王新龍 羅紅霞 王福海 汪長(zhǎng)鋼

WANG Xin－long 1 LUO Hong－xia 2 WANG Fu－h(huán)ai 2 WANG Chang－gang 2

句榮輝2 王 韻3 葉 青1

JU Rong－h(huán)ui 2 WANG Yun 3 YE Qing 1

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045；2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 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）

中國(guó)是世界上甘薯主產(chǎn)國(guó)，面積占全球種植面積的60%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)的85%［1，2］。甘薯營(yíng)養(yǎng)豐富，養(yǎng)分平衡，并且具有維持正常視覺(jué)功能、增強(qiáng)免疫、抗突變、抗氧化、抗腫瘤、降血脂、降膽固醇、降血糖等功效，被世界衛(wèi)生組織（WHO）評(píng)選為最佳食品之一［3］。據(jù)道報(bào)［4］，甘薯在20種抗癌食品中排名首位，被譽(yù)為“抗癌之王”。因此，甘薯的營(yíng)養(yǎng)和保健價(jià)值越來(lái)越受到社會(huì)的重視。

目前甘薯制品種類很多，但發(fā)酵型甘薯飲料加工還不多見(jiàn)，由于其還原糖含量?jī)H占3.5%，料液的糖度不足造成發(fā)酵型甘薯飲料酸度或酒精度不高，影響口感和產(chǎn)品的價(jià)值，目前該問(wèn)題的解決方法普遍是采用發(fā)酵前大量添加蔗糖，但這樣大大增加了生產(chǎn)成本［5］。

本研究以北京大興地區(qū)生產(chǎn)的甘薯為原料，采用正交設(shè)計(jì)法和響應(yīng)面法對(duì)甘薯淀粉的酶解工藝條件進(jìn)行優(yōu)化研究，確定甘薯淀粉酶解的最佳工藝參數(shù)，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，旨在為大規(guī)模生產(chǎn)具有營(yíng)養(yǎng)保健功能的發(fā)酵型甘薯飲料提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

甘薯：產(chǎn)于北京大興區(qū)龐各莊鎮(zhèn)；

α－淀粉酶：酶活力＞3 700 U／g，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；

糖化酶：酶活力＞105U／g，北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；

其他的試劑：均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平：TIANFU DT－1002A型，常熟市金羊砝碼儀器有限公司；

分析天平：CP64C型，美國(guó)奧豪斯儀器有限公司；

料理機(jī)：Z－510W型，九陽(yáng)股份有限公司；

數(shù)顯恒溫水浴鍋：DK－S24型，金壇市白塔金昌實(shí)驗(yàn)儀器廠；

手持折光儀：PAL－α型，上海人和科學(xué)儀器有限公司；

p H計(jì)：雷磁PHS－3C型，上海精科公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

甘薯→除雜→清洗→削皮→蒸煮糊化→打漿→α－淀粉酶水解液化→糖化酶酶解糖化

1.3.2 甘薯液化的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇蒸煮糊化好的甘薯以質(zhì)量比1∶1的料水比進(jìn)行打漿，甘薯料液的p H為6.1。

（1）α－淀粉酶添加量對(duì)液化效果的影響：用NaOH調(diào)節(jié)甘薯料液的p H為6.5，將α－淀粉酶添加量分別設(shè)定為0%，0.025%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，在65 ℃的水浴中酶解3 h，然后分別測(cè)定其可溶性固形物的含量。

（2）液化溫度對(duì)液化效果的影響：用NaOH調(diào)節(jié)甘薯料液的p H 為6.5，添加0.15%的α－淀粉酶，分別在50，55，60，65，70，75℃的水浴中酶解3 h，然后分別測(cè)定其可溶性固形物的含量。

（3）起始p H對(duì)液化效果的影響：用檸檬酸和NaOH調(diào)節(jié)甘薯料液的p H 分別為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，然后分別測(cè)定其可溶性固形物的含量。

