酶解條件對谷物雜糧粉黏度的影響研究

馬麗媛，李 楊，尚爾坤，張 晟，張金鳳

（1.綏化學院食品與制藥工程學院，黑龍江綏化 152061；2.綏化市食品藥品檢驗檢測所，黑龍江綏化 152000）

谷物雜糧主要包括谷類（稻米、玉米、小米、紅米、黑米、紫米、大麥、燕麥、蕎麥等）、雜豆類（黃豆、綠豆、紅豆、黑豆、蠶豆、豌豆等）和塊莖類（紅薯、山藥、馬鈴薯等）。在中國，大米和面粉以外的糧食作物被稱作粗糧或雜糧，所以五谷雜糧也泛指糧食作物[1]。谷物雜糧因其豐富的營養、充足的資源，在我國的膳食結構中占有著舉足輕重的地位[2]。然而，谷物雜糧富含膳食纖維，因現有加工手段的限制，使具有營養保健功能的谷物雜糧可食性較差，消費者很難接受因傳統加工方法導致口感粗糙的五谷雜糧，不僅造成了資源上的浪費，也限制了對谷物雜糧進行的深加工利用，不能充分發揮其功效[3-5]。通過有效的技術方法如生物酶技術，可使谷物雜糧粉更易被人們接受和充分消化吸收，提高其可食性和資源上的利用率，為谷物雜糧的深加工奠定了基礎[6-7]。

近年來，隨著我國經濟社會又好又快發展，我國人民對谷物的攝入要求越來越高，谷物的單一攝入，難以滿足人體生長需要。谷物雜糧中富含豐富的各類營養元素，尤其是微量元素（鐵、鎂、鋅、硒、鉀、鈣）及蛋白質，維E、葉酸、生物類黃酮的含量也比細糧豐富，其保健功效在現代日常生活中是不可或缺的地位，比較符合人體攝入需求營養成分的比例，其特殊的食療功效是由其獨特的生理活性成分形成[2，8-12]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

1.1.1 材料

小米、紅小豆、玉米、高粱、燕麥，均購于黑龍江省綏化市華辰超市；中溫淀粉酶，南寧東恒華道生物科技有限公司提供；纖維素酶，和氏璧生物科技有限公司提供；脂肪酶、糖化酶，滄州夏盛酶生物技術有限公司提供；α -淀粉酶，上海祥瑞生物科技有限公司提供。

1.1.2 設備

CF-100KS 型萬能粉碎機，廣州晨雕機械設備有限公司產品；HH-6 型數顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市萊華儀器制造有限公司產品；XS 365M 型天平，瑞士普里賽斯儀器有限公司產品；101-3AB 型電熱恒溫干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司產品；80-2B 型離心機，湖南星科技科學儀器有限公司產品；NDJ-5S 型旋轉黏度計，武漢格萊莫檢測設備有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 谷物雜糧粉制作方法

選用新鮮優質的小米、紅小豆、玉米、高粱、燕麥，去除雜質，用清水洗凈。洗凈后在10～20 ℃的氣溫下風干[13]，用萬能粉碎機粉碎，粉碎細度為50～200 目，為避免過熱出現焦粉現象，應采用間歇粉碎法，即一次性磨粉30 s，間歇1 min。將所磨谷物粉過不同粒徑的篩網，備用。將上述備用谷物粉按1∶1∶1∶1∶1 混合，并按一定底物質量分數調漿，使谷物粉與水混合均勻，并于95 ℃下滅酶10 min。調節酶解的適宜溫度和pH 值，加入適量的生物酶，攪拌均勻，使漿料與酶充分接觸，置于恒溫水浴鍋中酶解一定時間，酶解結束后溫度升至95 ℃滅酶10 min[14-17]。將反應后的谷物雜糧粉溶液冷卻至室溫進行黏度測定。

