婴幼儿营养米粉生产中辅料对酶解工艺的影响

刘梅森,林汉卿,高丽霄,张向阳,何小勇,张织芬,臧成国,黄 敏

(深圳市味奇生物科技有限公司,广东深圳 518109)

婴幼儿营养米粉生产中辅料对酶解工艺的影响

刘梅森,林汉卿,高丽霄,张向阳,何小勇,张织芬,臧成国,黄 敏

(深圳市味奇生物科技有限公司,广东深圳 518109)

为了解米粉生产中辅料对酶解工艺的影响,本文探讨了婴幼儿米粉生产中蔗糖、葡萄糖、果糖、奶粉、大豆分离蛋白粉和浓缩乳清蛋白添加量以及浆料浓度对大米淀粉酶解的影响。结果表明:糖类较蛋白类对淀粉酶解影响较大,其中葡萄糖对酶解的抑制最大,葡萄糖添加量20%时较未添加时,酶解程度降低了87.8%；奶粉、浓缩乳清蛋白和大豆分离蛋白粉对酶解影响均较小；浆料浓度的增大会抑制酶解反应,浆料浓度为45.0%时酶解程度较浓度为30.0%时降低了77.0%。鉴于辅料对酶解反应的影响,总结出一套酶解新工艺。

婴幼儿配方米粉,酶解工艺,糖类,蛋白质类,DE值

婴幼儿营养米粉作为我国传统的母乳替代品或婴幼儿的补充、辅助食品而备受关注。当前一些米粉企业为解决传统米粉冲调性能差、易结块、不利于婴幼儿进食,以及摄取辅食的婴幼儿胃肠内淀粉水解酶较少[1-2],对淀粉类食品的消化能力差等问题,开始使用淀粉酶生物酶解技术将婴幼儿营养米粉的主要成分——淀粉,由长链大分子水解成短链小分子,以提高产品的冲调性能和消化吸收率[3-8]。

为了保证产品质量的稳定性,在酶解结束后应将酶及时钝化。目前,婴幼儿营养米粉采用的酶解生产工艺中,通常采用高温酶钝化法,即升高米浆温度使酶蛋白失活。有的米粉生产厂家研究了米浆中酶的钝化时间与钝化温度的关系,结合黏度的影响,确定酶的钝化温度70℃,时间15min[5]。另一方面,高温灭酶后需要降温满足后续生产工艺的要求,频繁的升温降温操作,不仅增加了劳动强度,还增加了能耗,提高了生产成本,此外高温还会对原料中的营养素造成损失。有研究采用辊筒干燥代替升温灭酶起到钝化酶的作用[3]。

本文研究了辅料的添加和浆料浓度对酶解反应的影响,通过调整辅料添加量、添加时机和浆料的浓度抑制酶解反应,总结出一套采用合理、简单的工艺调整抑制酶解反应的方法,以满足酶解工艺米粉生产需要。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

大米 北京三安科技集团；蔗糖 广西农垦糖业集团昌菱制糖有限公司；葡萄糖 河北圣雪葡萄糖有限责任公司；果糖 山东西王糖业有限公司；奶粉 恒天然集团；浓缩乳清蛋白 美国Hilmar公司；大豆分离蛋白 南通光合生物技术有限公司；α-淀粉酶(800FΑU/g) 诺维信(中国)生物技术有限公司；β-淀粉酶(70万u/mL) 山东隆大生物工程有限公司；胰酶 Sigma公司；3,5-二硝基水杨酸 天津市光复精细化工研究所；其他化学药品均为分析纯,文中分析实验所提到水均为蒸馏水。

EMG0506-4辊筒干燥机 江苏东台市亿民食品机械厂；DF-15粉碎机 浙江大德制药有限公司；80L立式调浆罐 浙江苍南县立瓯石化设备有限公司；752-P紫外分光光度计 上海现科仪器有限公司；HHS-6S水浴锅 江苏金坛市中大仪器厂；AL104电子天平 美国西特公司；TG16-WS离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 婴幼儿谷基配方米粉生产工艺 大米→粉碎→调浆→添加辅料→酶处理→细化→辊筒干燥→成型→检验→包装

粉碎:使用粉碎机将大米粉碎,过筛得到小于80目的大米粉。

调浆:将大米粉使用一定温度调浆水调制成35%的淀粉乳。

添加辅料:将奶粉、大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白、蔗糖(先在化糖锅中溶化)或葡萄糖或果糖依次加入调浆罐中,混合均匀。

