李同剛，楊帆仔，龔雪梅，蔡福帶，林小秋

（1.惠爾康集團(tuán)有限公司，福建廈門361004；2.廈門惠爾康食品有限公司，福建廈門361004）

谷物雜糧是21世紀(jì)最具開發(fā)潛力的食品資源，大量而有效地利用谷物雜糧所具有的健康、營養(yǎng)成分有利于膳食結(jié)構(gòu)的改善和人類的健康[1]。目前谷物雜糧加工方向由傳統(tǒng)的食用谷物雜糧向現(xiàn)代的方便化谷物雜糧食品方向發(fā)展[2]。然而現(xiàn)有谷物雜糧產(chǎn)品多為一種或幾種谷物的復(fù)配，或以簡單的物理處理達(dá)到顆粒細(xì)化，不能充分細(xì)化營養(yǎng)分子[3]。在很多谷物研究中需去除谷殼谷皮，不僅浪費(fèi)原料、污染環(huán)境，而且設(shè)備工藝復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)化難度大。針對上述問題，本項目通過谷物復(fù)配、液化酶解、糖化酶解以及微波干燥等技術(shù)研制出蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素等含量與奶粉極為相似的谷物乳粉（即預(yù)制粉），旨在為谷物雜糧加工研究提供一定的理論依據(jù)。本文主要探討了預(yù)制粉制備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——液化酶解及其工藝優(yōu)化，通過將淀粉轉(zhuǎn)化為糖使后續(xù)研究無需加糖，同時將粗纖維轉(zhuǎn)化為可溶性纖維以增加產(chǎn)品中的膳食纖維含量，從而達(dá)到簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品附加值的目的。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

燕麥、大豆、小米、大米、玉米、小麥、大麥、核桃、松仁、榛子、芝麻、豌豆、白蕓豆 由河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所提供；淀粉酶、纖維素酶 邢臺萬達(dá)生物工程有限公司；酚酞試劑、菲林試劑、葡萄糖、氫氧化鈉、碘液、鹽酸等 分析純。

DK-98-1電熱恒溫水浴鍋 常州菲普實(shí)驗(yàn)儀器廠；EMS-4B磁力攪拌器 天津市歐諾儀器儀表有限公司；pH測定儀 上海虹益儀器儀表有限公司；電子天平 上海精密儀器儀表有限公司；PK-WB-6GS微波干燥爐 南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司。

1.2 預(yù)制粉生產(chǎn)工藝流程

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對原料進(jìn)行液化酶解，該酶解過程既影響后續(xù)糖化酶解，又對整個預(yù)制粉的制備過程起著至關(guān)重要作用，具體生產(chǎn)工藝流程如下。

1.3 谷物原料復(fù)配實(shí)驗(yàn)

[4]的方法，為提高預(yù)制粉的蛋白質(zhì)含量、膳食纖維含量，選用特色谷物按一定比例復(fù)配成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組，比例分配如表1所示。

表1 各復(fù)配組合中谷物含量（%）Table 1 The content of compound cereal of each group（%）

1.4 最佳酶解條件的確定

選擇最佳谷物復(fù)配組，選用淀粉酶與纖維素酶（復(fù)合比1∶1），以DE值為指標(biāo)，分別考察底物濃度、加酶量、酶解溫度以及酶解時間對復(fù)配谷物酶解效果的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，確定最適酶解條件。

1.4.1 酶解單因素實(shí)驗(yàn)

1.4.1.1 底物濃度對復(fù)配谷物水解度的影響 固定加酶量0.30%、溫度50℃、時間60min、自然pH，分別選取2.00%、4.00%、6.00%、8.00%、10.00%、12.00%、14.00%、16.00%不同的底物濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定最佳底物濃度。

1.4.1.2 加酶量對復(fù)配谷物水解度的影響 固定底物6.00%、溫度50℃、時間60min、自然pH，加酶量分別設(shè)置為0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%、0.60%、0.70%，確定最適加酶量。

1.4.1.3 溫度對復(fù)配谷物水解度的影響 固定底物6.00%、加酶量0.40%、時間60min、自然pH，分別選取20、30、40、50、60、70、80℃不同溫度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，選擇最適溫度。

1.4.1.4 時間對復(fù)配谷物水解度的影響 固定底物6.00%、加酶量4.0%、溫度60℃、自然pH，分別選取15、30、45、60、75、90、105min不同時間進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，選取最佳酶解時間。

