燕麦浊汁酶解工艺及其水溶性β-葡聚糖含量变化研究

朱　转，杨金芹，沈　群，陈燕卉，*（.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京00083；.山烟台工贸技师学院，山东烟台64003）

燕麦浊汁酶解工艺及其水溶性β-葡聚糖含量变化研究

朱转1，杨金芹2，沈群1，陈燕卉1，*
（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京100083；2.山烟台工贸技师学院，山东烟台264003）

以稳定性为评价指标研究了α-淀粉酶生产燕麦浊汁的酶解工艺，并用刚果红法探究了水溶性β-葡聚糖含量在饮料加工过程中的变化。结果表明，酶解的最佳工艺条件为：10%的燕麦溶液，温度55℃、pH6.4、酶用量为91.7U/100g溶液、时间180min，燕麦浊汁稳定性值为93.3%；燕麦原料中的水溶性β-葡聚糖含量为12.8mg/g，浸泡过程中会造成水溶性β-葡聚糖的流失，蒸煮、打浆能提高水溶性β-葡聚糖的含量，酶解、灭菌对水溶性β-葡聚糖含量没有明显影响。

燕麦浊汁，α-淀粉酶，稳定性，水溶性β-葡聚糖

燕麦是禾谷类作物中营养价值最高的作物之一，在世界谷物生产中位于小麦、玉米、稻米、大麦及高粱之后居于第六位［1］。我国燕麦加工企业总加工能力约为50万吨/年，总产值为60亿元，但燕麦粉及面制品等初加工产品占总量的70%［2］，新型燕麦食品及深加工产品只占到燕麦加工总量的5%［3-4］。我国近年来开始重视对燕麦的深加工利用，其中以燕麦为原料的谷物饮料是研究热点之一［5-8］。燕麦中富含淀粉，其糊化后形成的凝胶状结构以及老化，是影响饮料稳定性的关键因素之一。徐康［7］、张明等［8］在研究燕麦饮料的工艺时，通过添加淀粉酶等，提高饮料的稳定性。

燕麦中的可溶性膳食纤维是其具有降低血清胆固醇、改善肠道等保健作用的主要原因［9-12］，而β-葡聚糖是燕麦可溶性膳食纤维的主要成分。燕麦的β-葡聚糖主要存在于麸皮中，含量在3.20%～6.80%之间，其中35%～50%为可溶性β-葡聚糖［13］。β-葡聚糖分子量的不同会导致其溶液流变学行为的不同［14］，而其生理功能与溶液流变性能有密切关系。燕麦加工中常用的工艺均有可能对β-葡聚糖分子产生影响。刘文胜等［15］探究了不同灭酶方式对燕麦β-葡聚糖含量的影响，发现蒸制灭酶（100℃下20min）组含量比空白组（未经处理的燕麦）高0.64%，而炒制灭酶组（2.5kg燕麦在炭火炒锅中炒制30min）比空白组高0.88%。Altan等［16］的研究认为挤压过程中的高温和剪切力能够降低β-葡聚糖分子量。Moura等［17］用H2O2溶液对燕麦麸进行氧化处理，发现β-葡聚糖发生降解，且分子中羧基和羰基增加。Kivela等［18］研究发现β-葡聚糖溶液均质后，粘度明显降低，β-葡聚糖的构象更接近于球形，同时溶解性提高。

燕麦饮料加工中的浸泡、蒸煮、打浆、杀菌等工艺可能对β-葡聚糖分子造成不同程度的影响；此外，燕麦麸皮由于难易达到理想的粒度，由于在饮料成品中影响感官品质，通常在过滤等操作中被除去，也会影响饮料中β-葡聚糖的含量。本文所研究的燕麦浊汁饮料通过添加α-淀粉酶水解淀粉，提高饮料的稳定性，并探究了加工过程对饮料中水溶性β-葡聚糖含量的影响。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

燕麦坝莜3号；α-淀粉酶丹尼斯克公司；β-葡聚糖标品Sigma公司；刚果红Fluka公司；麦芽糖、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等均为分析纯。

