叢 崇，呂呈蔚，樊紅秀，郭 中，金鳳石，張艷榮*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化玉米淀粉擠出-酶解復(fù)合法糖化工藝

叢 崇，呂呈蔚，樊紅秀，郭 中，金鳳石，張艷榮*

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

以經(jīng)過擠出-酶解復(fù)合法液化后的玉米淀粉為原料，利用葡萄糖淀粉酶為糖化酶，采用擠出-酶解復(fù)合法糖化玉米淀粉擠出酶解物。以葡萄糖（dextrose equivalent，DE）值為考察指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法對糖化工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳擠出工藝。響應(yīng)面分析結(jié)果表明，最優(yōu)工藝為葡萄糖淀粉酶添加量140 U/g、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、擠出溫度85 ℃，由此工藝得到的淀粉糖DE值為42.12%。利用高效液相色譜法檢測得出DE38產(chǎn)品葡萄糖含量26.17%、麥芽糖含量25.29%、麥芽三糖含量14.86%，DE42產(chǎn)品葡萄糖含量29.57%、麥芽糖含量33.40%、麥芽三糖含量17.23%。紅外圖譜顯示擠出物中含有葡萄糖等低聚糖特征峰，掃面電鏡圖顯示原料經(jīng)擠出后表面生成多孔狀結(jié)構(gòu)，X-射線衍射圖顯示有新的晶型結(jié)構(gòu)生成，Brabender黏度曲線表明擠出物中含有小分子可溶性糖，黏度降低。

擠出-酶解復(fù)合法；玉米淀粉；糖化

利用淀粉為原料生產(chǎn)的糖品統(tǒng)稱為淀粉糖，產(chǎn)品種類繁多，生產(chǎn)歷史悠久，利用淀粉為原料制成糖品，是對淀粉的更好利用。目前世界上市面出售多種已開發(fā)成型的玉米加工制品，種類繁多，不勝枚舉，主要產(chǎn)品包括飼料、淀粉、淀粉糖、酒精、玉米油、淀粉塑料、玉米風(fēng)味食品及其他深加工產(chǎn)品。玉米作為我國主要的糧食產(chǎn)物之一，具有原料充足、質(zhì)量高、成本低、保健性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)淀粉糖的優(yōu)選原料。與傳統(tǒng)的甘蔗和甜菜糖相比，淀粉糖可以通過不同的轉(zhuǎn)化途徑和工藝條件，從而改變產(chǎn)品中各種糖分的比例，獲得理想甜度，滿足食品加工的需要［1-2］。淀粉糖良好的應(yīng)用性能使得該產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，制備淀粉糖的原料質(zhì)量越高越好，質(zhì)量低劣的淀粉會給后續(xù)的精制帶來困難［3-4］。工業(yè)上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的是中轉(zhuǎn)化糖漿，其葡萄糖（dextrose equivalent，DE）值為30%～50%，其中DE38和DE42是較為常見的產(chǎn)品。傳統(tǒng)方法制備淀粉糖漿采用噴射液化法，再用壓力糖化罐進(jìn)行糖化，但傳統(tǒng)方法存在很多缺點(diǎn)，如設(shè)備占地面積大、生產(chǎn)成本高、水耗能耗過大、污染廢物多等［5-6］，因此研究新型節(jié)能型生產(chǎn)方法迫在眉睫。擠出技術(shù)很早就被應(yīng)用在食品領(lǐng)域中，前人也將擠出法應(yīng)用到淀粉糖的生產(chǎn)工藝中，肖志剛［7］采用單螺桿擠出技術(shù)處理玉米粉，研究了擠壓口模具直徑、擠出溫度、物料水分含量和螺桿轉(zhuǎn)速對擠出物的影響，并以擠出物為原料，采用酶法進(jìn)行液化與糖化工藝制備淀粉糖漿，但其工藝特點(diǎn)為采用擠出法處理脫胚玉米，再經(jīng)過傳統(tǒng)酶糖化的方法，而未在擠出過程中完成糖化工藝。本研究將擠出復(fù)合酶解技術(shù)應(yīng)用在淀粉糖生產(chǎn)中，旨在通過擠出復(fù)合酶解作用直接生產(chǎn)淀粉糖，其原理是使淀粉在擠出腔內(nèi)的水分、熱和機(jī)械剪切力等綜合作用下，使淀粉呈現(xiàn)熔融狀態(tài)［8-11］，此時(shí)淀粉的晶體結(jié)構(gòu)已被破壞，能夠增大葡萄糖淀粉酶的作用效果，當(dāng)?shù)矸蹚哪＞咧斜粩D出，壓力驟然下降為常壓，物料中水分發(fā)生閃蒸，溫度急劇下降，因此物料成為具有一定形狀的、多孔結(jié)構(gòu)的膨化淀粉糖產(chǎn)品［12］。擠出過程也達(dá)到了滅酶的效果，減少后續(xù)精制工序。本研究采用擠出-酶解復(fù)合法液化后的高含量玉米淀粉擠出酶解物為原料，與傳統(tǒng)噴射液化工藝相比，減少了大量能耗、水耗和時(shí)間。進(jìn)一步采用擠出-酶解復(fù)合法糖化玉米淀粉擠出酶解物，并采用響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù)。該糖化生產(chǎn)工藝簡單，減少了生產(chǎn)周期，降低糖化酶使用量，提高淀粉糖的品質(zhì)。目前對于擠出-酶解復(fù)合法制備淀粉糖的工藝還罕有報(bào)道，因此本研究為淀粉糖生產(chǎn)技術(shù)提供新思考。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

