張 敏，馬 添，彭彰文，葉爾木哈買提·塔木，余兆碩，麻成金，2

（1.吉首大學(xué)植物資源保護(hù)與利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南吉首416000；2.吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南吉首416000）

馬鈴薯淀粉制備高果糖漿工藝優(yōu)化及品質(zhì)評價(jià)

張 敏1，馬 添1，彭彰文1，葉爾木哈買提·塔木1，余兆碩1，*麻成金1，2

（1.吉首大學(xué)植物資源保護(hù)與利用湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南吉首416000；2.吉首大學(xué)食品科學(xué)研究所，湖南吉首416000）

以馬鈴薯淀粉為原料，研究馬鈴薯淀粉制備高果糖漿工藝關(guān)鍵技術(shù)。采用單因素試驗(yàn)結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)多酶體系下馬鈴薯淀粉水解后的糖化液，得其DE值高達(dá)96.32%；結(jié)合響應(yīng)面中心組合試驗(yàn)（CCD）對精制后的糖化液進(jìn)行果糖異構(gòu)化工藝優(yōu)化處理，優(yōu)化參數(shù)為異構(gòu)酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，異構(gòu)溫度74℃，異構(gòu)時(shí)間40 h；且異構(gòu)化所得果糖含量的實(shí)測值為37.51%，與理論值的相對誤差為1.49%，差異不顯著。精制所得的高果糖漿甜味柔和，接近F42型高果糖漿產(chǎn)品要求。

馬鈴薯淀粉；多酶體系；淀粉水解；葡萄糖異構(gòu)化

高果糖漿（High-fructose syrup）口感純正、吸濕與保潮性好，是高甜度的淀粉糖，可以補(bǔ)充蔗糖供應(yīng)量的不足，供糖尿病患者食用。高果糖漿因其具有以上獨(dú)特的性能，被消費(fèi)者所喜愛，已在食品飲料、糖果、日常生活中廣泛應(yīng)用[1]。據(jù)有關(guān)研究顯示，葡萄糖作為制備高果糖漿的主要原料，可由淀粉轉(zhuǎn)化；馬鈴薯的塊莖淀粉含量豐富且產(chǎn)量大，是一種營養(yǎng)成分較全面的食物資源，因此可利用馬鈴薯淀粉來制備高果糖漿。

目前，高果糖漿的生產(chǎn)原料多以玉米淀粉為主，也有以碎米、小麥粗淀粉[2-3]為原料利用葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿的報(bào)道，而以馬鈴薯淀粉為原料的研究報(bào)道則較少。同時(shí)，當(dāng)前國內(nèi)外對馬鈴薯淀粉加工的報(bào)道主要集中在馬鈴薯淀粉的提取[4]和馬鈴薯淀粉改性研究領(lǐng)域[5]，因此以馬鈴薯淀粉為原料來開發(fā)高果糖漿具有創(chuàng)新性，有利于提高馬鈴薯的附加價(jià)值，推動(dòng)馬鈴薯深加工行業(yè)的發(fā)展，對我國農(nóng)產(chǎn)品加工發(fā)展具有深刻意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

馬鈴薯淀粉，吉首市農(nóng)貿(mào)市場所售，經(jīng)測定淀粉含量達(dá)90.94%左右；中溫α-淀粉酶（30 000 U/g），江蘇銳陽生物有限公司提供；復(fù)合糖化酶（糖化酶與普魯蘭酶復(fù)配，10×104U/g，500 U/g），福大百特生物科技有限公司提供；葡萄糖異構(gòu)酶（實(shí)測2 893 U/g）浙江綠州生物有限公司提供；葡萄糖、果糖、檸檬酸等，均為市售食用級，符合國家食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)；氫氧化鈉、碳酸氫鈉、亞硫酸鈉、磷酸氫二鈉、十二水合磷酸二氫鈉、七水合硫酸鎂、七水合硫酸鈷、半胱氨酸鹽酸鹽、咔唑、無水乙醇、濃硫酸，均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司產(chǎn)品；WYT型手持糖度計(jì)，成都光學(xué)廠產(chǎn)品；FA2004型電子天平，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；RE-85Z型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海青浦滬西儀器廠產(chǎn)品；UV-2450型紫外-可見分光光度計(jì)，島津企業(yè)管理有限公司產(chǎn)品；DDSJ-308A型電導(dǎo)率儀、精密pH計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 馬鈴薯預(yù)處理