酶处理:取一定量的α-淀粉酶和β-淀粉酶,添加到淀粉乳中保温酶解40min。

细化:酶解后的混合料通过胶体磨细化,然后转移到储料罐待用。

滚筒干燥:滚筒干燥机蒸汽压强调至0.5MPa,转速3r/min。

1.2.2 DE值测定 DE值也称葡萄糖值,表示淀粉的水解程度或糖化程度。糖化液中还原性糖全部当作葡萄糖计算,占干物质的百分比称为DE值。

测定方法[9]:称取1.0g浆料于预加10mL水的试管中,沸水浴中加热3min,定容到100mL容量瓶中,称取25g于50mL离心管中,10000r/min离心10min,取上清液2mL,置于25mL比色管中,再加入3,5-二硝基水杨酸溶液3mL,沸水显色5min,然后以流水迅速冷却,用水定容至25mL,摇匀。以试剂空白调零,在540nm处比色,参照预先制作的葡萄糖标准曲线求出还原糖的量,同法平行操作2份,按下式计算得出DE值。

DE(以葡萄糖计,%)=还原糖含量/总干物质含量×100

1.2.3 辅料对米淀粉水解的影响 依照1.2.1中米粉生产工艺,将大米粉调制成35%的米浆,分别添加蔗糖、葡萄糖和果糖,每种糖的添加比例分别为10.0%、15.0%和20.0%(占淀粉干基比重)三个水平,再加入淀粉酶保温酶解40min。以反应终点的DE值为指标,考察糖类的添加对米淀粉水解的影响,同法平行操作2份。

按照上述工艺,将大米粉调制成35%的米浆,分别添加大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白和全脂奶粉,每种蛋白原料添加比例分别为2.5%、5.0%和10.0%(占淀粉干基比例)三个水平,再加入淀粉酶保温酶解40min。以反应终点的DE值为指标,考察蛋白类的添加对米淀粉水解的影响,同法平行操作2份。

依照上述工艺,向调浆罐中添加固定配比的蔗糖、全脂奶粉、大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白粉,以70℃热水调浆,浆料浓度分别调为30%、35%、40%和45%,加入淀粉酶保温酶解40min。以反应终点的DE值为指标,考察浆料浓度对米淀粉水解的影响,同法平行操作2份。

1.2.4 米片中残存酶活测定 将5.0g米片用不超过70℃温水调配成5%的溶液,然后溶液密封保存在55℃恒温培养箱内保温48h,使其中残余的酶在适宜的温度下充分的作用。取样测定各样品的DE值,DE值变化的大小反映淀粉酶残余活力的情况,DE差值越大,淀粉酶残余活力越强[10]。

1.2.5 米淀粉体外消化性能 实验对传统工艺与酶解新工艺制备的成品米粉进行体外消化性能的测定。根据Englyst[11]等人对淀粉按其消化特性进行的划分,用淀粉消化指数(SDI)表征淀粉体外消化速率。本实验中采用猪胰酶水解米粉淀粉的方法,根据酶解速率计算产品的SDI值[6]。

取5g样品分别于250mL烧杯中,加入蒸馏水50mL,pH7.2磷酸缓冲液10mL,置于37℃水浴中保温5min,然后加入1%猪胰酶0.4mL。反应过程中,不断取出约1g浆料于预先添加了10mL水的试管中,立即放入沸水浴中4min使酶失活(预实验4min已完全失活),冷却,于6000r/min离心10min,取上清液于50mL容量瓶中定容。吸取2mL已定容样液,置于25mL比色管中,再加入3,5-二硝基水杨酸溶液3mL,沸水显色5min,然后以流水迅速冷却,用水定容至25mL,摇匀。以试剂空白调零,在540nm处比色,参照预先制作的葡萄糖标准曲线求出还原糖的量,同法平行操作2份,得出平均还原糖含量。

大米淀粉的消化性能通过快速消化淀粉(rapidly digested starch,RDS)、慢速消化淀粉(slowly digested starch,SDS)和抗性消化淀粉(resistant starch,RS)表征。

淀粉消化指数SDI(%)=RDS/TS×100

快速消化淀粉RDS(%)=D/F×100

式中,D-20min内淀粉产生的葡萄糖含量(g)；F-理论上淀粉水解成葡萄糖的含量(g)；TS-总淀粉(total starch,TS)含量(g)。

2 结果与分析

2.1 糖类的添加对米淀粉水解的影响

从图1可知,随着蔗糖、葡萄糖和果糖添加量的增加,DE值都有不同程度的降低,即三种糖类的添加抑制了淀粉酶对大米淀粉的水解,这可能是随着浆料中糖的增多,溶液粘度增大,粘度不仅影响扩散和分子彼此碰撞,而且也影响酶的变构,一定程度上降低了酶活力[11-12]。