玉米淀粉 長春大成新資源集團(tuán)有限公司；耐高溫α-淀粉酶（酶活力3.2萬 U/mL）、葡萄糖淀粉酶（酶活力136 328 U/g） 棗莊市杰諾生物酶有限公司；葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)品、麥芽三糖標(biāo)準(zhǔn)品 德國Dr. Ehrenstorfer公司；酒石酸鉀鈉、乙酸鋅、鹽酸、氫氧化鈉、硫酸銅、硫代硫酸鈉、亞甲藍(lán)、無水乙醇、醋酸、亞鐵氰化鉀、葡萄糖等（均為分析純） 北京化工廠。

1.2儀器與設(shè)備

JC-60A型單螺桿擠出機(jī) 長春市盛達(dá)食品工業(yè)研究所；Q-250A3高速多功能粉碎機(jī) 上海冰都電器有限公司；BPG-9240A精密鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；DR-A1數(shù)字式阿貝折光儀 上海恒奇儀器儀表有限公司；DK-98-Ⅰ電子萬用爐 北京市永光明醫(yī)療儀器廠；GB204分析天平 德國賽多利斯特儀器有限公司；1200型高效液相色譜儀 美國Agilent公司；IR Prestige傅里葉紅外光譜儀、SSX-550型掃描電子顯微鏡日本島津公司；D8-ADVANCE型廣角X射線衍射儀 德國Bruker公司；黏度儀 德國Brabender公司。

1.3方法

1.3.1原料制備工藝流程［13］

1.3.2擠出-酶解復(fù)合法糖化玉米淀粉擠出酶解物工藝流程

1.3.3糖化單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

擠出技術(shù)在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用是使物料在擠出腔內(nèi)受到水分、溫度、機(jī)械剪切力以及高壓力差的綜合作用達(dá)到糊化的過程，若在擠出過程中添加酶制劑，則降解程度會大大提高，在擠出過程中，溫度會影響酶的催化作用，水分也是重要的參數(shù)之一，因此單因素試驗(yàn)以擠出物的DE值為考核指標(biāo)，分別考察擠出溫度、葡萄糖淀粉酶添加量和原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對試驗(yàn)的影響。

1.3.3.1對擠出溫度的考察

以實(shí)驗(yàn)室自制液化后玉米淀粉擠出酶解物為原料，在原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、葡萄糖淀粉酶添加量140 U/g（干物質(zhì)）的條件下，考察擠出溫度分別為75、80、85、90、95 ℃時(shí)，擠出物的DE值。

1.3.3.2對葡萄糖淀粉酶添加量的考察

在原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、擠出溫度85 ℃的條件下，考察葡萄糖淀粉酶添加量分別為100、120、140、160、180 U/g（干物質(zhì)）時(shí)，擠出物的DE值。

1.3.3.3對原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的考察

在葡萄糖淀粉酶添加量140 U/g（干物質(zhì)）、擠出溫度85 ℃的條件下，考察玉米淀粉擠出酶解物含量，即原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為60%、65%、70%、75%、80%時(shí)，擠出物的DE值。

