紫山藥淀粉的糖化工藝優化及體外消化模擬分析

崔晉 馬艷弘 吳彩娥 黃贊 曹培杰 黃開紅

摘要：旨在研究紫山藥淀粉糖化工藝及在模擬體外消化過程中的消化特性。以還原糖含量為指標，主要考察葡萄糖糖化酶添加量、溫度、pH值和時間對糖化效果的影響，并采用正交試驗優化糖化工藝。結果表明，最優糖化工藝條件為糖化酶添加量180 U/g，糖化溫度65 ℃，糖化pH值4.5，糖化時間60 min。體外消化模擬試驗結果表明，紫山藥的可溶性糖、還原性糖釋放率較低，且遠低于酶解過程，主要是因為模擬的腸液中只有胰淀粉酶可以水解紫山藥淀粉，產生糊精和糖，不能進一步水解。

關鍵詞：紫山藥;糖化酶;糖化;體外消化

中圖分類號： TS231? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0213-03

紫山藥，又名紫淮山、紫蒔藥、大薯、參薯、腳板薯、佛掌薯等，俗稱紫人參，是近年來發現的一種藥食同源的薯蕷科植物[1]，原產于亞洲熱帶地區，是一種草本蔓生性植物。紫山藥富含黏性多糖、花青素、膽堿、尿囊素和薯蕷皂苷等多種功能成分[2-4]。大量研究表明，這些功能成分使紫山藥具有營養、保健和醫藥價值，在抗氧化、抗腫瘤、降血糖、增強免疫力、調節血脂等方面具有良好的作用[5-6]。近年來，國內外對山藥的研究性報道越來越多，加快了紫山藥的市場開發和應用進程。

目前有關紫山藥的研究主要集中在育種、栽培、營養以及生理活性等方面，有關紫山藥淀粉的相關研究較少。有研究認為，淀粉酶解是開發研究含淀粉原料深加工產品的基礎[7-9]，其酶解特性與消化特性直接影響到產品的營養、功能及其市場銷售。因此，本研究以紫山藥為原料，初步研究糖化酶對紫山藥淀粉的酶解特性，在單因素試驗的基礎上，采用正交試驗對其酶解工藝進行優化，并進行體外模擬消化分析，為系統了解紫山藥淀粉在人體的消化過程及營養特性與制備紫山藥飲料、保健酒等產品提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫山藥品種為蘇蕷1號，由江蘇省農業科學院南京六合動物科學基地提供。

α-淀粉酶（酶活性為4 000 U/g）、糖化酶（酶活性為10萬U/g），南京建安實業有限公司;氫氧化鈉（分析純），南京化學試劑股份有限公司;鹽酸（分析純），濟南英出化工科技有限公司;胰酶[8×USP（美國藥典）]，Sigma公司。

1.2 主要儀器與設備

MJ-BL15U11破壁攪拌機，廣東美的電器制造有限公司;DK-8D電子恒溫水浴槽，上海精宏實驗設備有限公司;FE20 pH計，梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司;ML204電子分析天平，梅特勒-托利多（上海）儀器有限公司;LXJ-IIB離心機，上海安亭科學儀器廠;D-8紫外分光光度計，南京菲勒儀器有限公司;JJ500電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠;RE-6000A旋轉蒸發器，上海亞榮生化儀器廠。

1.3 紫山藥的糖化方法

將新鮮紫山藥清洗，切片，用水蒸30 min，按料液比 1 g ∶ 4 mL 8混合打漿，得到紫山藥漿液，通過響應面法優化得到最佳紫山藥淀粉酶解條件：調節pH值為5.5，加入 23 U/g α-淀粉酶混勻，于75 ℃酶解77 min后冷卻至室溫，再根據試驗之前設計的加酶量、pH值、溫度、時間4個因素進行試驗，糖化結束后再升溫至100 ℃并保持5 min進行滅酶。

1.3.1 糖化單因素試驗 分別考察不同糖化酶添加量（60、120、180、240、300 U/g）、反應體系的pH值（4.0、4.5、5.0、5.5、6.0）、反應溫度（45、55、65、75、85 ℃）、酶解時間（30、60、90、120、150 min）對糖化的影響，結束后測定其還原糖含量[10]。

