加酶處理對薏苡仁淀粉降解及改性的研究

鄭斌，陸烝，林忠寧，李春艷，鄧素芳，陳敏健，張麗君（福建省農業科學院農業生態研究所，福建福州350013）

加酶處理對薏苡仁淀粉降解及改性的研究

鄭斌，陸烝*，林忠寧，李春艷，鄧素芳，陳敏健，張麗君
（福建省農業科學院農業生態研究所，福建福州350013）

采用酶法對薏苡仁淀粉的降解和改性進行研究，最終確定的酶解最佳工藝條件為：復合酶（普魯蘭酶：β-淀粉酶）配比1∶2、酶解溫度60℃、酶解時間85 min、pH 6.0，此條件下水解液中的DE值為23.28%。酶解后薏米仁淀粉含量為27.63%，淀粉糊化溫度為60.1℃、淀粉熱焓值為6.27 J/g，與對照組（酶解前）相比分別降低了30.05%、5.07℃和4.62 J/g。

薏苡淀粉；酶解；改性；研究

薏苡，是禾本科玉蜀黍族薏苡屬[1]，又名薏米或薏仁米。薏苡仁的營養成分比較齊全，所含的各營養成分平均值為：蛋白質15.8%、脂肪5.49%、碳水化合物63.05%、粗纖維1.75%、灰分1.68%[2]，且含有豐富的薏苡仁酯（44.6 mg/g）、薏苡仁多糖（59.03 mg/g）、三萜類化合物（22.83 mg/g）等保健成分[3]。薏苡仁性甘味淡涼，有利水滲濕、健脾止瀉、除痹、排膿、解毒散結等功效[4]?，F代醫學研究表明薏苡仁具有抗腫瘤、增強免疫、降血糖、抗潰瘍止瀉、鎮痛消炎、治療痤瘡和扁平疣、抗重度功能性痛經等藥理作用[5]，是一種很好的營養平衡的藥食同源的經濟谷物。

雖然薏米的營養及藥用價值高，但其淀粉結構比較堅硬，結構致密，很難被糊化，食用時必須經過長時間浸泡后進行煮沸，且較難蒸煮熟，過長的蒸煮時間限制了薏米家庭直接烹飪消費或作為食品加工原料生產性應用[6-8]。研究表明[8-9]，薏米難蒸熟的原因是由高淀粉初始糊化溫度和熱焓值、高蛋白質含量、低淀粉和水分含量、顆粒大等因素綜合下引起，其中薏米淀粉熱焓值較高是最主要影響因素，薏米淀粉熱焓值與其支鏈淀粉的外部結構結晶體有關。

本研究擬從淀粉酶解的角度，采用復合酶（普魯蘭酶與β-淀粉酶）將薏米仁中的直鏈淀粉和支鏈淀粉的外側支鏈部分降解為小分子的二糖（麥芽糖）和糊精等，使得薏米仁容易糊化，從而改善薏米顆?？臻g結構以縮短薏米的蒸煮時間，并抑制其回生。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

薏米：產自福建省福州市北峰基地，選用顆粒飽滿，無發黃霉變的薏米，中藥材專用粉碎機中粉碎后過40目篩，備用。

普魯蘭酶（酶活力3 000 U/g）、β-淀粉酶（中溫，酶活力10 000 U/g）：購于寧夏和氏璧生物技術有限公司。

DHG-9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司；800B臺式低速離心機：上海菲恰爾分析儀器有限公司；BS124S電子天平：北京賽多利斯儀器系統有限公司；DG120型中藥材粉碎機：浙江省瑞安市正達藥材器械廠；DK-98-1型水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；BCD-208K/ANCJN海爾家用電冰箱：青島海爾股份有限公司；722型分光光度計：上海菁華科技儀器有限公司；pH計。

