加酶处理对薏苡仁淀粉降解及改性的研究

郑斌，陆烝，林忠宁，李春艳，邓素芳，陈敏健，张丽君（福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州350013）

加酶处理对薏苡仁淀粉降解及改性的研究

郑斌，陆烝*，林忠宁，李春艳，邓素芳，陈敏健，张丽君
（福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州350013）

采用酶法对薏苡仁淀粉的降解和改性进行研究，最终确定的酶解最佳工艺条件为：复合酶（普鲁兰酶：β-淀粉酶）配比1∶2、酶解温度60℃、酶解时间85 min、pH 6.0，此条件下水解液中的DE值为23.28%。酶解后薏米仁淀粉含量为27.63%，淀粉糊化温度为60.1℃、淀粉热焓值为6.27 J/g，与对照组（酶解前）相比分别降低了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属[1]，又名薏米或薏仁米。薏苡仁的营养成分比较齐全，所含的各营养成分平均值为：蛋白质15.8%、脂肪5.49%、碳水化合物63.05%、粗纤维1.75%、灰分1.68%[2]，且含有丰富的薏苡仁酯（44.6 mg/g）、薏苡仁多糖（59.03 mg/g）、三萜类化合物（22.83 mg/g）等保健成分[3]。薏苡仁性甘味淡凉，有利水渗湿、健脾止泻、除痹、排脓、解毒散结等功效[4]。现代医学研究表明薏苡仁具有抗肿瘤、增强免疫、降血糖、抗溃疡止泻、镇痛消炎、治疗痤疮和扁平疣、抗重度功能性痛经等药理作用[5]，是一种很好的营养平衡的药食同源的经济谷物。

虽然薏米的营养及药用价值高，但其淀粉结构比较坚硬，结构致密，很难被糊化，食用时必须经过长时间浸泡后进行煮沸，且较难蒸煮熟，过长的蒸煮时间限制了薏米家庭直接烹饪消费或作为食品加工原料生产性应用[6-8]。研究表明[8-9]，薏米难蒸熟的原因是由高淀粉初始糊化温度和热焓值、高蛋白质含量、低淀粉和水分含量、颗粒大等因素综合下引起，其中薏米淀粉热焓值较高是最主要影响因素，薏米淀粉热焓值与其支链淀粉的外部结构结晶体有关。

本研究拟从淀粉酶解的角度，采用复合酶（普鲁兰酶与β-淀粉酶）将薏米仁中的直链淀粉和支链淀粉的外侧支链部分降解为小分子的二糖（麦芽糖）和糊精等，使得薏米仁容易糊化，从而改善薏米颗粒空间结构以缩短薏米的蒸煮时间，并抑制其回生。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

薏米：产自福建省福州市北峰基地，选用颗粒饱满，无发黄霉变的薏米，中药材专用粉碎机中粉碎后过40目筛，备用。

普鲁兰酶（酶活力3 000 U/g）、β-淀粉酶（中温，酶活力10 000 U/g）：购于宁夏和氏璧生物技术有限公司。

DHG-9123A型电热恒温鼓风干燥箱：上海精宏实验设备有限公司；800B台式低速离心机：上海菲恰尔分析仪器有限公司；BS124S电子天平：北京赛多利斯仪器系统有限公司；DG120型中药材粉碎机：浙江省瑞安市正达药材器械厂；DK-98-1型水浴锅：天津市泰斯特仪器有限公司；BCD-208K/ANCJN海尔家用电冰箱：青岛海尔股份有限公司；722型分光光度计：上海菁华科技仪器有限公司；pH计。

1.2方法

1.2.1工艺流程

薏米仁→粉碎→过筛→调节固液比[1∶10（g/mL）]→预热→调节pH→酶解→灭酶→冷却→离心→沉淀烘干

1.2.2测定及分析方法

1.2.2.1薏苡仁主要成分和理化性质的测定方法

总淀粉测定：酸水解法[10]；支链淀粉和直链淀粉的测定：双波长分光光度法[11]；糊化度的测定[12-13]：参考方奇林等的方法；淀粉热焓值等热力学性质参数测定[14]：用差示扫描仪（DSC）法测定。

1.2.2.2水解液相关指标的测定方法

还原糖（以葡萄糖计）测定：DNS法[15]；溶液相对密度：密度计法；DE值：即葡萄糖当量值[16]，是还原糖（以葡萄糖计）占溶液中干物质的百分比，计算公式如下：

1.2.3试验设计

1）酶种的选择：选用普鲁兰酶、β-淀粉酶以及普鲁兰酶与β-淀粉酶复合酶（按1∶1比例组合）进行酶解试验，通过比较相同作用条件下酶解液的DE值，选出最佳的酶种组合，然后进行单因素试验。

2）复合酶的单因素试验：以酶解液的DE值作为酶解效果的指标，对复合淀粉酶的不同配比、不同酶解时间、不同酶解温度及不同pH条件做单因素试验，分别确定最佳的试验条件。