1.3.4擠出-酶解復(fù)合法糖化玉米淀粉Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取擠出溫度（A）、葡萄糖淀粉酶添加量（B）、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）為自變量，擠出物的DE值為響應(yīng)值（Y），設(shè)計(jì)三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表1。

表1　擠出-酶解復(fù)合法糖化Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平表Table 1 Independent variables and their coded levels used in Box-Behnken design for optimization of starch sacchrififi cation

1.3.5檢測方法

1.3.5.1DE值的檢測和出品率的測定

還原糖含量測定按照GB/T 5009.7—2008《食品中還原糖含量的測定》一般食品的處理方法執(zhí)行；可溶性固形物含量的測定按照阿貝折光儀法執(zhí)行［14］；DE值的計(jì)算參考下式：

式中：X為擠出糖化物中還原糖的含量/g；Y為擠出糖化物中可溶性固形物的含量/g。

1.3.5.2紅外光譜測定

稱取適量擠出物置于50 ℃烘箱中烘干，收集樣品備用，稱取溴化鉀粉200 mg置于105 ℃烘箱中至恒質(zhì)量，稱取1 mg樣品與100 mg溴化鉀粉，充分混合均勻，用瑪瑙研缽研磨混合物后收集，將混合物在壓力為7 MPa的條件下，壓制成直徑為13 mm的薄片，進(jìn)行紅外光譜測定，掃描波數(shù)范圍為500～4 000 cm-1。

1.3.5.3高效液相色譜測定

高效液相色譜條件：Ultimate Diol二醇基柱（5 μm，100 ?，4.6 mm×250 mm）；流動(dòng)相：乙腈-水體積比85∶15；流速1.0 mL/min；進(jìn)樣量10 μL；柱溫85 ℃；檢測器溫度35 ℃。

混合標(biāo)準(zhǔn)品溶液的配制與標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：準(zhǔn)確稱取葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品3.42 mg、麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)品2.01 mg、麥芽三糖標(biāo)準(zhǔn)品4.31 mg于10 mL容量瓶中，用超純水定容至刻度。配制成的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中含葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)品0.342 mg/mL、麥芽糖標(biāo)準(zhǔn)品0.201 mg/mL、麥芽三糖標(biāo)準(zhǔn)品0.431 mg/mL，備用。準(zhǔn)確吸取混標(biāo)液5、10、15、20、25 μL的分5次進(jìn)樣，以混標(biāo)液中單糖組分含量（μg）的對數(shù)值為橫坐標(biāo)（X），以相應(yīng)峰面積的對數(shù)值為縱坐標(biāo)（Y），制作標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算線性回歸方程。

擠出物樣品的檢測：稱取待測樣品10 mg于10 mL容量瓶中，用1∶1乙腈蒸餾水溶液溶解并定容至刻度，將溶液過0.22 μm濾膜，得到樣品液。使用標(biāo)準(zhǔn)品與樣品對照法直接進(jìn)行定性，即將樣品和已知標(biāo)準(zhǔn)物在同一色譜柱和相同條件下進(jìn)行檢測，根據(jù)出峰的時(shí)間定性，根據(jù)峰面積計(jì)算質(zhì)量濃度［15-16］。

1.3.5.4微觀結(jié)構(gòu)的觀察

樣品預(yù)處理：將玉米淀粉、玉米淀粉擠出酶解物和擠出酶解糖化物均過200目篩，分別稱取3 種樣品1 g于100 mL燒杯中，并分別加入20 mL無水乙醇進(jìn)行超聲分散處理，超聲功率為100 W，時(shí)間為1 min，用滴管吸取少量處理過的樣品滴于電鏡硅片上，待乙醇完全揮發(fā)，將承載硅片置于50 ℃烘箱烘干，烘干后，將電鏡硅片放入鍍金器中噴涂鉑/鈀合金，將噴金后的電鏡硅片置于掃描電子顯微鏡下，拍攝樣品微觀結(jié)構(gòu)［17］。

1.3.5.5X-射線衍射測試分析

將樣品置于50 ℃烘箱烘干至恒質(zhì)量，對干燥的樣品進(jìn)行超微粉碎處理，過200目篩。測試時(shí)稱取0.5 g樣品放入測試池中，用載玻片將樣品表面壓平，放入X-射線衍射儀中進(jìn)行測定，采用連續(xù)掃描方式，廣角衍射，特征射線CuKα，掃描速率為2 °/min，掃描區(qū)域?yàn)?5°～50°，步長為0.02，管壓為40 kV，管流為40 mA。

