酶解条件对谷物杂粮粉黏度的影响研究

马丽媛，李 杨，尚尔坤，张 晟，张金凤

（1.绥化学院食品与制药工程学院，黑龙江绥化 152061；2.绥化市食品药品检验检测所，黑龙江绥化 152000）

谷物杂粮主要包括谷类（稻米、玉米、小米、红米、黑米、紫米、大麦、燕麦、荞麦等）、杂豆类（黄豆、绿豆、红豆、黑豆、蚕豆、豌豆等）和块茎类（红薯、山药、马铃薯等）。在中国，大米和面粉以外的粮食作物被称作粗粮或杂粮，所以五谷杂粮也泛指粮食作物[1]。谷物杂粮因其丰富的营养、充足的资源，在我国的膳食结构中占有着举足轻重的地位[2]。然而，谷物杂粮富含膳食纤维，因现有加工手段的限制，使具有营养保健功能的谷物杂粮可食性较差，消费者很难接受因传统加工方法导致口感粗糙的五谷杂粮，不仅造成了资源上的浪费，也限制了对谷物杂粮进行的深加工利用，不能充分发挥其功效[3-5]。通过有效的技术方法如生物酶技术，可使谷物杂粮粉更易被人们接受和充分消化吸收，提高其可食性和资源上的利用率，为谷物杂粮的深加工奠定了基础[6-7]。

近年来，随着我国经济社会又好又快发展，我国人民对谷物的摄入要求越来越高，谷物的单一摄入，难以满足人体生长需要。谷物杂粮中富含丰富的各类营养元素，尤其是微量元素（铁、镁、锌、硒、钾、钙）及蛋白质，维E、叶酸、生物类黄酮的含量也比细粮丰富，其保健功效在现代日常生活中是不可或缺的地位，比较符合人体摄入需求营养成分的比例，其特殊的食疗功效是由其独特的生理活性成分形成[2，8-12]。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

1.1.1 材料

小米、红小豆、玉米、高粱、燕麦，均购于黑龙江省绥化市华辰超市；中温淀粉酶，南宁东恒华道生物科技有限公司提供；纤维素酶，和氏璧生物科技有限公司提供；脂肪酶、糖化酶，沧州夏盛酶生物技术有限公司提供；α -淀粉酶，上海祥瑞生物科技有限公司提供。

1.1.2 设备

CF-100KS 型万能粉碎机，广州晨雕机械设备有限公司产品；HH-6 型数显恒温水浴锅，江苏省金坛市莱华仪器制造有限公司产品；XS 365M 型天平，瑞士普里赛斯仪器有限公司产品；101-3AB 型电热恒温干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司产品；80-2B 型离心机，湖南星科技科学仪器有限公司产品；NDJ-5S 型旋转黏度计，武汉格莱莫检测设备有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 谷物杂粮粉制作方法

选用新鲜优质的小米、红小豆、玉米、高粱、燕麦，去除杂质，用清水洗净。洗净后在10～20 ℃的气温下风干[13]，用万能粉碎机粉碎，粉碎细度为50～200 目，为避免过热出现焦粉现象，应采用间歇粉碎法，即一次性磨粉30 s，间歇1 min。将所磨谷物粉过不同粒径的筛网，备用。将上述备用谷物粉按1∶1∶1∶1∶1 混合，并按一定底物质量分数调浆，使谷物粉与水混合均匀，并于95 ℃下灭酶10 min。调节酶解的适宜温度和pH 值，加入适量的生物酶，搅拌均匀，使浆料与酶充分接触，置于恒温水浴锅中酶解一定时间，酶解结束后温度升至95 ℃灭酶10 min[14-17]。将反应后的谷物杂粮粉溶液冷却至室温进行黏度测定。

1.2.2 单因素试验

分别选取不同的生物酶制剂、杂粮粉溶液底物浓度、pH 值、酶解温度、酶解时间为单因素，以黏度为指标进行试验，从中选取适宜的条件，进行下一步正交试验。

1.2.3 正交试验

根据单因素试验结果，以黏度为指标，进行四因素三水平L9（34）正交试验，确定谷物杂粮粉的最佳酶解工艺。

正交试验因素与水平设计见表1。

1.3 谷物杂粮粉黏度检测

使用黏度计进行如下标准操作[18]：

（1）开启机器。在开启机器之前，将盖在机器上的保护罩取下，让数字显示屏亮，但不让电机工作，预热20 min。

（2）选择量程。先取来被测样品，预估计其黏度值范围，然后选择转子，将选用的转子慢慢地旋转到连接螺杆上（向左拧装备转子，向右拧取下转子）。无法估计预测的样品，从小体积的转子（4、3）到大体积的转子（2、1）逐步试用。

（3）缓慢旋转黏度计升降架，使旋转黏度计慢慢下落，转子慢慢浸入待测样品中，直到转子上的刻度线与待测样品液面相平为止，保护架装置、转子在正中心。调整黏度计的位置为水平。

（4）先使转子在待测样品中浸泡3 min，使转子温度与待测样品温度相近。

（5）按下“测量”键，机器开始运作，开始测量。当转子在液体中旋转20 圈以上时再读数。

（6）每次测量后都要清洗转子，以免影响其他测量结果。

（7）测试结果取2 次测量的算术平均值。2 次测量结果之差小于或等于2 次测量结果平均值的10%，否则测量第3 次。

（8）结束试验时要及时清洁转子和机身，必须将转子拆下来清洗，转子清洗干净擦干后放回装置盒中。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果分析