將洗凈去皮的馬鈴薯進(jìn)行切分后粉碎，冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 工藝流程

馬鈴薯淀粉→調(diào)漿、護(hù)色→糊化→淀粉水解→活性炭脫色→抽濾→離子交換→初濃縮→異構(gòu)化→脫色離子交換→再濃縮→馬鈴薯淀粉高果糖漿成品。

1.3.3 操作要點(diǎn)及工藝優(yōu)化

（1）馬鈴薯淀粉多酶協(xié)同水解。在體系中加入0.1%無水氯化鈣、中溫α-淀粉酶與糖化酶，水解過程中通過調(diào)節(jié)不同因素間作用來調(diào)節(jié)水解效果。在多酶體系中，前期淀粉液化程度過高或過低都不適合后續(xù)的糖化過程，不利于糖化酶與底物生成絡(luò)合結(jié)構(gòu)，影響催化效率[6]。而其體系協(xié)同作用本質(zhì)，即中溫α-淀粉酶為糖化酶不斷提供新的非還原末端，提高了糖化酶的底物濃度，同時(shí)糖化酶不斷消耗中溫α-淀粉酶的產(chǎn)物，因此雙酶酶解體系對淀粉水解效率明顯優(yōu)于單酶體系[7]。

（2）糖化液精制。用真空泵對水解液抽濾3遍，除去可見的不溶雜質(zhì)。將糖化液連續(xù)2遍通過D311型大孔丙烯酸系弱堿性陰離子交換樹脂和701型強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂串聯(lián)的樹脂組柱，以除去糖液中的灰分、有機(jī)雜質(zhì)和有色物質(zhì)等雜質(zhì)。測定精制后的DE值。

（3）糖化液異構(gòu)化。在精制除雜后的糖化液中通過添加葡萄糖異構(gòu)酶，使其中一部分葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖，由于葡萄糖異構(gòu)為果糖是可逆反應(yīng)，當(dāng)異構(gòu)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，果糖和葡萄糖含量最高可達(dá)1∶1。

1.3.4 優(yōu)化馬鈴薯淀粉水解工藝條件參數(shù)

利用多酶體系水解相較于單酶體系效率更高的優(yōu)點(diǎn)，對馬鈴薯淀粉水解工藝條件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在單因素試驗(yàn)中，以酶量比例（中溫α-淀粉酶與復(fù)合糖化酶之比）、水解時(shí)間、水解溫度、水解pH值為考查因子，以DE值為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)，確定最佳工藝條件。

1.3.5 異構(gòu)化單因素試驗(yàn)

以果糖含量（占干物質(zhì)）作為異構(gòu)化效果評價(jià)指標(biāo)，在其他條件相同的情況下，分別以異構(gòu)酶用量（0，2，4，6，8 mg/g）、溶液pH值（6.5，7.0，7.5，8.0，8.5）、異構(gòu)溫度（55，60，65，70，75℃），異構(gòu)時(shí)間（30，35，40，45，50 h）為考查因素，對精制后的糖化液進(jìn)行單因素試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)2次，取其平均值。初始試驗(yàn)條件為異構(gòu)酶用量4 mg/g，溶液pH值7.5，異構(gòu)溫度65℃，異構(gòu)時(shí)間40 h。

1.3.6 優(yōu)化試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)中，以果糖含量為異構(gòu)化效果評價(jià)指標(biāo)，以異構(gòu)酶用量、溶液pH值、異構(gòu)溫度為考查因素進(jìn)行響應(yīng)面中心組合試驗(yàn)（CCD），以得到較優(yōu)參數(shù)。

1.3.7 馬鈴薯果葡糖漿品質(zhì)評價(jià)

對所制作的成品進(jìn)行品質(zhì)評價(jià)，根據(jù)GB/T 20882—2007（果葡糖漿）所要求相關(guān)指標(biāo)分別進(jìn)行感官評價(jià)和理化指標(biāo)的測定，并根據(jù)其所規(guī)定的要求分析成品是否達(dá)標(biāo)，以此研究其市場推廣價(jià)值。