1.3.5.6Brabender黏度計(jì)測定分析

準(zhǔn)確稱取10.00 g樣品，加入蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液100 g，置于Brabender黏度計(jì)的樣品缽中。儀器從50 ℃開始升溫，升溫速率為10 ℃/min，溫度達(dá)到100 ℃后保持溫度3 min，然后開始冷卻，降溫速率為10 ℃/min，冷卻至50 ℃后，繼續(xù)保持溫度2 min，之后得到樣品的Brabender黏度曲線。

2　結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1擠出溫度對擠出物DE值的影響

圖1　擠出溫度對DE值的影響Fig.1 Effect of extrusion temperature on DE value

在擠出過程中，物料吸收熱量為酶解反應(yīng)提供適當(dāng)?shù)臏囟?。由圖1可知，擠出溫度小于85 ℃時(shí)，擠出物的DE值隨溫度的升高而增加，擠出溫度大于85 ℃時(shí)，擠出物的DE值明顯下降。因葡萄糖淀粉酶的最適反應(yīng)溫度為70～90 ℃，隨著擠出腔內(nèi)溫度的升高物料隨之升溫，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最適反應(yīng)溫度，并且在擠出頭處高溫高壓的作用下達(dá)到滅酶的效果［18-19］。若擠出溫度過高，雖可以提高玉米淀粉的糊化程度，增大糖化酶作用機(jī)會，但容易使蛋白酶失活，減少作用時(shí)間，酶解不徹底。因此，選取擠出溫度85 ℃為宜。

圖2　葡萄糖淀粉酶添加量對DE值的影響Fig.2 Effect of glucoamylase amount on DE value

2.1.2葡萄糖淀粉酶添加量對擠出物DE值的影響玉米淀粉擠出酶解物在擠出過程中受到套筒外壁的高溫以及套筒內(nèi)壁反向螺旋、捏合塊等剪切力的作用，玉米淀粉顆粒發(fā)生膨脹，晶體結(jié)構(gòu)消失，體積膨大，有利于葡萄糖淀粉酶的作用［20］。由圖2可知，隨著葡萄糖淀粉酶用量的增加，擠出物的DE值上升較快。但當(dāng)葡萄糖淀粉酶添加量達(dá)到140 U/g（干物質(zhì)）后再增大酶的用量，DE值幾乎不變，分析原因可能是在擠出過程中反應(yīng)時(shí)間較短。因此，選擇葡萄糖淀粉酶添加量140 U/g（干物質(zhì)）左右為宜。

圖3　原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對DE值的影響Fig.3 Effect of raw material concentration on DE value

2.1.3原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對擠出物DE值的影響原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對擠出物的DE值有一定的影響。由圖3

可知，當(dāng)原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，雖然原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，但物料中水分含量較低，物料與套筒內(nèi)壁摩擦力較大，不易形成熔融狀態(tài)，酶在低水分環(huán)境中不能充分作用。當(dāng)原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，物料中水分含量較高，在高水分環(huán)境下有利于酶解反應(yīng)的進(jìn)行，但同時(shí)擠出腔內(nèi)的高溫高壓環(huán)境在水分過高時(shí)易使蛋白酶失活，則不利于反應(yīng)的進(jìn)行。選擇原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%為宜。

2.2玉米淀粉擠出酶解物糖化工藝優(yōu)化

2.2.1Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)分析

對擠出-酶解復(fù)合法糖化玉米淀粉擠出酶解物工藝進(jìn)行優(yōu)化，通過單因素試驗(yàn)選擇擠出溫度、葡萄糖淀粉酶添加量、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為自變量，DE值為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理［21］，得到擠出-酶解復(fù)合法糖化玉米淀粉擠出酶解物工藝的三因素三水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。

表2　Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design with experimental results

