陕南豆薯淀粉浆液液化和糖化的工艺研究

王颖 何强 陈文强 卫永华 张东 陈琰

摘要：以陕南豆薯淀粉浆液为试材，在单因素试验的基础上，采用L9（34）正交试验优化其液化和糖化工艺。结果表明，陕南豆薯淀粉浆液最佳的液化工艺为α-淀粉酶添加量75 U/g，液化pH值5.0，液化时间90 min，液化温度 90 ℃；最佳的糖化工艺为糖化酶添加量200 U/g，糖化pH值4.5，糖化时间120 min，糖化温度60 ℃。在此优化条件下，糖化液的葡萄糖值（DE值）为16.23%。

关键词：豆薯；淀粉；浆液；液化；糖化

中图分类号： TS201.1文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0165-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-09-26

基金项目：陕西省“13115”科技创新工程计划（编号：2008ZDGC-04）。

作者简介：王颖（1994—），女，陕西西安人，硕士研究生，主要从事微生物资源利用开发等研究。E-mail：306104241@qq.com。

通信作者：陈文强，教授，硕士生导师，主要从事微生物资源的保护与利用方面的研究。E-mail：wenqiangc@126.com。

[ZK）]

豆薯（Pachyrhizus erosus）是豆科（Leguminosae）豆薯属（Pachyrhizus）中能形成纺锤形或扁球形块根的一年生或多年生草质藤本植物，喜炎热而降雨较少的气候，原产热带美洲，现分布于热带和亚热带地区，我国长江以南地区普遍栽培，以贵州、四川、湖南、广东、广西、陕南和台湾等地区生产较多[1]。豆薯含钙、铁、锌、铜、磷等人体必需矿质元素，且具有防癌、降血压及降血脂等功效[2-4]。豆薯属高产作物，作为一种重要的经济作物被农民广泛栽种。陕南每年9—11月盛产豆薯，当地俗称“地瓜”，食用部分为肥大的块根。豆薯块根不耐贮藏，易腐烂变质，每年豆薯成熟季节，市场豆薯堆积，腐烂损失严重，农民虽丰产，经济却不能增收。现今利用豆薯加工的产品尚不多见，常见有凉薯酒[5]、豆薯汁果冻[6]、豆薯果脯[7]、豆薯片[8]、豆薯汁饮料[9-11]等。因此，对豆薯进行精深加工具有十分重要的意义。

豆薯富含淀粉，淀粉易被淀粉酶分解成小分子单糖和寡糖，非常適宜作为底物进行发酵产品的生产。但在发酵过程中，微生物无法直接利用淀粉进行发酵，需对豆薯原浆进行液化和糖化处理，因此，本试验以陕南鲜豆薯打浆所得豆薯浆液为原料，研究其液化和糖化的最佳工艺条件，旨在为陕南豆薯发酵制品的生产提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料

豆薯购自陕西汉中丰辉农贸市场，室温下储藏待用。

试剂：葡萄糖、氢氧化钾、乙酸锌、氢氧化钠、硫酸铜、亚铁氰化钾、无水亚硫酸钠、酒石酸钾钠等均为分析纯；次甲基蓝（生物染色试剂，天津市科密欧化学试剂有限公司）；α-淀粉酶（生化试剂，≥3 700 U/g，北京奥博星生物科技有限责任公司）；糖化酶（100 000 U/g，江苏省无锡市雪梅酶制剂科技有限公司）；试验用水为纯化水。

仪器：电子恒温水浴锅（北京光明医疗仪器厂，DZKW-C）；电子天平（北京赛多利斯仪器系统有限公司，ALC-210）；离心机（上海安宁科学仪器厂，GL-20B）；折光仪（奥豪斯国际贸易（上海）有限公司，PR-101）；电子万用炉（天津市中环科技开发公司）；酸式滴定管（北京玻璃集团公司销售分公司）；隔水电热恒温培养箱（上海跃进医疗器械厂，DHS-BS）；旋转蒸发仪（上海申胜生物技术有限公司，R-205）；精密pH计（上海雷诺仪器厂，pHS-3B）。

