璃集團公司銷售分公司）；隔水電熱恒溫培養箱（上海躍進醫療器械廠，DHS-BS）；旋轉蒸發儀（上海申勝生物技術有限公司，R-205）；精密pH計（上海雷諾儀器廠，pHS-3B）。

1.2試驗方法

1.2.1工藝流程

[KG14]液化酶

[KG15]↓

豆薯預處理→豆薯渣→調漿→糊化→液化→糖化→滅菌→測定還原糖

[KG5]↑[KG8]↑

[KG7]確定料液比[KG5]糖化酶

1.2.2測定方法

1.2.2.1總糖的測定根據NY/T 2742—2015《水果及制品可溶性糖的測定3，5-二硝基水楊酸比色法》的相關方法測定。

1.2.2.2還原糖的測定根據標準GB/T 5009.7—2003《食品中還原糖的測定》的相關方法測定。

1.2.2.3水分的測定根據標準GB/T 23490—2009《食品水分活度的測定》的相關方法測定。

1.2.2.4DE值的測定DE值是指糖化液中的還原糖含量（以葡萄糖計）占干物質的百分率，又稱葡萄糖值。以DE值衡量淀粉水解程度，可以轉換為糖化液中淀粉已轉化的還原糖（以葡萄糖計）占淀粉含量的百分率。

[JZ]DE值=[SX（]酶解液中還原糖-酶解前還原糖含量淀粉含量[SX）]×100%。

1.2.3液化單因素試驗設計

1.2.3.1α-淀粉酶添加量對液化的影響取豆薯原漿5份（約25 mL）于燒杯中，在pH值為6.0、溫度為90 ℃、時間為 90 min 的條件下，比較不同α-淀粉酶添加量（25、50、75、100、125 U/g）對液化效果的影響。恒溫過程中間隔一定時間對豆薯漿進行攪拌（下同）。

1.2.3.2pH值對液化的影響取豆薯原漿5份于燒杯中，在α-淀粉酶添加量為50 U/g、溫度為90 ℃、時間為90 min的條件下，比較不同pH值（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0）對液化效果的影響。

1.2.3.3溫度對液化的影響取5份豆薯原漿于燒杯中，在pH值為6.0、α-淀粉酶添加量為50 U/g、時間為90 min的條件下，比較不同溫度（80、85、90、95、100 ℃）對液化效果的影響。endprint

1.2.3.4時間對液化的影響取5份豆薯原漿于燒杯中，在pH值為6.0、α-淀粉酶添加量為50 U/g、溫度為95 ℃的條件下，比較不同時間（70、80、90、110、120 min）對液化效果的影響。

1.2.4液化正交試驗設計在液化單因素試驗的基礎上，選取α-淀粉酶添加量、溫度、pH值、時間這4個因素作為影響豆薯淀粉液化的工藝條件，設計4因素3水平的正交試驗，如表1所示。

[FK（W6][HT6H][JZ][WTHZ]表1液化試驗L9（34）因素水平[WTBZ][HTSS][STBZ]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK3，WK26W]水平[ZB（][BHDWG1*2，WK26W]因素

[BHDWG1*2，WK7，WK5，WK8，WK6W][XXZSX*2-ZSX25*2]A：接種量（U/g）B：pH值C：糖化時間（min）D：溫度（℃）[ZB）W]

[BHDG1*2，WK3，WK7，WK5，WK8，WK6W]1255.06090

[BHDW]2506.09095

[BH]3757.0120100[HT][HJ][BG）F][FK）]

1.2.5糖化單因素試驗設計

1.2.5.1糖化酶添加量對糖化的影響將液化后的豆薯漿在100 ℃下加熱15 min滅酶，冷卻至常溫（下同）。取5份液化液于燒杯中，在pH值為4.5、溫度為60 ℃、時間為90 min的條件下，比較不同糖化酶添加量（100、150、200、250、300 U/g）對糖化效果的影響。

1.2.5.2pH值的對糖化的影響取5份液化液于燒杯中，在糖化酶添加量為200 U/g、溫度為55 ℃、時間為90 min的條件下，比較不同pH值（3.5、4.0、4.5、5.0、5.5）對糖化效果的影響。