DK-S24型电热恒温水浴锅上海精宏实验设备有限公司；VORTEX QL-902型涡旋混合器海门市其林贝尔仪器制造有限公司；WFZ UV-2102C型紫外可见分光光度计尤尼柯（上海）仪器有限公司；HITACHI CF16RXⅡ型离心机立工机有限公司；SHA-BA型水浴恒温振荡器金坛市荣华仪器制造有限公司；FD115型热鼓风循环干燥箱德国Binder公司；AR5120型电子精密天平奥豪斯国际贸易（上海）有限公司；ALC-110.4型电子天平德国赛多利斯集团；打浆机九阳公司；LS-B35L型立式自动电热压力蒸汽灭菌器北京美科美生物技术开发有限公司。

1.2α-淀粉酶活力测定

酶活力定义为单位时间内（1min）每毫升酶催化反应所得1mg麦芽糖为一个活力单位（U）。采用3，5-二硝基水杨酸法（DNS）测定酶活力，DNS试剂的配制参照马晶晶等的方法［19］，具体操作参照邢楠楠等的方法［20］。

1.3燕麦浊汁工艺及具体操作

具体工艺：原料→清洗→浸泡→蒸煮→打浆→酶解→灭酶→过滤→调配→灌装→杀菌。

浸泡：按照每克燕麦加1.25mL水的比例，将清洗后的燕麦于40℃下浸泡1h。

蒸煮：燕麦和浸泡液再加入适量水，于常压沸水浴中蒸煮1h，使燕麦充分糊化。

打浆：蒸煮后的燕麦迅速冷却后，加入水使得燕麦-水为1∶9，在打浆机中先低速打浆2次，再高速打浆2次，得到10%的燕麦浓浆。

酶解条件：探究温度、pH、加酶量、酶解时间对燕麦浊汁稳定性的影响。温度单因素时，固定pH6.4、酶用量65.5U/100g溶液、时间60min，探究温度40、45、50、55、60、65℃对稳定性的影响。pH单因素时，固定温度55℃、酶用量65.5U/100g溶液、时间60min，探究pH5.6、6.0、6.4、6.8、7.2、7.6对稳定性的影响。酶用量单因素时，固定温度55℃、pH6.4、时间60min，探究加酶量26.2、39.3、52.4、65.5、78.6、91.7U/100g溶液对稳定性的影响。时间单因素时，固定温度55℃、pH6.4、加酶量78.6U/100g溶液，探究30、60、90、120、150、180min对稳定性的影响。单因素实验结束后，采用适宜水平进行四因素三水平的正交实验。正交实验因素水平表见表1。

表1　正交实验因素水平表Table 1　Factors and levels of orthogonal experiment

灭酶、过滤：酶解后的燕麦浊汁立即放入沸水浴中加热10min灭酶，再用200目筛网过滤大颗粒物质。

杀菌：采用高温杀菌，将调配好的燕麦浊汁加入预先灭菌的玻璃瓶中，用立式电热杀菌器在121℃条件下杀菌20min。

1.4稳定性的测定

参考杨海红等的方法［21］。酶解后的燕麦浊汁转入50mL离心管中，5000r/min下离心20min，倒出上清液后，将装有沉淀的离心管倒置0.5h，测定离心沉淀率SR（Centrifugal Sedimentation Rate）。SR值越大表示稳定性越差。

式中：M1—燕麦浊汁离心、倒置后沉淀物的重量（g）；M2—燕麦浊汁离心前的重量（g）。

1.5燕麦中β-葡聚糖的提取

燕麦磨粉后过50目筛，按照1∶9的比例加入75%的酒精在80℃下回流2～4h，混合物冷却至30℃后倒出上清液，加入无水乙醇浸泡15min后过滤，在35℃下干燥脱除溶剂。称取500mg干燥粉末，加入20mL水溶液，用20%Na2CO3溶液调节pH10，在40℃下浸提4h后，冷却，于4000r/min下离心10min，收集上清液，将沉淀再次加入10mL水后，用20%Na2CO3溶液调节至pH10，于室温下放置10h，离心后合并上清液。上清液经过淀粉酶除淀粉、等电点法除蛋白（用20%的HCl溶液调pH为4.5），于4000r/min下离心10min得上清液，定容后测定β-葡聚糖含量。燕麦浊汁经除去淀粉、蛋白质后进行测定［13，22］。