表3　方差分析Table 3 Analysis of variance for the responseY （DE valuuee）

表4　回歸模型可信度分析Table 4 Reliability analysis of regression model

利用Design-Expert軟件對響應(yīng)面結(jié)果進(jìn)行分析及多元回歸擬合，得到擠出溫度（A）、葡萄糖淀粉酶添加量（B）、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）之間的三元二次回歸方程為：由表3、4分析結(jié)果可知，模型總決定系數(shù)99.25%，調(diào)整決定系數(shù)=98.29%，該系數(shù)均較高，說明試驗(yàn)誤差小。模型的可信度可通過變異系數(shù)得知，變異系數(shù)值與可信度呈反比，變異系數(shù)為1.10%，模型預(yù)測的值都能較接近真實(shí)值，故可對響應(yīng)值的變化進(jìn)行分析。

2.2.2各因素交互作用對擠出物DE值影響的響應(yīng)面

圖4　各因素交互作用響應(yīng)面和等高線圖Fig.4 Response surface and contour plots showing the interactive effects of various factors on DE value

由圖4可知，當(dāng)葡萄糖淀粉酶添加量與原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0水平時(shí)，改變擠出溫度對擠出物的DE值有明顯影響；在葡萄糖淀粉酶添加量與擠出溫度在0水平時(shí)，改變原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對擠出物的DE值也有顯著影響。原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)和葡萄糖淀粉酶添加量的交互作用對擠出物DE值影響最小，由等高線圖同樣可以看出在保持葡萄糖淀粉酶添加量為0水平時(shí)，擠出物的DE值變化并不明顯。擠出溫度和原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的交互作用拋物面圖曲線表現(xiàn)較陡，有利于找出試驗(yàn)的最佳工藝［22］。

2.2.3擠出-酶解復(fù)合糖化工藝的優(yōu)化及驗(yàn)證

通過響應(yīng)面軟件對回歸方程的計(jì)算分析，得到糖化最佳工藝為葡萄糖淀粉酶添加量144.75 U/g（干物質(zhì)）、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)67.54%、擠出溫度84.12 ℃，由此工藝得到的淀粉糖DE值為42.28%。為方便實(shí)際操作，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用葡萄糖淀粉酶添加量140 U/g、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、擠出溫度85 ℃，進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)，所得產(chǎn)品的DE值平均為42.12%，基本符合中轉(zhuǎn)化糖漿的要求。

2.3紅外光譜結(jié)果分析

由淀粉糖產(chǎn)品的紅外圖譜檢測淀粉糖組分的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，在500～4 000 cm-1范圍內(nèi)有特征吸收峰，中轉(zhuǎn)化糖的主要組成成分是葡萄糖、麥芽糖和一些低聚糖。由圖5可以看出，自制中轉(zhuǎn)化糖DE38和DE42產(chǎn)品在3 200～3 400 cm-1處都出現(xiàn)了寬且強(qiáng)烈的吸收峰，是氫鍵連接的O—H振動(dòng)吸收峰；在2 927 cm-1處的吸收峰表明樣品中存在C—H基團(tuán)，有烷烴類的化合物存在；在1 410～1 430 cm-1處出現(xiàn)的是彎曲的—CH2—的吸收峰。葡萄糖存在3 種構(gòu)型。圖譜顯示在1 015～1 160 cm-1處也出現(xiàn)了較寬且強(qiáng)烈的吸收峰證明樣品有伯醇官能團(tuán)與C—O鍵，而在1 660～1 755 cm-1處沒有吸收峰，說明樣品中的葡萄糖非直線型的，可能是α-葡萄糖或β-葡萄糖，基本符合葡萄糖以及低聚合度葡聚糖的特征吸收［23］。

圖5　中轉(zhuǎn)化糖DE38（A）和DE42（B）紅外光譜圖Fig.5 Infrared spectra of saccharifi ed products with DE values of 38% and 42% （moderately inverted sugar syrup， DE38 and DE42）

2.4糖組分檢測結(jié)果

表5　回歸方程、線性范圍及相關(guān)系數(shù)Table 5 Regression equations with linear ranges and correlation coeffi cients for glucose， maltose and maltotriose

圖6　標(biāo)準(zhǔn)品（A）、D38中轉(zhuǎn)化糖（B）、D42中轉(zhuǎn)化糖（C）高效液相色譜圖Fig.6 Chromatograms of mixed standards （A）， inverted sugar syrup DE38 （B） and inverted sugar syrup DE42 （C）