1.4.2 響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 在酶解單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，以復(fù)配谷物水解度（DE值）為指標(biāo)，利用響應(yīng)面設(shè)計實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化酶法制備復(fù)配谷物飲品專用預(yù)制粉的最佳工藝。實(shí)驗(yàn)設(shè)計如表2。實(shí)驗(yàn)均平行3次。

表2 因素水平編碼表Table 2 The code list of factors level

1.5 指標(biāo)測定

還原糖含量的測定采用菲林試劑滴定法[5]；總固形物的測定采用105℃恒重法。

DE值的計算公式：DE（%）=[還原糖的含量（mg/mL）/總固形物的含量（mg/mL）]×100。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用微軟辦公軟件Office2007，Design-Expert8.0軟件處理數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)均做了三次平行，結(jié)果為三次實(shí)驗(yàn)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷物復(fù)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各組谷物復(fù)配主要以燕麥、大豆為主，為達(dá)到制備谷物飲品專用、易用、有營養(yǎng)等效果，添加少量芝麻、核桃、松仁、榛子、白蕓豆、小米、大米、玉米、小麥、大麥、豌豆。經(jīng)復(fù)配后的谷物組中蛋白質(zhì)、脂肪和膳食纖維含量見表3。

表3 各組合中主要成分比較（%）Table 3 The comparison of the major components（%）

由表3可知，大豆含量（40%）一定的情況下，通過主調(diào)燕麥、微調(diào)芝麻、核桃、松仁、榛子、白蕓豆、小米、大米以及玉米比例，其中組合Ⅲ與組合Ⅳ中蛋白質(zhì)和膳食纖維含量相當(dāng)，但組合Ⅲ中的脂肪明顯低于組合Ⅳ，綜合考慮產(chǎn)品營養(yǎng)以及生產(chǎn)成本，選擇復(fù)配谷物組合Ⅲ為實(shí)驗(yàn)原料，進(jìn)行后續(xù)酶解實(shí)驗(yàn)。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 底物濃度對復(fù)配谷物水解度的影響 底物濃度高低是影響酶解的參數(shù)[5]。由圖1可知，隨著底物濃度的增加，DE值呈現(xiàn)明顯的先增后降，當(dāng)?shù)孜餄舛葹?.00%時，DE值最大達(dá)43.40%。在加酶量一定的情況下，酶與底物充分絡(luò)合，隨著底物繼續(xù)增加，底物與底物之間出現(xiàn)競爭性抑制從而影響酶解效果[6]，所以在固定酶解條件下，最適底物濃度為6.00%。

圖1 底物濃度對酶解效果的影響Fig.1 Effect of the substrate concentration on ability of hydrolysis

2.2.2 加酶量對復(fù)配谷物水解度的影響 酶解實(shí)驗(yàn)中，加酶量是影響酶解重要參數(shù)。由圖2可知，加酶量在0.10% ～0.40%之間，DE值逐漸增高，當(dāng)加酶量達(dá)到0.40%時，DE值達(dá)到拐點(diǎn)，繼續(xù)增大加酶量，DE值增加不明顯。這是因?yàn)榈孜锝跬耆幻附j(luò)合，酶解進(jìn)行較為徹底[7]，所以結(jié)合生產(chǎn)成本因素，選用0.40%為最適加酶量。

圖2 加酶量對酶解效果的影響Fig.2 Effect of the enzyme concentration on ability of hydrolysis

2.2.3 溫度對復(fù)配谷物水解度的影響 溫度影響酶的活性，對酶解有重要影響。由圖3可知，不斷提高溫度，DE值呈現(xiàn)明顯的先增后降，當(dāng)溫度為60℃時，DE值達(dá)到最高點(diǎn)，為46.88%。這是由于低溫度時酶的活性不高影響了酶解效果，當(dāng)溫度過高時又抑制了酶活。本實(shí)驗(yàn)選用雙酶酶解，需要二者均適宜的酶解溫度，所以最適溫度選為60℃。

圖3 溫度對酶解效果的影響Fig.3 Effect of the temperature on ability of hydrolysis

2.2.4 時間對復(fù)配谷物水解度的影響 時間是酶解實(shí)驗(yàn)的又一重要參數(shù)。由圖4可知，15 ～75min之間，DE值隨著時間的延長明顯提高；75min后，DE值開始降低，在75min時達(dá)到最高值49.40%。這是因?yàn)槊附饩哂袑Ｒ恍訹7]，酶解前期需識別底物并與之結(jié)合，后期隨著底物減少，酶解效果減弱。因此，本實(shí)驗(yàn)酶解時間選擇75min。

