馬鈴薯淀粉制備高果糖漿工藝優化及品質評價

張 敏，馬 添，彭彰文，葉爾木哈買提·塔木，余兆碩，麻成金，2

（1.吉首大學植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南吉首416000；2.吉首大學食品科學研究所，湖南吉首416000）

馬鈴薯淀粉制備高果糖漿工藝優化及品質評價

張 敏1，馬 添1，彭彰文1，葉爾木哈買提·塔木1，余兆碩1，*麻成金1，2

（1.吉首大學植物資源保護與利用湖南省高校重點實驗室，湖南吉首416000；2.吉首大學食品科學研究所，湖南吉首416000）

以馬鈴薯淀粉為原料，研究馬鈴薯淀粉制備高果糖漿工藝關鍵技術。采用單因素試驗結合正交試驗優化設計多酶體系下馬鈴薯淀粉水解后的糖化液，得其DE值高達96.32%；結合響應面中心組合試驗（CCD）對精制后的糖化液進行果糖異構化工藝優化處理，優化參數為異構酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，異構溫度74℃，異構時間40 h；且異構化所得果糖含量的實測值為37.51%，與理論值的相對誤差為1.49%，差異不顯著。精制所得的高果糖漿甜味柔和，接近F42型高果糖漿產品要求。

馬鈴薯淀粉；多酶體系；淀粉水解；葡萄糖異構化

高果糖漿（High-fructose syrup）口感純正、吸濕與保潮性好，是高甜度的淀粉糖，可以補充蔗糖供應量的不足，供糖尿病患者食用。高果糖漿因其具有以上獨特的性能，被消費者所喜愛，已在食品飲料、糖果、日常生活中廣泛應用[1]。據有關研究顯示，葡萄糖作為制備高果糖漿的主要原料，可由淀粉轉化；馬鈴薯的塊莖淀粉含量豐富且產量大，是一種營養成分較全面的食物資源，因此可利用馬鈴薯淀粉來制備高果糖漿。

目前，高果糖漿的生產原料多以玉米淀粉為主，也有以碎米、小麥粗淀粉[2-3]為原料利用葡萄糖異構酶生產高果糖漿的報道，而以馬鈴薯淀粉為原料的研究報道則較少。同時，當前國內外對馬鈴薯淀粉加工的報道主要集中在馬鈴薯淀粉的提取[4]和馬鈴薯淀粉改性研究領域[5]，因此以馬鈴薯淀粉為原料來開發高果糖漿具有創新性，有利于提高馬鈴薯的附加價值，推動馬鈴薯深加工行業的發展，對我國農產品加工發展具有深刻意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯淀粉，吉首市農貿市場所售，經測定淀粉含量達90.94%左右；中溫α-淀粉酶（30 000 U/g），江蘇銳陽生物有限公司提供；復合糖化酶（糖化酶與普魯蘭酶復配，10×104U/g，500 U/g），福大百特生物科技有限公司提供；葡萄糖異構酶（實測2 893 U/g）浙江綠州生物有限公司提供；葡萄糖、果糖、檸檬酸等，均為市售食用級，符合國家食品衛生標準和食品添加劑標準；氫氧化鈉、碳酸氫鈉、亞硫酸鈉、磷酸氫二鈉、十二水合磷酸二氫鈉、七水合硫酸鎂、七水合硫酸鈷、半胱氨酸鹽酸鹽、咔唑、無水乙醇、濃硫酸，均為分析純。

1.2 儀器與設備

HH-2型數顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司產品；WYT型手持糖度計，成都光學廠產品；FA2004型電子天平，上海舜宇恒平科學儀器有限公司產品；RE-85Z型旋轉蒸發器，上海青浦滬西儀器廠產品；UV-2450型紫外-可見分光光度計，島津企業管理有限公司產品；DDSJ-308A型電導率儀、精密pH計，上海精密儀器儀表有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 馬鈴薯預處理