1.2试验方法

1.2.1工艺流程

[KG14]液化酶

[KG15]↓

豆薯预处理→豆薯渣→调浆→糊化→液化→糖化→灭菌→测定还原糖

[KG5]↑[KG8]↑

[KG7]确定料液比[KG5]糖化酶

1.2.2测定方法

1.2.2.1总糖的测定根据NY/T 2742—2015《水果及制品可溶性糖的测定3，5-二硝基水杨酸比色法》的相关方法测定。

1.2.2.2还原糖的测定根据标准GB/T 5009.7—2003《食品中还原糖的测定》的相关方法测定。

1.2.2.3水分的测定根据标准GB/T 23490—2009《食品水分活度的测定》的相关方法测定。

1.2.2.4DE值的测定DE值是指糖化液中的还原糖含量（以葡萄糖计）占干物质的百分率，又称葡萄糖值。以DE值衡量淀粉水解程度，可以转换为糖化液中淀粉已转化的还原糖（以葡萄糖计）占淀粉含量的百分率。

[JZ]DE值=[SX（]酶解液中还原糖-酶解前还原糖含量淀粉含量[SX）]×100%。

1.2.3液化单因素试验设计

1.2.3.1α-淀粉酶添加量对液化的影响取豆薯原浆5份（约25 mL）于烧杯中，在pH值为6.0、温度为90 ℃、时间为 90 min 的条件下，比较不同α-淀粉酶添加量（25、50、75、100、125 U/g）对液化效果的影响。恒温过程中间隔一定时间对豆薯浆进行搅拌（下同）。

1.2.3.2pH值对液化的影响取豆薯原浆5份于烧杯中，在α-淀粉酶添加量为50 U/g、温度为90 ℃、时间为90 min的条件下，比较不同pH值（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0）对液化效果的影响。

1.2.3.3温度对液化的影响取5份豆薯原浆于烧杯中，在pH值为6.0、α-淀粉酶添加量为50 U/g、时间为90 min的条件下，比较不同温度（80、85、90、95、100 ℃）对液化效果的影响。endprint

1.2.3.4时间对液化的影响取5份豆薯原浆于烧杯中，在pH值为6.0、α-淀粉酶添加量为50 U/g、温度为95 ℃的条件下，比较不同时间（70、80、90、110、120 min）对液化效果的影响。

1.2.4液化正交试验设计在液化单因素试验的基础上，选取α-淀粉酶添加量、温度、pH值、时间这4个因素作为影响豆薯淀粉液化的工艺条件，设计4因素3水平的正交试验，如表1所示。

[FK（W6][HT6H][JZ][WTHZ]表1液化试验L9（34）因素水平[WTBZ][HTSS][STBZ]

[HJ*5][BG（！][BHDFG3，WK3，WK26W]水平[ZB（][BHDWG1*2，WK26W]因素

[BHDWG1*2，WK7，WK5，WK8，WK6W][XXZSX*2-ZSX25*2]A：接种量（U/g）B：pH值C：糖化时间（min）D：温度（℃）[ZB）W]

[BHDG1*2，WK3，WK7，WK5，WK8，WK6W]1255.06090

[BHDW]2506.09095

[BH]3757.0120100[HT][HJ][BG）F][FK）]

1.2.5糖化单因素试验设计

1.2.5.1糖化酶添加量对糖化的影响将液化后的豆薯浆在100 ℃下加热15 min灭酶，冷却至常温（下同）。取5份液化液于烧杯中，在pH值为4.5、温度为60 ℃、时间为90 min的条件下，比较不同糖化酶添加量（100、150、200、250、300 U/g）对糖化效果的影响。

1.2.5.2pH值的对糖化的影响取5份液化液于烧杯中，在糖化酶添加量为200 U/g、温度为55 ℃、时间为90 min的条件下，比较不同pH值（3.5、4.0、4.5、5.0、5.5）对糖化效果的影响。