圖4 時間對酶解效果的影響Fig.4 Effect of the time on ability of hydrolysis

2.3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型 根據(jù)表2因素水平，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計，結(jié)果見表4，其中1 ～24為析因?qū)嶒?yàn)，25 ～29為中心點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

中心組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，經(jīng)Design Expert軟件處理，得到如下回歸方程：Y=49.91-1.12X1+3.33X2+1.45X3+2.07X4+1.30X1X2+0.59X1X3-3.86X1X4+1.37X2X3+1.26X2X4+1.06X3X4-3.36X12-1.36X22-4.83X32-2.74X42。

2.3.2 回歸模型的顯著性檢驗(yàn) 為檢驗(yàn)回歸方程的有效性，按F1=失擬均方/誤差均方，F(xiàn)2=回歸均方/剩余均方的程序進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表5。

由表5可知，在0.01水平上失擬項F1不顯著、F2極顯著，這表明方程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的配合是可行的。經(jīng)顯著性比較，剔除不顯著項后，簡化后得回歸方程：Y=49.91-1.12X1+3.33X2+1.45X3+2.07X4-3.86X1X4-3.36X12-1.36X22-4.83X32-2.74X42，該方程R2=0.9539，R2adj=0.9079，說明回歸方程對實(shí)際實(shí)驗(yàn)擬合情況較好[8-9]，可以用來建立模型。在本實(shí)驗(yàn)中各因素影響大小順序?yàn)椋篨2＞X4＞X3＞X1，即加酶量＞時間＞溫度＞底物濃度。

綜合考慮，在實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，獲得復(fù)配谷物液化酶解工藝條件為：X1=0.60、X2=1.00、X3=0.29、X4=1.00，即底物濃度6.60%、加酶量0.40%、溫度61.45℃、時間90.00min，此時預(yù)測DE值為54.15%。

2.3.3 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 按照最佳酶解條件（底物濃度6.60%、加酶量0.40%、溫度61.45℃、時間90.00min）進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，重復(fù)三次，所得結(jié)果如表6所示。

由表6可知，回歸方程所得的預(yù)測值54.15%與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的平均值54.88%的誤差為0.73%，證明該酶解條件參數(shù)可靠，該方程能較好反映液化酶解過程中水解度變化情況[10]。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)通過谷物復(fù)配，獲得適合制備谷物飲品專用預(yù)制粉的復(fù)配組合Ⅲ，以此為原料在單因素基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面優(yōu)化，Design-Expert8.0軟件分析得到最佳酶解組合為：底物濃度6.60%、加酶量0.40%、溫度61.45℃、時間90.00min，此時DE值可達(dá)54.88%，其中各因素的影響大小順序：加酶量＞時間＞溫度＞底物濃度。此液化酶解條件為后續(xù)的糖化酶解，以及大規(guī)模生產(chǎn)復(fù)配谷物制備飲品專用預(yù)制粉奠定了基礎(chǔ)。

表4 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 4 The results of Box-Behnken

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 5 The results of ANOVA

表6 結(jié)果驗(yàn)證Table 6 The testing results

參考文獻(xiàn)

[1]預(yù)拌粉或?qū)⒊蔀樾袠I(yè)未來發(fā)展趨勢[EB/OL].http：//www.chinacir.com.cn/2013_hyzx/357614.shtml，2013-06-04.

[2]湯兆征.雜糧主食品及其加工新技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

[3]吳朝霞，丁霞.雜糧的營養(yǎng)價值及雜糧保健食品的開發(fā)和應(yīng)用[J].雜糧作物，2001，21（5）：48-50.

[4]孟岳成，俞小良.谷物雜糧的復(fù)配技術(shù)及其營養(yǎng)互補(bǔ)[J].食品開發(fā)，2009（1）：20-21.

[5]楊希娟，黨斌，耿貴工，等.青稞谷物飲料酶解工藝的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012（30）：72-75.

[6]陳清西.酶學(xué)及其研究技術(shù)[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2010.

[7]吳士筠，周巋，張凡.酶工程技術(shù)[M].武漢：華中師范大學(xué)出版社，2009.

[8]Yuan Y，Gao Y，Zhao J.Optimization of conditions for the preparation of β-carotene nanoemulsions using response surface methodology[J].Food Chemistry，2008，107（3）：1300-1306.

[9]Yagci S，Gogus F.Response surface methodology for evaluation of physical and functional properties of extruded snack foods developed from food-by-products[J].Journal of Food Engineering，2008，86（1）：122-132.

[10]闞歡，劉云，熊麗萍，等.響應(yīng)面法優(yōu)化羅望子膠的提取工藝[J].食品科學(xué)，2011，32（8）：321-324.