1.2方法

1.2.1工藝流程

薏米仁→粉碎→過篩→調節固液比[1∶10（g/mL）]→預熱→調節pH→酶解→滅酶→冷卻→離心→沉淀烘干

1.2.2測定及分析方法

1.2.2.1薏苡仁主要成分和理化性質的測定方法

總淀粉測定：酸水解法[10]；支鏈淀粉和直鏈淀粉的測定：雙波長分光光度法[11]；糊化度的測定[12-13]：參考方奇林等的方法；淀粉熱焓值等熱力學性質參數測定[14]：用差示掃描儀（DSC）法測定。

1.2.2.2水解液相關指標的測定方法

還原糖（以葡萄糖計）測定：DNS法[15]；溶液相對密度：密度計法；DE值：即葡萄糖當量值[16]，是還原糖（以葡萄糖計）占溶液中干物質的百分比，計算公式如下：

1.2.3試驗設計

1）酶種的選擇：選用普魯蘭酶、β-淀粉酶以及普魯蘭酶與β-淀粉酶復合酶（按1∶1比例組合）進行酶解試驗，通過比較相同作用條件下酶解液的DE值，選出最佳的酶種組合，然后進行單因素試驗。

2）復合酶的單因素試驗：以酶解液的DE值作為酶解效果的指標，對復合淀粉酶的不同配比、不同酶解時間、不同酶解溫度及不同pH條件做單因素試驗，分別確定最佳的試驗條件。

3）正交試驗：選用復合淀粉酶（普魯蘭酶：β-淀粉酶）配比、酶解時間、酶解溫度及pH作為試驗因素，因素和水平的設計見表1。

表1　L16（45）試驗因素和水平Table 1　Factors and levels of L16（45）orthogonaltest

選取L16（45）正交表探討復合酶最佳的酶解工藝條件，以酶解液的DE值作為酶解效果的指標。

2　結果與分析

2.1試驗用酶及其用量的選擇

本項目采用兩種單一酶（即普魯蘭酶、β-淀粉酶），以及將它們按1∶1比例組合，制成3組不同的淀粉酶作為試驗用酶。取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，在恒溫55℃、pH為6.0條件下對薏苡淀粉進行80 min的酶解試驗，結果如圖1所示。

圖1　不同淀粉酶組合對薏苡淀粉水解液DE值的影響Fig.1　The effectof different enzyme systerm on DE of adlay starch liquefaction

從圖1可以看出：復合酶水解效果強于單一酶；隨著淀粉酶用量的增加，酶解液的DE值都呈現逐步遞增的趨勢，當酶用量在2.0%～2.5%之間時，增加酶的用量對酶解液中DE值無明顯影響。理論上，在一定條件下，酶反應速度與酶濃度成正比。因為酶進行反應時，首先要與底物形成中間產物，即酶底物復合物。當底物濃度大大超過酶濃度時，反應達到最大速度，此時增加酶濃度，可增加反應速度，酶反應速度與酶濃度成正比關系。當酶濃度達到一定值，速度就不再增加，這可能原因隨著酶用量的增大，一部分酶分子沒有機會和底物接觸，致使水解液的DE值基本不再變化?？紤]到成本因素，試驗選擇2.0%為復合蛋白酶用量的較優值。

2.2不同配比的復合酶對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復合淀粉酶，設定反應溫度55℃、pH為6.0、酶解時間80min，改變改變復合酶配比（普魯蘭酶∶β-淀粉酶）按1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1進行復合淀粉酶配比的單因素試驗，計算酶解液的DE值，確定出復合淀粉酶作用薏苡淀粉酶解的最佳配比。試驗結果見圖2。

圖2　不同淀粉酶配比對DE值的影響Fig.2　The effect of differentratio ofamylase on DE of adlay starch liquefaction

由圖2可知，復合淀粉酶在普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶2的酶解條件下酶解效果最好，酶解后DE值為20.92%。因此，普魯蘭酶與β-淀粉酶的復合配比選擇在1∶2左右的范圍內較好。