图1 糖的添加量对米浆DE值的影响Fig.1 Effect of carbohydrate concentration on dextrose equivalent of rice starch

三种糖对米浆DE值的影响有较大的差异,蔗糖的影响最小,葡萄糖的影响最大。蔗糖的影响除了上述溶液粘度增大原因,还因其作为竞争性底物,有类似淀粉的α-1,4糖苷键与酶结合结构,进而影响到淀粉水解,当蔗糖添加量为20.0%(占淀粉干基)时水解程度降低了41.7%。果糖的添加一方面增大了溶液粘度,另一方面其作为非酶底物不断增多降低了底物与酶活性位点的碰撞结合,从而降低了酶反应效率,当果糖添加量为20.0%时DE值降低了80.0%。葡萄糖的影响包括溶液粘度和非酶底物因素,此外淀粉水解反应中,葡萄糖作为反应产物,反应产物浓度的增加,一定程度上也抑制了淀粉水解[13],当葡萄糖添加量为20%时DE值降低了87.8%。

2.2 蛋白类的添加对米淀粉水解的影响

从图2可知,随着大豆分离蛋白、浓缩乳清蛋白和全脂奶粉添加量的增加,DE值都有所降低,但是变化很小,在大豆分离蛋白粉、浓缩乳清蛋白粉和全脂奶粉添加量为10.0%时DE值分别降低了8.9%、6.3%和6.3%。这可能是非酶底物的增加降低了底物与酶活性位点的碰撞结合,从而影响到酶反应效率。

图2 蛋白质添加量对米浆DE值的影响Fig.2 Effect of proteins concentration on dextrose equivalent of rice starch

2.3 浆料浓度对米淀粉水解的影响

从图3可知,随着浆料浓度的增加,DE值不断的降低,即浆料浓度的增加抑制了淀粉酶对大米淀粉的水解,在浓度为45.0%时水解程度较30.0%时降低了77.0%。这可能是随着浆料浓度的增大,溶液粘度增大,影响酶的扩散及分子间彼此碰撞,也影响酶的变构的缘故。此外,浆料中添加的蔗糖作为竞争性底物,有类似淀粉的α-1,4糖苷键与酶结合结构,蔗糖的存在一定程度上降低了酶活力,进而影响到淀粉水解。

图3 浆料浓度对米浆DE值的影响Fig.3 Effect of slurry concentration on dextrose equivalent of rice starch

2.4 酶解新工艺

传统的酶解工艺生产中抑制酶活采用高温钝化法,即升高米浆温度使酶蛋白失活。有研究选定酶钝化温度70℃,钝化15min[5]。酶高温钝化后还需及时降温,以满足后续营养素投料的要求,升温和降温操作不仅提高了劳动强度,还增加了能耗,提高了生产成本。

从以上实验中可知,酶解反应前加入辅料严重影响正常的酶解反应,降低淀粉酶的效能,鉴于此,我们调整辅料添加时机,在酶解终点时添加辅料,这样既能充分发挥酶的效能,也可以在酶解终点时通过辅料的添加增加浓度以及辅料添加过程中浆料体系的降温共同抑制酶解反应,替代高温终止酶促反应的工艺,调整后的婴幼儿营养米粉生产新工艺如下:

大米→粉碎→调浆→加酶水解→添加辅料→细化→辊筒干燥→成型→检验→包装

2.4.1 辅料抑制酶反应实验 由于生产实践中,大豆分离蛋白的溶解速度快,易结块,给生产带来不利影响[14-16],故提前将大豆分离蛋白与大米粉混合,易分散均匀,避免结团。

按照酶解新工艺生产婴幼儿营养米片,70℃热水调浆,酶解40min后添加固定配比蔗糖、全脂奶粉和浓缩乳清蛋白粉,搅拌均匀、细化后转移到储料罐自然放置30min,分别测定浆料反应40min和70min时的DE值。

从图4可知,酶解40min时浆料的DE值为11.5%,酶解70min时浆料的DE值为11.8%,添加辅料后的30min内米淀粉的酶解程度仅增加了2.6%,达到了很好的抑制酶解反应效果。这是辅料的添加增加浓度和粘度以及辅料添加后浆料体系的降温大大降低了酶活力的缘故。

