马铃薯淀粉制备高果糖浆工艺优化及品质评价

张 敏，马 添，彭彰文，叶尔木哈买提·塔木，余兆硕，麻成金，2

（1.吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南吉首416000；2.吉首大学食品科学研究所，湖南吉首416000）

马铃薯淀粉制备高果糖浆工艺优化及品质评价

张 敏1，马 添1，彭彰文1，叶尔木哈买提·塔木1，余兆硕1，*麻成金1，2

（1.吉首大学植物资源保护与利用湖南省高校重点实验室，湖南吉首416000；2.吉首大学食品科学研究所，湖南吉首416000）

以马铃薯淀粉为原料，研究马铃薯淀粉制备高果糖浆工艺关键技术。采用单因素试验结合正交试验优化设计多酶体系下马铃薯淀粉水解后的糖化液，得其DE值高达96.32%；结合响应面中心组合试验（CCD）对精制后的糖化液进行果糖异构化工艺优化处理，优化参数为异构酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，异构温度74℃，异构时间40 h；且异构化所得果糖含量的实测值为37.51%，与理论值的相对误差为1.49%，差异不显著。精制所得的高果糖浆甜味柔和，接近F42型高果糖浆产品要求。

马铃薯淀粉；多酶体系；淀粉水解；葡萄糖异构化

高果糖浆（High-fructose syrup）口感纯正、吸湿与保潮性好，是高甜度的淀粉糖，可以补充蔗糖供应量的不足，供糖尿病患者食用。高果糖浆因其具有以上独特的性能，被消费者所喜爱，已在食品饮料、糖果、日常生活中广泛应用[1]。据有关研究显示，葡萄糖作为制备高果糖浆的主要原料，可由淀粉转化；马铃薯的块茎淀粉含量丰富且产量大，是一种营养成分较全面的食物资源，因此可利用马铃薯淀粉来制备高果糖浆。

目前，高果糖浆的生产原料多以玉米淀粉为主，也有以碎米、小麦粗淀粉[2-3]为原料利用葡萄糖异构酶生产高果糖浆的报道，而以马铃薯淀粉为原料的研究报道则较少。同时，当前国内外对马铃薯淀粉加工的报道主要集中在马铃薯淀粉的提取[4]和马铃薯淀粉改性研究领域[5]，因此以马铃薯淀粉为原料来开发高果糖浆具有创新性，有利于提高马铃薯的附加价值，推动马铃薯深加工行业的发展，对我国农产品加工发展具有深刻意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

马铃薯淀粉，吉首市农贸市场所售，经测定淀粉含量达90.94%左右；中温α-淀粉酶（30 000 U/g），江苏锐阳生物有限公司提供；复合糖化酶（糖化酶与普鲁兰酶复配，10×104U/g，500 U/g），福大百特生物科技有限公司提供；葡萄糖异构酶（实测2 893 U/g）浙江绿州生物有限公司提供；葡萄糖、果糖、柠檬酸等，均为市售食用级，符合国家食品卫生标准和食品添加剂标准；氢氧化钠、碳酸氢钠、亚硫酸钠、磷酸氢二钠、十二水合磷酸二氢钠、七水合硫酸镁、七水合硫酸钴、半胱氨酸盐酸盐、咔唑、无水乙醇、浓硫酸，均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HH-2型数显恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司产品；WYT型手持糖度计，成都光学厂产品；FA2004型电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司产品；RE-85Z型旋转蒸发器，上海青浦沪西仪器厂产品；UV-2450型紫外-可见分光光度计，岛津企业管理有限公司产品；DDSJ-308A型电导率仪、精密pH计，上海精密仪器仪表有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 马铃薯预处理

