酶法降解魔芋葡甘聚糖工藝研究

唐曉東，孫瑩瑩，李 瑜，馬 俊，高海娜，成 群

（安康市農業科學研究所，陜西安康 725000）

0 引言

魔芋主要活性成分是葡甘聚糖，占干質量的50%～60%，由葡萄糖和甘露糖結合構成，分子量達20 萬～ 200 萬，黏度達6 000～22 000 mPa·s。是優質膳食纖維，為人體第七大營養素。魔芋的黏結性使其被廣泛應用于凝精粉食品當中[1]，而隨著食品工業科技的發展，需要擴大在糧食加工品、方便食品、飲料、餅干等各類產品中的應用，然而魔芋的高黏度特性便成為影響產品生產和產品品質的一個不利因素。張迎慶等人[2]研究了纖維素酶對葡甘聚糖進行酶法降解形成魔芋葡甘低聚糖的工藝條件，發現纖維素酶能較好地對葡甘聚糖起到降解作用。陶興無等人[3]采用β -葡聚糖酶魔芋葡甘聚糖進行降解，并通過控制水解時間和降解產物的分子量范圍，得到了預期分子量范圍的魔芋葡甘低聚糖[4-10]。研究旨在解決魔芋精粉在糧食加工品、方便食品、飲料、餅干等各類產品中的黏度高、口感差、不易加工等關鍵性技術難題，一方面擴大魔芋產品的類型，豐富魔芋食品的市場，提高魔芋的附加值；另一方面提高魔芋葡甘聚糖在食品中的含量，使其發揮更大的保健功效。

1 試驗材料

1.1 原料與試劑

魔芋精粉，湖北美力集團提供；工業酒精，無水乙醇（分析純），纖維素酶，β -葡聚糖酶、甘露糖酶（酶活大于15 000 U/g）。

1.2 設備儀器

J-20 型超級恒溫水浴、JJ-1 型電動攪拌器、過濾器（100 目）、ZK-82A 型真空干燥箱、NDJ-1 型數字黏度計、離心機等。

2 試驗方法

2.1 不同種類酶對魔芋葡甘聚糖降解的影響

準備8 個燒杯，分別量取500 mL 超純水，置于磁力攪拌器上，稱取5 g 魔芋精粉，倒入燒杯中，邊加邊攪拌，5 min 后取下，用數字黏度計測定其黏度值后，再按照0.2%（W/V）的量分別加入不同種類的酶，繼續于磁力攪拌器上攪拌30 min 后取下，用數字黏度計分別測定黏度值，同時準備一組不加酶的作為空白對照。

2.2 單因素試驗設計

2.2.1 不同魔芋精粉質量濃度對魔芋葡甘聚糖降解的影響

在魔芋精粉質量濃度為5，10，15，20，25 g/L，酶添加量為2%，攪拌時間30 min，反應溫度為35 ℃，研究魔芋精粉質量濃度對魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.2 不同酶添加量對魔芋葡甘聚糖黏度的影響

在魔芋精粉質量濃度為10 g/L，酶添加量為2%，4%，6%，8%，10%，攪拌時間30 min，反應溫度為35 ℃，研究酶添加量對魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.3 不同攪拌時間對魔芋葡甘聚糖黏度的影響

魔芋精粉質量濃度為10 g/L，酶添加量為2%，攪拌時間為20，30，40，50，60 min，反應溫度為35 ℃，研究攪拌時間對魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.4 不同反應溫度對魔芋葡甘聚糖黏度的影響

魔芋精粉質量濃度為10 g/L，酶添加量為2%，反應溫度為20，25，30，35，40 ℃，攪拌時間為30 min，研究反應溫度對魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.5 正交試驗優化設計

通過對單因素試驗結果的分析，綜合考慮各因素對于試驗結果的影響，選取其中對于試驗結果影響較大的因素進行進一步的研究。選用三因素三水平的響應面分析的方法對魔芋葡甘低聚糖的制備工藝進行優化，使用軟件進行數據的分析。

2.3 降解物的分離提純

向酶解液中加入酶解液2 倍量的95%乙醇，開動電動攪拌器反復攪拌洗滌，有白色沉淀生成。以轉速4 000 r/min 離心15 min，過濾去除雜質（蛋白質、脂類、寡糖等）并脫水干燥，取濾渣于80 ℃真空干燥，即得魔芋葡甘低聚糖。

3 結果與分析

3.1 不同種類酶對魔芋葡甘聚糖降解的影響

通過對同一質量濃度的魔芋精粉溶液添加纖維素酶、β -葡聚糖酶、甘露糖酶、纖維素酶+β -葡聚糖酶（1∶1）、纖維素酶+甘露糖酶（1∶1）、β -葡聚糖酶+甘露糖酶（1∶1）、纖維素酶+β -葡聚糖酶+甘露糖酶（1∶1∶1），考查不同的單一酶和復合酶對精粉黏度降解的影響。