1.3.8 測定方法

干物質(zhì)，采用折光法測定；果糖含量（占干物質(zhì)），采用半胱氨酸-咔唑法測定；pH值，采用pH計(jì)測定；色度（RBU），采用分光光度計(jì)法；透射比；分光光度計(jì)法測定；不溶性顆粒物（mg/kg），采用抽濾法測定。

淀粉水解液中葡萄糖含量，采用DNS法測定（標(biāo)準(zhǔn)曲線：Y=1.087 1X+0.014 4，R2=0.999 3）；DE值，按照糖液中還原糖（以葡萄糖計(jì)）占干物質(zhì)百分率的方法測定，計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化糖化液的水解工藝參數(shù)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)正交試驗(yàn)得出優(yōu)化后的參數(shù)為水解溫度70℃，水解pH值4.5，酶量比例80∶120，水解時(shí)間24 h。在此優(yōu)化工藝條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，馬鈴薯淀粉水解轉(zhuǎn)化率DE值平均值高達(dá)96.32%。

2.2 單因素試驗(yàn)

2.2.1 異構(gòu)酶用量對異構(gòu)化效果的影響

異構(gòu)酶用量對異構(gòu)化效果的影響見圖1。

由圖1可知，隨著異構(gòu)酶用量加大，果糖含量增加趨勢明顯。當(dāng)異構(gòu)酶用量為8 mg/g時(shí)，達(dá)到果糖含量最高值；而當(dāng)異構(gòu)酶用量超過8 mg/g后，果糖含量反而降低，這可能是因?yàn)楫悩?gòu)酶用量趨于飽和，異構(gòu)酶用量的增加量對其影響減弱。綜合考慮，選擇異構(gòu)酶用量6 mg/g作為優(yōu)選因素。

2.2.2 溶液pH值對異構(gòu)化效果的影響

溶液pH值對異構(gòu)化效果的影響見圖2。

圖1 異構(gòu)酶用量對異構(gòu)化效果的影響

圖2 溶液pH值對異構(gòu)化效果的影響

由圖2可知，在溶液pH值為7.5時(shí)，果糖含量達(dá)到最高；之后果糖含量隨溶液pH值上升而下降；但溶液pH值大于8.0后，果糖含量下降不明顯。這可能是由于在堿性條件下，葡萄糖烯醇化反應(yīng)的進(jìn)行彌補(bǔ)了異構(gòu)酶活力下降的異構(gòu)效果。綜合考慮，溶液pH值7.5時(shí)，該因素條件最佳。

2.2.3 異構(gòu)溫度對異構(gòu)化效果的影響

異構(gòu)溫度對異構(gòu)化效果的影響見圖3。

圖3 異構(gòu)溫度對異構(gòu)化效果的影響

由圖3可知，當(dāng)異構(gòu)溫度為70℃時(shí)，果糖含量達(dá)到最高；超過70℃后，果糖含量降低。因?yàn)楫悩?gòu)溫度過高會(huì)影響異構(gòu)酶的活性，所以應(yīng)該考慮最適異構(gòu)溫度，以防對異構(gòu)酶產(chǎn)生抑制作用又不符合經(jīng)濟(jì)要求。

2.2.4 異構(gòu)時(shí)間對異構(gòu)化效果的影響

異構(gòu)時(shí)間對異構(gòu)化效果的影響見圖4。

由圖4可知，隨著異構(gòu)時(shí)間的增加，異構(gòu)化效果越來越好。這是由于異構(gòu)時(shí)間越長，異構(gòu)反應(yīng)越趨近于葡萄糖與果糖1∶1的平衡態(tài)，且葡萄糖異構(gòu)酶為專一性酶，其反應(yīng)不可逆。當(dāng)異構(gòu)44 h時(shí)，果糖含量最高。當(dāng)異構(gòu)時(shí)間為40 h和44 h時(shí)，果糖含量差別并不大，為了效率方面問題，決定以40 h為異構(gòu)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，將不進(jìn)行響應(yīng)面因素考慮。

2.3 葡萄糖異構(gòu)化優(yōu)化試驗(yàn)

2.3.1 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

綜合以上單因素試驗(yàn)結(jié)果，以果糖含量Y為響應(yīng)值，異構(gòu)酶用量（A）、溶液pH值（B）、異構(gòu)溫度（C）為自變量，進(jìn)行中心組合試驗(yàn)及響應(yīng)面分析。

中心組合試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1，中心組合響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖4 異構(gòu)時(shí)間對異構(gòu)化效果的影響