1.2.2 單因素試驗

分別選取不同的生物酶制劑、雜糧粉溶液底物濃度、pH 值、酶解溫度、酶解時間為單因素，以黏度為指標進行試驗，從中選取適宜的條件，進行下一步正交試驗。

1.2.3 正交試驗

根據單因素試驗結果，以黏度為指標，進行四因素三水平L9（34）正交試驗，確定谷物雜糧粉的最佳酶解工藝。

正交試驗因素與水平設計見表1。

1.3 谷物雜糧粉黏度檢測

使用黏度計進行如下標準操作[18]：

（1）開啟機器。在開啟機器之前，將蓋在機器上的保護罩取下，讓數字顯示屏亮，但不讓電機工作，預熱20 min。

（2）選擇量程。先取來被測樣品，預估計其黏度值范圍，然后選擇轉子，將選用的轉子慢慢地旋轉到連接螺桿上（向左擰裝備轉子，向右擰取下轉子）。無法估計預測的樣品，從小體積的轉子（4、3）到大體積的轉子（2、1）逐步試用。

（3）緩慢旋轉黏度計升降架，使旋轉黏度計慢慢下落，轉子慢慢浸入待測樣品中，直到轉子上的刻度線與待測樣品液面相平為止，保護架裝置、轉子在正中心。調整黏度計的位置為水平。

（4）先使轉子在待測樣品中浸泡3 min，使轉子溫度與待測樣品溫度相近。

（5）按下“測量”鍵，機器開始運作，開始測量。當轉子在液體中旋轉20 圈以上時再讀數。

（6）每次測量后都要清洗轉子，以免影響其他測量結果。

（7）測試結果取2 次測量的算術平均值。2 次測量結果之差小于或等于2 次測量結果平均值的10%，否則測量第3 次。

（8）結束試驗時要及時清潔轉子和機身，必須將轉子拆下來清洗，轉子清洗干凈擦干后放回裝置盒中。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

2.1.1 酶制劑的選取

不同酶制劑對谷物雜糧粉黏度的影響見圖1。

圖1 不同酶制劑對谷物雜糧粉黏度的影響

由圖1 可知，脂肪酶和α -淀粉酶對谷物雜糧粉溶液黏度值改變最小，堿性蛋白酶和糖化酶對谷物雜糧粉的黏度有一定影響，纖維素酶和中溫淀粉酶對谷物雜糧粉的黏度改善最明顯。谷物雜糧粉的黏度主要受淀粉糊化的影響，同時在酶解過程中酶可能改變蛋白質的結構，進而對黏度產生影響[19-20]。參考丁長河等人[21]研究果膠酶與纖維素酶對馬鈴薯漿黏度的影響，選擇效果最佳的2 種酶進行1∶1 復配，這樣可增加酶化催位點，可使反應更加快速高效，因此試驗采用纖維素酶和中溫淀粉酶1∶1 復配進行酶解試驗。

2.1.2 雜糧粉溶液底物質量分數的確定

底物質量分數對谷物雜糧粉黏度的影響見圖2。

由圖2 可知，底物質量分數對谷物雜糧粉的黏度影響相對較小，且底物質量分數為5%，7.5%，10%時，谷物雜糧粉黏度相差不大，可能是因為溶液在這一區間已經趨于飽和，當底物質量分數相對過高超過10%時，出現結塊和小粉團。由于底物質量分數為5%～10%時，黏度較高，且相差較小。因此，選擇底物質量分數5%～10%進行下一步試驗篩選。

圖2 底物質量分數對谷物雜糧粉黏度的影響

2.1.3 pH 值的確定

不同pH 值對谷物雜糧粉黏度的影響見圖3。

圖3 不同pH 值對谷物雜糧粉黏度的影響

由圖3 可知，pH 值在4～7 的區間內，谷物雜糧粉溶液的黏度值隨pH 值的增大而上升，在pH 值為7 時達到最大，當pH 值大于7 時，谷物雜糧粉水解液黏度呈下降趨勢。參考丁錚等人[22]生物酶對高黏度壓裂返排液破膠處理的研究，酶制劑需在一定pH 值范圍內保持其活性，pH 值對谷物雜糧粉的組織狀態和凝乳狀態均有重要影響，且因為雜糧粉和酶制劑中均有蛋白質存在，而溶液的pH 值不僅是淀粉糊化和酶活的重要影響因素，還直接影響蛋白質的構象，谷物雜糧粉黏度隨pH 值增大而增大，當溶液趨于堿性時，谷物雜糧粉黏度略有降低，結合數據分析，選擇pH 值為6～8 進行下一步試驗篩選。

