響應(yīng)面法優(yōu)化微孔淀粉制備工藝

周 瓊，王浩東，張 博，陳宗道*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716；2.安康學(xué)院化學(xué)化工系，陜西 安康 725000)

響應(yīng)面法優(yōu)化微孔淀粉制備工藝

周 瓊1,2，王浩東2，張 博2，陳宗道1,*

(1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400716；2.安康學(xué)院化學(xué)化工系，陜西 安康 725000)

通過單因素、部分因子、Box-Behnken試驗(yàn)，確定最佳制備微孔淀粉的工藝參數(shù)。結(jié)果表明：反應(yīng)溫度51.92℃、反應(yīng)時(shí)間13.15h、淀粉乳體積分?jǐn)?shù)14.24%、酶用量4.20%、酶配比(m糖化酶:m淀粉酶)4:1、pH4.4為最佳工藝參數(shù)，此時(shí)微孔淀粉的吸水率156.01%。

淀粉；微孔淀粉；響應(yīng)面法

淀粉是一種資源豐富、價(jià)廉、易得、應(yīng)用廣泛的可再生原材料。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，原淀粉因其結(jié)構(gòu)和性能的缺陷大大限制了其應(yīng)用范圍，不能滿足工業(yè)新技術(shù)的要求。因此，具有特殊應(yīng)用性能的變性淀粉越來越受到人們的重視。微孔淀粉(microporous starch)是指具有生淀粉酶活力的酶在低于淀粉糊化溫度下作用于生淀粉而形成的一種蜂窩狀多孔性淀粉載體，因加工過程不使用化學(xué)試劑、安全、無毒、使用劑量不受限制等，而被用作高附加值物質(zhì)如藥劑、香料、色素、生物活性物質(zhì)等的微膠囊包埋囊材和吸附載體。因此，微孔淀粉被認(rèn)為是一種非常有發(fā)展?jié)摿?、新功能性材料，已成為國際淀粉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前產(chǎn)品在國內(nèi)外有部分廠家投產(chǎn)[1-3]。但是在微孔淀粉的工業(yè)化生產(chǎn)過程中，其工藝參數(shù)仍然有待深入研究，另外微孔淀粉分散性差也是企業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，本研究通過分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理以期提供更科學(xué)的理論數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

玉米淀粉(食品級(jí)) 市售；糖化酶(活力單位50000U)、淀粉酶(活力單位2000U) 無錫賽德生物有限公司；pH5-25型酸度計(jì) 上海精科雷磁儀器廠；85-2控溫磁力攪拌器 江蘇金壇華峰儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 酶活力測定

采用GB 8276—2002《糖化酶活力測定》方法。

1.2.2 吸水率的測定[4]

精確稱取樣品5.00g于100mL燒杯中，恒溫下與100mL水混合攪拌30min，轉(zhuǎn)入布氏漏斗中，用循環(huán)水真空泵抽濾，直至無水滴下，根據(jù)樣品吸水前后的質(zhì)量差計(jì)算吸水率。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.3.1 單因素試驗(yàn)

用玉米生淀粉做原料生產(chǎn)微孔淀粉，分別考察淀粉乳體積分?jǐn)?shù)、p H值、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、酶用量、酶配比(m淀粉酶:m糖化酶)等因素對(duì)水解率、吸水率的影響。

1.2.3.2 部分因子試驗(yàn)

本研究選擇26-2部分因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)來優(yōu)化制備微孔淀粉的工藝參數(shù)，為了進(jìn)行方差分析，在因子中心點(diǎn)處增加4次重復(fù)，共需要20次試驗(yàn)[5-6]。其因素與水平見表1。

表1 部分因子試驗(yàn)因素與水平Table1 Factors and levels of partial-factor design

1.2.3.3 Box-Behnken試驗(yàn)

通過部分因子試驗(yàn)確定有顯著影響的因素進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 反應(yīng)溫度的影響

圖1 反應(yīng)溫度對(duì)吸水率的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on water-absorbing capacity of porous starch

選取反應(yīng)溫度40、45、50、55、60℃，其余條件固定[淀粉乳體積分?jǐn)?shù)15%、反應(yīng)時(shí)間10h、酶用量3%、酶配比1:3(m/m)、pH4.4]。從圖1可以看出，溫度小于50℃時(shí)，隨著溫度的升高吸水率不斷增加，到達(dá)50℃后，吸水率逐漸下降。主要原因是，在一定范圍內(nèi)隨著溫度的升高，酶活性逐漸增大，超過50℃抑制了酶的活性，因而致孔性隨之下降，吸水率下降。

