超声波-酶法制备紫甘薯营养液研究

2010-10-19涂雪令卢晓黎

食品科学 2010年18期

关键词：清液紫薯甘薯

涂雪令，吕芬，邓冕，卢晓黎*

(四川大学轻纺与食品学院食品工程系，四川成都 610065)

超声波-酶法制备紫甘薯营养液研究

涂雪令，吕芬，邓冕，卢晓黎*

(四川大学轻纺与食品学院食品工程系，四川成都 610065)

以福薯13为原料，研究超声波-酶法制备紫甘薯营养液工艺条件。以紫甘薯营养液营养成分综合保全率为评价指标，通过正交试验和Box-Behnken试验方法分别对超声波和酶解工艺进行参数优化。超声波处理工艺参数优化结果为超声波功率65W、温度50℃、时间25min、料液比1:70(g/mL)，离心分离得到清液和沉淀物。以此沉淀物为处理对象进行酶解，优化得到酶解工艺参数为蛋白酶质量分数1.5%、纤维素酶质量分数1.5%、酶解pH4.3、酶解温度48℃、酶解时间65min、料液比1:16(g/mL)。离心分离后再次得到清液。将两次得到的清液混合则制得紫甘薯营养液，经测定其营养成分综合保全率为82.26%，即保存了新鲜紫甘薯中82.26%的特征营养成分。

紫甘薯；营养液；超声波-酶法

Abstract：A process route based on ultrasonic treatment and double-enzyme (cellulase and acidic protease) hydrolysis was designed for the preparation of a nutrient solution with purple sweet potato Fushu 13 as the raw material. To maximize the comprehensive preservation rate of nutrients, which was designated following analytic hierarchy process (AHP) and weighted average methods, orthogonal array design and Box-Behnken experimental design combined with response surface methodology were employed to optimize key process parameters for ultrasonic treatment and double-enzyme hydrolysis, respectively. The optimal ultrasonic treatment parameters were found as follows:ultrasonic power 65 W; extraction temperature 50 ℃; length of extraction time 25 min; and solid/liquid ratio 1:70. The optimal conditions for the enzymatic hydrolysis of the centrifugal precipitate of purple sweet potato after ultrasonic treatment were as follows:acidic protease amount 1.5%; cellulase amount 1.5%; pH 4.3;hydrolysis temperature 48 ℃; hydrolysis duration 65 min; and solid/liquid ratio (g/mL) 1:16. The resultant hydrolysate was centrifugated and the supernntant was then harvested and pooled with the centrifugal supernatant of purple sweet potato after ultrasonic treatment. Finally, a purple sweet potato based nutrient solution was obtained. Its comprehensive preservation rate of nutrients was measured to be 82.26%, namely 82.26% of the main nutrients in fresh purple sweet potato are preserved.

Key words：purple sweet potato；nutrient solution；ultrasonic treatment coupled with enzymatic hydrolysis

紫甘薯含有丰富的花青素、糖蛋白、脂多糖、脱氢表雄酮以及矿物质、维生素、膳食纤维等多种营养成分，具有抗氧化、抗肿瘤、清除自由基、预防心血管疾病、预防糖尿病等保健功能[1]，受到国内外食品研究领域专家、学者的广泛关注。超声波提取技术是利用其产生的空化作用、机械振动等效应加大提取过程的传质效率，使细胞组织中的营养成分迅速释放，以提高营养物质的提取效率[2]，具有操作简便、温度低、效率高、提取物结构不易被破坏等特点，已广泛用于天然植物有效成分提取[3-4]。本实验以福薯13为原料，研究超声波-酶法制备紫甘薯营养液(简称紫薯液)的工艺条件，旨在为紫薯液的制备研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂与仪器

福薯13(其营养成分见表1) 四川省农业科学院；酸性蛋白酶(酶活20000U/g) 武汉生发生物科技有限公司；纤维素酶(酶活10000U/g) 肇东市日成酶制剂有限公司。

KH2200B超声波处理器昆山禾创超声仪器有限公司；LC-10A高效液相色谱岛津分析仪器有限公司；TU-1800PC型紫外-可见分光光度计北京普析通用仪器有限责任公司；实验室其他常用仪器。

表1 福薯13营养成分Table 1 Nutrient composition of purple sweet potato Fushu 13

表2 操作方法Table 2 Details of process steps for the preparation of purple sweet potato based nutrient solution