將洗凈去皮的馬鈴薯進行切分后粉碎，冰箱保存備用。

1.3.2 工藝流程

馬鈴薯淀粉→調漿、護色→糊化→淀粉水解→活性炭脫色→抽濾→離子交換→初濃縮→異構化→脫色離子交換→再濃縮→馬鈴薯淀粉高果糖漿成品。

1.3.3 操作要點及工藝優化

（1）馬鈴薯淀粉多酶協同水解。在體系中加入0.1%無水氯化鈣、中溫α-淀粉酶與糖化酶，水解過程中通過調節不同因素間作用來調節水解效果。在多酶體系中，前期淀粉液化程度過高或過低都不適合后續的糖化過程，不利于糖化酶與底物生成絡合結構，影響催化效率[6]。而其體系協同作用本質，即中溫α-淀粉酶為糖化酶不斷提供新的非還原末端，提高了糖化酶的底物濃度，同時糖化酶不斷消耗中溫α-淀粉酶的產物，因此雙酶酶解體系對淀粉水解效率明顯優于單酶體系[7]。

（2）糖化液精制。用真空泵對水解液抽濾3遍，除去可見的不溶雜質。將糖化液連續2遍通過D311型大孔丙烯酸系弱堿性陰離子交換樹脂和701型強酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂串聯的樹脂組柱，以除去糖液中的灰分、有機雜質和有色物質等雜質。測定精制后的DE值。

（3）糖化液異構化。在精制除雜后的糖化液中通過添加葡萄糖異構酶，使其中一部分葡萄糖轉化為果糖，由于葡萄糖異構為果糖是可逆反應，當異構反應達到平衡時，果糖和葡萄糖含量最高可達1∶1。

1.3.4 優化馬鈴薯淀粉水解工藝條件參數

利用多酶體系水解相較于單酶體系效率更高的優點，對馬鈴薯淀粉水解工藝條件參數進行優化。在單因素試驗中，以酶量比例（中溫α-淀粉酶與復合糖化酶之比）、水解時間、水解溫度、水解pH值為考查因子，以DE值為評價指標進行L9（34）正交試驗，確定最佳工藝條件。

1.3.5 異構化單因素試驗

以果糖含量（占干物質）作為異構化效果評價指標，在其他條件相同的情況下，分別以異構酶用量（0，2，4，6，8 mg/g）、溶液pH值（6.5，7.0，7.5，8.0，8.5）、異構溫度（55，60，65，70，75℃），異構時間（30，35，40，45，50 h）為考查因素，對精制后的糖化液進行單因素試驗。每個試驗重復2次，取其平均值。初始試驗條件為異構酶用量4 mg/g，溶液pH值7.5，異構溫度65℃，異構時間40 h。

1.3.6 優化試驗

在單因素試驗中，以果糖含量為異構化效果評價指標，以異構酶用量、溶液pH值、異構溫度為考查因素進行響應面中心組合試驗（CCD），以得到較優參數。

1.3.7 馬鈴薯果葡糖漿品質評價

對所制作的成品進行品質評價，根據GB/T 20882—2007（果葡糖漿）所要求相關指標分別進行感官評價和理化指標的測定，并根據其所規定的要求分析成品是否達標，以此研究其市場推廣價值。

1.3.8 測定方法

干物質，采用折光法測定；果糖含量（占干物質），采用半胱氨酸-咔唑法測定；pH值，采用pH計測定；色度（RBU），采用分光光度計法；透射比；分光光度計法測定；不溶性顆粒物（mg/kg），采用抽濾法測定。

淀粉水解液中葡萄糖含量，采用DNS法測定（標準曲線：Y=1.087 1X+0.014 4，R2=0.999 3）；DE值，按照糖液中還原糖（以葡萄糖計）占干物質百分率的方法測定，計算公式為：

2 結果與分析

2.1 優化糖化液的水解工藝參數

在單因素試驗基礎上，經正交試驗得出優化后的參數為水解溫度70℃，水解pH值4.5，酶量比例80∶120，水解時間24 h。在此優化工藝條件下進行3次驗證試驗，馬鈴薯淀粉水解轉化率DE值平均值高達96.32%。

2.2 單因素試驗

2.2.1 異構酶用量對異構化效果的影響

異構酶用量對異構化效果的影響見圖1。

由圖1可知，隨著異構酶用量加大，果糖含量增加趨勢明顯。當異構酶用量為8 mg/g時，達到果糖含量最高值；而當異構酶用量超過8 mg/g后，果糖含量反而降低，這可能是因為異構酶用量趨于飽和，異構酶用量的增加量對其影響減弱。綜合考慮，選擇異構酶用量6 mg/g作為優選因素。

