譚博文,徐懷德,*,米林峰
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.榆林市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,陜西 榆林 719000)
中性蛋白酶酶解制備魔芋飛粉淀粉及其性質(zhì)的研究
譚博文1,徐懷德1,*,米林峰2
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.榆林市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所,陜西 榆林 719000)
對中性蛋白酶酶解魔芋飛粉制備淀粉的方法及其性質(zhì)進行研究。應(yīng)用單因素和中心組合試驗對酶解條件進行優(yōu)化,用掃描電鏡觀察淀粉顆粒形貌,然后對淀粉糊的主要性質(zhì)及指標(biāo)進行測定。結(jié)果表明:中性蛋白酶酶解魔芋飛粉的最佳工藝參數(shù)為底物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、酶用量818.3U/g底物、溫度44.1℃、pH7.1、水解120min。制得淀粉純度90.09%,其中直連淀粉含量18.20%,支鏈淀粉含量81.80%,淀粉糊具有較好的溶解度和透明度。魔芋淀粉顆粒為蠶豆形,顆粒粒徑為1~9μm,平均為5μm,魔芋淀粉顆粒小不易發(fā)生凝沉現(xiàn)象。
中性蛋白酶;魔芋飛粉淀粉;制備;性質(zhì)
Abstract:Konjac fly powder was prepared by neutral protease hydrolysis from konjac starch and its properties were investigated. Results indicated that the optimal hydrolysis conditions were substrate concentration of 2.5%, alkaline protease concentration of 818.3 U/g, hydrolysis temperature of 44.1 ℃ and hydrolysis time of 120 min. The purity of prepared starch reached up to 90%, which contained 18.20% amylose and 81.80% amylopectin. Konjac starch paste exhibited excellent solubility and transparency. Konjac starch granules were broad bean shape with particle sizes ranging from 1 to 9μm, averaged at 5μm.
Key words:neutral protease;konjac fly powder starch;preparation;property
魔芋(Amorphophallus rivieriDurieu)是天南星科魔芋屬多年生草本植物,具有降低血脂、降低血糖、減肥、防治腸胃消化系統(tǒng)疾病功能[1]。我國是世界上最大的魔芋生產(chǎn)國,對魔芋研究集中在魔芋葡甘聚糖,魔芋的加工主要生產(chǎn)魔芋精粉(葡甘聚糖),年產(chǎn)量達(dá)5000噸左右,在精粉加工過程中會產(chǎn)生大量質(zhì)量輕、顆粒小的粉末,稱為魔芋飛粉[1],占精粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%~40%,全國年產(chǎn)飛粉1500~2000噸。而魔芋飛粉含蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%左右,淀粉40%左右,具有很高的利用價值,龐杰等[2]就利用魔芋飛粉提取生物堿,用于防治植物蟲害。趙姍姍[3]、Englysl等[4]研究了用酶解法制備魔芋飛粉高F值寡肽。翟琨等[5]對魔芋淀粉理化特性進行了研究,魔芋飛粉僅以低價飼料或作為干燥劑出售[6-7],利用率不高。魔芋飛粉中淀粉的制備和性質(zhì)研究較少。為此,本實驗研究中性蛋白酶酶解制備魔芋飛粉淀粉,并以常用的玉米、紅薯淀粉對比研究其特性,以期為魔芋淀粉進一步開發(fā)提供參考。
魔芋飛粉 陜西安康秦東食品有限公司;玉米淀粉和紅薯淀粉 市售。
中性蛋白酶(酶活50000U/g) 沃爾森公司;考馬斯亮藍(lán)G-250 上?;瘜W(xué)試劑站分裝廠;支鏈、直連淀粉標(biāo)品 北京索萊寶科技有限公司;α淀粉酶(酶活4000U/g) 上海藍(lán)季生物科技有限公司;牛血清白蛋白 Sigma公司。
DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 鄭州長城科工貿(mào)有限公司;KDC-40低速離心機 科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司;PHS-3C數(shù)顯pH計 上海精密科學(xué)儀器有限公司;UV-1700紫外-可見分光光度計 日本島津公司;RE-5220D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海長城儀表廠;SIM-FD5505P真空冷凍干燥機 德國西門子公司;JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社;DMBA400型數(shù)碼顯微鏡 Motic China Group Co. Ltd。
魔芋飛粉→按1:45(g/mL)的料液比加水在50℃溶解1.5h→離心去上清液(4000r/min,30min)→加水、調(diào)pH值、加蛋白酶液恒溫酶解→離心去上清液(4000r/min,15min)→沉淀水洗2次,45℃烘箱中烘干即得魔芋淀粉
以殘留物淀粉含量為指標(biāo),在單因素試驗基礎(chǔ)上,選擇底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%,酶解時間120min,以pH值、溫度、加酶量為試驗因素,采用中心組合設(shè)計(CCD)優(yōu)化中性蛋白酶對魔芋飛粉的酶解條件。中心組合試驗設(shè)計見表1。
表1 中心組合試驗設(shè)計的三因素水平編碼表Table 1 Factors and levels in the central composite design
1.2.3.1 光學(xué)形貌觀察
以水和甘油體積比為1:1的溶液作溶劑,制備淀粉乳。取淀粉乳滴于載玻片上,蓋上蓋玻片。用數(shù)碼顯微鏡觀察淀粉顆粒的形貌。
1.2.3.2 淀粉顆粒的掃描電子顯微鏡觀察
把雙面膠固定在樣品臺上。取少量淀粉均勻地灑在雙面膠上,然后真空噴金處理。樣品保存于干燥器中,經(jīng)過短暫干燥后,用掃描電子顯微鏡觀察并拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌。
1.2.4.1 淀粉糊的透明度
取1.0g絕干試樣,加蒸餾水100mL,配制質(zhì)量濃度為0.01kg/L淀粉乳,在沸水浴中加熱,攪拌20min,并不時加入蒸餾水以保持淀粉糊的原有體積,然后冷卻到25℃。以蒸餾水為空白,在620nm波長處,用分光光度計測淀粉糊的透光率。
1.2.4.2 淀粉糊的凍融穩(wěn)定性
配制質(zhì)量濃度為0.06kg/L的淀粉乳,于沸水浴中加熱攪拌20min,用水調(diào)制淀粉糊質(zhì)量濃度至原質(zhì)量濃度,冷卻至室溫,置于-15~-20℃的冰箱內(nèi),冷凍24h后取出自然解凍,在3000r/min條件下離心20min,去掉上清液,稱取沉淀物質(zhì)量,計算析水率。
式中:I為析水率/%,m1為淀粉糊質(zhì)量/g;m2為沉淀物質(zhì)量/g。
1.2.4.3 淀粉糊的凝沉性
配制質(zhì)量濃度為0.01kg/L的淀粉糊,置于25mL的具塞刻度試管中,在25℃條件下靜置,每隔一段時間記錄上層清液的體積,用清液的體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化來繪制曲線,從而表示淀粉糊的凝沉性。
1.2.4.4 淀粉糊的溶解度和膨脹度
稱取5g樣品,加入100mL水,置于離心管中,在沸水浴加熱30min,每5min振1次。將水浴后的樣品冷卻至室溫,用3000r/min的轉(zhuǎn)速離心15min,將離心后樣品的上清液和沉淀物分開,烘干后稱量,并按下式計算溶解度和膨脹度。
式中:m1為溶解淀粉質(zhì)量/g;m2為淀粉質(zhì)量/g,以干基計;m3為膨脹淀粉質(zhì)量/g;S為溶解度/%。
淀粉含量的測定用GB 5009.9—85《食品中淀粉含量的測定》[8];蛋白質(zhì)含量測定以牛血清白蛋白為標(biāo)準(zhǔn)作標(biāo)準(zhǔn)曲線,用考馬斯亮藍(lán)法測定[9];水分的測定參考文獻[10];粗脂肪的測定參考文獻[11];灰分的測定參考文獻[12]。
1.2.6.1 吸收光譜圖及測定波長的選擇
圖1 直鏈淀粉和支鏈淀粉全波段掃描圖譜Fig.1 Full-wavelength range spectra of amylase and amylopectin
1mg/mL直鏈淀粉和支鏈淀粉標(biāo)品分別與碘反應(yīng),在波長450~800nm掃描[13],見圖1。確定直鏈淀粉的測定雙波長為λ1=564nm和λ2=506nm,支鏈淀粉的測定雙波長為λ3=729nm和λ4=539nm。
1.2.6.2 直鏈淀粉的回歸方程
分別移取0.3、0.5、0.7、0.9、1.1、1.3mL質(zhì)量濃度1mg/mL直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液于50mL容量瓶中,加入蒸餾水30mL,以0.1mol/L HCl溶液調(diào)至pH3.5左右,加入碘試劑0.5mL,并用蒸餾水定容。靜置20min,以蒸餾水為空白,用1cm比色杯在波長為564、506nm處測定Aλ1、Aλ2,即得ΔA直=Aλ2-Aλ1。直鏈淀粉的回歸方程:C直/(mg/mL)=0.0856ΔA直-0.0158,相關(guān)系數(shù)R2=0.998。
1.2.6.3 支鏈淀粉的回歸方程