1.6刚果红法测β-葡聚糖

1.6.1β-葡聚糖标准溶液准确称取0.0500g β-葡聚糖标品，加入少量去离子水于70℃下水浴溶解，冷却后定容至50mL，配成1mg/mL β-葡聚糖标准母液，使用前稀释10倍。

1.6.2刚果红溶液准确称取0.1000g刚果红溶于0.2mol/L pH8.0的磷酸缓冲溶液中，用pH8.0的磷酸缓冲溶液定容至1000mL。

1.6.3检测波长的确定用2mL蒸馏水+4mL刚果红溶液（空白组）、1mL蒸馏水+1mLβ-葡聚糖溶液+4mL刚果红溶液（实验组）在25℃下反应20min后，用酶标仪扫描两者的最大吸收光谱和差谱，测得空白组的最大吸收光谱在489nm处，反应液的最大吸收光谱在500nm处，在544nm处有最大差谱，故选择544nm为测定波长。

1.6.4具体测定方法分别吸取0.1mg/mL的β-葡聚糖标准溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL于试管中，补充蒸馏水至2mL，加入4mL刚果红溶液，在25℃下显色20min后，在544nm处测定吸光值。每组3个平行，根据标准曲线算出β-葡聚糖含量［13，23］。

2　结果与讨论

2.1α-淀粉酶活力

根据吸光值结果，绘制麦芽糖标准曲线，得到计算公式为y=0.5451x-0.0416（R2=0.9982），其中，x为麦芽糖含量（mg），y为吸光值。

准确吸取0.05mL酶溶液于100mL容量瓶中加蒸馏水定容后，吸取0.02mL酶溶液稀释液于25mL具塞刻度管中，加入0.8mL pH6.0的磷酸盐缓冲溶液（0.2mol/L），于60℃下保温10min后，加入1mL的1%可溶性淀粉，保温5min，加入2mL DNS，在沸水浴中加热5min，迅速冷却，加蒸馏水定容至20mL，于540nm处测定吸光值。空白组的设置，以第一次保温前加入DNS试剂作为对照平行3次。根据公式计算，得到酶活力为1048U/mL。

2.2燕麦浊汁酶解工艺条件

2.2.1酶解工艺单因素实验

2.2.1.1温度单因素温度影响结果见图1，随着温度的升高，饮料稳定性先增加后减小，55℃时稳定性最大，原因是该淀粉酶在55℃时活性最大，对淀粉的水解效率最高，离心过程中沉淀下来的大分子淀粉最少。由此可知，55℃为最佳温度。

图1　酶解温度对燕麦浊汁稳定性的影响Fig.1　Effect of temperature on stability of turbid oats beverage

2.2.1.2pH单因素pH影响结果见图2，pH为6.4时，SR值最小，饮料稳定性最佳，原因是α-淀粉酶在pH6.4时活性最高，对淀粉的水解效率最高。选取pH6.4为后续单因素实验的pH。

图2　酶解pH对燕麦浊汁稳定性的影响Fig.2　Effect of pH on stability of turbid oats beverage

2.2.1.3酶用量单因素加酶量影响结果见图3，随着酶用量的增加，饮料稳定性增加，当酶用量超过78.6U/100g燕麦溶液时，稳定性变化趋势平缓。选择加酶量78.6U/100g燕麦溶液，既能使饮料达到较好的稳定性，同时又节约生产成本、防止酶本身不良气味给饮料风味带来破坏作用。

图3　加酶量对燕麦浊汁稳定性的影响Fig.3　Effect of enzyme dosage on stability of turbid oats beverage

2.2.1.4时间单因素时间影响结果见图4。随着时间的延长，饮料稳定性增加，原因是淀粉分子不断被水解，当时间为150min时，溶液中淀粉的浓度很小，与酶接触的几率大大减少，从而稳定性不再发生明显变化。酶解时间过长，不但对饮料稳定性没有贡献，反而会影响生产效率，故选择酶解时间150min。