将洗净去皮的马铃薯进行切分后粉碎，冰箱保存备用。

1.3.2 工艺流程

马铃薯淀粉→调浆、护色→糊化→淀粉水解→活性炭脱色→抽滤→离子交换→初浓缩→异构化→脱色离子交换→再浓缩→马铃薯淀粉高果糖浆成品。

1.3.3 操作要点及工艺优化

（1）马铃薯淀粉多酶协同水解。在体系中加入0.1%无水氯化钙、中温α-淀粉酶与糖化酶，水解过程中通过调节不同因素间作用来调节水解效果。在多酶体系中，前期淀粉液化程度过高或过低都不适合后续的糖化过程，不利于糖化酶与底物生成络合结构，影响催化效率[6]。而其体系协同作用本质，即中温α-淀粉酶为糖化酶不断提供新的非还原末端，提高了糖化酶的底物浓度，同时糖化酶不断消耗中温α-淀粉酶的产物，因此双酶酶解体系对淀粉水解效率明显优于单酶体系[7]。

（2）糖化液精制。用真空泵对水解液抽滤3遍，除去可见的不溶杂质。将糖化液连续2遍通过D311型大孔丙烯酸系弱碱性阴离子交换树脂和701型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂串联的树脂组柱，以除去糖液中的灰分、有机杂质和有色物质等杂质。测定精制后的DE值。

（3）糖化液异构化。在精制除杂后的糖化液中通过添加葡萄糖异构酶，使其中一部分葡萄糖转化为果糖，由于葡萄糖异构为果糖是可逆反应，当异构反应达到平衡时，果糖和葡萄糖含量最高可达1∶1。

1.3.4 优化马铃薯淀粉水解工艺条件参数

利用多酶体系水解相较于单酶体系效率更高的优点，对马铃薯淀粉水解工艺条件参数进行优化。在单因素试验中，以酶量比例（中温α-淀粉酶与复合糖化酶之比）、水解时间、水解温度、水解pH值为考查因子，以DE值为评价指标进行L9（34）正交试验，确定最佳工艺条件。

1.3.5 异构化单因素试验

以果糖含量（占干物质）作为异构化效果评价指标，在其他条件相同的情况下，分别以异构酶用量（0，2，4，6，8 mg/g）、溶液pH值（6.5，7.0，7.5，8.0，8.5）、异构温度（55，60，65，70，75℃），异构时间（30，35，40，45，50 h）为考查因素，对精制后的糖化液进行单因素试验。每个试验重复2次，取其平均值。初始试验条件为异构酶用量4 mg/g，溶液pH值7.5，异构温度65℃，异构时间40 h。

1.3.6 优化试验

在单因素试验中，以果糖含量为异构化效果评价指标，以异构酶用量、溶液pH值、异构温度为考查因素进行响应面中心组合试验（CCD），以得到较优参数。

1.3.7 马铃薯果葡糖浆品质评价

对所制作的成品进行品质评价，根据GB/T 20882—2007（果葡糖浆）所要求相关指标分别进行感官评价和理化指标的测定，并根据其所规定的要求分析成品是否达标，以此研究其市场推广价值。

1.3.8 测定方法

干物质，采用折光法测定；果糖含量（占干物质），采用半胱氨酸-咔唑法测定；pH值，采用pH计测定；色度（RBU），采用分光光度计法；透射比；分光光度计法测定；不溶性颗粒物（mg/kg），采用抽滤法测定。

淀粉水解液中葡萄糖含量，采用DNS法测定（标准曲线：Y=1.087 1X+0.014 4，R2=0.999 3）；DE值，按照糖液中还原糖（以葡萄糖计）占干物质百分率的方法测定，计算公式为：

2 结果与分析

2.1 优化糖化液的水解工艺参数

在单因素试验基础上，经正交试验得出优化后的参数为水解温度70℃，水解pH值4.5，酶量比例80∶120，水解时间24 h。在此优化工艺条件下进行3次验证试验，马铃薯淀粉水解转化率DE值平均值高达96.32%。

