馬麗媛*，狄冰倩，賀馨穎，逯本涵，仁青拉姆，徐碩

綏化學(xué)院，食品與制藥工程學(xué)院（綏化 152061）

中國“五谷養(yǎng)身”的傳統(tǒng)飲食文化延續(xù)幾千年。近年來，養(yǎng)生和食品營養(yǎng)日益受到人們關(guān)注，在中國除大米和面粉以外的糧食作物均被稱作粗糧或雜糧。以五谷雜糧為原料制成的養(yǎng)生營養(yǎng)食品具有很高的營養(yǎng)價值與保健功能[1-2]，逐漸被大眾認(rèn)可和接受，并迅速發(fā)展成前景廣闊的朝陽食品產(chǎn)業(yè)[3-4]。

近年來人們對谷物粉的研究多集中在嬰幼兒配方米粉上[5-7]，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人民生活水平提高，谷物粉的研究逐漸向其他人群傾斜[8]，至今中國對谷物雜糧粉的體外消化率研究仍有空缺，還有待進一步探索。市場上多采用滾筒干燥技術(shù)和擠壓膨化技術(shù)來生產(chǎn)谷物雜糧粉，但用這2種工藝生產(chǎn)的雜糧粉，沖調(diào)時易結(jié)塊，且黏度較大，食用后不易消化，導(dǎo)致其中的營養(yǎng)成分不能被有效吸收。為解決營養(yǎng)成分難吸收的問題，通過復(fù)合酶水解技術(shù)改善谷物雜糧粉的消化性能，使谷物雜糧粉中的營養(yǎng)成分能被更好地吸收利用，為谷物雜糧粉的進一步開發(fā)利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

1.1.1 材料與試劑

小米、玉米、紅豆、黑米、燕麥（均為市售）；氫氧化鈉（滄州邦之德化工產(chǎn)品有限公司）；次甲基藍（湖北鑫潤德化工有限公司）；酒石酸鉀鈉、亞硫酸鈉（河北科隆多生物科技有限公司）；亞鐵氰化鉀（河南瑞仁生物工程有限公司）；苯酚（山東創(chuàng)利新材料有限公司）；葡萄糖（安徽宏通生物工程有限公司）；硫酸銅（濟南銘德化工有限公司）；3,5-二硝基水楊酸（上海鼓臣生物技術(shù)有限公司）；α-淀粉酶（北京奧博星生物技術(shù)有限公司）；β-淀粉酶、中性淀粉酶脂肪酶、纖維素酶、豬胰酶（上海祥瑞生物科技有限公司）。

1.1.2 儀器與設(shè)備

高速多功能搖擺式粉碎機（青島密克朗粉體機械有限公司）；HH-6型恒溫水浴鍋（上海高致精密儀器有限公司）；YP102N電子天平（浙江賽德儀器設(shè)備有限公司）；GZX-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海右一儀器有限公司）；YGL-12型高速冷凍離心機（鹽城市凱特實驗儀器有限公司）；UV1902PC型紫外可見分光光度計（東莞博萊德儀器設(shè)備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 谷物雜糧粉加工工藝流程及操作要點

原料除雜→粉碎→過篩→雜糧粉混合→調(diào)漿→滅酶→冷卻→添加酶→酶解→滅酶→冷卻→過濾→測定淀粉體外消化率

1) 原料選擇：選取顆粒飽滿、無蟲蛀、無霉點的新鮮谷物雜糧，清除其中沙石等雜物。

2) 粉碎：用超微萬能粉碎機進行粉碎，過0.150 mm孔徑篩網(wǎng)，備用，用密封袋保存，避免受潮。

3) 混合：谷物雜糧粉按1∶1∶1∶1∶1質(zhì)量比進行混合。

4) 調(diào)漿：按底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%加水調(diào)成漿液。

5) 滅酶：于95 ℃恒溫水浴滅酶10 min，冷卻至酶解溫度，調(diào)節(jié)pH。

6) 添加酶：控制酶添加量0.05%，并進行攪拌，使得漿液與酶能夠充分接觸，在恒溫水浴鍋中水解一定時間，水解過程中不斷攪拌。

7) 滅酶：水解結(jié)束后于95 ℃滅酶10 min，冷卻。

8) 過濾：采用4層濾布過濾，濾液于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干，稱其質(zhì)量，記錄總干物質(zhì)含量。

9) 淀粉消化率測定：采用淀粉消化指數(shù)（Starch digestibility index，SDI）表示淀粉體外消化速率。

1.2.2 谷物雜糧粉的體外消化率測定

采用模擬體外消化的試驗方法，測定谷物雜糧粉的淀粉體外消化速率。根據(jù)Englyst等[9]按淀粉消化特性進行劃分，用淀粉消化指數(shù)（SDI）表示淀粉體外消化速率。