2.3溫度對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶1），設定pH為6.0，酶解反應時間80 min，分別在50、55、60、65、70、75℃進行復合淀粉酶配比的單因素試驗，計算酶解液的DE值，確定出薏苡淀粉酶解的最佳酶解溫度。試驗結果見圖3。

圖3　酶解溫度對DE值的影響Fig.3　The effect of variou temperatures on DE of adlay starch liquefaction

由圖3可知，水解液DE值隨著溫度的升高先增大后降低，溫度為60℃時DE值最大，達到19.98%。液化溫度同時影響化學反應速率和酶的活性，當溫度小于60℃時，隨著溫度的升高，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60℃時，隨著溫度的繼續升高，淀粉酶變性失活，液化反應速率迅速下降。因此，淀粉酶解較優溫度范圍在55℃～60℃。

溫度對酶解的影響有兩個方面，一方面溫度提高可使反應速度加快，另一方面隨著溫度的提高，酶失活速度也開始加快。這兩方面的綜合影響導致酶解反應存在著最適溫度，偏離最適值會降低酶解效果。在最適溫度前，隨著溫度的升高，酶反應速度加快，因為加熱使淀粉糊化，使原來結晶的淀粉顆粒溶脹伸展，使卷曲結構內部的糖苷鍵充分暴露出來，活性位點增多，更易于淀粉酶的作用。而最適溫度后，由于溫度較高，部分酶結構開始松散無序，活性中心逐漸喪失，酶活性降低，酶解效果減弱。

2.4酶解時間對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶1），設定pH為6.0，酶解溫度55℃，分別在經過20、40、60、80、100 min的酶解，進行酶解時間的單因素試驗，計算酶解液的DE值，確定出薏苡淀粉酶解的最佳酶解時間。試驗結果見圖4。

圖4　酶解時間對DE值的影響Fig.4　The effect ofvarious time intervalon DE ofadlay starch liquefaction

由圖4知，隨著酶解時間的延長，酶解液的DE值增加，在80 min以前，增長迅速，在80 min之后酶解液的DE值的趨于平緩。原因可能是隨著時間的延長，底物濃度降低，酶活力下降所致。淀粉的液化分兩個階段，開始時淀粉酶首先使直鏈淀粉快速降解，產生寡糖，使溶液黏度快速下降；然后作用于支鏈淀粉產生麥芽糖和限制糊精，同時使寡糖緩慢水解成葡萄糖和麥芽糖，從而使淀粉液化。后一階段反應速率比前一階段要慢得多，這可能是導致液化80 min后DE值趨于穩定的主要原因。另外，不斷積累的酶解產物也會抑制酶的活性，使水解逐漸變慢。為了節約時間以提高效率，確定液化時間為80 min左右。

2.5pH對酶解效果的影響

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶1），設定酶解溫度55℃，酶解時間80 min，分別在pH為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0條件下，進行pH的單因素試驗，計算酶解液的DE值，確定出薏苡淀粉酶解的最佳pH。試驗結果見圖5。

由圖5知，pH在5.5～6.0時，酶解液的DE值較高，說明薏苡淀粉酶解的程度較大，但是隨著pH的進一步增大，酶解液的DE值迅速下降，說明中堿性環境不利于復合淀粉酶的進一步酶解。即復合淀粉酶的較好的酶解pH范圍為5.5～6.0。

圖5　pH對DE值的影響Fig.5　The effectof pH value on DE ofadlay starch liquefaction

2.6酶解工藝參數優化

在單因素試驗的基礎上，選用酶解時間、酶解溫度、復合酶配比、pH作為4個因素，以酶解后的DE值為指標進行L16（45）正交試驗，優化酶解工藝參數。正交試驗結果如表2、表3所示。

表2　復合淀粉酶最佳酶解條件正交試驗結果Table 2　Orthogonaldesign and results of adlay starch enzymatic

表3　復合淀粉酶最佳酶解條件方差分析結果Table 3　The variance analysis ofthe moisture content ofadlay starch enzymatic

