速溶小米粉酶解工艺研究

张春晓,田　然,李耀姝,史小双,于佳鑫,田　波

(东北农业大学乳品科学教育部重点实验室 食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)



速溶小米粉酶解工艺研究

张春晓,田然,李耀姝,史小双,于佳鑫,田波

(东北农业大学乳品科学教育部重点实验室 食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

通过单因素实验和响应面实验,采用ɑ-淀粉酶降解小米淀粉,探讨了酶解工艺对速溶小米粉还原糖含量(DE值)和黏度的影响。研究表明,最优酶解工艺条件如下:底物浓度29%,加酶量0.87%,酶解时间27 min。在最优工艺条件下,黏度为99 cP,DE值为23.36%,所得料液黏度适中,适合喷雾干燥,且干燥后的小米粉冲调分散性和稳定性得到改善,水溶性指数为0.25%±0.01%,吸水性指数为4.42%±0.20%,结块率为10.34%±0.20%,易于消化吸收。

小米粉,酶解,优化

随着我国经济社会进程的进一步提高,我国谷物饮食存在摄入量少、油炸烘烤多、添加剂使用多、谷物饮食单一、加工过于精细等问题,增加谷物摄入种类成为调整饮食结构,改变饮食习惯的重要一环[1]。小米也称粟米,是我国传统谷物的一种,起源于黄河流域,广泛种植于我国北方地区,是常见杂粮的一种,年产量450万吨左右[2]。小米中含有丰富的膳食纤维,是大米的2.5倍[3]。小米蛋白属于低敏蛋白,尤其适合婴幼儿食用,此外,还能提高血浆中高密度脂蛋白含量,改善心脑血管疾病[4]。含有人体所需的8种必需氨基酸,含量与FAO/WHO氨基酸推荐量对比如表1所示,亮氨酸和赖氨酸含量有所逊色。小米中脂肪含量为3.68%,且其中85.54%为不饱和脂肪酸。小米中维生素和矿物质种类多且含量丰富[5],尤其是硒元素含量较高,为8.78 μg/100 g,且以较易吸收的有机硒形式存在[6]。存在于小米中的小米黄色素、多酚、单宁等物质具有较强的抗氧化性,可以有效抑制自由基氧化反应[7-9]。

随着人们生活节奏的提高,对方便快捷饮食的要求日益提高。传统工艺生产小米粉过程中,料液中小米通常小于12%,喷雾干燥效率低,当其含量达到15%时,采用RVA-EII快速黏度分析仪测定料液最终粘度值为2491 cP,黏度高,流动性差,极易堵塞喷头,不适宜喷雾干燥。为解决传统工艺生产的小米粉冲调时结块溶解性差、喷雾干燥效率低的问题,本文力求通过液化酶解及喷雾干燥技术的结合开发速溶小米粉,从而降低料液黏度,提高小米粉冲调时的溶解性及喷雾干燥效率,此外还可以提高消化吸收率[10]。本文通过探讨速溶小米粉生产中关键的酶解环节及对其工艺参数的优化,从而得到营养丰富食用方便的速溶小米粉,为工业生产提供有效依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

小米市售;中温α-淀粉酶BR≥4000 u/g:SUMMUS生物技术公司;3,5-二硝基水杨酸分析纯,天津市光复精细化工研究所;苯酚分析纯,天津市红岩化学试剂厂;氢氧化钠分析纯,天津市光复科技发展有限公司;酒石酸钾钠分析纯,天津市光复科技发展有限公司;葡萄糖分析纯,天津市基准化学试剂有限公司。

表1　几种谷物必需氨基酸含量与FAO/WHO推荐量的比较(mg/100 g)[6]

UV-6100型紫外可见分光光度计常州百密斯仪器有限公司;均质机德国IKA公司;RVA-EII快速黏度分析仪澳大利亚NewPort Scientific;B-290 迷你喷雾干燥机德国BUCHI公司。

1.2小米粉酶法生产工艺

小米精选→清洗→浸泡→粉碎→预糊化→酶解→灭酶→均质→喷雾干燥→辅料混合→包装→检验入库→成品[11]

1.3最佳酶解条件的确定

以湿法粉碎小米为原料,选择中温α-淀粉酶,以DE值和酶解后料液的黏度为指标,分别考察底物浓度、加酶量及酶解时间对小米料液酶解程度的影响,并在此基础上进行响应面优化实验,得到酶解法制备速溶小米粉最优工艺条件。