稱取5 g上述谷物雜糧粉基料，放入250 mL燒杯中，加入50 mL蒸餾水、10 mL pH 7.2的磷酸緩沖溶液，置于37 ℃水浴中保溫5 min，加入0.4 mL 1%豬胰酶。酶解12 h后在沸水浴中加熱5 min使酶失活，冷卻，按5000 r/min離心10 min，取上清液于50 mL容量瓶中定容，用3,5-二硝基水楊酸法測定酶解液中還原糖含量。平行操作3次，得出還原糖含量平均值。按式（1）計算。

式中：SDI為淀粉體外消化速率，%；G為淀粉水解產(chǎn)生的最大葡萄糖含量（以水解12 h后葡萄糖含量計算）；F為理論上淀粉水解成葡萄糖含量，g[10]。

1.2.3 單因素試驗

以谷物雜糧粉的淀粉體外消化率為指標(biāo)，分別考察酶的種類（α-淀粉酶、β-淀粉酶、中性蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶）、復(fù)合酶比例（3∶7，4∶6，1∶1，6∶4和7∶3）、酶解時間（30，60，90，120和150 min）、酶解溫度（45，50，55，60和65 ℃）、底物濃度（3%，4%，5%，6%和7%），通過單因素試驗來確定復(fù)合酶水解谷物雜糧粉的酶解工藝。

1.2.4 響應(yīng)面試驗

由單因素試驗結(jié)果選擇對試驗指標(biāo)影響較大的3個因素的適宜水平，進行響應(yīng)面試驗，以淀粉體外消化率為參考指標(biāo)，對其工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果2.1.1 不同種類的酶對谷物雜糧粉體外消化率的影響

由圖1可知：α-淀粉酶的酶解產(chǎn)物高于其他4種酶，其淀粉體外消化率為30.24%，其次是β-淀粉酶，其淀粉體外消化率為29.44%，因為2種酶對谷物雜糧粉水解程度較高，剩余的中性蛋白酶、脂肪酶和纖維素酶的效果均不及上述2種酶。參考季慧等[11]α-淀粉酶與β-淀粉酶對米粉水解的影響，試驗決定仿照其試驗方法，選擇效果最佳的2種酶進行復(fù)配，可增加酶催位點，使反應(yīng)更加快速高效。試驗將這2種類型的酶進行復(fù)合，研究其對谷物雜糧粉的體外消化率的影響。

圖1 不同酶制劑對谷物雜糧粉體外消化率的影響

2.1.2 復(fù)合酶比例對谷物雜糧粉體外消化率的影響

由圖2可知：α-淀粉酶和β-淀粉酶的復(fù)配比例隨著α-淀粉酶增加曲線呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)兩者比例相等，為1∶1（圖中5∶5）時谷物雜糧粉的體外消化率值最高，但α-淀粉酶比例大于β-淀粉酶時曲線呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為α-淀粉酶作用于淀粉分子中的α-1,4-葡萄糖苷鍵，能夠在短時間內(nèi)將淀粉長鏈大分子降解成短鏈小分子，形成小分子質(zhì)量的糊精，從而提高谷物雜糧粉的消化性能[12]。糊化后的淀粉，隨著溫度降低，淀粉分子重新締合會出現(xiàn)回生現(xiàn)象，形成的結(jié)晶性結(jié)構(gòu)不能被淀粉酶水解，從而影響淀粉的消化性能。相關(guān)研究表明，β-淀粉酶通過切斷谷物雜糧粉直鏈淀粉外側(cè)支鏈，能夠有效抑制淀粉回生，防止消化性能的降低[6,13]。試驗表明2種酶復(fù)合酶比例1∶1（圖中5∶5）時，谷物雜糧粉的消化率為40.05%，達到最大值。

圖2 復(fù)合酶質(zhì)量比對谷物雜糧粉體外消化率的影響

2.1.3 酶解時間對谷物雜糧粉消化率的影響

由圖3可知：體外消化率隨著酶解時間延長逐漸增加，酶解時間30～60 min時，呈現(xiàn)急速上升趨勢，酶解時間60～120 min時，體外消化率值呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢，酶解時間120 min時體外消化率達到最大，酶解時間120～150 min時呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為酶解時間120 min內(nèi)復(fù)合酶與淀粉分子之間發(fā)生充分作用，酶促反應(yīng)較劇烈，酶解時間超過120 min后酶的活力開始下降，同時隨著酶解時間增加，底物被酶解而逐漸減少，酶解效果也隨之減弱。因此酶解時間120 min較為合適。

