響應面法優化糯玉米汁酶解工藝

尹佳

吉林化工學院生物與食品工程學院（吉林 132022）

玉米含大量纖維素、碳水化合物，富含蛋白質、脂肪、氨基酸、多種維生素、礦物質等，并有良好的藥用價值[1]。但是在中國由于玉米口感及傳統谷類食物的影響，玉米作為食用的功能并不明顯，一般只作為飼料和發酵用工業原料[2]。目前生產的玉米主要作為飼料（70%～80%），其次為食用（10%～15%）和作為工業原料（10%～15%），在中國其比例分別為74%，15%和11%[3]。糯玉米又稱蠟質玉米、黏玉米。其特點主要是籽粒胚乳中的支鏈淀粉含量幾乎達到100%（普通玉米籽粒中淀粉約72%是支鏈淀粉，其余為直鏈淀粉）[4]。

谷物飲料的發展有利于現代社會高速化的生活和均衡營養，符合飲料的發展趨勢和消費趨勢[5]。對玉米汁飲料的研究主要集中于甜、糯玉米清汁及渾濁汁飲料方面，重點研究生產工藝、風味調配及產品質量控制。就國內外一些有關糯玉米汁穩定性、風味調配的研究[2-6]進行試驗設計及優化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯玉米；中溫α-淀粉酶；中性蛋白酶。

1.2 儀器與設備

YP 600電子天平（天津天馬衡基儀器有限公司）；DDL-5 M 4 000 r/min離心機（濟南博鑫生物技術有限公司）；HWS 24電熱恒溫水浴鍋（上海一恒科學儀器有限公司）；UV-1800 PC紫外分光光度計（上海美譜達儀器有限公司）；BM 253榨汁機（廣東美的家用電器集團）。

1.3 測定方法

1.3.1 懸浮穩定性的測定[7]

采用分光光度計法，每次取10 mL糯玉米汁樣品，在4 200×g離心力下離心20 min，以蒸餾水作參比，測得上清液在660 nm處的吸光度，其值表示懸浮穩定性大小。

1.3.2 褐變指數的測定[8]

每次取10 mL糯玉米汁樣品，加入等量的95%乙醇，在4 200×g離心力下離心20 min，以蒸餾水作參比，測得上清液在420 nm處的吸光度，其值表示褐變指數大小。

1.3.3 綜合指標的測定

糯玉米汁的懸浮穩定性越高，褐變指數越低，質量越好[9]。這些指標的變化趨勢不一致，利用線性型功效系數法將懸浮穩定性、褐變指數進行指標函數統一量綱，令：

式中：Yimax與Yimin（i=1, 2）為試驗中各指標的最大值與最小值。將2個響應值（懸浮穩定性、褐變指數）各自賦予主觀權重：a=0.7；b=0.3。

綜合指標計算公式為：

1.4 工藝流程及操作要點

糯玉米→打漿、過膠體磨→糊化（80 ℃，20 min）→酶解→滅酶（90 ℃，10 min）→調配→均質→灌裝→殺菌→成品

將解凍清洗后的糯玉米籽粒，加水打漿，經過濾加熱至80 ℃保溫20 min糊化。向糊化液中加入中溫α-淀粉酶和中性蛋白酶進行酶解，測定懸浮穩定性和褐變指數。酶解后，升溫至90 ℃，保溫10 min滅酶。按配方要求加入各種原輔料，攪拌均勻，在一定條件下均質。將均質后的料液趁熱脫氣灌裝，封口殺菌。

1.5 單因素試驗

采用單因素試驗考察中溫α-淀粉酶和中性蛋白酶的加酶量和酶解溫度對糯玉米汁懸浮穩定性和褐變指數的影響。根據單因素試驗結果進行響應面分析法優化糯玉米汁酶解工藝。

表1 單因素試驗因素與水平的設計

2 結果與分析

2.1 中溫α-淀粉酶對糯玉米汁品質的影響

2.1.1 淀粉酶用量對糯玉米汁品質的影響

添加一定量的中溫α-淀粉酶在55 ℃條件下酶解40 min，比較不同酶用量對糯玉米汁品質的影響。由圖1（a）可知，懸浮穩定性低濃度時呈逐漸上升趨勢，用量達到0.15%后基本趨于穩定。這是因為淀粉顆粒在中溫α-淀粉酶作用下發生水解，形成可溶性小分子物質，而當酶濃度大于底物濃度時，酶的作用受到抑制。此外，褐變指數隨中溫α-淀粉酶用量的增加呈先下降后上升的趨勢，這可能是由于酶解初期酶濃度較低，水解不完全，隨著濃度增加，達到015%后，酶與底物剛好反應完全，此時褐變最小，而繼續升高酶濃度后，過多的酶使體系發生美拉德反應而增加褐變程度[10]。