表1 中心組合試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

表2 中心組合響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

對表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得二次多元回歸模型方程為：

2.3.2 優(yōu)化工藝模型方差分析及其顯著性檢驗(yàn)

模型方差分析結(jié)果見表3。

表3 模型方差分析結(jié)果

由表3可知，該模型極顯著（p＜0.000 1），相關(guān)系數(shù)R2=0.970 6，模型調(diào)整確定系數(shù)R2Adj=0.944 2；失擬項(xiàng)不顯著（p＞0.05），說明試驗(yàn)所得二次回歸方程高度顯著，該模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)能進(jìn)行較好的擬合，能很好地對響應(yīng)值進(jìn)行預(yù)測。試驗(yàn)因子對果糖含量的影響順序可為溶液pH值（B）＞異構(gòu)溫度（C）＞異構(gòu)酶用量（A）。舍棄不顯著的試驗(yàn)因子，擬合公式可簡化為：

2.3.3 響應(yīng)曲面分析和參數(shù)優(yōu)化

利用軟件Design Expert 8.0.6對果糖含量影響較顯著的3個(gè)交互因子進(jìn)行三維響應(yīng)面分析，響應(yīng)曲面的陡度及等高線與坐標(biāo)軸交點(diǎn)個(gè)數(shù)能在一定程度上反映試驗(yàn)因子對響應(yīng)值的影響大小。

A，B因素交互作用的響應(yīng)面及等高線見圖5。

由圖5可知，異構(gòu)酶用量與溶液pH值交互作用顯著，在異構(gòu)酶用量一定時(shí)，果糖含量隨溶液pH值的增加而先增加后減少；在異構(gòu)酶用量不斷增加時(shí)，果糖含量增加較多；當(dāng)異構(gòu)酶用量過多且溶液pH值過大時(shí)，果糖含量反而降低。

A，C因素交互作用的響應(yīng)面及等高線見圖6。

由圖6可知，隨異構(gòu)溫度和異構(gòu)酶用量的增加，果糖含量呈現(xiàn)先明顯增大、后緩慢下降的趨勢。

B，C因素交互作用的響應(yīng)面及等高線見圖7。

由圖7可知，溶液pH值與異構(gòu)溫度交互作用極顯著，在溶液pH值一定時(shí)，果糖含量隨異構(gòu)溫度的增加而緩慢增加后減少；當(dāng)異構(gòu)溫度一定時(shí)也是如此。

通過Design Expert 8.0.6軟件響應(yīng)面優(yōu)化得最佳工藝為異構(gòu)酶用量6.53 mg/g，溶液pH值7.23，異構(gòu)溫度74.44℃，異構(gòu)時(shí)間40 h。實(shí)際操作時(shí)可將工藝參數(shù)調(diào)整為異構(gòu)酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，異構(gòu)溫度74℃，異構(gòu)時(shí)間40 h。

為檢驗(yàn)響應(yīng)面法的可靠性，采用上述異構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，開展3組平行驗(yàn)證試驗(yàn)，異構(gòu)化所得果糖含量的實(shí)測值為37.51%±0.76%。理論值36.95%與實(shí)測值的相對誤差為1.49%，通過t檢驗(yàn)（p=0.95，f=2）差異不顯著。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化的葡萄糖異構(gòu)化條件的參數(shù)準(zhǔn)確可靠，具有實(shí)用價(jià)值。

圖5 A，B因素交互作用的響應(yīng)面及等高線

圖6 A，C因素交互作用的響應(yīng)面及等高線

圖7 B，C因素交互作用的響應(yīng)面及等高線

2.4 馬鈴薯淀粉高果糖漿品質(zhì)評價(jià)

2.4.1 感官指標(biāo)測定

所得糖漿為無色或淺黃色、透明黏稠液體，甜味柔和，具有高果糖漿特有的香氣，無異味，無正常視力可見雜質(zhì)。

2.4.2 理化指標(biāo)測定

馬鈴薯淀粉高果糖漿理化指標(biāo)測定見表4。

表4 馬鈴薯淀粉高果糖漿理化指標(biāo)測定

2.4.3 綜合評價(jià)