（4）液化時(shí)間對(duì)液化效果的影響：用NaOH調(diào)節(jié)甘薯料液的p H為6.5，添加0.15%的α－淀粉酶，在65℃的水浴中分別酶解1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h，然后分別測(cè)定其可溶性固形物的含量。

1.3.3 甘薯的α－淀粉酶酶解液化條件的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以料液中可溶性固形物含量為考核指標(biāo)，選取3水平進(jìn)行L9（34）的正交試驗(yàn)。

1.3.4 甘薯糖化的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以1.3.3所得最佳液化條件進(jìn)行酶解的甘薯料液為研究對(duì)象。

（1）糖化酶添加量對(duì)糖化效果的影響：用檸檬酸調(diào)節(jié)甘薯料液的p H值為4.5，將糖化酶添加量分別設(shè)定為0.025%，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%，0.25%，在55 ℃的水浴中酶解3 h，然后分別測(cè)定其還原糖的含量。

（2）糖化時(shí)間對(duì)糖化效果的影響：用檸檬酸調(diào)節(jié)甘薯料液的p H值為4.5，添加0.15%的糖化酶，在55℃的水浴中分別酶解0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 h，然后分別測(cè)定其還原糖的含量。

（3）起始p H值對(duì)糖化效果的影響：用檸檬酸和NaOH調(diào)節(jié)甘薯料液的p H 值分別為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，然后分別測(cè)定其還原糖的含量。

（4）糖化溫度對(duì)糖化效果的影響：用檸檬酸調(diào)節(jié)甘薯料液的p H 值為4.5，添加0.15%的糖化酶，分別在45，50，55，60，65，70℃的水浴中酶解3 h，然后分別測(cè)定其還原糖的含量。

1.3.5 響應(yīng)面法優(yōu)化甘薯料液糖化條件 在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以還原糖為考核指標(biāo)，采用Box－Behnken響應(yīng)面分析方法對(duì)甘薯料液糖化工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

（1）還原糖含量：采用GB／T 5009.7－2008《食品中還原糖的測(cè)定》中的直接滴定法；

（2）可溶性固形物的測(cè)定：手持折光儀；

（3）p H值：采用p H計(jì)直接測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯的α－淀粉酶酶解液化試驗(yàn)條件研究

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定的正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 液化條件的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Orthogonal design of hydrolysis conditions

由表2可知，根據(jù)極差R值大小的比較，各因素對(duì)酶解液化效果影響的主次順序?yàn)锳＞B＞D＞C，即溫度對(duì)酶解液化甘薯淀粉影響最大，起始p H值的影響最小。α－淀粉酶酶解液化甘薯淀粉的最優(yōu)組合為A3B3C2D2，但是此組合在9組試驗(yàn)中未出現(xiàn)，需要對(duì)此組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在此最佳組合下，甘薯料液糖度為21.1°Brix，在9組正交試驗(yàn)中最高。故α－淀粉酶酶解液化甘薯淀粉的最佳條件是甘薯與水的質(zhì)量比為1∶1，液化溫度為70℃，液化時(shí)間為3 h，起始p H值為6.5、α－淀粉酶添加量為0.15%。

2.2 甘薯料液糖化條件的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)研究

在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，固定糖化時(shí)間為3 h，選擇加酶量、糖化溫度和起始p H值進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，以還原糖含量 （Y）為考核指標(biāo)，采用 Design－Expert軟件（Version 7.1.6）設(shè)計(jì)Box－Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表2 α－淀粉酶水解液化條件的正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Orthogonal array design and results for hydrolyzing liquification conditions

表3 Box－Behnken設(shè)計(jì)因素水平Table 3 Factors and levels of Box－Behnken design

表4 Box－Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 4 Box－Behnken experimental design and results

利用軟件Design－Expert對(duì)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到還原糖量對(duì)加酶量、糖化溫度和起始p H值3個(gè)因素的二次回歸模型：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，失擬項(xiàng)為0.057 3＞0.05，同時(shí)模型的決定系數(shù)R2＝0.974 0，說(shuō)明回歸方程的失擬較小，擬合程度良好，響應(yīng)值Y的回歸效果是高度顯著的，建立的模型能理解97.40%響應(yīng)值的變化。