根據正交試驗結果表2和表3，比較各列的極差結果R值，可以發現RA>RB>RD>RC，即在試驗所設定的因素中，A（復合酶配比）對復合酶酶解的影響最大，其次是B（酶解溫度）、D（酶解時間），C（pH）的影響最小，方差分析分析結果和顯著性檢驗表明，因素A顯著（P<0.01），因素B顯著（P<0.05），因素C和因素D不顯著（P>0.05），說明復合酶配比、酶解溫度對酶解的影響顯著，而pH和酶解時間對其影響不顯著。通過對K值的比較，可知A3、B3、C3、D3為最優水平。即酶解最佳工藝條件為A3B3C3D3，即復合酶的配比為1∶2、酶解溫度60℃、酶解時間85 min、pH為6.0。

2.7復合蛋白酶酶解最優工藝的驗證試驗

取粉碎過篩后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混勻，添加2.0%的復合淀粉酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶＝1∶2），設定酶解溫度60℃，酶解時間85 min，pH為6.0條件下進行酶解，計算酶解液的DE值，得到最優工藝組合的酶解液DE值為23.28%。

2.8酶解前后的薏苡仁淀粉等理化指標分析對比

分別測定酶解處理前后的薏苡仁淀粉的糊化溫度、淀粉熱焓值、淀粉含量、支鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量等，其結果見表4。

表4　酶解前后的薏苡仁淀粉理化指標分析對比Table 4　The change ofthe physicaland chemicalof adlay starch before and after enzymolysis

3　結論

1）通過單一酶種和復合酶種的酶解試驗對比，結果表明：復合酶水解效果強于單一酶。復合酶的添加量為2.0%。

2）通過復合酶單因素試驗，結果表明：復合酶（普魯蘭酶∶β-淀粉酶）的最佳配比為1∶2；酶解反應的最佳溫度為60℃；酶解時間以80 min左右為宜；復合淀粉酶的較好的酶解pH范圍為5.5～6.0。

3）通過正交試驗，得到薏苡淀粉酶解的最佳工藝參數為：得出A（復合酶配比）對復合酶酶解的影響最大，其次是B（酶解溫度）和D（酶解時間），C（pH）的影響最小，復合酶水解的最佳工藝條件為A3B3C3D3，即復合酶的配比為1∶2、酶解溫度60℃、酶解時間85 min、pH為6.0。在此條件下水解液中的DE值為23.28%。

4）經過酶解處理后的薏米仁淀粉的糊化溫度為60.1℃、淀粉熱焓值為6.27 J/g，與對照組（酶解前）相比分別降低了5.07℃和4.62 J/g。說明加酶處理可以脫除薏米的部分淀粉，并改變淀粉的結構和性質。

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Study on Degradation and Modification of Adlay Starch by Enzymatic

ZHENG Bin，LU Zheng*，LIN Zhong-ning，LIChun-yan，DENG Su-fang，CHEN Min-jian，ZHANG Li-jun （Agricultural Ecology Institute，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou 350013，Fujian，China）

This paper studied on degradation and modification of Adlay starch by enzymatic，the optimum parameters were：the ratio between Pullulanase andβ-amylase 1∶2，reaction temperature 60℃，enzymolysis time 85 min and enzymolysis pH 6.0.In this condition，the DE of adloy starch liquefaction was 23.28%，and content of Adlay Starch was 27.63%，the initial gelatinization temperature was 60.1℃，and starch enthalpy was 6.27 J/g，compared with the controlgroup（no enzymatic），the contentwas reduced by 30.05%，5.07℃and 4.62 J/g.

adlay starch；enzymatic；modification；study

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.004

福建省科技廳公益類科研院所基本科研專項（2014R1017-4；2014R1017-1；2014R1017-2）

鄭斌（1986—），男（漢），碩士研究生，研究方向：食品保鮮及加工。

陸烝（1975—），男（漢），高級工程師。

2015-06-08