3）正交试验：选用复合淀粉酶（普鲁兰酶：β-淀粉酶）配比、酶解时间、酶解温度及pH作为试验因素，因素和水平的设计见表1。

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

选取L16（45）正交表探讨复合酶最佳的酶解工艺条件，以酶解液的DE值作为酶解效果的指标。

2　结果与分析

2.1试验用酶及其用量的选择

本项目采用两种单一酶（即普鲁兰酶、β-淀粉酶），以及将它们按1∶1比例组合，制成3组不同的淀粉酶作为试验用酶。取粉碎过筛后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混匀，在恒温55℃、pH为6.0条件下对薏苡淀粉进行80 min的酶解试验，结果如图1所示。

图1　不同淀粉酶组合对薏苡淀粉水解液DE值的影响Fig.1　The effectof different enzyme systerm on DE of adlay starch liquefaction

从图1可以看出：复合酶水解效果强于单一酶；随着淀粉酶用量的增加，酶解液的DE值都呈现逐步递增的趋势，当酶用量在2.0%～2.5%之间时，增加酶的用量对酶解液中DE值无明显影响。理论上，在一定条件下，酶反应速度与酶浓度成正比。因为酶进行反应时，首先要与底物形成中间产物，即酶底物复合物。当底物浓度大大超过酶浓度时，反应达到最大速度，此时增加酶浓度，可增加反应速度，酶反应速度与酶浓度成正比关系。当酶浓度达到一定值，速度就不再增加，这可能原因随着酶用量的增大，一部分酶分子没有机会和底物接触，致使水解液的DE值基本不再变化。考虑到成本因素，试验选择2.0%为复合蛋白酶用量的较优值。

2.2不同配比的复合酶对酶解效果的影响

取粉碎过筛后的薏苡仁粉5g，按固液比1∶10（g/mL）取水混匀，添加2.0%的复合淀粉酶，设定反应温度55℃、pH为6.0、酶解时间80min，改变改变复合酶配比（普鲁兰酶∶β-淀粉酶）按1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1进行复合淀粉酶配比的单因素试验，计算酶解液的DE值，确定出复合淀粉酶作用薏苡淀粉酶解的最佳配比。试验结果见图2。

图2　不同淀粉酶配比对DE值的影响Fig.2　The effect of differentratio ofamylase on DE of adlay starch liquefaction

由图2可知，复合淀粉酶在普鲁兰酶∶β-淀粉酶＝1∶2的酶解条件下酶解效果最好，酶解后DE值为20.92%。因此，普鲁兰酶与β-淀粉酶的复合配比选择在1∶2左右的范围内较好。

2.3温度对酶解效果的影响

取粉碎过筛后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混匀，添加2.0%的复合淀粉酶（普鲁兰酶∶β-淀粉酶＝1∶1），设定pH为6.0，酶解反应时间80 min，分别在50、55、60、65、70、75℃进行复合淀粉酶配比的单因素试验，计算酶解液的DE值，确定出薏苡淀粉酶解的最佳酶解温度。试验结果见图3。

图3　酶解温度对DE值的影响Fig.3　The effect of variou temperatures on DE of adlay starch liquefaction

由图3可知，水解液DE值随着温度的升高先增大后降低，温度为60℃时DE值最大，达到19.98%。液化温度同时影响化学反应速率和酶的活性，当温度小于60℃时，随着温度的升高，单位时间内酶分子与底物间的有效碰撞次数增加，液化反应速率加快；而当温度超过60℃时，随着温度的继续升高，淀粉酶变性失活，液化反应速率迅速下降。因此，淀粉酶解较优温度范围在55℃～60℃。

温度对酶解的影响有两个方面，一方面温度提高可使反应速度加快，另一方面随着温度的提高，酶失活速度也开始加快。这两方面的综合影响导致酶解反应存在着最适温度，偏离最适值会降低酶解效果。在最适温度前，随着温度的升高，酶反应速度加快，因为加热使淀粉糊化，使原来结晶的淀粉颗粒溶胀伸展，使卷曲结构内部的糖苷键充分暴露出来，活性位点增多，更易于淀粉酶的作用。而最适温度后，由于温度较高，部分酶结构开始松散无序，活性中心逐渐丧失，酶活性降低，酶解效果减弱。

2.4酶解时间对酶解效果的影响

取粉碎过筛后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混匀，添加2.0%的复合淀粉酶（普鲁兰酶∶β-淀粉酶＝1∶1），设定pH为6.0，酶解温度55℃，分别在经过20、40、60、80、100 min的酶解，进行酶解时间的单因素试验，计算酶解液的DE值，确定出薏苡淀粉酶解的最佳酶解时间。试验结果见图4。

图4　酶解时间对DE值的影响Fig.4　The effect ofvarious time intervalon DE ofadlay starch liquefaction