1.2 紫薯液制备工艺及操作方法

紫薯液制备工艺的具体操作方法见表2。

1.3 评价指标

以紫薯液综合保全率为综合评价值，综合评价值通过层次分析法(AHP)和加权平均法确定[5-8]。

以花青素保全率F1、可溶性蛋白质保全率F2、游离氨基酸保全率F3、可溶性膳食纤维保全率F4、有机酸保全率F5及脱氢表雄酮保全率F6作为独立指标，通过AHP构造判断矩阵确定上述各独立指标的权重系数，判断矩阵为：

表3为标度比率，其中每一个值代表每两个独立指标之间的重要性比较。根据表3的标度和评定小组成员评价意见得到量化判断矩阵，结果为：

表3 AHP 1～9标度比率[6]Table 3 Assigned values for relative importance rates in AHP

通过量化矩阵B的特征向量计算及特征向量标准化得到各独立指标的权重系数分别为0.2647、0.0881、0.0773、0.1261、0.0563、0.3874，特征向量对应的近似最大特征值λmax=6.2548。通过随即一致性指标CR进行一致性检验[5]，计算得到CR=0.0411＜0.1，即一致性检验合格，评判合理。

通过各指标与其对应权重相乘再加和，得出紫薯液营养成分综合保全率计算公式为：

式中：N为综合保全率/%；F1为花青素保全率/%；F2为可溶性蛋白质保全率/%；F3为游离氨基酸保全率/%；F4为可溶性膳食纤维保全率/%；F5为有机酸保全率/%；F6为脱氢表雄酮保全率/%。

1.4 指标测定方法

可溶性膳食纤维含量按GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纤维的测定》中规定测定。可溶性蛋白含量采用双缩脲法(Biuret法)[9]测定。花青素含量采用示差法测定[10-11]。脱氢表雄酮含量采用高效液相色谱法(HPLC)测定[12]，检测条件：检测波长215nm；柱子：C18柱；流动相：甲醇:水=8:2(V/V)；柱温室温；流速0.6mL/min；进样量10μL。有机酸含量采用滴定法测定[9]。游离氨基酸含量采用茚三酮显色法测定[9]，其中氨基酸标准曲线见图1。

图1 氨基酸标准曲线Fig.1 Standard curve for quantifying free amino acids

1.5 超声波处理工艺优化

1.5.1 单因素试验

主要研究超声波功率、温度、时间、料液比等因素对紫薯液营养成分综合保全率的影响，具体水平见表4。

表4 单因素水平表Table 4 Factors and levels in the single factor design for optimizing ultrasonic treatment

1.5.2 正交试验

在单因素试验基础上，采用L9(34)正交表进行正交试验，试验因素水平见表5。

表5 正交试验因素水平表Table 5 Factors and levels in the orthogonal array design for optimizing ultrasonic treatment

1.6 酶解工艺试验设计

在酶解工序中，酶解对象是一次离心分离所得到的沉淀物，其主要营养成分见表6。

表6 沉淀物中主要营养成分Table 6 Major nutrients in the centrifugal precipitate of purple sweet potato after ultrasonic treatment

试验中采用Box-Benhnken试验方法[13-16]研究蛋白酶质量分数、纤维素酶质量分数、酶解pH值、酶解温度、酶解时间及料液比6个因素对所得清液营养成分综合保全率的影响。根据Box-Benhnken中心组合试验设计原则，将上述6个影响因素分别以X1、X2、X3、X4、X5、X6表示，每个自变量按上水平、零水平、下水平3个水平设计，分别以－1、0、1进行编码，其因素水平及编码见表7。

表7 Box-Benhnken试验因素水平编码Table 7 Factors and levels in the Box-Benhnken experimental design for optimizing double-enzyme hydrolysis

2 结果与分析

2.1 超声波处理工艺参数优化结果与分析

2.1.1 单因素试验

图2 各单因素对综合保全率的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power, temperature, ultrasonic treatment and solid/liquid ratio on the comprehensive preservation rate of nutrients

由图2(A)可知，随着超声波功率的增大，紫薯液综合保全率逐渐增大，当功率为60W时综合保全率达到最高值，这是因为随着功率的增大，超声波所产生的空化作用和机械振动等效应增强，促使更多的营养物质释放并扩散至溶剂中。但在超声波功率超过60W后，综合保全率有所下降，这可能是由于功率过大，超声处理时瞬间热效应过于明显，使得淀粉糊化阻碍了营养物质的溶出。由图2(B)可知，处理温度在50℃时综合保全率趋于最大，温度高于50℃后综合保全率呈下降趋势，这是因为高温下淀粉易发生糊化，从而影响营养物质的溶出，另外高温下紫甘薯中热敏性成分遭到破坏也造成综合保全率的下降。由图2(C)可知，综合保全率随时间的延长而提高，当超过25min后，综合保全率趋于常量。对于一定质量的物料而言，溶剂用量增加时，物料与溶剂接触界面处的浓度差增加，传质速率提高，提取率增大。由图2(D)可知，当料液比为1:80(g/mL)时综合保全率达到最大值。