2.1.2 pH值的影響

選取pH4.0、4.4、4.8、5.2、5.6，其余條件固定[淀粉乳體積分?jǐn)?shù)15%、反應(yīng)時(shí)間10h、酶用量3%、酶配比1:3(m/m)、反應(yīng)溫度50℃]。從圖2可以看出，pH4.0～4.8范圍酶活性較好。在pH4.8時(shí)活性最高，因而致孔效果最好。

圖2 pH值對(duì)吸水率的影響Fig.2 Effect of reaction pH on water-absorbing capacity of porous starch

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間的影響

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸水率的影響Fig.3 Effect of reaction time on water-absorbing capacity of porous starch

選取反應(yīng)時(shí)間8、12、16、20、24h，其余條件固定[淀粉乳體積分?jǐn)?shù)15%、反應(yīng)溫度45℃、酶用量3%、酶配比1:4(m/m)、pH4.4]。從圖3可以看出，8～16h范圍內(nèi)，吸水率較高，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，微孔淀粉出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，因而吸水率下降。

2.1.4 淀粉乳體積分?jǐn)?shù)的影響

圖4 淀粉乳體積分?jǐn)?shù)對(duì)吸水率的影響Fig.4 Effect of starch concentration on water-absorbing capacity of porous starch

選取淀粉乳體積分?jǐn)?shù)10%、15%、20%、25%、30%，其余條件固定[反應(yīng)溫度45℃、酶用量3%、酶

配比1:4(m/m)、pH4.4、反應(yīng)時(shí)間10h]。從圖4可以看出，10%～20%范圍內(nèi)，吸水率較高，隨著淀粉乳體積分?jǐn)?shù)的增加，酶濃度相對(duì)下降，致孔率下降，因而吸水率下降。

2.1.5 酶用量的影響

選取酶用量1%、2%、3%、4%、5%，其余條件固定[淀粉乳體積分?jǐn)?shù)15%、反應(yīng)溫度45℃、酶配比1:4(m/m)、pH4.4、反應(yīng)時(shí)間10h]。從圖5可以看出，3%～5%范圍內(nèi)，吸水率較高，隨著酶用量的增加，微孔淀粉出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，因而吸水率下降。

圖5 酶用量對(duì)吸水率的影響Fig.5 Effect of amylase amount on water-absorbing capacity of porous starch

2.1.6 酶配比的影響

選取酶配比(m淀粉酶:m糖化酶)1:1、1:2、1:3、1:4、1:5，其余條件固定(淀粉乳體積分?jǐn)?shù)15%、反應(yīng)溫度45℃、酶用量3%、pH4.4、反應(yīng)時(shí)間10h)。兩種酶在一定比例共同作用下，致孔效果達(dá)到較佳。從圖5可以看出，1:3～1:5范圍內(nèi)，吸水率較高。

圖6 酶配比對(duì)吸水率的影響Fig.6 Effect of glucoamylase-amylase ratio on water-absorbing capacity of porous starch

2.2 部分因子試驗(yàn)

部分因子試驗(yàn)在不丟掉主要信息的前提下，能大大減少試驗(yàn)次數(shù)，估計(jì)因子及部分交互作用[8-9]。在單因素基礎(chǔ)上根據(jù)表1進(jìn)行部分因子試驗(yàn)，結(jié)果和回歸分析見表2、3。

由部分因子試驗(yàn)回歸分析結(jié)果表3可以看出反應(yīng)溫度(A)、反應(yīng)時(shí)間(B)、淀粉乳體積分?jǐn)?shù)(C)、酶用量(E)對(duì)吸水率有顯著性影響，而pH值(D)、酶配比(F)對(duì)吸水率的影響不顯著，反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度與淀粉乳體積分?jǐn)?shù)之間有交互作用。由回歸分析結(jié)果可得真實(shí)值的二次擬合線性回歸方程：

Y=0.80＋0.11A＋0.038B－0.083C＋0.016D＋0.039E＋0.022F－0.053AB＋0.059AC－0.01AE－0.026BD＋0.014BF

表2 部分因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table2 Experimental design and results of partial-factor experiments