由图4知，随着酶解时间的延长，酶解液的DE值增加，在80 min以前，增长迅速，在80 min之后酶解液的DE值的趋于平缓。原因可能是随着时间的延长，底物浓度降低，酶活力下降所致。淀粉的液化分两个阶段，开始时淀粉酶首先使直链淀粉快速降解，产生寡糖，使溶液黏度快速下降；然后作用于支链淀粉产生麦芽糖和限制糊精，同时使寡糖缓慢水解成葡萄糖和麦芽糖，从而使淀粉液化。后一阶段反应速率比前一阶段要慢得多，这可能是导致液化80 min后DE值趋于稳定的主要原因。另外，不断积累的酶解产物也会抑制酶的活性，使水解逐渐变慢。为了节约时间以提高效率，确定液化时间为80 min左右。

2.5pH对酶解效果的影响

取粉碎过筛后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混匀，添加2.0%的复合淀粉酶（普鲁兰酶∶β-淀粉酶＝1∶1），设定酶解温度55℃，酶解时间80 min，分别在pH为4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0条件下，进行pH的单因素试验，计算酶解液的DE值，确定出薏苡淀粉酶解的最佳pH。试验结果见图5。

由图5知，pH在5.5～6.0时，酶解液的DE值较高，说明薏苡淀粉酶解的程度较大，但是随着pH的进一步增大，酶解液的DE值迅速下降，说明中碱性环境不利于复合淀粉酶的进一步酶解。即复合淀粉酶的较好的酶解pH范围为5.5～6.0。

图5　pH对DE值的影响Fig.5　The effectof pH value on DE ofadlay starch liquefaction

2.6酶解工艺参数优化

在单因素试验的基础上，选用酶解时间、酶解温度、复合酶配比、pH作为4个因素，以酶解后的DE值为指标进行L16（45）正交试验，优化酶解工艺参数。正交试验结果如表2、表3所示。

表2　复合淀粉酶最佳酶解条件正交试验结果Table 2　Orthogonaldesign and results of adlay starch enzymatic

表3　复合淀粉酶最佳酶解条件方差分析结果Table 3　The variance analysis ofthe moisture content ofadlay starch enzymatic

根据正交试验结果表2和表3，比较各列的极差结果R值，可以发现RA>RB>RD>RC，即在试验所设定的因素中，A（复合酶配比）对复合酶酶解的影响最大，其次是B（酶解温度）、D（酶解时间），C（pH）的影响最小，方差分析分析结果和显著性检验表明，因素A显著（P<0.01），因素B显著（P<0.05），因素C和因素D不显著（P>0.05），说明复合酶配比、酶解温度对酶解的影响显著，而pH和酶解时间对其影响不显著。通过对K值的比较，可知A3、B3、C3、D3为最优水平。即酶解最佳工艺条件为A3B3C3D3，即复合酶的配比为1∶2、酶解温度60℃、酶解时间85 min、pH为6.0。

2.7复合蛋白酶酶解最优工艺的验证试验

取粉碎过筛后的薏苡仁粉5 g，按固液比1∶10（g/mL）取水混匀，添加2.0%的复合淀粉酶（普鲁兰酶∶β-淀粉酶＝1∶2），设定酶解温度60℃，酶解时间85 min，pH为6.0条件下进行酶解，计算酶解液的DE值，得到最优工艺组合的酶解液DE值为23.28%。

2.8酶解前后的薏苡仁淀粉等理化指标分析对比

分别测定酶解处理前后的薏苡仁淀粉的糊化温度、淀粉热焓值、淀粉含量、支链淀粉含量、支链淀粉含量等，其结果见表4。

表4　酶解前后的薏苡仁淀粉理化指标分析对比Table 4　The change ofthe physicaland chemicalof adlay starch before and after enzymolysis

3　结论

1）通过单一酶种和复合酶种的酶解试验对比，结果表明：复合酶水解效果强于单一酶。复合酶的添加量为2.0%。

2）通过复合酶单因素试验，结果表明：复合酶（普鲁兰酶∶β-淀粉酶）的最佳配比为1∶2；酶解反应的最佳温度为60℃；酶解时间以80 min左右为宜；复合淀粉酶的较好的酶解pH范围为5.5～6.0。

3）通过正交试验，得到薏苡淀粉酶解的最佳工艺参数为：得出A（复合酶配比）对复合酶酶解的影响最大，其次是B（酶解温度）和D（酶解时间），C（pH）的影响最小，复合酶水解的最佳工艺条件为A3B3C3D3，即复合酶的配比为1∶2、酶解温度60℃、酶解时间85 min、pH为6.0。在此条件下水解液中的DE值为23.28%。

4）经过酶解处理后的薏米仁淀粉的糊化温度为60.1℃、淀粉热焓值为6.27 J/g，与对照组（酶解前）相比分别降低了5.07℃和4.62 J/g。说明加酶处理可以脱除薏米的部分淀粉，并改变淀粉的结构和性质。

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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

福建省科技厅公益类科研院所基本科研专项（2014R1017-4；2014R1017-1；2014R1017-2）

郑斌（1986—），男（汉），硕士研究生，研究方向：食品保鲜及加工。

陆烝（1975—），男（汉），高级工程师。

2015-06-08