1.3.2 糖化正交試驗設計 根據糖化單因素試驗結果，選取影響糖化活性的糖化pH值、糖化溫度、糖化酶添加量、糖化時間4個因素進行正交試驗，因素和水平見表1。

1.4 紫山藥淀粉體外消化模擬方法

體外模擬腸液的配制[11]：取5.4 g NaCl、0.65 g KCl、0.33 g CaCl2，分別用去離子水溶解后定容于1 L容量瓶中。稱取7 g胰酶溶于100 mL水中，4 800 r/min離心10 min，取上清液待用。體外模擬腸液的制備：取90 mL胰酶溶液，加入90 mL腸電解質溶液，混合均勻，用1 mol/L NaHCO3調節pH值至7。

稱取一定量的紫山藥于用蒸餾水配制的10 g/100 mL懸浮液中，先在沸水中糊化0.5 h，靜置至室溫，再加入1/2體積的人工腸液，在38 ℃水浴鍋中水浴180 min，每20 min取 5 mL 消化液于離心管中，立刻加入1 mL 0.2 mol/L Na2CO3溶液以終止消化，于4 500 r/min離心15 min，取上清液定容。測定上清液中的還原糖和可溶性糖釋放率，計算方法分別參照式（1）、式（2）：

還原糖釋放率（以葡萄糖計）=m1/m×100%;（1）

可溶性糖釋放率（以蔗糖計）=m2/m×100%。（2）

式中：m1為水解液中的還原糖質量，g;m2為水解液中的可溶性糖質量，g;m為樣品中的淀粉質量，g。

2 結果與分析

2.1 不同糖化酶添加量對還原糖含量的影響

由圖1可以看出，隨著糖化酶添加量的增加，還原糖含量先增加后降低。當酶添加量達到180 U/g時，還原糖含量最高，繼續提高酶的添加量，還原糖含量有所下降。由此可見，加大酶的用量可以加快糖化速度，縮短糖化反應時間，最終使糖度也會有所提高。但是，酶用量過高也會促進復合反應的發生，導致糖度降低[12]。

2.2 不同pH值對還原糖含量的影響

由圖2可以看出，還原糖含量隨著pH值的提高呈先升高后下降的趨勢，當pH值為4.5時，達到最大值。pH值對糖化液的還原糖含量有較大影響，因為pH值會影響酶的穩定性，在最適pH范圍以外時，酶活性會受到影響，促使糖化液還原糖含量發生變化。因此，在工業生產時應保持糖化液的pH值在最適范圍內。

2.3 不同溫度對還原糖含量的影響

由圖3可以看出，當溫度低于65 ℃時，還原糖含量隨溫度的升高而增大;當溫度為65 ℃時，還原糖含量達到峰值;當溫度超過65 ℃時，還原糖含量呈下降趨勢。這是因為當溫度在65 ℃以下時，酶的活性未被激發，而隨著溫度的升高，酶反應加快，當溫度過高時，酶開始變性失活，從而又抑制了糖化反應的進行。

2.4 不同糖化時間對還原糖含量的影響

由圖4可以看出，在糖化時間為90 min以內時，還原糖含量都是隨糖化時間延長而增大的，但在90 min之后，還原糖含量下降并趨于平穩。在糖化初期，糖化速度很快，還原糖含量不斷增加，達到最高值后，由于生成物的反饋抑制和酶的逐漸鈍化，糖化速度逐漸減慢。糖化90 min后，糖化作用達到最高峰，還原糖含量不再上升，高峰期過后，由于復合反應的影響，還原糖含量反而下降。

2.5 正交試驗的優化工藝條件

由表2可以看出，各因素對紫山藥淀粉糖化工藝的影響程度依次為C>A>B>D，即pH值是影響工藝的主要因素，其次是酶添加量、溫度、時間，且糖化的最優工藝條件為A2B2C2D1。對正交試驗數據進行方差分析，結果見表3。在糖化過程中，pH值和加酶量對還原糖含量影響顯著，溫度和時間對還原糖含量影響不顯著，從時間周期方面綜合考慮，糖化時間選擇60 min。因此，確定糖化的最優工藝為A2B2C2D1，即酶添加量為180 U/g，溫度為65 ℃，pH值為 4.5，時間為60 min。對此糖化工藝進行驗證試驗，得到還原糖含量為14.25 mg/mL。