1.2.5.3溫度對糖化的影響取5份液化液于燒杯中，在糖化酶添加量為200 U/g、pH值為4.5、時間為90 min的條件下，比較不同溫度（50、55、60、65、70 ℃）對糖化效果的影響。

1.2.5.4時間對糖化的影響取5份液化液于燒杯中，在糖化酶添加量為200 U/g、pH值為4.5、溫度為60 ℃的條件下，比較不同時間（30、60、90、120、150 min）對糖化效果的影響。

1.2.6糖化正交試驗設計在糖化單因素試驗的基礎上，選取糖化酶添加量、溫度、pH值、時間這4個因素作為影響豆薯淀粉糖化的工藝條件，設計4因素3水平的正交試驗，如表2所示。

2結果與分析

2.1液化的單因素試驗

2.1.1α-淀粉酶添加量對液化的影響在pH值為6.0、溫度為90 ℃、時間為90 min的條件下進行α-淀粉酶添加量（25、50、75、100、125 U/g）梯度試驗，結果見圖1。

由圖1可知，隨著α-淀粉酶添加量增加，DE值迅速升高；但當加酶量大于50 U/g時，DE值基本趨于穩定。這是由于加酶量小于50 U/g時，底物質量濃度大于淀粉酶的質量濃度，反應速率受加酶量的影響較大，DE值隨著加酶量的增加而快速增大；加酶量大于50 U/g時，隨著酶質量濃度逐漸升高，一部分酶分子沒有機會和底物接觸，致使水解液DE值基本不再變化。考慮到成本因素，因此，最佳的α-淀粉酶添加量為50 U/g。

2.1.2pH值對液化的影響在α-淀粉酶添加量為 50 U/g、溫度為90 ℃、時間為90 min的條件下進行液化pH值（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0）梯度試驗，結果見圖2。

[FK（W11][TPWY22.tif][FK）]

由圖2可知，DE值隨著pH值的增大先升高后降低，pH值在6.0達到最高。因為酶的活性部分一般含重要的酸性或堿性基團，不同pH值環境下酶的活性部分處于不同的離解狀態，從而影響酶分子的構象以及酶與底物的結合力和催化能力[12-13]。因此，最佳的液化pH值為6.0。

2.1.3溫度對液化的影響在α-淀粉酶添加量為50 U/g、pH值為6.0、時間為90 min的條件下進行液化溫度（80、85、90、95、100 ℃）梯度試驗，結果見圖3。

由圖3可知，DE值隨著溫度的升高先升高后降低，溫度為90 ℃時DE值最高，達到7.52%。液化溫度同時影響化學反應速率和酶的活性，當溫度小于90 ℃時，隨著溫度的升高，

[FK（W11][TPWY33.tif][FK）]

單位時間內酶分子與底物間的有效碰撞次數增加，液化反應速率加快；而當溫度超過90 ℃時，隨著溫度的繼續升高，耐高溫α-淀粉酶變性失活，液化反應速率迅速下降。同時作用溫度越高，還原糖與氨基酸越容易發生氨基糖反應，還原糖之間也會發生焦糖化反應，造成糖分的直接損失[14]。因此，最佳的液化溫度為90 ℃。

2.1.4時間對液化的影響在α-淀粉酶添加量為50 U/g、pH值為6.0、溫度為95 ℃的條件下進行液化時間（70、80、90、110、120 min）梯度試驗，結果見圖4。

[FK（W11][TPWY44.tif][FK）]

由圖4可知，隨著液化時間的增長，DE值增加，但逐漸趨于緩慢。原因是耐高溫α-淀粉酶是一種內切酶，從分子內部開始水解淀粉，且僅能水解α-1，4糖苷鍵，對α-1，6糖苷鍵不起作用，但可越過此鍵，繼續水解α-1，4糖苷鍵。由于淀粉中α-1，6糖苷鍵的存在，而影響了酶的水解速度，反應開始時速度很快，而后逐漸變緩[15-16]。因此，最佳的液化時間為90 min。