2.1.2 正交试验

根据单因素试验结果优选出各因素水平(如1.5.2节中表5所示)进行L9(34)正交试验，其结果见表8。

表8 正交试验设计及结果Table 8 Arrangement and experimental results of the orthogonal array design for optimizing ultrasonic treatment

由表8极差(R)大小可以看出，超声波处理过程中各因素对综合保全率影响的主次顺序为B＞C＞A＞D，即温度＞时间＞超声波功率＞料液比。由指标均值可优化出超声波处理工艺参数为A3B2C2D1，即超声波功率65W、温度50℃、时间25min、料液比1:70(g/mL)。此条件下，所得清液的综合保全率为41.03%。

2.2 酶解工艺参数优化结果与分析

根据Box-Benhnken试验方法及因素水平表7得到酶解工艺试验设计及结果，见表9。

分析图3和表10可知，酶解过程中各因素对紫薯液综合保全率影响的主次顺序为蛋白酶质量分数≈纤维素酶质量分数＞酶解温度＞酶解时间＞酶解pH值＞料液比。根据表10的二次回归模型参数分析结果，得到以蛋白酶质量分数、纤维素酶质量分数、酶解温度、酶解时间、酶解pH值、料液比等参数为变量，综合保全率为响应值的二次回归模型为：

模型相关系数R2为92.76%，说明回归模型对实验数据拟合程度较高，因此可用此模型对实验进行分析预测。

图3 各因素与响应值的关系Fig.3 Relationship between reaponse value and affecting factors

通过SAS软件对上述模型进行岭迹分析，得到方程最大稳定点，稳定点处各因素水平值为蛋白酶质量分数1.5%、纤维素酶质量分数1.5%、酶解pH4.3、酶解温度48℃、酶解时间65min、料液比1:16(g/mL)，通过模型计算此处综合保全率预测值为90.18%。在此条件下进行验证实验，酶解所得清液的营养成分综合保全率为89.78%，与预测值吻合程度较高。

2.3 紫薯液营养成分综合保全率测定结果

将两次离心分离得到的清液混合则制得紫薯液。对紫薯液营养成分保全率进行测定得到：花青素保全率97.38%、可溶性蛋白保全率86.45%、游离氨基酸保全率150.18%、有机酸保全率86.12%、脱氢表雄酮保全率63.62%、可溶性膳食纤维保全率61.58%。将以上测定结果代入紫薯液营养成分综合保全率计算公式，计算得到紫薯液营养成分综合保全率为82.26%。

表9 酶解工艺试验设计及结果Table 9 Arrangement and experimental results of the Box-Benhnken experimental design for optimizing double-enzyme hydrolysis

表10 酶解工艺优化二次回归模型参数Table 10 Significance test for each regression coefficient of the developed quadratic regression model with the comprehensive preservation rate of nutrients as a function

3 结论

以福薯13为原料，以紫甘薯营养液营养成分综合保全率为评价指标，通过正交试验和Box-Behnken试验方法分别对超声波和酶解过程进行优化得到以下结果：

3.1 超声波处理过程中各因素对综合保全率影响的主次顺序：温度＞时间＞超声波功率＞料液比。酶解过程中各因素对综合保全率影响的主次顺序：蛋白酶质量分数≈纤维素酶质量分数＞酶解温度＞酶解时间＞酶解pH值＞料液比。

3.2 超声波处理工艺参数优化结果为超声波功率65W、温度50℃、时间25min、料液比1:70(g/mL)，离心分离得到清液和沉淀物。以此沉淀物为对象进行酶解处理，优化得到酶解工艺参数为蛋白酶质量分数1.5%、纤维素酶质量分数1.5%、酶解pH4.3、酶解温度48℃、酶解时间65min、料液比1:16(g/mL)，离心分离后再次得到清液。将两次得到的清液混合则制得紫薯液，经测定其营养成分综合保全率为82.26%，即保存了新鲜紫薯中82.26%的特征营养成分。

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Ultrasonic Treatment Coupled with Enzymatic Hydrolysis for Preparing Purple Sweet Potato Based Nutrient Solution

TS210.4

1002-6630(2010)18-0182-06