1.2.5.3温度对糖化的影响取5份液化液于烧杯中，在糖化酶添加量为200 U/g、pH值为4.5、时间为90 min的条件下，比较不同温度（50、55、60、65、70 ℃）对糖化效果的影响。

1.2.5.4时间对糖化的影响取5份液化液于烧杯中，在糖化酶添加量为200 U/g、pH值为4.5、温度为60 ℃的条件下，比较不同时间（30、60、90、120、150 min）对糖化效果的影响。

1.2.6糖化正交试验设计在糖化单因素试验的基础上，选取糖化酶添加量、温度、pH值、时间这4个因素作为影响豆薯淀粉糖化的工艺条件，设计4因素3水平的正交试验，如表2所示。

2结果与分析

2.1液化的单因素试验

2.1.1α-淀粉酶添加量对液化的影响在pH值为6.0、温度为90 ℃、时间为90 min的条件下进行α-淀粉酶添加量（25、50、75、100、125 U/g）梯度試验，结果见图1。

由图1可知，随着α-淀粉酶添加量增加，DE值迅速升高；但当加酶量大于50 U/g时，DE值基本趋于稳定。这是由于加酶量小于50 U/g时，底物质量浓度大于淀粉酶的质量浓度，反应速率受加酶量的影响较大，DE值随着加酶量的增加而快速增大；加酶量大于50 U/g时，随着酶质量浓度逐渐升高，一部分酶分子没有机会和底物接触，致使水解液DE值基本不再变化。考虑到成本因素，因此，最佳的α-淀粉酶添加量为50 U/g。

2.1.2pH值对液化的影响在α-淀粉酶添加量为 50 U/g、温度为90 ℃、时间为90 min的条件下进行液化pH值（5.0、5.5、6.0、6.5、7.0）梯度试验，结果见图2。

[FK（W11][TPWY22.tif][FK）]

由图2可知，DE值随着pH值的增大先升高后降低，pH值在6.0达到最高。因为酶的活性部分一般含重要的酸性或碱性基团，不同pH值环境下酶的活性部分处于不同的离解状态，从而影响酶分子的构象以及酶与底物的结合力和催化能力[12-13]。因此，最佳的液化pH值为6.0。

2.1.3温度对液化的影响在α-淀粉酶添加量为50 U/g、pH值为6.0、时间为90 min的条件下进行液化温度（80、85、90、95、100 ℃）梯度试验，结果见图3。

由图3可知，DE值随着温度的升高先升高后降低，温度为90 ℃时DE值最高，达到7.52%。液化温度同时影响化学反应速率和酶的活性，当温度小于90 ℃时，随着温度的升高，

[FK（W11][TPWY33.tif][FK）]

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90 ℃时，随着温度的继续升高，耐高温α-淀粉酶变性失活，液化反应速率迅速下降。同时作用温度越高，还原糖与氨基酸越容易发生氨基糖反应，还原糖之间也会发生焦糖化反应，造成糖分的直接损失[14]。因此，最佳的液化温度为90 ℃。

2.1.4时间对液化的影响在α-淀粉酶添加量为50 U/g、pH值为6.0、温度为95 ℃的条件下进行液化时间（70、80、90、110、120 min）梯度试验，结果见图4。

[FK（W11][TPWY44.tif][FK）]

由图4可知，随着液化时间的增长，DE值增加，但逐渐趋于缓慢。原因是耐高温α-淀粉酶是一种内切酶，从分子内部开始水解淀粉，且仅能水解α-1，4糖苷键，对α-1，6糖苷键不起作用，但可越过此键，继续水解α-1，4糖苷键。由于淀粉中α-1，6糖苷键的存在，而影响了酶的水解速度，反应开始时速度很快，而后逐渐变缓[15-16]。因此，最佳的液化时间为90 min。