不同種類酶作用下的酶解液黏度見圖1。

圖1 不同種類酶作用下的酶解液黏度

由圖1 可知，質量濃度為10 g/L 的魔芋精粉的黏度可達7 000 mPa·s 以上，在不同酶的作用下水解0.5 h，黏度均會不同程度地降低，其中β -葡聚糖酶的作用效果最強，黏度可降至630 mPa·s，酶解液的黏度降低幅度達到90%以上，甘露糖酶的作用最弱，酶解液的黏度降低幅度達到60%左右。而對照（不加酶）組的溶液黏度基本不變，說明純化后的魔芋精粉（純化粉）原料中基本沒有天然水解酶活性。

3.2 不同酶添加量對精粉黏度降解的影響

通過對同一質量濃度的魔芋精粉溶液添加不同酶添加量，考查酶添加量對精粉黏度降解的影響。

酶添加量對魔芋精粉黏度降解的影響見圖2。

圖2 酶添加量對魔芋精粉黏度降解的影響

由圖2 可知，在相同條件下，同一底物質量濃度的魔芋精粉溶液，黏度相同；魔芋精粉的黏度隨著酶添加量的增加而降低。

3.3 不同魔芋精粉質量濃度對精粉黏度降解的影響

通過對不同質量濃度的魔芋精粉溶液添加相同酶量，考查底物質量濃度對精粉黏度降解的影響。

魔芋精粉質量濃度對精粉黏度降解的影響見圖3。

由圖3 可知，魔芋精粉的黏度隨著底物質量濃度的增大而升高，魔芋精粉黏度降低程度隨著底物質量濃度增大而增強。

圖3 魔芋精粉質量濃度對精粉黏度降解的影響

3.4 不同反應溫度對精粉黏度降解的影響

通過在同一質量濃度的魔芋精粉溶液添加相同酶量，測定不同溫度下酶解后魔芋膠的黏度，考查反應溫度對精粉黏度降解的影響。

反應溫度對魔芋精粉黏度降解的影響見圖4。

圖4 反應溫度對魔芋精粉黏度降解的影響

魔芋精粉的黏度隨著反應溫度的升高而降低，且溫度越高，黏度降低程度越大，在反應溫度為35 ℃時為最佳。

3.5 不同攪拌時間對精粉黏度降解的影響

通過在同一質量濃度的魔芋精粉溶液添加相同酶量，測定不同攪拌時間下酶解后魔芋膠的黏度，考查攪拌時間對精粉黏度降解的影響。

攪拌時間對精粉黏度降解的影響見圖5。

圖5 攪拌時間對精粉黏度降解的影響

由圖5 可知，魔芋精粉的黏度降解程度隨著攪拌時間的延長而增大。

3.6 降解物的分離提純

將酶解液經過提取、醇沉、干燥、粉粹等一系列的工藝技術，得到的魔芋葡甘低聚糖產物。

乙醇沉淀后的降解產物見圖6。

圖6 乙醇沉淀后的降解產物

由圖6 可知，采用95%乙醇溶液對降解液進行沉淀的方法對降解產物具有一定的分離純化作用。

4 結論

通過以上試驗結果可以得出以下結論：①β -葡聚糖酶的作用最強，甘露糖酶的作用最弱；②當魔芋精粉黏度相同時，不同酶添加量進行降解后，酶添加量越高，黏度降解的越低；當魔芋精粉黏度不同而酶添加量相同時，黏度越高，降解程度越大；③魔芋精粉黏度降解過程中，底物質量濃度和添加酶量是影響魔芋精粉黏度降解程度的重要因素；④魔芋精粉中主要成分是葡甘聚糖，酶液中的葡甘聚糖酶對大分子的葡甘聚糖具有特異性的降解作用，可以將大分子的葡甘聚糖酶切成分子量較小的低聚葡甘聚糖。⑤葡甘聚糖質量濃度和酶添加量越高，酶切程度越劇烈，酶解效果越好。

目前，我國魔芋食品加工主要采用魔芋粉或精粉作為原材料，在加工過程中存在的最大問題是精粉黏度過高，一方面影響魔芋的添加量，從而導致魔芋膳食纖維的功能價值發揮不足；另一方面高黏度的魔芋精粉不僅增加了產品加工工藝的難度，還局限了魔芋精粉的適用范圍。所以，低聚葡甘聚糖的開發有望為魔芋食品工業帶來新的原料與產品類型。研究表明小分子、低黏度的葡甘聚糖能夠促進雙歧桿菌增殖，具有降血壓、降血脂、不升高血糖等生理功效，是一種重要的功能性食品的原料。因此，開發功能性葡甘聚糖不僅具有廣闊的應用價值和巨大的市場需求，而且功能性食品的大力研究和開發可以解決和改善目前我國居民的營養現狀及存在問題，提高廣大居民的健康素質。同時以小分子葡甘聚糖為原材料進行產品開發與應用，為魔芋的深加工產品開發及我國魔芋產業的發展奠定更堅實的基礎。