超声协同酶法制备薏米酶解液的工艺研究

卫晓英，李苹苹，赵 强，张冬梅，袁 磊

(山东商务职业学院 食品工程系/山东商务职业学院 粮油食品工程技术研发中心，山东 烟台 264670)

薏米，又叫薏苡仁、苡仁、六谷子，为禾本科植物薏苡的种仁。据《中国食疗大典》记载，薏米含蛋白质14%、脂肪5%、碳水化合物65%、钙0.7%、磷0.242%、铁0.001%等成分[1]，还含有薏苡酯、薏苡素等活性成分，具有降压、降糖、消炎、抑制癌细胞增殖等生理功能[2]，薏米可药食两用，具有利水、健脾、除痹、清热排脓的功效。

目前，薏米的研究主要集中在抗癌抗肿瘤、提高免疫力、消炎镇痛等药用价值方面；在食品加工方面，薏米以初加工产品为主，熬粥是主要的食用方式，主要是因为薏米中淀粉结构坚硬，糊化相对困难，限制了薏米的开发利用。酶解技术可以使植物组织分解，加速有效物质的溶出，提高提取率[3-4]。超声波具有的空化作用及其所产生的热效应、乳化、扩散、击碎等次级效应，能够促进细胞内有效物质的释放、扩散和溶解[5]。目前超声波结合酶解技术在提取黑豆蛋白[6]、鸡桑叶多糖[7]、姜辣素[8]等方面均有研究，但在制备薏米酶解液方面鲜有报道。本文在酶解的基础上，辅以超声作用，优化工艺条件，提高酶解率，以期为薏米的生产加工和综合利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

薏米，购于烟台振华超市；淀粉酶，由河南通宇食品配料有限公司生产；葡萄糖、氢氧化钠、硫酸铜、亚铁氰化钾、酒石酸钾钠、盐酸、亚甲基蓝，均为分析纯，由天津市科密欧化学试剂有限公司生产。

1.2 试验仪器

FA2004电子天平(由上海上平仪器公司生产)；GB/T 11165─2005 pH计[由梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司生产]；DJ10E-K61多功能破壁机(由九阳股份有限公司生产)；Scientz-5000TQC槽式超声萃取仪(由宁波新芝生物科技有限公司生产)；101A-1型水浴锅(由上海市崇明实验仪器厂生产)。

1.3 试验方法

1.3.1 薏米酶解液的制备方法 薏米酶解液的制备方法见图1。

图1 薏米酶解液的制备方法

1.3.2 还原糖含量的测定 还原糖含量按照GB 5009.7─2016标准中的直接滴定法进行测定。

1.3.3 酶解条件对薏米酶解液的影响

1.3.3.1 单因素试验 称取薏米，每份100 g，按照1.3.1的制备方法对薏米进行前处理制成薏米浆，分别在酶解时间为2、3、4、5、6 h；酶解温度为35、40、45、50、55 ℃；酶解pH值为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5；酶添加量为100、150、200、250、300 U/g的条件下进行反应，酶解完成后超声，制得薏米酶解液，测定还原糖含量。

1.3.3.2 正交试验 根据单因素试验结果，将酶解时间、酶解温度、溶液pH值、酶添加量作为试验影响因素，进行4因素3水平L9(34)正交试验，确定最适酶解条件。正交试验设计见表1。

表1 薏米酶解液酶解条件正交试验设计

1.3.4 超声条件对薏米酶解液的影响

1.3.4.1 单因素试验 称取薏米，每份100 g，按照1.3.1的制备方法对薏米进行酶解，分别在超声时间为10、15、20、25、30 min；超声功率为120、140、160、180、200 W；超声次数为1、2、3、4、5次的条件下进行反应，制得薏米酶解液，测定还原糖含量。

1.3.4.2 正交试验 根据单因素试验结果，将超声时间、超声功率、超声次数作为试验影响因素，进行3因素3水平L9(33)正交试验，确定最适超声条件。正交试验设计见表2。

表2 薏米酶解液超声条件正交试验设计

2 结果与分析

2.1 酶解条件的确定

2.1.1 酶添加量对薏米酶解液的影响 从图2可知，随着酶的添加量不断增大，还原糖的含量逐渐升高，在达到200 U/g后曲线趋于平缓。在反应初期，底物充足，参与反应的酶越多生成的还原糖越多，当加入的酶与底物恰好完全反应后，大部分碳水化合物已经达到水解平衡，再增加酶的添加量对还原糖含量没有显著影响，因此，酶的最佳添加量确定为200 U/g。

图2 酶的添加量对薏米酶解液的影响

2.1.2 酶解时间对薏米酶解液的影响 从图3可知，还原糖含量随着酶解时间的延长呈现先升后降的趋势。在反应初期，酶解时间不足使得碳水化合物不能被充分水解；到了反应中期，时间充裕，酶活得到充分利用，底物反应完全；反应后期薏米中其他物质成分分解溶出，使得还原糖的含量下降。薏米酶解液的最佳酶解时间确定为3 h。