圖3 酶解時間對谷物雜糧粉消化率的影響

2.1.4 酶解溫度對谷物雜糧粉體外消化率的影響

由圖4可知，體外消化率值隨著酶解溫度升高呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，在酶解溫度45～55 ℃時，體外消化率持續(xù)上升，酶解溫度55 ℃時，體外消化率值最大。這是由于β-淀粉酶和α-淀粉酶都屬于中溫性的酶類，酶解溫度55 ℃時，酶表現(xiàn)出較強的活力。酶解溫度55～60 ℃時，谷物雜糧粉體外消化率值呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為酶解溫度過高或過低，都會影響復(fù)合酶的結(jié)構(gòu)及活性，進而影響谷物雜糧粉中淀粉的水解程度。因此選擇酶解溫度為55 ℃。

圖4 酶解溫度對谷物雜糧粉體外消化率的影響

2.1.5 底物濃度對谷物雜糧粉體外消化率的影響

由圖5可知：隨著底物濃度不斷增加，體外消化率呈現(xiàn)先增加后下降趨勢，底物濃度5%時，測得的體外消化率值最大；但是隨著底物濃度逐漸增加，谷物雜糧粉體外消化率值有所下降，這是因為底物濃度較低時，反應(yīng)速率增加較快；但是隨著底物濃度逐漸增加，底物與底物之間出現(xiàn)競爭關(guān)系，出現(xiàn)競爭性抑制，從而影響水解程度。因此底物濃度選取5%。

圖5 底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對谷物雜糧粉體外消化率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

根據(jù)單因素試驗結(jié)果可知：酶解時間、底物濃度、酶解溫度3個因素對淀粉體外消化率影響較大，所以選擇這3個因素進行響應(yīng)面試驗，以淀粉體外消化率為參考指標(biāo)，選擇最優(yōu)組合。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建及顯著性分析

響應(yīng)面試驗設(shè)計根據(jù)表1進行，共17組，其中12組為析因試驗，研究各因素之間的交互作用，5組為中心試驗，用以估算試驗誤差。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

利用Design Expert軟件分析試驗結(jié)果，經(jīng)回歸擬合，得到二次多項式回歸方程：Y=0.53682-0.01128A-0.00870B-0.01680C-0.11437A2-0.02062B2-0.13427C2+0.02843AB-0.04383AC+0.01033BC，對回歸方程進行方差分析，如表2所示。

由表2可知：該回歸模型p＜0.0001，失擬項p=0.0699＞0.05，說明失擬不顯著，即該模型的響應(yīng)值預(yù)測良好。同時，回歸模型的R2=0.9970，表明所建立的模型可以解釋99.70%的響應(yīng)變化，Radj2=0.9932，表明該模型能解釋99.32%響應(yīng)值的變化。說明模型具有高度顯著性，殘差由隨機誤差引起，試驗誤差小，試驗擬合較好?；貧w方程可用于確定谷物雜糧粉酶解工藝最優(yōu)參數(shù)的理論預(yù)測及結(jié)果分析，能夠真實反映各因素與響應(yīng)值之間的線性關(guān)系。

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果方差分析表

2.2.2 響應(yīng)面優(yōu)化與分析

根據(jù)二次多項式回歸方程，繪制響應(yīng)面圖，如圖6所示。

圖6 SDI值的響應(yīng)曲面圖

三維響應(yīng)曲面圖能直觀地反映各單因素及其交互作用對響應(yīng)值的影響程度，響應(yīng)面越陡，表明該因素對響應(yīng)值影響越顯著[14-15]。由圖6可以看出，3種因素及其交互作用對響應(yīng)值SDI影響的順序為AC（酶解時間和酶解溫度）＞AB（酶解時間和底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)）＞C（酶解溫度）＞A（酶解時間）＞BC（底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和酶解溫度）＞B（底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

通過軟件對響應(yīng)值進行優(yōu)化，得到酶解最優(yōu)工藝參數(shù)：底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.7%、酶解時間117.9 min、酶解溫度54.7 ℃，模型方程預(yù)測SDI值為53.89%。結(jié)合實際操作局限性，將工藝參數(shù)修正為底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0%、酶解時間118.0 min、酶解溫度55.0 ℃。通過3組平行驗證試驗（53.10%，54.00%和53.80%），SDI為53.63%±0.3859%，與方程理論預(yù)測值基本一致。

3 結(jié)論

通過研究酶解對谷物雜糧粉體外消化率的影響，得出酶解最佳工藝配方參數(shù)：復(fù)合酶（α-淀粉酶和β-淀粉酶）質(zhì)量比1∶1，底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.7%、酶解時間117.9 min、酶解溫度54.7 ℃，此時得出的SDI值為53.89%。隨著谷物雜糧粉SDI值提高，谷物雜糧粉組織狀態(tài)得到改善，含有豐富的營養(yǎng)且利于人體吸收，符合當(dāng)代人膳食需求。