2.2.2 溶液pH值對異構化效果的影響

溶液pH值對異構化效果的影響見圖2。

圖1 異構酶用量對異構化效果的影響

圖2 溶液pH值對異構化效果的影響

由圖2可知，在溶液pH值為7.5時，果糖含量達到最高；之后果糖含量隨溶液pH值上升而下降；但溶液pH值大于8.0后，果糖含量下降不明顯。這可能是由于在堿性條件下，葡萄糖烯醇化反應的進行彌補了異構酶活力下降的異構效果。綜合考慮，溶液pH值7.5時，該因素條件最佳。

2.2.3 異構溫度對異構化效果的影響

異構溫度對異構化效果的影響見圖3。

圖3 異構溫度對異構化效果的影響

由圖3可知，當異構溫度為70℃時，果糖含量達到最高；超過70℃后，果糖含量降低。因為異構溫度過高會影響異構酶的活性，所以應該考慮最適異構溫度，以防對異構酶產生抑制作用又不符合經濟要求。

2.2.4 異構時間對異構化效果的影響

異構時間對異構化效果的影響見圖4。

由圖4可知，隨著異構時間的增加，異構化效果越來越好。這是由于異構時間越長，異構反應越趨近于葡萄糖與果糖1∶1的平衡態，且葡萄糖異構酶為專一性酶，其反應不可逆。當異構44 h時，果糖含量最高。當異構時間為40 h和44 h時，果糖含量差別并不大，為了效率方面問題，決定以40 h為異構時間標準，將不進行響應面因素考慮。

2.3 葡萄糖異構化優化試驗

2.3.1 響應面法優化試驗結果與分析

綜合以上單因素試驗結果，以果糖含量Y為響應值，異構酶用量（A）、溶液pH值（B）、異構溫度（C）為自變量，進行中心組合試驗及響應面分析。

中心組合試驗因素與水平設計見表1，中心組合響應面試驗設計及試驗結果見表2。

圖4 異構時間對異構化效果的影響

表1 中心組合試驗因素與水平設計

表2 中心組合響應面試驗設計及試驗結果

對表2中試驗數據進行多元回歸擬合，得二次多元回歸模型方程為：

2.3.2 優化工藝模型方差分析及其顯著性檢驗

模型方差分析結果見表3。

表3 模型方差分析結果

由表3可知，該模型極顯著（p＜0.000 1），相關系數R2=0.970 6，模型調整確定系數R2Adj=0.944 2；失擬項不顯著（p＞0.05），說明試驗所得二次回歸方程高度顯著，該模型對試驗數據能進行較好的擬合，能很好地對響應值進行預測。試驗因子對果糖含量的影響順序可為溶液pH值（B）＞異構溫度（C）＞異構酶用量（A）。舍棄不顯著的試驗因子，擬合公式可簡化為：

2.3.3 響應曲面分析和參數優化

利用軟件Design Expert 8.0.6對果糖含量影響較顯著的3個交互因子進行三維響應面分析，響應曲面的陡度及等高線與坐標軸交點個數能在一定程度上反映試驗因子對響應值的影響大小。

A，B因素交互作用的響應面及等高線見圖5。

由圖5可知，異構酶用量與溶液pH值交互作用顯著，在異構酶用量一定時，果糖含量隨溶液pH值的增加而先增加后減少；在異構酶用量不斷增加時，果糖含量增加較多；當異構酶用量過多且溶液pH值過大時，果糖含量反而降低。

A，C因素交互作用的響應面及等高線見圖6。

由圖6可知，隨異構溫度和異構酶用量的增加，果糖含量呈現先明顯增大、后緩慢下降的趨勢。

B，C因素交互作用的響應面及等高線見圖7。

由圖7可知，溶液pH值與異構溫度交互作用極顯著，在溶液pH值一定時，果糖含量隨異構溫度的增加而緩慢增加后減少；當異構溫度一定時也是如此。

通過Design Expert 8.0.6軟件響應面優化得最佳工藝為異構酶用量6.53 mg/g，溶液pH值7.23，異構溫度74.44℃，異構時間40 h。實際操作時可將工藝參數調整為異構酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，異構溫度74℃，異構時間40 h。

為檢驗響應面法的可靠性，采用上述異構優化參數，開展3組平行驗證試驗，異構化所得果糖含量的實測值為37.51%±0.76%。理論值36.95%與實測值的相對誤差為1.49%，通過t檢驗（p=0.95，f=2）差異不顯著。因此，采用響應面法優化的葡萄糖異構化條件的參數準確可靠，具有實用價值。

