响应面法优化糯玉米汁酶解工艺

尹佳

吉林化工学院生物与食品工程学院（吉林 132022）

玉米含大量纤维素、碳水化合物，富含蛋白质、脂肪、氨基酸、多种维生素、矿物质等，并有良好的药用价值[1]。但是在中国由于玉米口感及传统谷类食物的影响，玉米作为食用的功能并不明显，一般只作为饲料和发酵用工业原料[2]。目前生产的玉米主要作为饲料（70%～80%），其次为食用（10%～15%）和作为工业原料（10%～15%），在中国其比例分别为74%，15%和11%[3]。糯玉米又称蜡质玉米、黏玉米。其特点主要是籽粒胚乳中的支链淀粉含量几乎达到100%（普通玉米籽粒中淀粉约72%是支链淀粉，其余为直链淀粉）[4]。

谷物饮料的发展有利于现代社会高速化的生活和均衡营养，符合饮料的发展趋势和消费趋势[5]。对玉米汁饮料的研究主要集中于甜、糯玉米清汁及浑浊汁饮料方面，重点研究生产工艺、风味调配及产品质量控制。就国内外一些有关糯玉米汁稳定性、风味调配的研究[2-6]进行试验设计及优化。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

糯玉米；中温α-淀粉酶；中性蛋白酶。

1.2 仪器与设备

YP 600电子天平（天津天马衡基仪器有限公司）；DDL-5 M 4 000 r/min离心机（济南博鑫生物技术有限公司）；HWS 24电热恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）；UV-1800 PC紫外分光光度计（上海美谱达仪器有限公司）；BM 253榨汁机（广东美的家用电器集团）。

1.3 测定方法

1.3.1 悬浮稳定性的测定[7]

采用分光光度计法，每次取10 mL糯玉米汁样品，在4 200×g离心力下离心20 min，以蒸馏水作参比，测得上清液在660 nm处的吸光度，其值表示悬浮稳定性大小。

1.3.2 褐变指数的测定[8]

每次取10 mL糯玉米汁样品，加入等量的95%乙醇，在4 200×g离心力下离心20 min，以蒸馏水作参比，测得上清液在420 nm处的吸光度，其值表示褐变指数大小。

1.3.3 综合指标的测定

糯玉米汁的悬浮稳定性越高，褐变指数越低，质量越好[9]。这些指标的变化趋势不一致，利用线性型功效系数法将悬浮稳定性、褐变指数进行指标函数统一量纲，令：

式中：Yimax与Yimin（i=1, 2）为试验中各指标的最大值与最小值。将2个响应值（悬浮稳定性、褐变指数）各自赋予主观权重：a=0.7；b=0.3。

综合指标计算公式为：

1.4 工艺流程及操作要点

糯玉米→打浆、过胶体磨→糊化（80 ℃，20 min）→酶解→灭酶（90 ℃，10 min）→调配→均质→灌装→杀菌→成品

将解冻清洗后的糯玉米籽粒，加水打浆，经过滤加热至80 ℃保温20 min糊化。向糊化液中加入中温α-淀粉酶和中性蛋白酶进行酶解，测定悬浮稳定性和褐变指数。酶解后，升温至90 ℃，保温10 min灭酶。按配方要求加入各种原辅料，搅拌均匀，在一定条件下均质。将均质后的料液趁热脱气灌装，封口杀菌。

1.5 单因素试验

采用单因素试验考察中温α-淀粉酶和中性蛋白酶的加酶量和酶解温度对糯玉米汁悬浮稳定性和褐变指数的影响。根据单因素试验结果进行响应面分析法优化糯玉米汁酶解工艺。

表1 单因素试验因素与水平的设计

2 结果与分析

2.1 中温α-淀粉酶对糯玉米汁品质的影响

2.1.1 淀粉酶用量对糯玉米汁品质的影响

添加一定量的中温α-淀粉酶在55 ℃条件下酶解40 min，比较不同酶用量对糯玉米汁品质的影响。由图1（a）可知，悬浮稳定性低浓度时呈逐渐上升趋势，用量达到0.15%后基本趋于稳定。这是因为淀粉颗粒在中温α-淀粉酶作用下发生水解，形成可溶性小分子物质，而当酶浓度大于底物浓度时，酶的作用受到抑制。此外，褐变指数随中温α-淀粉酶用量的增加呈先下降后上升的趋势，这可能是由于酶解初期酶浓度较低，水解不完全，随着浓度增加，达到015%后，酶与底物刚好反应完全，此时褐变最小，而继续升高酶浓度后，过多的酶使体系发生美拉德反应而增加褐变程度[10]。