由圖6可知，采用擠出-酶解復(fù)合法制得的中轉(zhuǎn)化糖中含有葡萄糖、麥芽糖、少量麥芽三糖以及低聚糖。通過回歸方程計(jì)算出DE38產(chǎn)品中葡萄糖含量為21.81%，麥芽糖含量為21.08%，麥芽三糖含量為12.39%；DE42產(chǎn)品中葡萄糖含量為24.64%，麥芽糖含量為27.84%，麥芽三糖含量為14.36%。與傳統(tǒng)工藝相比，相同DE值的淀粉糖，利用擠出-酶解復(fù)合法制得的產(chǎn)品葡萄糖含量較高，原因可能是玉米淀粉在擠出過程中，淀粉顆粒膨化成蜂窩狀或片狀結(jié)構(gòu)，淀粉鏈間氫鍵斷裂，使得葡萄糖淀粉酶能更好的作用，生成小分子糊精、少量葡萄糖、麥芽糖和低聚糖等，相對增大了葡萄糖淀粉酶作用的底物質(zhì)量濃度，更有利于糖化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.5樣品掃描電鏡圖分析

圖7　玉米淀粉（a）、玉米淀粉擠出酶解物（b）、擠出糖化物（cc）的掃描電鏡圖Fig.7 SEM images of corn starch （a）， extruded liquefi ed corn starch （b），extruded saccharifi ed corn starch （c）

由圖7可知，玉米淀粉表面光滑，邊緣平整，經(jīng)過加耐高溫α-淀粉酶一次擠出后的玉米淀粉的顆粒表面發(fā)生了微小變化，淀粉顆粒表面的天然結(jié)晶結(jié)構(gòu)消失，顆粒表面呈現(xiàn)紋狀，部分表面分布有直徑較小的空洞，邊緣處有不同程度的崩解，原因可能是在高溫?cái)D出過程中，玉米淀粉顆粒受到高溫高壓高剪切力及耐高溫α-淀粉酶結(jié)合作用使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變且出現(xiàn)孔洞，經(jīng)過加葡萄糖淀粉酶二次擠出后糖化物，顆粒表面發(fā)生了顯著變化，顆粒表面蓬松粗糙且多處出現(xiàn)深淺不一的刻蝕孔洞，原因可能是一次擠出后的玉米淀粉呈現(xiàn)孔洞狀，增大了葡萄糖淀粉酶的作用，同時(shí)結(jié)合擠出過程中高溫高壓及剪切力的作用所致。

2.6樣品X-射線衍射分析

圖8　玉米淀粉擠出酶解物、擠出糖化物X-射線衍射圖譜Fig.8 XRD patterns of extruded liquefi ed corn starch and extruded saccharifi ed corn starch

淀粉多晶體系是由微晶、亞微晶和非晶中的一種或多種結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，對酶作用由較強(qiáng)的抵抗力。X-射線衍射圖峰的出現(xiàn)與微晶的大小有關(guān)，峰寬表示微晶越大，峰高則主要來自于非結(jié)晶領(lǐng)域。由圖8可知，玉米淀粉擠出酶解物在2θ角為17.7°、20.1°和23.3°時(shí)具有強(qiáng)的吸收峰，經(jīng)過加葡萄糖淀粉酶擠出后，晶型繼續(xù)發(fā)生變化，在2θ角為15.3°和17.2°處出現(xiàn)了新的高強(qiáng)度特征衍射峰，可能是擠壓過程中產(chǎn)生了具有較強(qiáng)衍射特征峰的新物質(zhì)。

2.7Brabender黏度分析

圖9　玉米淀粉擠出酶解物（a）和擠出糖化物（b）黏度曲線Fig.9 Viscosity curves of extruded liquefi ed corn starch and extruded saccharifi ed corn starch

淀粉不溶于冷水，但在水環(huán)境條件下，能可逆地吸收和失去水分發(fā)生輕微地溶脹，隨著環(huán)境溫度的升高，淀粉分子會發(fā)生劇烈振動(dòng)，造成分子間氫鍵斷裂，斷裂的氫鍵與較多的水分子結(jié)合，水分子進(jìn)入淀粉分子后，更長的淀粉短鏈便會分離，驟然增多的淀粉短鏈增加了淀粉溶液的無序性，結(jié)晶區(qū)域相對減少，溶液呈糊狀。由圖9可知，玉米淀粉擠出酶解物中含有未被分解的淀粉顆粒，在達(dá)到糊化溫度后，未被分解的淀粉顆粒發(fā)生糊化作用［24］，溶液的黏度上升，之后淀粉重結(jié)晶產(chǎn)生沉淀，從而溶液的黏度降低。通過圖9a和圖9b的對比，圖9b中溶液黏度變化較小，分析原因可能是淀粉經(jīng)過二次加酶擠出后，糖化程度較高，淀粉水解出的還原端較多。淀粉水解程度越高，其分子鏈越短，小分子可溶性糖含量越高，所以溶液的黏度較低［25］。

