甘薯酶解工艺条件优化研究

王新龙 罗红霞 王福海 汪长钢

WANG Xin－long 1 LUO Hong－xia 2 WANG Fu－hai 2 WANG Chang－gang 2

句荣辉2 王 韵3 叶 青1

JU Rong－hui 2 WANG Yun 3 YE Qing 1

（1.江西农业大学，江西 南昌 330045；2.北京农业职业学院，北京 102442；3.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052）

（1.Jiangxi Agricultural University，Nanchang，Jiangxi 330045，China；2.Beijing Vocational College of Agriculture，Beijing 102442，China；3.Xinjiang Agricultural University，Wulumuqi，Xinjiang 830052，China）

中国是世界上甘薯主产国，面积占全球种植面积的60%，产量占世界总产的85%［1，2］。甘薯营养丰富，养分平衡，并且具有维持正常视觉功能、增强免疫、抗突变、抗氧化、抗肿瘤、降血脂、降胆固醇、降血糖等功效，被世界卫生组织（WHO）评选为最佳食品之一［3］。据道报［4］，甘薯在20种抗癌食品中排名首位，被誉为“抗癌之王”。因此，甘薯的营养和保健价值越来越受到社会的重视。

目前甘薯制品种类很多，但发酵型甘薯饮料加工还不多见，由于其还原糖含量仅占3.5%，料液的糖度不足造成发酵型甘薯饮料酸度或酒精度不高，影响口感和产品的价值，目前该问题的解决方法普遍是采用发酵前大量添加蔗糖，但这样大大增加了生产成本［5］。

本研究以北京大兴地区生产的甘薯为原料，采用正交设计法和响应面法对甘薯淀粉的酶解工艺条件进行优化研究，确定甘薯淀粉酶解的最佳工艺参数，并对优化后的结果进行验证，旨在为大规模生产具有营养保健功能的发酵型甘薯饮料提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

甘薯：产于北京大兴区庞各庄镇；

α－淀粉酶：酶活力＞3 700 U／g，北京奥博星生物技术有限责任公司；

糖化酶：酶活力＞105U／g，北京奥博星生物技术有限责任公司；

其他的试剂：均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

电子天平：TIANFU DT－1002A型，常熟市金羊砝码仪器有限公司；

分析天平：CP64C型，美国奥豪斯仪器有限公司；

料理机：Z－510W型，九阳股份有限公司；

数显恒温水浴锅：DK－S24型，金坛市白塔金昌实验仪器厂；

手持折光仪：PAL－α型，上海人和科学仪器有限公司；

p H计：雷磁PHS－3C型，上海精科公司。

1.3 方法

1.3.1 工艺流程

甘薯→除杂→清洗→削皮→蒸煮糊化→打浆→α－淀粉酶水解液化→糖化酶酶解糖化

1.3.2 甘薯液化的单因素试验设计 在预试验基础上，选择蒸煮糊化好的甘薯以质量比1∶1的料水比进行打浆，甘薯料液的p H为6.1。

（1）α－淀粉酶添加量对液化效果的影响：用NaOH调节甘薯料液的p H为6.5，将α－淀粉酶添加量分别设定为0%，0.025%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，在65 ℃的水浴中酶解3 h，然后分别测定其可溶性固形物的含量。

（2）液化温度对液化效果的影响：用NaOH调节甘薯料液的p H 为6.5，添加0.15%的α－淀粉酶，分别在50，55，60，65，70，75℃的水浴中酶解3 h，然后分别测定其可溶性固形物的含量。

（3）起始p H对液化效果的影响：用柠檬酸和NaOH调节甘薯料液的p H 分别为5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，添加0.15%的α－淀粉酶，在65℃的水浴中酶解3 h，然后分别测定其可溶性固形物的含量。

（4）液化时间对液化效果的影响：用NaOH调节甘薯料液的p H为6.5，添加0.15%的α－淀粉酶，在65℃的水浴中分别酶解1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h，然后分别测定其可溶性固形物的含量。