以馬鈴薯淀粉為原料，優(yōu)化工藝所得到的果糖漿較為接近F42型高果糖漿產(chǎn)品要求。

3 結(jié)論

在前期對馬鈴薯水解優(yōu)化處理進(jìn)行分析后可以得出：在多酶體系下，水解馬鈴薯淀粉效果顯著；在此設(shè)計(jì)多酶體系情況下的優(yōu)化水解參數(shù)為水解溫度70℃，水解pH值4.5，酶量比例80∶120，水解時(shí)間24 h；其馬鈴薯淀粉水解轉(zhuǎn)化率DE平均值高達(dá)96.32%。

通過對馬鈴薯淀粉進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)優(yōu)化葡萄糖異構(gòu)化工藝，得到葡萄糖異構(gòu)參數(shù)為異構(gòu)酶用量6.5 mg/g，溶液pH值7.5，異構(gòu)溫度74℃，異構(gòu)時(shí)間40 h，最終得到果糖含量為37.51%的高果糖漿高品質(zhì)成品，但成品的果糖含量尚未達(dá)到F42型高果糖漿產(chǎn)品要求，這可能是與葡萄糖異構(gòu)酶活力有關(guān)，還需進(jìn)一步使用酶活更高的葡萄糖異構(gòu)酶，開展提高果糖含量的相關(guān)研究，為后續(xù)果糖分離、研發(fā)結(jié)晶果糖工藝打下基礎(chǔ)。

[1]楊亞倫，郭燕枝，孫君茂.我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2017，19（1）：29-36.

[2]吳瑤，曹龍奎.碎米淀粉制備果葡糖漿工藝優(yōu)化[J].農(nóng)產(chǎn)品加工（學(xué)刊），2013（7）：31-35.

[3]亢潘潘，胡秋林.響應(yīng)曲面法優(yōu)化小麥淀粉制備麥芽糖漿糖化工藝的研究[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，31（2）：6-9.

[4]王大為，劉鴻鋮，宋春春.超聲波輔助提取馬鈴薯淀粉及其特性的分析[J].食品科學(xué)，2013，34（16）：17-22.

[5]劉文娟，何紹凱，曹余，等.馬鈴薯淀粉及其7種變性淀粉糊液特性的比較研究[J].中國食品添加劑，2015，12（6）：60-64.

[6]黃群，肖文軍，孫術(shù)國，等.α-淀粉酶和糖化酶協(xié)同酶解葛根淀粉動(dòng)力學(xué)研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，39（7）：147-152.

[7]李玉芹，袁正求，馮岳，等.α-淀粉酶和糖化酶協(xié)同酶解馬鈴薯淀粉的工藝條件優(yōu)化[J].食品科學(xué)，2012，33（21）：187-191.◇

Preparation Optimization and Quality Evaluation of High Fructose Syrup from Potato Starch

ZHANG Min1，MA Tian1，PENG Zhangwen1，Ye-Ermuhamaiti·TAMU1，YU Zhaoshuo1，*MA Chengjin1，2
（1.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and Utilization，College of Hu'nan Province，Jishou Univerusity，Jishou，Hu'nan 416000，China；2.Institute of Food Science，Jishou University，Jishou，Hu'nan 416000，China）

The research on the key points of preparation for high fructose syrup from the potato starch is studied.By single factor tests combine with orthogonal experiment optimization design，the best process parameters of the potato starch hydrolysis is explored under the multienzyme system，and the DE value of this saccharification liquid reaches 96.32%.Under this condition，the glucose isomerization is optimized by CCD based the single factor test.Optimization parameters are as follows：glucose isomerase dosage of 6.5 mg/g，reacting pH 7.5，reacting temperature 74℃，heterogeneous time 40 h.And the isomerization of the fructose content measured values is 37.51%，with the theoretical value of relative error is 1.49%and non-significant difference.The high fructose syrup is light yellow，sweet taste with a unique aroma and nearly met the of requirements of high fructose syrup F42 product.

potato starch；multienzyme system；amylolysis；glucose isomerization

TS236.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.05.035

1671-9646（2017）05b-0025-05

2017-04-28

吉首大學(xué)食品與生物類專業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中心資助項(xiàng)目（JDCX2015-03）。

張敏（1996—），女，在讀本科，研究方向?yàn)槭澄镔Y源研究與利用。

*通訊作者：麻成金（1963—），男，碩士，教授，研究方向?yàn)槭澄镔Y源研究與利用。