2.1.2 淀粉酶温度对糯玉米汁品质的影响

固定中温α-淀粉酶浓度0.15%，酶解时间40 min，比较不同作用温度对糯玉米汁品质影响。由图1（b）可知，汁液悬浮稳定性随酶解温度的升高呈先上升后下降趋势，在作用温度55 ℃时达最大值（稳定性最高）。原因是较低温度下酶活较低，而高温又易使酶失活[11]。褐变指数随酶解温度的升高呈先下降后上升趋势，在作用温度65 ℃时达最小值。原因是温度的升高使酶失活，导致不能进行酶解而使其淀粉增加，浆液中的淀粉大颗粒因离心而减少，使悬浮物大颗粒减少。

2.2 中性蛋白酶对糯玉米汁品质的影响

2.2.1 蛋白酶添加量对糯玉米汁品质的影响

固定中性蛋白酶在45 ℃酶解40 min条件下，比较不同蛋白酶用量对糯玉米汁品质影响。由图2（a）可知，随中性蛋白酶用量逐渐增加，褐变指数降低，中性蛋白酶用量达到0.30%后趋于稳定。这是由于随着中性蛋白酶浓度增加，水解逐渐趋于平衡，一些蛋白质等大分子物质被分解为氨基酸等小分子颗粒[12]。悬浮稳定性随中性蛋白酶用量增加而上升，说明中性蛋白酶能提高酶解效率。

2.2.2 蛋白酶酶解温度对糯玉米汁品质的影响

固定中性蛋白酶浓度0.30%，酶解时间40 min，比较不同酶解温度对糯玉米汁品质影响。由图2（b）可知，温度为45 ℃时，褐变指数最低，悬浮稳定性最高。原因是玉米汁在此时的酶活力达到最高。

图1 中温α-淀粉酶对糯玉米汁品质的影响

图2 中性蛋白酶对糯玉米汁品质的影响

2.3 响应面法优化酶解工艺条件结果与分析

根据单因素试验结果，采用响应面中心组合设计试验，以中温α-淀粉酶加酶量（A）、中性蛋白酶加酶量（B）、中温α-淀粉酶酶解温度（C）、中性蛋白酶酶解温度（D）为自变量，以糯玉米汁悬浮稳定性和褐变指数的综合指标为响应值，试验因素水平与编码见表2，响应面试验方案及结果见表3。

表2 因素水平编码表

表3 响应面试验方案及结果

通过Design-export 8.0软件进行数据分析，建立多元二次响应面回归模型为：Y=34.07-22.81A-0.97C-25.49B-0.060D+0.33AC+8.11AB+0.27CB-0.015BD+16.37A2+16.48B2。

由表4可看出模型达到极显著（p＜0.01），失拟项不显著（p＞0.05），表明该方程无失拟性因素存在，回归模型与实际值能较好拟合[13]。一次项B表现为显著，二次项B2和C2表现为极显著，说明它们对响应值影响极大。由F检验可以得到影响因素主次排序为：中性蛋白酶加酶量（B）、中温α-淀粉酶加酶量（A）、中性蛋白酶酶解温度（D）、中温α-淀粉酶酶解温度（C）。

表4 方差分析结果

通过Design-export 8.0软件分析，得到响应面及等高线图，等高线的形状可反映交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，圆形则与之相反[14]。由表4可知，试验建立的数学模型AB、AC、AD、BD、CD的交互作用影响较小，只有BC的交互作用影响作用较大，即中性蛋白酶添加量和中温α-淀粉酶作用时间的交互影响较显著，如图3所示。

图3 蛋白酶含量和淀粉酶温度对玉米浆液品质的影响

3 结论

通过研究双酶处理对玉米汁品质的影响，中温α-淀粉酶添加量0.18%，在55.05 ℃条件下酶解40 min对糯玉米汁的酶解效果最佳；通过将淀粉水解为糊精和低聚糖来降低颗粒粒径，结果表明可以显著提高糯玉米汁的悬浮稳定性。当中性蛋白酶浓度为0.30%时，在44.36 ℃下酶解40 min对糯玉米汁的酶解效果最佳；蛋白酶将玉米汁中的蛋白质水解为小肽，褐变指数较低，体系稳定性较好。研究采用中温α-淀粉酶和中性蛋白酶双酶水解糯玉米浆液，制得的糯玉米汁悬浮定性和褐变程度均得到显著改善。