表3 部分因子試驗(yàn)回歸分析結(jié)果Table3 Result analysis of partial-factor experiments

表4 部分因子試驗(yàn)組與中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)Table4 t-test of partial-factor and central point experimental results

對(duì)方程進(jìn)行方差分析，F(xiàn)=10.9591，P=0.0078，說明模型在概率α=0.01水平上足夠擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)試驗(yàn)組數(shù)據(jù)平均值與中心點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，t統(tǒng)計(jì)計(jì)量檢驗(yàn)(表4)結(jié)果表明：在方差相等和方差不等的條件下，中心試驗(yàn)點(diǎn)和部分因子試驗(yàn)平均值差異顯著，說明試驗(yàn)的最優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)前的設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)[10]，因此下一步采用Box-Behnken法進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)。

2.3 Box-Behnken試驗(yàn)

表5 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table5 Design and results of Box-Behnken experiments

因pH值、酶配比對(duì)吸水率的影響不顯著，因而響應(yīng)面過程中其固定值分別為4.6、1:4。根據(jù)Box-Behnken中心設(shè)計(jì)原理[11-12]，設(shè)計(jì)了四因素三水平的響應(yīng)面分析。零點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)行5次，以估計(jì)誤差。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表5。將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Design Expert 7.13軟件進(jìn)行多元回歸擬合，得到以吸水率為目標(biāo)函數(shù)的二次回歸編碼方程：

Y=2.03＋0.10A＋0.11B－0.049C+0.054D－0.085AB＋0.030AC－0.053BD＋0.038CD－0.096A2－0.11B2－0.1C2－0.079D2

表6 Box-Behnken回歸方程的方差分析Table6 Variance analysis of regression equation for Box-Behnken experiments

由表6可知，模型非常顯著(P＜0.0001)，模型失擬項(xiàng)P值為0.6863，即模型失擬項(xiàng)不顯著，模型選擇合適[13-14]。其中，一次項(xiàng)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、淀粉乳體積分?jǐn)?shù)、酶用量，交互項(xiàng)反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸水率有極顯著影響。

2.4 模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)所得結(jié)果和二次多項(xiàng)回歸方程，利用Design Expert軟獲得吸水率最高時(shí)的各個(gè)因素的最佳條件為反應(yīng)溫度51.92℃、反應(yīng)時(shí)間13.15h、淀粉乳體積分?jǐn)?shù)14.24%、酶用量4.20%、酶配比(m糖化酶: m淀粉酶)4:1、pH4.4，吸水率為156.01%。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測的準(zhǔn)確性，在最佳條件下制備微孔淀粉，做3組平行實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果分別為151.48%、153.70%和154.78%，可見該模型能較好地預(yù)測實(shí)際酶解情況。

3 結(jié) 論

通過單因素試驗(yàn)，確定工藝參數(shù)的最佳范圍，通過部分因子試驗(yàn)選取對(duì)吸水率有顯著影響的四因素三水

平進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)，結(jié)果顯示模型選擇合理，結(jié)果表明：反應(yīng)溫度51.92℃、反應(yīng)時(shí)間13.15h、淀粉乳體積分?jǐn)?shù)14.24%、酶用量4.20%、酶配比(m糖化酶:m淀粉酶) 4:1、pH4.4為最佳工藝參數(shù)，此時(shí)微孔淀粉吸水率為156.01%。

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Optimization of Porous Starch by Response Surface Methodology

ZHOU Qiong1,2，WANG Hao-dong2，ZHANG Bo2，CHEN Zong-dao1,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China；2. Department of Chemistry and Engineering, Ankang University, Ankang 725000, China)

The preparation parameters of porous starch were optimized by single-factor, partial-factor and response surface experiments. Results indicated that the optimal preparation parameters were reaction temperature of 51.92 ℃, reaction time of 13.15 h, enzyme addition amount of 4.20%, starch concentration (V/V) 14.24%, reaction pH of 4.4 and glucoamylase-amylase ratio of 4:1. Under these optimal conditions, the water-absorbing capacity of porous starch was 156.01%.

starch；porous starch；response surface methodology

TS236.9

A

1002-6630(2010)22-0216-05

2010-06-23

周瓊(1971—)，女，講師，博士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營養(yǎng)學(xué)。E-mail：kanqiongtao@163.com

*通信作者：陳宗道(1940—)，男，教授，碩士，研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)。E-mail：chenzd@swu.edu.cn