图4　酶解时间对燕麦浊汁稳定性的影响Fig.4　Effect of hydrolyzing time on stability of turbid oats beverage

2.2.2最佳酶解条件的确定单因素实验表明，当酶解温度为55℃、pH6.4、酶用量78.6U/100g燕麦溶液或者酶解时间150min时燕麦浊汁可获得最佳稳定性。但酶解的最佳条件并非各个单因素实验的最佳结果的简单叠加，需正交实验考察多因素的叠加效果。正交实验设计及结果见表2。

从表2可以看出：影响因素为温度（A）＞酶用量（C）＞酶解时间（D）＞pH（B），燕麦浊汁的最佳悬浮稳定下的酶解工艺为A2B2C3D3，即温度55℃，pH6.4，酶用量为91.7U/100g燕麦溶液，时间180min。验证实验中，在最佳悬浮稳定酶解工艺条件下，燕麦溶液经过酶解后，过40目网筛，所得燕麦浊汁离心沉淀率为6.7%，即悬浮稳定性值为93.3%；结果优于表2中其他组合。

表2　α-淀粉酶解L9（34）正交实验结果Table 2　The results of L9（34）orthogonal experiment for α-amylase enzymation

2.3刚果红法测水溶性β-葡聚糖含量

2.3.1β-葡聚糖标准曲线根据β-葡聚糖含量（mg）与对应吸光值，绘制标准曲线，得计算公式y=2.3900x+ 0.0130（R2=0.9978），其中，y表示吸光值，x表示β-葡聚糖。

2.3.2燕麦浊汁加工过程中β-葡聚糖含量变化β-葡聚糖是燕麦中重要的功能性成分，尤其水溶性β-葡聚糖的作用效果更显著。燕麦原料中水溶性β-葡聚糖的含量为12.80mg/g，相对偏低，可能是由于贮存时间过长，被燕麦中所含的内源β-葡聚糖酶分解或者脂肪氧化而降解。燕麦经过浸泡、蒸煮、打浆、酶解过滤、灭菌等工艺处理后，测定燕麦固体或者溶液中的β-葡聚糖的含量（分析前对溶液进行定容，根据溶液的体积计算出总量），结果用β-葡聚糖相对含量（即与原料中β-葡聚糖含量的比例）来表示，见图5。

浸泡后燕麦籽粒中β-葡聚糖的相对含量为78.68%，由于燕麦中的β-葡聚糖主要存在于麸皮中，麸皮位于燕麦的外层，水溶性的β-葡聚糖浸泡过程中溶解于水，而使燕麦籽粒中含量减少，邓万和［13］、张娟等［24］用水提法提取麸皮或燕麦粉中的β-葡聚糖原理即为此。因此，燕麦在浸泡时应控制合适的温度和时间，防止水溶性β-葡聚糖大量流失，或者将浸泡液加入后续加工中。

蒸煮时，将浸泡液倒入容器中，再加入适量蒸馏水。蒸煮后燕麦籽粒中β-葡聚糖相对含量为105.87%，相比原料提高5.87%，但与原料中的β-葡聚糖含量不存在显著差异。可能原因是高温长时间的蒸煮，促使部分非水溶性β-葡聚糖分子断裂，转变为水溶性β-葡聚糖；原料中β-葡聚糖测定时，燕麦未经过蒸煮，使得浸提过程中存在于胚乳里面的少量β-葡聚糖难以溶出，而蒸煮过程使得胚乳细胞破裂，内部的β-葡聚糖更加容易释放。研究结果与刘文胜等［15］的研究相同，他们采用100℃下蒸制20min的方法对燕麦进行灭酶处理，发现其中β-葡聚糖含量相对于未经处理的燕麦含量提高0.64%。Johansson等［25］的研究也表明水煮能够提高燕麦可溶性β-葡聚糖的含量。