表1 保温时间对米淀粉DE值影响Table 1 Effect of reaction time on dextrose equivalent of rice starch

注:数值均取平均值±标准偏差(n=3),不同保温时间与0 h两组数值之间差异不显著(p>0.05)。

表2 传统工艺与酶解新工艺制备米粉特性对比结果Table 2 Comparison of characteristics of rice powder prepared by traditional and enzymatic technology

图4 辅料添加对酶反应影响Fig.4 Effect of additives on enzymatic reactions

2.4.2 辊筒干燥灭酶实验 依照酶解新工艺生产婴幼儿营养米片,70℃热水调浆,酶解40min后添加固定配比蔗糖、全脂奶粉和浓缩乳清蛋白粉,搅拌均匀、细化后转移到储料罐自然放置30min,然后辊筒干燥。辊筒干燥机工作气压0.50MPa,转速3r/min,米浆上料厚度0.40mm,生产制得米片按照1.3.3方法进行酶活力测定,结果如表1。

从表1可知,米片中大米淀粉的DE值变化不显著,说明米粉中的酶没有残存的活力,已经钝化完全。

酶解新工艺实验说明了本研究总结的酶解工艺生产米粉新方法,操作性强,完全可以取代传统的频繁升温降温的酶解工艺,新方法生产设备简单,降低了投资成本,简化了操作,减轻了劳动强度,减少了能耗,本方法非常适于广大传统工艺米粉厂的改造升级。

2.5 传统工艺与酶解新工艺制备的米粉特性对比

在米粉制备条件完全相同的情况下(除辅料添加与酶解先后顺序不同外),传统工艺与酶解新工艺制备米粉的相关特征对比结果见表2。

由表2可知,酶解新工艺制备米粉的DE值和淀粉消化指数显著高于传统工艺,其水解效果良好,浆料稠度适中,酶解新工艺成品米粉冲调后米香味更浓、甜度适宜、口感更细腻。

3 结论

米粉生产中糖类和蛋白质类辅料的添加对淀粉酶的活力有一定的影响,蔗糖、葡萄糖和果糖三种糖类中,葡萄糖对淀粉酶的活力影响最大,蔗糖影响最小,葡萄糖添加量20%时,酶解程度降低了87.8%；大豆分离蛋白粉、全脂奶粉和浓缩乳清蛋白三种蛋白质原料较糖类对淀粉酶活力影响较小。浆料浓度的增加抑制了淀粉酶对大米淀粉的水解,在浆料浓度为45.0%时水解程度较浓度为30.0%时降低了77.0%。酶解新工艺通过加入辅料抑制酶反应效果明显,且可在辊筒干燥过程中完全灭酶,不影响浆料的上辊、干燥和成型,完全能够满足生产需要。

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Effect of production auxiliary materials of infant rice formula powderon enzymolysis processing

LIU Mei-sen,LIN Han-qing,GAO Li-xiao,ZHANG Xiang-yang,HE Xiao-yong,ZHANG Zhi-fen,ZANG Cheng-guo,HUANG Min

(Shenzhen Weicky Biotechnology co.,LTD.,Shenzhen 518109,China)

In order to realize the effect of production auxiliary materials of infant rice formula powder on enzymolysis processing,the effect of additive amount of sucrose,glucose,fructose,milk powder,isolated soybean protein,whey protein concentrate and slurry concentration on enzymolysis of rice starch were studied. The results showed that carbohydrates had a greater impact on enzymolysis of rice starch than proteins,and glucose showed the greatest inhibition of enzymolysis among them,and the degree of hydrolysis reduced by 87.8% when glucose content reached 20.0%. Milk powder,whey protein concentrate and isolated soybean protein had a less influence on enzymolysis. Enzymatic reaction was inhibited by increasing slurry concentration,compared to the slurry concentration of 30.0%,the degree of hydrolysis reduced by 77.0% when the slurry concentration was 45.0%. Finally,a set of new enzymatic process was summarized on the basis of effect of production auxiliary materials on enzymatic reaction.

infant rice formula powder;enzymolysis processing;carbohydrates;proteins;dextrose equivalent

2014-04-21

刘梅森(1968-)，男，博士，教授级高级工程师，研究方向：食品科学。

广东省产业技术研究与开发项目(2012B020402002)。

TS216

B

1002-0306(2015)03-0195-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.032