2.2 单因素试验

2.2.1 异构酶用量对异构化效果的影响

异构酶用量对异构化效果的影响见图1。

由图1可知，随着异构酶用量加大，果糖含量增加趋势明显。当异构酶用量为8 mg/g时，达到果糖含量最高值；而当异构酶用量超过8 mg/g后，果糖含量反而降低，这可能是因为异构酶用量趋于饱和，异构酶用量的增加量对其影响减弱。综合考虑，选择异构酶用量6 mg/g作为优选因素。

2.2.2 溶液pH值对异构化效果的影响

溶液pH值对异构化效果的影响见图2。

图1 异构酶用量对异构化效果的影响

图2 溶液pH值对异构化效果的影响

由图2可知，在溶液pH值为7.5时，果糖含量达到最高；之后果糖含量随溶液pH值上升而下降；但溶液pH值大于8.0后，果糖含量下降不明显。这可能是由于在碱性条件下，葡萄糖烯醇化反应的进行弥补了异构酶活力下降的异构效果。综合考虑，溶液pH值7.5时，该因素条件最佳。

2.2.3 异构温度对异构化效果的影响

异构温度对异构化效果的影响见图3。

图3 异构温度对异构化效果的影响

由图3可知，当异构温度为70℃时，果糖含量达到最高；超过70℃后，果糖含量降低。因为异构温度过高会影响异构酶的活性，所以应该考虑最适异构温度，以防对异构酶产生抑制作用又不符合经济要求。

2.2.4 异构时间对异构化效果的影响

异构时间对异构化效果的影响见图4。

由图4可知，随着异构时间的增加，异构化效果越来越好。这是由于异构时间越长，异构反应越趋近于葡萄糖与果糖1∶1的平衡态，且葡萄糖异构酶为专一性酶，其反应不可逆。当异构44 h时，果糖含量最高。当异构时间为40 h和44 h时，果糖含量差别并不大，为了效率方面问题，决定以40 h为异构时间标准，将不进行响应面因素考虑。

2.3 葡萄糖异构化优化试验

2.3.1 响应面法优化试验结果与分析

综合以上单因素试验结果，以果糖含量Y为响应值，异构酶用量（A）、溶液pH值（B）、异构温度（C）为自变量，进行中心组合试验及响应面分析。

中心组合试验因素与水平设计见表1，中心组合响应面试验设计及试验结果见表2。

图4 异构时间对异构化效果的影响

表1 中心组合试验因素与水平设计

表2 中心组合响应面试验设计及试验结果

对表2中试验数据进行多元回归拟合，得二次多元回归模型方程为：

2.3.2 优化工艺模型方差分析及其显著性检验

模型方差分析结果见表3。

表3 模型方差分析结果

由表3可知，该模型极显著（p＜0.000 1），相关系数R2=0.970 6，模型调整确定系数R2Adj=0.944 2；失拟项不显著（p＞0.05），说明试验所得二次回归方程高度显著，该模型对试验数据能进行较好的拟合，能很好地对响应值进行预测。试验因子对果糖含量的影响顺序可为溶液pH值（B）＞异构温度（C）＞异构酶用量（A）。舍弃不显著的试验因子，拟合公式可简化为：

2.3.3 响应曲面分析和参数优化

利用软件Design Expert 8.0.6对果糖含量影响较显著的3个交互因子进行三维响应面分析，响应曲面的陡度及等高线与坐标轴交点个数能在一定程度上反映试验因子对响应值的影响大小。

A，B因素交互作用的响应面及等高线见图5。

由图5可知，异构酶用量与溶液pH值交互作用显著，在异构酶用量一定时，果糖含量随溶液pH值的增加而先增加后减少；在异构酶用量不断增加时，果糖含量增加较多；当异构酶用量过多且溶液pH值过大时，果糖含量反而降低。