打浆后，燕麦中β-葡聚糖相对含量为109.76%，与原料中β-葡聚糖含量有显著差别（p＜0.05），较蒸煮后含量有所上升，但两者无显著差别，可能是打浆过程中的剪切力使得部分非水溶性β-葡聚糖分子断裂。Kivelä等［26］研究表明，均质能够使大分子的β-葡聚糖降解，Tosh等［27］发现，挤压能够显著增加β-葡聚糖的溶解性，即部分不溶性的大分子β-葡聚糖转变为水溶性的β-葡聚糖，打浆与挤压和均质均不同，但是工作过程中均产生剪切力，尤其是燕麦溶液在打浆时粘度很大，高速打浆产生的剪切力可能使部分不溶于水的β-葡聚糖分子被切割成可溶性小分子片段。

图5　不同加工过程对β-葡聚糖相对含量的影响Fig.5　β-glucan relative content of turbid oats beverage influenced by different processing stages

酶解过滤后燕麦浊汁中β-葡聚糖的相对含量为66.03%，相对于“打浆”等含量显著降低，原因是在该实验条件下溶液体系不是很利于β-葡聚糖的溶出，且燕麦麸皮相对于其余结构来讲，其中含有大量的纤维素不被水解，且打浆过程中不易被破碎，故过滤后被除去，存在麸皮中未溶出的β-葡聚糖可能会因此损失。

为了探究饮料中加糖酸调配对β-葡聚糖含量的影响，采用两种饮料配方进行灭菌。“灭菌1”、“灭菌2”中β-葡聚糖的相对含量分别为63.14%、62.47%，结果表明该灭菌工艺对水溶性β-葡聚糖几乎没有影响。

3　结论

稳定性是评价饮料品质的关键指标之一，尤其在燕麦饮料产品的开发过程中是常见的难题，通过α-淀粉酶水解淀粉，可以提高饮料的稳定性。利用10%的燕麦溶液，在最佳酶解工艺条件下（温度55℃、pH6.4、酶用量91.7U/100g溶液、时间180min），所得燕麦浊汁稳定性为93.3%。

浸泡、蒸煮、打浆等工艺对燕麦中水溶性β-葡聚糖有影响，浸泡后β-葡聚糖相对含量为78.7%，部分β-葡聚糖溶于水而流失；蒸煮和打浆能提高水溶性的β-葡聚糖含量；α-淀粉酶水解燕麦有利于β-葡聚糖的溶出；过滤操作中除去了绝大部分麸皮，导致没有溶解出的β-葡聚糖损失；121℃、20min高温灭菌对水溶性β-葡聚糖含量无明显影响。

燕麦浊汁制作过程中，为尽量减少水溶性β-葡聚糖的损失，要使麸皮中的β-葡聚糖得到充分浸提，同时控制好浸泡条件或对浸泡液加以利用。

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Study on enzymatic processing and soluble β-glucan variation of turbid oats beverage

ZHU Zhuan1，YANG Jin-qin2，SHEN Qun1，CHEN Yan-hui1，*
（1.College of Food Science and Nutritional Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China；2.Yantai Industry and Trade Technician College of Shandong，Yantai 264003，China）

By determining the stability of the beverage，application of alpha-amylase in the processing of oats turbid beverage was studied，and the content variation of β-glucan was determined in method of Congo Red. Results showed that the optimal process conditions of enzymatic hydrolysis：temperature was 55℃，pH was 6.4，enzyme dosage was 91.7U/100g，hydrolysis time was 180min，and under this conditions the suspension stability was 93.3%.β-glucan in the oat was 12.8mg/g，soaking process resulted in loss of β-glucan，while cooking and beating increased the content of β-glucan.Enzymolysis of alpha-amylase and sterilization had no significant effect on β-glucan content.

oats turbid beverage；α-amylase；stability；soluble β-glucan

TS210.1

A

1002-0306（2015）02-0190-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.032

2014-03-17

朱转（1989-），女，硕士研究生，研究方向：粮食、油脂与植物蛋白质工程。

陈燕卉（1957-），女，博士，副教授，研究方向：营养与食品安全。

杂豆代餐饮品的研究开发品质评价研究（2012BAD34B08-05）。