2.1.3 酶解温度对薏米酶解液的影响 从图4可以看出，还原糖的含量随着酶解温度的升高逐渐增加，45 ℃时得率最高，此后得率慢慢下降。每一种酶都有反应的最适温度，在最适温度下，反应体系拥有最高的活化能，分子与底物充分接触，酶的催化效率最高，反应速度最快。温度过低，活化能太低影响反应速率；温度过高，蛋白质会发生变性使酶失活[9]。选择45 ℃为薏米酶解液的最佳酶解温度。

图3 酶解时间对薏米酶解液的影响

图4 酶解温度对薏米酶解液的影响

2.1.4 酶解pH值对薏米酶解液的影响 从图5可以看出，在pH值为6时，还原糖的得率最高，说明酶的最适反应pH值为6。pH值可以影响酶的活性基团的解离程度，在其他pH值下，还原糖的含量比较低，说明酶的活性受到抑制，催化效率缓慢，过酸或过碱还会导致酶结构解体，丧失活性，因此，酶解pH值确定为6。

图5 酶解pH值对薏米酶解液的影响

2.1.5 正交试验结果 以酶的添加量、酶解时间、酶解温度、酶解pH值为试验影响因子，还原糖含量为试验指标，进行4因素3水平L9(34)正交试验，试验结果见表3。

表3 薏米酶解液酶解条件正交试验结果

从表3可以看出，薏米酶解液的影响因素的主次顺序是：酶解pH值(D)>酶添加量(A)>酶解温度(C)>酶解时间(B)，酶解条件的最佳组合是A2B2C3D2，即酶添加量200 U/g，酶解时间3 h，酶解温度50 ℃，酶解pH值6。

2.2 超声条件的确定

2.2.1 超声时间对薏米酶解液的影响 从图6可以看出，在10～20 min内，还原糖含量呈现上升趋势；在20 min时，还原糖含量达到最大值，为1.71 g/100 g；在此后的20～30 min，还原糖含量缓慢下降。分析其可能的原因是长时间的超声作用，使得糖分子内部键断裂，分子结构改变，致使含量降低。薏米酶解液的超声时间选择20 min。

图6 超声时间对薏米酶解液的影响

2.2.2 超声功率对薏米酶解液的影响 从图7可以看出：曲线呈现先上升后下降的趋势。超声功率的增大有利于体系中空穴作用的形成，产生的空花泡对细胞壁的破坏作用增强，细胞内多糖溶出速度增加，得率提高[10]。当功率超过160 W时，过高的功率会使反应体系温度升高，分子结构遭到破坏，得率降低。所以，选择160 W为薏米酶解液的超声功率。

图7 超声功率对薏米酶解液的影响

2.2.3 超声次数对薏米酶解液的影响 从图8可知：总体上来看，随着超声次数的增加，还原糖含量呈上升的趋势。反应前期上升趋势明显，超声3次以后曲线逐渐平缓，还原糖含量增加不明显，从经济节约和试验效率角度考虑，选取超声次数为3次。

图8 超声次数对薏米酶解液的影响

2.2.4 正交试验结果 根据单因素试验结果，以超声时间、超声频率和超声次数为影响因子，以还原糖含量为指标，进行3因素3水平L9(33)正交试验，试验结果见表4。

根据正交试验结果分析，可以看出影响超声结果的因素主要是超声功率，其次是超声时间，影响最小的是超声次数。最优试验组合是A2B2C2，即超声时间20 min，超声功率160 W，超声次数为3次。此试验组合在正交试验中没有出现，经验证性试验，在此试验条件下测得还原糖含量为1.89 g/100 g，高于A3B2C1组合下测得的1.86 g/100 g，因此得出的A2B2C2可行。

2.3 超声协同酶解效果的比较

经过正交试验分别优化了薏米酶解液的酶解条件和超声条件，在此条件下测定还原糖的含量为1.89 g/100 g，原工艺条件下测得还原糖的含量为1.64 g/100 g，相比提高了15.2%。由此可见超声可以起到促进酶解效果，提高产物得率的作用。

表4 薏米酶解液超声条件正交试验结果

3 结论

应用超声和酶解相结合的方法对薏米进行酶解，通过正交试验优化工艺条件，得到制备薏米酶解液的最优工艺参数是酶添加量200 U/g，酶解时间3 h，酶解温度50 ℃，酶解pH值6，超声时间20 min，超声功率160 W，超声次数3次。在此条件下，还原糖含量达到1.89 g/100 g，相较于原制备工艺，还原糖含量提高了15.2%。制备的薏米酶解液还原糖含量显著提高，为薏米的深加工和综合利用提供了技术参考。