1.3.1酶解单因素实验

1.3.1.1底物浓度对小米粉料液水解程度的影响在自然pH条件下,固定加酶量为0.4%,酶解温度为60 ℃、酶解时间30 min,分别选取15%、20%、25%、30%、35%、40%不同底物浓度进行实验,确定最佳底物浓度。

1.3.1.2加酶量对小米粉料液水解程度的影响在自然pH条件下,底物浓度固定为30%、温度60 ℃、酶解时间为30 min,加酶量梯度设置为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%,以确定最适加酶量。

1.3.1.3酶解时间对小米粉料液酶解程度的影响在自然pH条件下,底物浓度为30%、加酶量为0.4%、温度为60,将时间梯度设置为10、20、30、40、50、60 min,进行单因素实验,选择最佳酶解时间。

1.3.2响应面优化实验在酶解条件单因素实验结果基础上,以小米浆液水解度(DE值)及酶解后料液黏度为指标,采用响应面设计实验优化酶法制备小米粉,以达到最佳工艺。实验设计如表2,实验均平行三次。

表2　因素水平编码

1.4指标测定

1.4.1DE值的测定DE值也称为葡糖糖值,用来表示淀粉的水解程度或糖化程度。其中糖化液中的还原性糖全部当作葡糖糖计算,占干物质的百分比称为DE值。

DE(以葡糖糖计,%)=还原糖含量/总干物质含量×100

还原糖含量采用DNS法测定[12]。

1.4.2黏度的测定黏度值即表征酶解后料液的黏度。料液的黏度直接影响喷雾干燥的效果,料液黏度较低时,物料可以顺利喷出,但是干燥效率低能耗大;料液黏度较高时,或致喷头堵塞,实验无法进行。针对本实验采用的B-290迷你喷雾干燥机经反复实验确定黏度值保持在100 cP左右时可以顺利进行喷雾干燥,不会堵塞喷头且干燥效果较好。

1.4.3结块率的测定结块率用来表征冲调时粉料分散性差异的物理量。通常,结块率越小,冲调时干粉的分散性越好。结块率的测定方法[13]:取100 mL沸水加入烧杯中,加入10 g干燥后的酶解小米粉,置于转速为120 r/min的自动搅拌器搅拌上,将匀速搅拌20 s后的料液过80目筛网,将未通过筛网的块状物烘干至恒重,称得质量为M(g)。

X(%)=M×100/[10×(1-W)]

式中:W-小米粉的水分含量,单位%。

1.4.4吸水性和水溶性的测定准确称取2.5 g小米粉样品放入经称重的带盖离心管中,加入30 mL蒸馏水后盖好盖子震荡,使样品充分分散在水中后,将离心管置于30 ℃水浴30 min,过程中间歇性摇动5次。取出后于4000 r/min离心20 min,将上清液注入已知重量的带盖铝盒中,将沉淀及上清液于105 ℃烘干、冷却后称重。吸水性(WAI)及水溶性(WSI)计算公式如下:

WSI=上清液干重/样品干重

WAI=沉淀中水的重量/沉淀干重

1.5数据处理

微软办公软件Office2007,Design-Expert8.0.6 Trial,SigmaPlot 11.0软件处理数据。本实验均做了三次平行,结果为三次实验的平均值。

2　结果与分析

2.1单因素实验结果

2.1.1底物浓度对小米粉料液水解程度的影响底物浓度高低是影响酶解的重要参数。由图1可知,在加酶量一定,酶解时间相同时,黏度随底物浓度的增加不断升高;而DE值随底物浓度的不断增加呈先增后降,当底物浓度为30%时,DE值达到最大值28.71%,随着底物浓度持续增加,DE值反而有所下降。这是由于当底物浓度较低时,反应速率增加快,呈一级反应[14],但随底物浓度持续增加,底物与底物之间出现竞争性抑制,从而影响酶解效果[15],所以在固定酶解条件下,最适底物浓度为30%。

图1　底物浓度对酶解效果的影响Fig.1　Effect of substrate concentration on ability of hydrolysis

2.1.2加酶量对小米粉料液水解程度的影响酶解实验中,加酶量是影响酶解重要参数。由图2可知,当底物浓度一定,酶解时间相同时,随着加酶量的增加,料液黏度不断下降,加酶量在0.2%～0.8%之间时,料液黏度显著降低,当加酶量大于0.8%时,黏度降低不明显;加酶量对DE值也有显著影响,加酶量在0.2%～0.8%之间,DE值显著增高,当加酶量达到0.8%时,DE值达到39.02%,继续增大加酶量,DE值增幅不明显。这是因为当底物充足而加酶量较少时,随着加酶量的增加反应速率随之增大;当加酶量持续增加,底物相对不够充足时,反应速率的增加趋于缓慢,甚至出现下降趋势[16]。结合生产成本因素,选用0.8%为最适加酶量。