2.1.1 酶制剂的选取

不同酶制剂对谷物杂粮粉黏度的影响见图1。

图1 不同酶制剂对谷物杂粮粉黏度的影响

由图1 可知，脂肪酶和α -淀粉酶对谷物杂粮粉溶液黏度值改变最小，碱性蛋白酶和糖化酶对谷物杂粮粉的黏度有一定影响，纤维素酶和中温淀粉酶对谷物杂粮粉的黏度改善最明显。谷物杂粮粉的黏度主要受淀粉糊化的影响，同时在酶解过程中酶可能改变蛋白质的结构，进而对黏度产生影响[19-20]。参考丁长河等人[21]研究果胶酶与纤维素酶对马铃薯浆黏度的影响，选择效果最佳的2 种酶进行1∶1 复配，这样可增加酶化催位点，可使反应更加快速高效，因此试验采用纤维素酶和中温淀粉酶1∶1 复配进行酶解试验。

2.1.2 杂粮粉溶液底物质量分数的确定

底物质量分数对谷物杂粮粉黏度的影响见图2。

由图2 可知，底物质量分数对谷物杂粮粉的黏度影响相对较小，且底物质量分数为5%，7.5%，10%时，谷物杂粮粉黏度相差不大，可能是因为溶液在这一区间已经趋于饱和，当底物质量分数相对过高超过10%时，出现结块和小粉团。由于底物质量分数为5%～10%时，黏度较高，且相差较小。因此，选择底物质量分数5%～10%进行下一步试验筛选。

图2 底物质量分数对谷物杂粮粉黏度的影响

2.1.3 pH 值的确定

不同pH 值对谷物杂粮粉黏度的影响见图3。

图3 不同pH 值对谷物杂粮粉黏度的影响

由图3 可知，pH 值在4～7 的区间内，谷物杂粮粉溶液的黏度值随pH 值的增大而上升，在pH 值为7 时达到最大，当pH 值大于7 时，谷物杂粮粉水解液黏度呈下降趋势。参考丁铮等人[22]生物酶对高黏度压裂返排液破胶处理的研究，酶制剂需在一定pH 值范围内保持其活性，pH 值对谷物杂粮粉的组织状态和凝乳状态均有重要影响，且因为杂粮粉和酶制剂中均有蛋白质存在，而溶液的pH 值不仅是淀粉糊化和酶活的重要影响因素，还直接影响蛋白质的构象，谷物杂粮粉黏度随pH 值增大而增大，当溶液趋于碱性时，谷物杂粮粉黏度略有降低，结合数据分析，选择pH 值为6～8 进行下一步试验筛选。

2.1.4 酶解温度的确定

酶解温度对谷物杂粮粉黏度的影响见图4。

由图4 可知，谷物杂粮粉水解液黏度在40～50 ℃随温度上升而增大，在50～60 ℃呈下降趋势。温度对谷物杂粮粉黏度的影响，主要来自于温度对酶制剂的水解过程产生的影响，而温度也是淀粉糊化的另一个重要影响因素[23]。试验所用纤维素酶和中温淀粉酶最适温度范围均为40～60 ℃，在50 ℃达到了黏度最高值。因此，试验选择酶解温度为45～55 ℃进行下一步筛选。

图4 酶解温度对谷物杂粮粉黏度的影响

2.1.5 酶解时间的确定

酶解时间对谷物杂粮粉黏度的影响见图5。

图5 酶解时间对谷物杂粮粉黏度的影响

由图5 可知，谷物杂粮粉水解液黏度在水解30 ～90 min 随酶解过程而增大，在90～120 min 黏度呈下降趋势。时间长短决定着酶对谷物杂粮粉作用效果，酶解时间过短可能会使酶解进行不完全；时间过长，酶解过度反而导致杂粮粉黏度下降，水解90 min 时黏度最高。因此，选择酶解时间为60～120 min 进行下一步试验筛选。

2.2 正交试验结果分析

选择底物质量分数、pH 值、温度、时间进行四因素三水平L9（34）正交试验，筛选谷物杂粮粉的最佳工艺条件，以谷物杂粮粉的黏度作为主要参考指标。

正交试验结果见表2。

表2 正交试验结果

采用直观分析方法，对正交试验中各因素的K值及R 值的大小进行比较。由表中极差值R 可知，RC＞RB＞RD＞RA，对谷物杂粮粉水解液黏度影响最大的为酶解温度，其次是酶解反应pH 值，而后是酶解反应时间，影响最小的是谷物杂粮粉底物质量分数。其最优水平为A1B1C2D2，即底物质量分数为5%，溶液pH 值为6，加热温度为50 ℃，加热时间为90 min，与表中的最大黏度值试验组A1B2C2D2，即底物质量分数为5%，溶液pH 值为7，加热温度为50 ℃，加热时间为90 min 不符，因此要进行验证试验。

验证试验结果见表3，方差分析见表4。

表3 验证试验结果

表4 方差分析

由表3、表4 可知，由于组合A1B2C2D2和组合A1B1C2D2所得的黏度值结果接近，经方差分析二者结果差异不显著，考虑谷物杂粮粉口感，pH 值为6 可能不符合大众口味。故选择A1B2C2D2为最佳组合，即底物质量分数为5%，溶液pH 值为7，加热温度为50 ℃，加热时间为90 min 为谷物杂粮粉最佳酶解工艺配方，此时得出谷物杂粮粉水解液黏度最佳。

3 结论

通过试验得知纤维素酶和中温淀粉酶可明显改善谷物杂粮粉的黏度。谷物杂粮粉溶液黏度的改善主要是通过淀粉糊化和蛋白质结构的变化实现，不同的酶解条件对谷物杂粮粉溶液的黏度影响明显，通过试验得到的谷物杂粮粉最佳酶解工艺为底物质量分数5%，纤维素酶和中温淀粉酶配比为1∶1，pH 值为7，酶解温度为50 ℃，酶解时间为90 min，此时谷物杂粮粉水解液的黏度有较大改善。