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

三維響應(yīng)面圖是二次回歸模型的直觀描述，通過(guò)響應(yīng)面圖和等高線圖可以直觀、高效地找到模型的最佳參數(shù)及各參數(shù)之間的交互作用和最大響應(yīng)值［6］。從表5和圖1～3可以看出，因素C對(duì)還原糖含量影響不顯著（P＞0.05），因素A和因素B對(duì)其影響極顯著（P＜0.01），因素A、B、C的二次項(xiàng)對(duì)還原糖含量影響極顯著（P＜0.01），因素A與因素B的交互作用對(duì)還原糖影響顯著（P＜0.05），因素A與因素C的交互作用對(duì)其影響不顯著（P＞0.05），因素B與因素C的交互作用對(duì)其影響也不顯著（P＞0.05）。

經(jīng)Design－Expert軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行分析得知，二次回歸模型存在理論預(yù)測(cè)最大值，最大預(yù)測(cè)值為9.68%，同時(shí)分析得到理論最佳的糖化條件：糖化酶添加量為0.17%，糖化溫度為58.94℃，起始p H值為4.44，考慮到實(shí)際可操作性，糖化酶添加量為0.17%，糖化溫度選為59℃，起始p H值為4.44，糖化時(shí)間為3 h進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)3次，測(cè)得的甘薯料液中還原糖含量平均值為9.70%，與最大預(yù)測(cè)值9.68%基本一致，表明響應(yīng)面分析方法科學(xué)可靠，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

圖1 糖化酶添加量與糖化溫度的交互作用對(duì)甘薯料液中還原糖含量影響的響應(yīng)面和等高線圖Figure 1 Response surface and contour plots showing the interactive effects of the glucoamylase amount and zymolysing temperature on the content of reducing sugar

圖2 糖化酶添加量與起始p H的交互作用對(duì)甘薯料液中還原糖含量影響的響應(yīng)面和等高線圖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

圖3 糖化溫度與起始p H的交互作用對(duì)甘薯料液中還原糖含量影響的響應(yīng)面和等高線圖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 結(jié)論

在單因素基礎(chǔ)上采用正交試驗(yàn)法，確定了α－淀粉酶酶解液化甘薯淀粉的最佳條件：甘薯與水的質(zhì)量比為1∶1，液化溫度為70℃，液化時(shí)間為3 h，起始p H值為6.5，α－淀粉酶添加量為0.15%。在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面試驗(yàn)法，確定了甘薯料液糖化的最優(yōu)條件：糖化溫度為59℃，糖化酶添加量為0.17%，起始p H值為4.44，糖化時(shí)間為3 h。在此條件下測(cè)得的甘薯料液中還原糖含量為9.70%，與理論預(yù)測(cè)的最大值9.68%基本一致，表明響應(yīng)面分析方法可靠，能很好的預(yù)測(cè)糖化條件與還原糖的關(guān)系。

1 李桂玲，張鵬，鄭建利，等.不同類型甘薯品種主要經(jīng)濟(jì)性狀和營(yíng)養(yǎng)成分差異［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2012，27（2）：10～13.

2 劉魯林，木泰華，孫艷麗.不同品種甘薯塊根營(yíng)養(yǎng)成分及相關(guān)性分析［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2008，23（1）：39～41.

3 李鋒，李建科，趙燕.紅薯的保健功能及發(fā)展趨勢(shì)［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工：學(xué)刊，2006，34（11）：21～23.

4 商麗麗，趙德虎，杜清福，等.甘薯的營(yíng)養(yǎng)成分及開(kāi)發(fā)利用研究進(jìn)展綜述［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，18（9）：73～74.

5 曹亞麗，周紅麗.紫薯酸奶發(fā)酵工藝優(yōu)化研究［J］.食品與機(jī)械，2010，26（2）：151～154.

6 馬長(zhǎng)路，汪長(zhǎng)鋼，羅紅霞，等.平谷大桃釀酒工藝研究［J］.中國(guó)釀造，2012，31（11）：176～179.