分別移取2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0mL質(zhì)量濃度為1mg/mL支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)液于50mL容量瓶中,其他處理方法與直鏈淀粉回歸方程相同。測定波長為729nm和543nm。支鏈淀粉的回歸方程為C支/(mg/mL)=0.0819 ΔA支-0.0147,相關(guān)系數(shù)R2=0.9988。
1.2.6.4 直鏈淀粉、支鏈淀粉含量的測定
樣品過60目篩,稱取樣品0.1g左右(精確至1mg),置于50mL容量瓶中。加0.5mol/L KOH溶液10mL,在沸水浴中加熱10min,取出,以蒸餾水定容至50mL靜置。取樣品液2.5mL兩份,均加蒸餾水30mL,以0.1mol/L HCl溶液調(diào)至pH3.5左右,樣品中加入碘試劑0.5mL,空白不加碘試劑,然后定容至50mL。靜置20min,以樣品空白液為對照,分別測定506、564、729、539nm處吸光度。得到ΔA直=Aλ2-Aλ1,ΔA支=Aλ4-Aλ3。淀粉含量按照下列公式計算。
總淀粉/%=直鏈淀粉+支鏈淀粉
式中:X1為查雙波長直鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)曲線得樣品液中直鏈淀粉含量/mg;X2為查雙波長支鏈淀粉標(biāo)準(zhǔn)曲線得樣品液中支鏈淀粉含量/mg;m為樣品質(zhì)量/g。
中性蛋白酶中心組合設(shè)計酶解魔芋飛粉試驗結(jié)果見表2,回歸方程的顯著性檢驗結(jié)果見表3。經(jīng)過統(tǒng)計分析得到的數(shù)學(xué)模型為:Y=79.66+4.46X1+2.90X2-2.87X3+1.23X1X2-0.36X1X3-1.23X2X3-1.71X12-5.71X22-5.31X32。
表2 中心組合試驗結(jié)果Table 2 Central composite design layout and experimental results
表3 回歸方程的顯著性檢驗Table 3 Variance analysis (ANOVA) for the developed regression equation
由表3可以看出,模型P<0.01,表明該模型極顯著。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.9525,說明該模型能夠解釋95.25%響應(yīng)值的變化,擬合程度良好[14]。
根據(jù)各因素與對應(yīng)自變量的編碼轉(zhuǎn)化公式,可以得到各因素的最佳水平值,即中性蛋白酶酶解魔芋飛粉的最適反應(yīng)條件為酶解120min、底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、pH7.1、溫度44.1℃、加酶量818.3U/g,在此條件下淀粉含量能達(dá)到84.22%。為了證實模型的預(yù)測值與實測值之間的擬和程度,驗證實驗結(jié)果淀粉含量達(dá)到84.15%,預(yù)測值與實驗值之間具有良好的擬和性,表明了模型的有效性。
酶解后魔芋淀粉再經(jīng)過水洗2次烘干得到淀粉含量高的魔芋淀粉,其中含淀粉90.09%、蛋白質(zhì)2.06%、脂肪0.42%、水分6.5%、灰分0.45%、其他0.48%,雙波長法分光光度法測得魔芋淀粉直連淀粉含量18.20%、支鏈淀粉含量81.80%。
魔芋淀粉顆粒觀測如圖2所示,通過對比觀測魔芋淀粉發(fā)現(xiàn)其顆粒明顯比玉米淀粉和紅薯淀粉的小,部分魔芋淀粉中間有裂紋,可能是在魔芋飛粉生產(chǎn)過程中,部分淀粉受到機械作用而損傷所致;玉米淀粉和紅薯淀粉顆粒多呈圓形和多邊形且臍點明顯,而魔芋淀粉由于顆粒小看不清臍點、輪紋且顆粒之間大小相差較大。
圖2 淀粉顆粒形貌Fig.2 Morphology of starch granules from different sources
圖3 淀粉顆粒SEM照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrographs of starch granules from different sources
淀粉顆粒掃描電子顯微鏡觀察見圖3,對比可以看出,魔芋淀粉顆粒較小,用電鏡標(biāo)尺對淀粉顆粒的粒徑進行估測,平均為5μm,而玉米淀粉顆粒的平均粒徑最大,平均可達(dá)12μm,其次為紅薯淀粉。從電鏡可以看出魔芋淀粉顆粒形狀復(fù)雜多樣,有紡錘形、多邊形、菱形等多種形狀。部分淀粉顆粒表面有凹陷,有的顆粒表面有絮狀連黏物,可能是淀粉結(jié)合少量蛋白質(zhì)有關(guān)。淀粉顆粒的大小和形狀取決于其來源。研究淀粉粒結(jié)構(gòu),對于鑒別淀粉來源,了解和改進淀粉性質(zhì),有著重要的意義。淀粉顆粒度的大小會影響淀粉的離心沉降速度、流變學(xué)特性,從而影響淀粉提取和加工。
表4 各種淀粉糊的部分理化性質(zhì)Table 4 Physical and chemical properties of starch pastes from different sources %