3　結(jié) 論

以玉米淀粉擠出酶解物為原料，采用擠出復(fù)合酶解法進(jìn)行糖化，對擠出溫度、葡萄糖淀粉酶添加量、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對擠出物DE值的影響進(jìn)行研究，采用單因素與響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化糖化工藝，結(jié)果表明：影響擠出物DE值的因素由強(qiáng)到弱為原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞擠出溫度＞葡萄糖淀粉酶添加量。最佳工藝參數(shù)為葡萄糖淀粉酶添加量140 U/g（干物質(zhì)）、原料質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%、擠出溫度85 ℃，由此工藝得到的淀粉糖DE值為42.12%?；痉现修D(zhuǎn)化糖漿的DE值要求。

以玉米淀粉擠出酶解物為原料制備的DE38和DE42淀粉糖，通過高效液相色譜法測定淀粉糖產(chǎn)品中糖組分含量，DE38產(chǎn)品葡萄糖含量26.17%、麥芽糖含量25.29%、麥芽三糖含量14.86%，DE42產(chǎn)品葡萄糖含量29.57%、麥芽糖含量33.40%、麥芽三糖含量17.23%。其葡萄糖、麥芽糖含量高于傳統(tǒng)糖化工藝。采用紅外光譜分析表明擠出糖化物中含有葡萄糖等低聚糖特征峰；掃描電鏡掃描圖結(jié)果顯示經(jīng)過擠出酶解糖化后，產(chǎn)物表面生成多孔、褶皺狀結(jié)構(gòu)；X-射線衍射圖譜顯示有新的晶型結(jié)構(gòu)生成；Brabender黏度曲線分析表明擠出糖化物中含有大量可溶性小分子糖，淀粉水解程度較高，黏度下降。

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Response Surface Optimization of Saccharifi cation Process for Liquefi ed Corn Starch by Simultaneous Extrusion and Enzymatic Hydrolysis

CONG Chong， Lü Chengyu， FAN Hongxiu， GUO Zhong， JIN Fengshi， ZHANG Yanrong*
（College of Food Science and Engineering， Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China）

The liquefi ed corn starch produced by simultaneous extrusion and enzymatic hydrolysis was further saccharifi ed by the same procedure except using glucoamylase instead of α-amylase. The optimization of saccharifi cation conditions for improved dextrose equivalent （DE） was investigated by the combined use of single factor experiments and response surface methodology. The results showed that when the saccharifi cation was carried out by adding 140 U of glucoamylase per g of dry matter， adjusting the concentration of the liquefi ed corn starch to 70% and performing extrusion at 85 ℃， the maximum DE value of 42.12% was obtained. The contents of glucose， maltose and maltotriose of the saccharifi ed product with a DE value of 38% were 26.17%， 25.29% and 14.86%， respectively， compared to 29.57%， 33.40%， and 17.23% for that with a DE value of 42%， respectively， as determined by high performance liquid chromatogram （HPLC）. In the infrared spectrum of the extruded saccharifi ed starch the characteristic peaks of oligosaccharides such as glucose were observed. The scanning electron microscope images showed that the product formed a porous structure. The X-ray diffraction results showed that new crystalline forms were generated. The curves from rapid viscosity analysis indicated that the product had a low viscosity， which contained a large amount of small-molecule soluble sugar.

simultaneous extrusion and enzymatic hydrolysis； corn starch； saccharifi cation

TS24

A

1002-6630（2015）18-0033-08

10.7506/spkx1002-6630-201518006

2015-04-15

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD34B07） ；吉林省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（2012ZDGG007）

叢崇（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榧Z食、油脂與植物蛋白工程。E-mail：xcpyfzx@163.com

張艷榮（1965—），女，教授，博士，研究方向?yàn)榧Z食、油脂與植物蛋白工程及食藥用菌精深加工。

E-mail：xcpyfzx@163.com