圖5 A，B因素交互作用的響應面及等高線

圖6 A，C因素交互作用的響應面及等高線

圖7 B，C因素交互作用的響應面及等高線

2.4 馬鈴薯淀粉高果糖漿品質評價

2.4.1 感官指標測定

所得糖漿為無色或淺黃色、透明黏稠液體，甜味柔和，具有高果糖漿特有的香氣，無異味，無正常視力可見雜質。

2.4.2 理化指標測定

馬鈴薯淀粉高果糖漿理化指標測定見表4。

表4 馬鈴薯淀粉高果糖漿理化指標測定

2.4.3 綜合評價

以馬鈴薯淀粉為原料，優化工藝所得到的果糖漿較為接近F42型高果糖漿產品要求。

3 結論

在前期對馬鈴薯水解優化處理進行分析后可以得出：在多酶體系下，水解馬鈴薯淀粉效果顯著；在此設計多酶體系情況下的優化水解參數為水解溫度70℃，水解pH值4.5，酶量比例80∶120，水解時間24 h；其馬鈴薯淀粉水解轉化率DE平均值高達96.32%。

通過對馬鈴薯淀粉進行響應面設計優化葡萄糖異構化工藝，得到葡萄糖異構參數為異構酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，異構溫度74℃，異構時間40 h，最終得到果糖含量為37.51%的高果糖漿高品質成品，但成品的果糖含量尚未達到F42型高果糖漿產品要求，這可能是與葡萄糖異構酶活力有關，還需進一步使用酶活更高的葡萄糖異構酶，開展提高果糖含量的相關研究，為后續果糖分離、研發結晶果糖工藝打下基礎。

[1]楊亞倫，郭燕枝，孫君茂.我國馬鈴薯產業發展現狀及未來展望[J].中國農業科技導報，2017，19（1）：29-36.

[2]吳瑤，曹龍奎.碎米淀粉制備果葡糖漿工藝優化[J].農產品加工（學刊），2013（7）：31-35.

[3]亢潘潘，胡秋林.響應曲面法優化小麥淀粉制備麥芽糖漿糖化工藝的研究[J].武漢工業學院學報，2012，31（2）：6-9.

[4]王大為，劉鴻鋮，宋春春.超聲波輔助提取馬鈴薯淀粉及其特性的分析[J].食品科學，2013，34（16）：17-22.

[5]劉文娟，何紹凱，曹余，等.馬鈴薯淀粉及其7種變性淀粉糊液特性的比較研究[J].中國食品添加劑，2015，12（6）：60-64.

[6]黃群，肖文軍，孫術國，等.α-淀粉酶和糖化酶協同酶解葛根淀粉動力學研究[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2011，39（7）：147-152.

[7]李玉芹，袁正求，馮岳，等.α-淀粉酶和糖化酶協同酶解馬鈴薯淀粉的工藝條件優化[J].食品科學，2012，33（21）：187-191.◇

Preparation Optimization and Quality Evaluation of High Fructose Syrup from Potato Starch

ZHANG Min1，MA Tian1，PENG Zhangwen1，Ye-Ermuhamaiti·TAMU1，YU Zhaoshuo1，*MA Chengjin1，2
（1.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization，College of Hu'nan Province，Jishou Univerusity，Jishou，Hu'nan 416000，China；2.Institute of Food Science，Jishou University，Jishou，Hu'nan 416000，China）

The research on the key points of preparation for high fructose syrup from the potato starch is studied.By single factor tests combine with orthogonal experiment optimization design，the best process parameters of the potato starch hydrolysis is explored under the multienzyme system，and the DE value of this saccharification liquid reaches 96.32%.Under this condition，the glucose isomerization is optimized by CCD based the single factor test.Optimization parameters are as follows：glucose isomerase dosage of 6.5 mg/g，reacting pH 7.5，reacting temperature 74℃，heterogeneous time 40 h.And the isomerization of the fructose content measured values is 37.51%，with the theoretical value of relative error is 1.49%and non-significant difference.The high fructose syrup is light yellow，sweet taste with a unique aroma and nearly met the of requirements of high fructose syrup F42 product.

potato starch；multienzyme system；amylolysis；glucose isomerization

TS236.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.035

1671-9646（2017）05b-0025-05

2017-04-28

吉首大學食品與生物類專業大學生創新訓練中心資助項目（JDCX2015-03）。

張敏（1996—），女，在讀本科，研究方向為食物資源研究與利用。

*通訊作者：麻成金（1963—），男，碩士，教授，研究方向為食物資源研究與利用。