由表4可知,魔芋淀粉支鏈淀粉含量高,透光率高。透光率愈大,淀粉糊的透明度愈大。支鏈淀粉的含量對糊的透明度有一定的影響,支鏈淀粉含量越高,透明度越大。魔芋淀粉析水率介于紅薯淀粉和玉米淀粉之間,可知魔芋淀粉的凍融穩(wěn)定性較好,紅薯淀粉的凍融穩(wěn)定性最好。因此魔芋淀粉適宜應(yīng)用在果凍、飲料等食品加工中。淀粉的溶解度和膨脹度是淀粉性質(zhì)的一項基本指標(biāo),能反映淀粉樣品與水的結(jié)合能力。從表中可以看出,魔芋淀粉的溶解度和膨脹度都高于紅薯淀粉和玉米淀粉。
圖4 淀粉糊的凝沉曲線Fig.4 Retrogradation curves of starch pastes from different sources
由圖4可以看出,在整個凝沉過程中,紅薯淀粉和玉米淀粉在9h內(nèi)發(fā)生凝沉;魔芋淀粉在18h內(nèi)持續(xù)凝沉。凝沉主要是由于直鏈淀粉分子間的結(jié)合形成較大的顆?;蚴鵂罱Y(jié)構(gòu),當(dāng)體積增大到一定程度時,就形成了沉降。而魔芋淀粉顆粒小,支鏈淀粉含量高,空間阻隔作用大凝沉較慢[15],所以淀粉糊不易發(fā)生凝沉現(xiàn)象。
3.2 魔芋淀粉顆粒多為蠶豆形,無臍點、輪紋;魔芋淀粉顆粒粒徑為1~9μm不等,平均為5μm。魔芋淀粉支鏈淀粉含量高,所以魔芋淀粉糊具有較好的透明度,較好的凍融穩(wěn)定性,同時魔芋淀粉具有較好的溶解度和膨脹度。從顆粒觀察可以看出魔芋淀粉的顆粒小,所以魔芋淀粉不易發(fā)生凝沉現(xiàn)象。
[1] 高佩英. 魔芋學(xué)[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2004:15-16.
[2] 龐杰, 張莆生, 肖麗霞. 魔芋生物堿的微膠囊化工藝及生防效果試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2003, 19(4):188-192.
[3] 趙珊珊, 干信. 魔芋飛粉高F值寡肽的研究[J]. 化學(xué)與生物工程, 2005(1):10-12.
[4] ENGLYSL H N, KINGMAN S M, CUNRNINGS J H. Classification and measurement of nutritionally important starch fractions[J]. Eur J Clin Nutr, 1992, 46(Suppl 2):33-50.
[5] 翟琨, 覃海兵, 洪雁. 魔芋淀粉理化性質(zhì)研究[J]. 食品科學(xué), 2008, 29(9):59-61.
[6] 江萍, 夏先林, 秦禮康, 等. 魔芋飛粉基質(zhì)生料發(fā)酵研究[J]. 飼料研究, 1998, 20(9):3-6.
[7] 夏先林, 江萍, 李時春, 等. 復(fù)合益微發(fā)酵魔芋飛粉的飼用價值研究[J]. 根食與祠料工業(yè), 2003(2):24-26.
[8] GB 5009.9—85 食品中淀粉含量的測定[S].
[9] 陳荃. 生物化學(xué)研究技術(shù)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2002:95-97.
[10] GB/T 5009.3—2003 食品中水分的測定[S].
[11] GB/T 5009.6—2003 食品中脂肪的測定[S].
[12] GB/T 5009.4—2003 食品中灰分的測定方法[S].
[13] 陳毓荃. 生物化學(xué)試驗方法和技術(shù)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2002.
[14] 袁志發(fā), 周靜芋. 試驗設(shè)計與分析[M]. 北京:高等教育出版社, 2000.
[15] 杜雙奎, 于修燭, 楊雯雯, 等. 扁豆淀粉理化特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2007, 38(9):82-86.
Preparation of Konjac Fly Powder by Neutral Protease Hydrolysis and Its Properties
TAN Bo-wen1,XU Huai-de1,*,MI Lin-feng2
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;2. Yulin Products Quality Supervision and Inspection Institute, Yulin 719000, China)
TS231
A
1002-6630(2010)18-0041-05
2009-12-23
陜西省陜南突破發(fā)展基金項目(2006ZKC(二)04-34)
譚博文(1985—),男,碩士研究生,主要從事園藝產(chǎn)品貯藏與加工研究。E-mail:tany4210@163.com
*通信作者:徐懷德(1964—),男,副教授,學(xué)士,主要從事軟飲料、果品蔬菜貯藏與加工、天然產(chǎn)物提取研究。E-mail:xuhuaide@yahoo.com.cn