2.1.4 酶解溫度的確定

酶解溫度對谷物雜糧粉黏度的影響見圖4。

由圖4 可知，谷物雜糧粉水解液黏度在40～50 ℃隨溫度上升而增大，在50～60 ℃呈下降趨勢。溫度對谷物雜糧粉黏度的影響，主要來自于溫度對酶制劑的水解過程產生的影響，而溫度也是淀粉糊化的另一個重要影響因素[23]。試驗所用纖維素酶和中溫淀粉酶最適溫度范圍均為40～60 ℃，在50 ℃達到了黏度最高值。因此，試驗選擇酶解溫度為45～55 ℃進行下一步篩選。

圖4 酶解溫度對谷物雜糧粉黏度的影響

2.1.5 酶解時間的確定

酶解時間對谷物雜糧粉黏度的影響見圖5。

圖5 酶解時間對谷物雜糧粉黏度的影響

由圖5 可知，谷物雜糧粉水解液黏度在水解30 ～90 min 隨酶解過程而增大，在90～120 min 黏度呈下降趨勢。時間長短決定著酶對谷物雜糧粉作用效果，酶解時間過短可能會使酶解進行不完全；時間過長，酶解過度反而導致雜糧粉黏度下降，水解90 min 時黏度最高。因此，選擇酶解時間為60～120 min 進行下一步試驗篩選。

2.2 正交試驗結果分析

選擇底物質量分數、pH 值、溫度、時間進行四因素三水平L9（34）正交試驗，篩選谷物雜糧粉的最佳工藝條件，以谷物雜糧粉的黏度作為主要參考指標。

正交試驗結果見表2。

表2 正交試驗結果

采用直觀分析方法，對正交試驗中各因素的K值及R 值的大小進行比較。由表中極差值R 可知，RC＞RB＞RD＞RA，對谷物雜糧粉水解液黏度影響最大的為酶解溫度，其次是酶解反應pH 值，而后是酶解反應時間，影響最小的是谷物雜糧粉底物質量分數。其最優水平為A1B1C2D2，即底物質量分數為5%，溶液pH 值為6，加熱溫度為50 ℃，加熱時間為90 min，與表中的最大黏度值試驗組A1B2C2D2，即底物質量分數為5%，溶液pH 值為7，加熱溫度為50 ℃，加熱時間為90 min 不符，因此要進行驗證試驗。

驗證試驗結果見表3，方差分析見表4。

表3 驗證試驗結果

表4 方差分析

由表3、表4 可知，由于組合A1B2C2D2和組合A1B1C2D2所得的黏度值結果接近，經方差分析二者結果差異不顯著，考慮谷物雜糧粉口感，pH 值為6 可能不符合大眾口味。故選擇A1B2C2D2為最佳組合，即底物質量分數為5%，溶液pH 值為7，加熱溫度為50 ℃，加熱時間為90 min 為谷物雜糧粉最佳酶解工藝配方，此時得出谷物雜糧粉水解液黏度最佳。

3 結論

通過試驗得知纖維素酶和中溫淀粉酶可明顯改善谷物雜糧粉的黏度。谷物雜糧粉溶液黏度的改善主要是通過淀粉糊化和蛋白質結構的變化實現，不同的酶解條件對谷物雜糧粉溶液的黏度影響明顯，通過試驗得到的谷物雜糧粉最佳酶解工藝為底物質量分數5%，纖維素酶和中溫淀粉酶配比為1∶1，pH 值為7，酶解溫度為50 ℃，酶解時間為90 min，此時谷物雜糧粉水解液的黏度有較大改善。