1.3.3 甘薯的α－淀粉酶酶解液化条件的正交试验设计 根据单因素试验结果，以料液中可溶性固形物含量为考核指标，选取3水平进行L9（34）的正交试验。

1.3.4 甘薯糖化的单因素试验设计 以1.3.3所得最佳液化条件进行酶解的甘薯料液为研究对象。

（1）糖化酶添加量对糖化效果的影响：用柠檬酸调节甘薯料液的p H值为4.5，将糖化酶添加量分别设定为0.025%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，在55 ℃的水浴中酶解3 h，然后分别测定其还原糖的含量。

（2）糖化时间对糖化效果的影响：用柠檬酸调节甘薯料液的p H值为4.5，添加0.15%的糖化酶，在55℃的水浴中分别酶解0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h，然后分别测定其还原糖的含量。

（3）起始p H值对糖化效果的影响：用柠檬酸和NaOH调节甘薯料液的p H 值分别为3.5，4.0，4.5，5.0，5.5，6.0，添加0.15%的糖化酶，在55℃的水浴中酶解3 h，然后分别测定其还原糖的含量。

（4）糖化温度对糖化效果的影响：用柠檬酸调节甘薯料液的p H 值为4.5，添加0.15%的糖化酶，分别在45，50，55，60，65，70℃的水浴中酶解3 h，然后分别测定其还原糖的含量。

1.3.5 响应面法优化甘薯料液糖化条件 在单因素试验结果的基础上，以还原糖为考核指标，采用Box－Behnken响应面分析方法对甘薯料液糖化工艺进行优化。

1.4 测定指标与方法

（1）还原糖含量：采用GB／T 5009.7－2008《食品中还原糖的测定》中的直接滴定法；

（2）可溶性固形物的测定：手持折光仪；

（3）p H值：采用p H计直接测定。

2 结果与分析

2.1 甘薯的α－淀粉酶酶解液化试验条件研究

根据单因素试验结果，确定的正交试验因素水平见表1，正交试验方案及结果见表2。

表1 液化条件的正交试验设计Table 1 Orthogonal design of hydrolysis conditions

由表2可知，根据极差R值大小的比较，各因素对酶解液化效果影响的主次顺序为A＞B＞D＞C，即温度对酶解液化甘薯淀粉影响最大，起始p H值的影响最小。α－淀粉酶酶解液化甘薯淀粉的最优组合为A3B3C2D2，但是此组合在9组试验中未出现，需要对此组合进行验证实验。在此最佳组合下，甘薯料液糖度为21.1°Brix，在9组正交试验中最高。故α－淀粉酶酶解液化甘薯淀粉的最佳条件是甘薯与水的质量比为1∶1，液化温度为70℃，液化时间为3 h，起始p H值为6.5、α－淀粉酶添加量为0.15%。

2.2 甘薯料液糖化条件的响应面优化试验研究

在单因素试验结果的基础上，固定糖化时间为3 h，选择加酶量、糖化温度和起始p H值进行响应面试验，以还原糖含量 （Y）为考核指标，采用 Design－Expert软件（Version 7.1.6）设计Box－Behnken响应面设计试验因素水平见表3，试验结果见表4。

表2 α－淀粉酶水解液化条件的正交试验方案及结果Table 2 Orthogonal array design and results for hydrolyzing liquification conditions

表3 Box－Behnken设计因素水平Table 3 Factors and levels of Box－Behnken design

表4 Box－Behnken试验设计及结果Table 4 Box－Behnken experimental design and results

利用软件Design－Expert对表4试验数据进行分析，得到还原糖量对加酶量、糖化温度和起始p H值3个因素的二次回归模型：Y＝9.52＋0.48A－0.47B－0.20C－0.35AB－0.20AC－0.10BC－0.69A2－1.44B2－1.14C2。