2.1.2 淀粉酶溫度對糯玉米汁品質的影響

固定中溫α-淀粉酶濃度0.15%，酶解時間40 min，比較不同作用溫度對糯玉米汁品質影響。由圖1（b）可知，汁液懸浮穩定性隨酶解溫度的升高呈先上升后下降趨勢，在作用溫度55 ℃時達最大值（穩定性最高）。原因是較低溫度下酶活較低，而高溫又易使酶失活[11]。褐變指數隨酶解溫度的升高呈先下降后上升趨勢，在作用溫度65 ℃時達最小值。原因是溫度的升高使酶失活，導致不能進行酶解而使其淀粉增加，漿液中的淀粉大顆粒因離心而減少，使懸浮物大顆粒減少。

2.2 中性蛋白酶對糯玉米汁品質的影響

2.2.1 蛋白酶添加量對糯玉米汁品質的影響

固定中性蛋白酶在45 ℃酶解40 min條件下，比較不同蛋白酶用量對糯玉米汁品質影響。由圖2（a）可知，隨中性蛋白酶用量逐漸增加，褐變指數降低，中性蛋白酶用量達到0.30%后趨于穩定。這是由于隨著中性蛋白酶濃度增加，水解逐漸趨于平衡，一些蛋白質等大分子物質被分解為氨基酸等小分子顆粒[12]。懸浮穩定性隨中性蛋白酶用量增加而上升，說明中性蛋白酶能提高酶解效率。

2.2.2 蛋白酶酶解溫度對糯玉米汁品質的影響

固定中性蛋白酶濃度0.30%，酶解時間40 min，比較不同酶解溫度對糯玉米汁品質影響。由圖2（b）可知，溫度為45 ℃時，褐變指數最低，懸浮穩定性最高。原因是玉米汁在此時的酶活力達到最高。

圖1 中溫α-淀粉酶對糯玉米汁品質的影響

圖2 中性蛋白酶對糯玉米汁品質的影響

2.3 響應面法優化酶解工藝條件結果與分析

根據單因素試驗結果，采用響應面中心組合設計試驗，以中溫α-淀粉酶加酶量（A）、中性蛋白酶加酶量（B）、中溫α-淀粉酶酶解溫度（C）、中性蛋白酶酶解溫度（D）為自變量，以糯玉米汁懸浮穩定性和褐變指數的綜合指標為響應值，試驗因素水平與編碼見表2，響應面試驗方案及結果見表3。

表2 因素水平編碼表

表3 響應面試驗方案及結果

通過Design-export 8.0軟件進行數據分析，建立多元二次響應面回歸模型為：Y=34.07-22.81A-0.97C-25.49B-0.060D+0.33AC+8.11AB+0.27CB-0.015BD+16.37A2+16.48B2。

由表4可看出模型達到極顯著（p＜0.01），失擬項不顯著（p＞0.05），表明該方程無失擬性因素存在，回歸模型與實際值能較好擬合[13]。一次項B表現為顯著，二次項B2和C2表現為極顯著，說明它們對響應值影響極大。由F檢驗可以得到影響因素主次排序為：中性蛋白酶加酶量（B）、中溫α-淀粉酶加酶量（A）、中性蛋白酶酶解溫度（D）、中溫α-淀粉酶酶解溫度（C）。

表4 方差分析結果

通過Design-export 8.0軟件分析，得到響應面及等高線圖，等高線的形狀可反映交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，圓形則與之相反[14]。由表4可知，試驗建立的數學模型AB、AC、AD、BD、CD的交互作用影響較小，只有BC的交互作用影響作用較大，即中性蛋白酶添加量和中溫α-淀粉酶作用時間的交互影響較顯著，如圖3所示。

圖3 蛋白酶含量和淀粉酶溫度對玉米漿液品質的影響

3 結論

通過研究雙酶處理對玉米汁品質的影響，中溫α-淀粉酶添加量0.18%，在55.05 ℃條件下酶解40 min對糯玉米汁的酶解效果最佳；通過將淀粉水解為糊精和低聚糖來降低顆粒粒徑，結果表明可以顯著提高糯玉米汁的懸浮穩定性。當中性蛋白酶濃度為0.30%時，在44.36 ℃下酶解40 min對糯玉米汁的酶解效果最佳；蛋白酶將玉米汁中的蛋白質水解為小肽，褐變指數較低，體系穩定性較好。研究采用中溫α-淀粉酶和中性蛋白酶雙酶水解糯玉米漿液，制得的糯玉米汁懸浮定性和褐變程度均得到顯著改善。