2.6 紫山藥體外模擬消化的結果與分析

由圖5可以看出，在0～60 min時，還原糖釋放率快速升高，60 min時還原糖釋放率最高，此后還原糖釋放率趨于平穩[13]。這是因為在水解初期，淀粉是結構較復雜的高分子化合物，很容易被胰淀粉酶水解其分子中的α-1，4葡萄糖苷鍵，所以水解速度較快[14]。但是隨著淀粉鏈變短，酶作用底物的結合點也相應減少，且胰淀粉酶不能水解淀粉的α-1，6葡萄糖苷鍵，使水解速度迅速減慢。紫山藥淀粉在模擬腸液消化過程中的還原糖釋放率較低，主要原因在于模擬腸液中只有胰淀粉酶可以水解紫山藥淀粉，產生糊精和糖，不能進一步水解，所以釋放出較低含量的還原糖。

由圖6可以看出，可溶性糖釋放率隨時間的變化與還原糖變化率基本一致，最高釋放率也在處理60 min時，但可溶性糖的釋放率稍高于還原糖的釋放率。造成紫山藥淀粉具有較低消化率的一個原因可能與紫山藥淀粉中殘余較多的植物多酚類物質有關[15]，此類物質可以與多糖、蛋白質分子結合，從而影響其消化水解。

3 結論

本試驗主要研究了紫山藥的糖化工藝并進行了體外消化模擬分析，結果顯示，pH值對紫山藥淀粉的糖化有顯著影響，各因素對紫山藥淀粉糖化工藝的影響程度大小依次為pH值、酶添加量、溫度、時間。最佳糖化工藝條件如下：糖化酶添加量為180 U/g，酶解溫度為65 ℃，pH值為4.5，酶解時間為 60 min。在此條件下，紫山藥淀粉的葡萄糖含量達 14.25 mg/mL。淀粉的體外消化模擬試驗結果顯示，紫山藥淀粉在模擬腸液中的可溶性糖釋放率和還原糖釋放率較低，且遠低于酶解過程，主要是因為模擬的腸液中只有胰淀粉酶可以水解紫山藥淀粉，產生糊精和糖，其產物不能進一步水解。

參考文獻：

[1]何圣米，潘廣敏，汪芽芬. 紫山藥豐產栽培技術[J]. 長江蔬菜，2011（1）：12-13.

[2]李新華，董海洲. 糧油加工學[M]. 北京：中國農業大學出版社，2013：122-123.

[3]Rose D J，Inglett G E，Liu S X. Utilisation of corn （Zea mays） bran and corn fiber in the production of food components[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture，2010，90（6）：915-924.

[4]Wang T，Zhu Y D，Sun X H，et al. Effect of microfluidisation on antioxidant properties of corn bran[J]. Food Chemistry，2014，152（6）：37-45.

[5]王 蕊. 山藥的營養保健功能與貯藏加工技術[J]. 江蘇食品與發酵，2006（3）：34-36，38.

[6]張紅霞. 山藥栽培品種研究的進展[J]. 現代園藝，2015（4）：35-36，37.

[7]張紅雨. 低醇紫山藥飲料的可控發酵及其營養成分分析[D]. 天津：天津商業大學，2014.

[8]王蔚新，付曉燕，程水明. 板栗酒生產中糖化工藝研究[J]. 中國釀造，2011，30（1）：177-179.

[9]Duvernay W H，Chinn M S，Yencho G C. Hydrolysis and fermentation of sweetpotatoes for production of fermentable sugars and ethanol[J]. Industrial Crops & Products，2013，42（3）：527-537.

[10]Blanquet S，Zeijdner E，Beyssac E，et al. A dynamic artificial gastrointestinal system for studying the behavior of orally administered drug dosage forms under various physiological conditions[J]. Pharmaceutical Research，2004，21（4）：585-591.

[11]閔芳芳，聶少平，萬宇俊，等. 青錢柳多糖在體外消化模型中的消化與吸收[J]. 食品科學，2013，34（21）：24-29.

[12]丁小禮，扶明明. 楊梅果酒發酵過程主要理化指標變化規律研究[J]. 輕工標準與質量，2016（4）：50-51.

[13]張 汆，魏兆軍，袁懷波，等. 芡實淀粉的酶解特性及體外消化模擬分析[J]. 食品科學，2012，33（3）：23-27.

[14]Rodríguezcabezas M E，Camuesco D，Arribas B，et al. The combination of fructooligosaccharides and resistant starch shows prebiotic additive effects in rats[J]. Clinical Nutrition，2010，29（6）：832-839.

[15]張 汆，薛連海，賈小麗，等. D101樹脂分離純化芡實多酚的特性研究[J]. 食品科學，2009，30（20）：260-264.