图2　加酶量对酶解效果的影响Fig.2　Effect of the enzyme concentration on ability of hydrolysis

2.1.3酶解时间对小米粉料液酶解程度的影响酶解时间是酶解实验的又一重要参数。由图3可知,当物料浓度为30%,加酶量为0.4%时,料液黏度随酶解时间延长黏度逐渐降低,当酶解时间达到30 min后,降低趋势趋缓;DE值随着酶解时间的延长显著提高,酶解时间达到40 min时增幅减小。这是因为酶解具有专一性,酶解前期需识别底物并与之结合,后期随着底物减少,酶解效果减弱[17],而且随着反应时间的推移酶的相对活力下降[18]。由于本实验中时间设定在酶解前半段,故没有出现下降趋势。由图3可知,酶解时间为30 min时斜率最大,酶解效率最大,在40 min时也保持相对较高的酶解效率,最适酶解时间需考虑酶解时间与底物浓度、加酶量交互作用的综合影响。

图3　酶解时间对酶解效果的影响Fig.3　Effect of the enzyme concentration on ability of hydrolysis

2.2响应面实验结果

综合考虑DE值和料液黏度两个衡量指标优化酶解条件,选取小米浆料最优酶解工艺条件为:X1=-0.19,X2=0.35,X3=-0.33,即底物浓度29.05%,加酶量0.87%,时间26.7 min,DE值预测值为24.32%,黏度预测值为96.08 cP。

按照最佳酶解条件(底物浓度29%,加酶量0.87%,时间27 min)进行验证性实验,重复三次取均值,黏度值为99 cP,DE值为23.36%,误差范围在置信区间内,该模型可用,方程可有效的反映出酶解过程中黏度和DE值的变化情况。

表3　响应面实验设计及结果

表4　回归方程模型的方差分析-黏度

表5　回归方程模型的方差分析-DE值

注:**表示极显著,p<0.01;*表显著,p<0.05。

2.3小米粉冲调性质测定

良好的冲调性是冲调小米粉的重要衡量指标。自制酶解喷雾干燥小米粉与市售某品牌冲调小米粉冲调性指标对比如表6。自制酶解喷雾干燥小米粉的结块率要显著小于市售冲调小米粉,同时具有较好的水溶性和吸水性,冲调时可以获得良好的分散性质和感官指标。

表6　对小米粉冲调性质的影响

3　结论

本实验以湿法粉碎小米粉为原料,探究适宜喷雾干燥工艺的酶解条件,在单因素实验的基础上进行响应面实验优化,分析得到最佳酶解条件为:底物浓度29%,加酶量0.87%,酶解时间27 min,此时料液黏度达到99 cP,DE值为23.36%,且冲调性良好。此酶解液化条件为大规模工业化生产提供了有力的理论依据。

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Production of instant millet powder by enzymolysis technology

ZHANG Chun-xiao,TIAN Ran,LI Yao-shu,SHI Xiao-shuang,YU Jia-xin,TIAN Bo

(Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

To investigate the effects of the substrate concentration,enzyme quantity and enzymolysis temperature on the reducing sugar content and viscosity,theα-amylase was used to degrade the starch in millet and single factor test and orthogonal experiment were used to optimize the enzymolysis technology. The results showed that the optimal enzymatic hydrolysis process conditions were :substrate concentration of 29%,enzyme dosage of 0.87%,reaction time of 27 min. Under optimum conditions,the viscosity and DE value were 99 cP and 23.36% separately,which resulted in materials with moderate viscosity and suitable for spray-dried. Moreover,the reconstituted dispersion and stability of millet powder after drying were improved,water solubility index of 0.25%±0.01%,water absorption index of 4.42%±0.20%,caking rate of 10.34%±0.20%,which leading to easy digestion and absorption.

millet powder;hydrolysis;optimization

2015-12-14

张春晓(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：食品加工，E-mail:shuxiaoqiu89@163.com。

TS213.3

B

1002-0306(2016)13-0234-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.039