2.2液化正交試驗

表3結果表明，各因子的最佳水平組合為A3B1C2D1。極差分析結果表明，各因子對液化影響順序分別為D>C>B>A。所以，最終確定陜南豆薯漿液液化的最佳工藝為加酶量75 U/g，pH值5.0，液化時間90 min，液化溫度90 ℃。endprint

2.3糖化單因素試驗

2.3.1糖化酶添加量對糖化的影響在pH值為4.5、溫度為60 ℃、時間為90 min的條件下進行糖化酶添加量（100、150、200、250、300 U/g）梯度試驗，結果見圖5。

由圖5可知，糖化酶的添加量在100～200 U/g時，DE值隨著酶添加量的增加而增加，當超過200 U/g時，DE值趨于不變。因此，最佳的糖化酶添加量為200 U/g。

2.3.2pH值對糖化的影響在糖化酶添加量為200 U/g、溫度為55 ℃、時間為90 min的條件下進行糖化pH值（3.5、40、4.5、5.0、5.5）梯度試驗，結果見圖6。由圖6可知，隨著pH值的增大，DE值先升高后降低，pH值為4.5時DE值達到最大，隨后迅速下降。原因是糖化酶的最適作用pH值為4.0～4.5，pH值過大或過小都會導致酶蛋白變性，從而影響酶分子與底物分子的結合和催化，最終影響水解速率。因此，最佳的糖化pH值為4.5。

2.3.3溫度對糖化的影響在糖化酶添加量為200 U/g、pH值為4.5、時間為90 min的條件下進行糖化溫度（50、55、60、65、70 ℃）梯度試驗，結果見圖7。由圖7可知，DE值隨著溫度的升高而升高，當溫度達到60 ℃時達到最高，隨后，其含量隨著溫度的上升而下降。這是由于糖化酶最適溫度不超過60 ℃[17]，當溫度高于60 ℃時，糖化酶失活，DE值降低。因此，最佳的糖化溫度為60 ℃。

2.3.4時間對糖化的影響在糖化酶添加量為200 U/g、pH值為4.5、溫度為60 ℃的條件下進行糖化時間（30、60、90、120、150 min）梯度試驗，結果見圖8。由圖8可知，隨著糖化時間的增加，DE值也增加，在 120 min 的時候達到最高。這是因為開始時，底物的濃度較高，反應速度受時間的影響較大；隨著反應的進行底物濃度逐漸降低，反應速率也隨之降低。因此，最佳的糖化時間為 120 min。[FL）]

[FK（W11][TPWY66.tif][FK）]

[FL（2K2]

2.4糖化正交試驗

表4結果表明，各因子的最佳水平組合為A1B2C1D2。極差分析結果表明，各因子對糖化影響順序分別為C>A>D>B。所以，最終確定陜南豆薯漿液糖化的最佳工藝為接種量為200 U/g，pH值為4.5，糖化時間為 120 min，糖化溫度為 60 ℃。

3結論

對陜南豆薯淀粉漿液的液化和糖化工藝進行了研究，最佳的液化工藝為α-淀粉酶添加量75 U/g，pH值5.0，液化時間90 min，液化溫度90 ℃；最佳的糖化工藝為糖化酶添加量200 U/g，pH值4.5，糖化時間120 min，糖化溫度60 ℃。在此條件下，DE值為16.23%。

近年來，對陜南豆薯淀粉漿液液化和糖化的工藝研究報道甚少，劉軻等通過豆薯糖化液制備技術研究發現，其液化和糖化時間分別長達120、240 min，DE值為11.88%[18]。與此相比，陜南豆薯淀粉漿液的液化時間和糖化時間分別縮短30、120 min，且DE值高出4.35%，最終得到的DE值符合果酒[19]、果醋[20]釀造中酒精度和還原糖含量配比的要求。

將豆薯淀粉水解成葡萄糖可供微生物發酵利用，轉化成具有較高營養價值的發酵制品，其應用前景十分廣闊。豆薯發酵產品的開發，有待進一步研究。

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