A，C因素交互作用的响应面及等高线见图6。

由图6可知，随异构温度和异构酶用量的增加，果糖含量呈现先明显增大、后缓慢下降的趋势。

B，C因素交互作用的响应面及等高线见图7。

由图7可知，溶液pH值与异构温度交互作用极显著，在溶液pH值一定时，果糖含量随异构温度的增加而缓慢增加后减少；当异构温度一定时也是如此。

通过Design Expert 8.0.6软件响应面优化得最佳工艺为异构酶用量6.53 mg/g，溶液pH值7.23，异构温度74.44℃，异构时间40 h。实际操作时可将工艺参数调整为异构酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，异构温度74℃，异构时间40 h。

为检验响应面法的可靠性，采用上述异构优化参数，开展3组平行验证试验，异构化所得果糖含量的实测值为37.51%±0.76%。理论值36.95%与实测值的相对误差为1.49%，通过t检验（p=0.95，f=2）差异不显著。因此，采用响应面法优化的葡萄糖异构化条件的参数准确可靠，具有实用价值。

图5 A，B因素交互作用的响应面及等高线

图6 A，C因素交互作用的响应面及等高线

图7 B，C因素交互作用的响应面及等高线

2.4 马铃薯淀粉高果糖浆品质评价

2.4.1 感官指标测定

所得糖浆为无色或浅黄色、透明黏稠液体，甜味柔和，具有高果糖浆特有的香气，无异味，无正常视力可见杂质。

2.4.2 理化指标测定

马铃薯淀粉高果糖浆理化指标测定见表4。

表4 马铃薯淀粉高果糖浆理化指标测定

2.4.3 综合评价

以马铃薯淀粉为原料，优化工艺所得到的果糖浆较为接近F42型高果糖浆产品要求。

3 结论

在前期对马铃薯水解优化处理进行分析后可以得出：在多酶体系下，水解马铃薯淀粉效果显著；在此设计多酶体系情况下的优化水解参数为水解温度70℃，水解pH值4.5，酶量比例80∶120，水解时间24 h；其马铃薯淀粉水解转化率DE平均值高达96.32%。

通过对马铃薯淀粉进行响应面设计优化葡萄糖异构化工艺，得到葡萄糖异构参数为异构酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，异构温度74℃，异构时间40 h，最终得到果糖含量为37.51%的高果糖浆高品质成品，但成品的果糖含量尚未达到F42型高果糖浆产品要求，这可能是与葡萄糖异构酶活力有关，还需进一步使用酶活更高的葡萄糖异构酶，开展提高果糖含量的相关研究，为后续果糖分离、研发结晶果糖工艺打下基础。

[1]杨亚伦，郭燕枝，孙君茂.我国马铃薯产业发展现状及未来展望[J].中国农业科技导报，2017，19（1）：29-36.

[2]吴瑶，曹龙奎.碎米淀粉制备果葡糖浆工艺优化[J].农产品加工（学刊），2013（7）：31-35.

[3]亢潘潘，胡秋林.响应曲面法优化小麦淀粉制备麦芽糖浆糖化工艺的研究[J].武汉工业学院学报，2012，31（2）：6-9.

[4]王大为，刘鸿铖，宋春春.超声波辅助提取马铃薯淀粉及其特性的分析[J].食品科学，2013，34（16）：17-22.

[5]刘文娟，何绍凯，曹余，等.马铃薯淀粉及其7种变性淀粉糊液特性的比较研究[J].中国食品添加剂，2015，12（6）：60-64.

[6]黄群，肖文军，孙术国，等.α-淀粉酶和糖化酶协同酶解葛根淀粉动力学研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2011，39（7）：147-152.

[7]李玉芹，袁正求，冯岳，等.α-淀粉酶和糖化酶协同酶解马铃薯淀粉的工艺条件优化[J].食品科学，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

吉首大学食品与生物类专业大学生创新训练中心资助项目（JDCX2015-03）。

张敏（1996—），女，在读本科，研究方向为食物资源研究与利用。

*通讯作者：麻成金（1963—），男，硕士，教授，研究方向为食物资源研究与利用。