由表5可知，模型的P值＜0.000 1，失拟项为0.057 3＞0.05，同时模型的决定系数R2＝0.974 0，说明回归方程的失拟较小，拟合程度良好，响应值Y的回归效果是高度显著的，建立的模型能理解97.40%响应值的变化。

表5 回归模型的方差分析Table 5 Variance analysis for the fitted regression model

三维响应面图是二次回归模型的直观描述，通过响应面图和等高线图可以直观、高效地找到模型的最佳参数及各参数之间的交互作用和最大响应值［6］。从表5和图1～3可以看出，因素C对还原糖含量影响不显著（P＞0.05），因素A和因素B对其影响极显著（P＜0.01），因素A、B、C的二次项对还原糖含量影响极显著（P＜0.01），因素A与因素B的交互作用对还原糖影响显著（P＜0.05），因素A与因素C的交互作用对其影响不显著（P＞0.05），因素B与因素C的交互作用对其影响也不显著（P＞0.05）。

经Design－Expert软件对回归模型进行分析得知，二次回归模型存在理论预测最大值，最大预测值为9.68%，同时分析得到理论最佳的糖化条件：糖化酶添加量为0.17%，糖化温度为58.94℃，起始p H值为4.44，考虑到实际可操作性，糖化酶添加量为0.17%，糖化温度选为59℃，起始p H值为4.44，糖化时间为3 h进行验证实验，重复3次，测得的甘薯料液中还原糖含量平均值为9.70%，与最大预测值9.68%基本一致，表明响应面分析方法科学可靠，具有很好的实用价值。

图1 糖化酶添加量与糖化温度的交互作用对甘薯料液中还原糖含量影响的响应面和等高线图Figure 1 Response surface and contour plots showing the interactive effects of the glucoamylase amount and zymolysing temperature on the content of reducing sugar

图2 糖化酶添加量与起始p H的交互作用对甘薯料液中还原糖含量影响的响应面和等高线图Figure 2 Response surface and contour plots showing the interactive effects of the glucoamylase amount and the starting p H on the content of reducing sugar

图3 糖化温度与起始p H的交互作用对甘薯料液中还原糖含量影响的响应面和等高线图Figure 3 Response surface and contour plots showing the interactive effects of the zymolysing temperature and the starting p H on the content of reducing sugar

3 结论

在单因素基础上采用正交试验法，确定了α－淀粉酶酶解液化甘薯淀粉的最佳条件：甘薯与水的质量比为1∶1，液化温度为70℃，液化时间为3 h，起始p H值为6.5，α－淀粉酶添加量为0.15%。在单因素试验基础上采用响应面试验法，确定了甘薯料液糖化的最优条件：糖化温度为59℃，糖化酶添加量为0.17%，起始p H值为4.44，糖化时间为3 h。在此条件下测得的甘薯料液中还原糖含量为9.70%，与理论预测的最大值9.68%基本一致，表明响应面分析方法可靠，能很好的预测糖化条件与还原糖的关系。

1 李桂玲，张鹏，郑建利，等.不同类型甘薯品种主要经济性状和营养成分差异［J］.中国粮油学报，2012，27（2）：10～13.

2 刘鲁林，木泰华，孙艳丽.不同品种甘薯块根营养成分及相关性分析［J］.中国粮油学报，2008，23（1）：39～41.

3 李锋，李建科，赵燕.红薯的保健功能及发展趋势［J］.农产品加工：学刊，2006，34（11）：21～23.

4 商丽丽，赵德虎，杜清福，等.甘薯的营养成分及开发利用研究进展综述［J］.安徽农学通报，2012，18（9）：73～74.

5 曹亚丽，周红丽.紫薯酸奶发酵工艺优化研究［J］.食品与机械，2010，26（2）：151～154.

6 马长路，汪长钢，罗红霞，等.平谷大桃酿酒工艺研究［J］.中国酿造，2012，31（11）：176～179.