2.2液化正交试验

表3结果表明，各因子的最佳水平组合为A3B1C2D1。极差分析结果表明，各因子对液化影响顺序分别为D>C>B>A。所以，最终确定陕南豆薯浆液液化的最佳工艺为加酶量75 U/g，pH值5.0，液化时间90 min，液化温度90 ℃。endprint

2.3糖化单因素试验

2.3.1糖化酶添加量对糖化的影响在pH值为4.5、温度为60 ℃、时间为90 min的条件下进行糖化酶添加量（100、150、200、250、300 U/g）梯度试验，结果见图5。

由图5可知，糖化酶的添加量在100～200 U/g时，DE值随着酶添加量的增加而增加，当超过200 U/g时，DE值趋于不变。因此，最佳的糖化酶添加量为200 U/g。

2.3.2pH值对糖化的影响在糖化酶添加量为200 U/g、温度为55 ℃、时间为90 min的条件下进行糖化pH值（3.5、40、4.5、5.0、5.5）梯度试验，结果见图6。由图6可知，随着pH值的增大，DE值先升高后降低，pH值为4.5时DE值达到最大，随后迅速下降。原因是糖化酶的最适作用pH值为4.0～4.5，pH值过大或过小都会导致酶蛋白变性，从而影响酶分子与底物分子的结合和催化，最终影响水解速率。因此，最佳的糖化pH值为4.5。

2.3.3温度对糖化的影响在糖化酶添加量为200 U/g、pH值为4.5、时间为90 min的条件下进行糖化温度（50、55、60、65、70 ℃）梯度试验，结果见图7。由图7可知，DE值随着温度的升高而升高，当温度达到60 ℃时达到最高，随后，其含量随着温度的上升而下降。这是由于糖化酶最适温度不超过60 ℃[17]，当温度高于60 ℃时，糖化酶失活，DE值降低。因此，最佳的糖化温度为60 ℃。

2.3.4时间对糖化的影响在糖化酶添加量为200 U/g、pH值为4.5、温度为60 ℃的条件下进行糖化时间（30、60、90、120、150 min）梯度试验，结果见图8。由图8可知，随着糖化时间的增加，DE值也增加，在 120 min 的时候达到最高。这是因为开始时，底物的浓度较高，反应速度受时间的影响较大；随着反应的进行底物浓度逐渐降低，反应速率也随之降低。因此，最佳的糖化时间为 120 min。[FL）]

[FK（W11][TPWY66.tif][FK）]

[FL（2K2]

2.4糖化正交试验

表4结果表明，各因子的最佳水平组合为A1B2C1D2。极差分析结果表明，各因子对糖化影响顺序分别为C>A>D>B。所以，最终确定陕南豆薯浆液糖化的最佳工艺为接种量为200 U/g，pH值为4.5，糖化时间为 120 min，糖化温度为 60 ℃。

3结论

对陕南豆薯淀粉浆液的液化和糖化工艺进行了研究，最佳的液化工艺为α-淀粉酶添加量75 U/g，pH值5.0，液化时间90 min，液化温度90 ℃；最佳的糖化工艺为糖化酶添加量200 U/g，pH值4.5，糖化时间120 min，糖化温度60 ℃。在此条件下，DE值为16.23%。

近年来，对陕南豆薯淀粉浆液液化和糖化的工艺研究报道甚少，刘轲等通过豆薯糖化液制备技术研究发现，其液化和糖化时间分别长达120、240 min，DE值为11.88%[18]。与此相比，陕南豆薯淀粉浆液的液化时间和糖化时间分别缩短30、120 min，且DE值高出4.35%，最终得到的DE值符合果酒[19]、果醋[20]釀造中酒精度和还原糖含量配比的要求。

将豆薯淀粉水解成葡萄糖可供微生物发酵利用，转化成具有较高营养价值的发酵制品，其应用前景十分广阔。豆薯发酵产品的开发，有待进一步研究。

[HS2]参考文献：[HJ1.65mm]

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