碎米制備高果糖漿的工藝

張秋子，王澤南*，陳 聰，吳紅引，李 瑩，劉 鵬

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

碎米制備高果糖漿的工藝

張秋子，王澤南*，陳 聰，吳紅引，李 瑩，劉 鵬

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

研究碎米制備高果糖漿的工藝，主要對碎米葡萄糖異構(gòu)化制取果葡糖液、鈣型樹脂分離果糖和葡萄糖獲得高果糖漿的工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過單因素和正交試驗，得到制取果葡糖液的最優(yōu)條件：異構(gòu)酶加酶量9mg/g碎米葡萄糖、pH7.5、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時間35h；通過正交試驗，得到樹脂分離制取高果糖漿的最優(yōu)條件：分離溫度70℃、糖液體積分?jǐn)?shù)20%、洗脫液流速4mL/min、進(jìn)料量40mL。在優(yōu)化條件下獲取的高果糖漿果糖含量為89.64%。

碎米；高果糖漿；異構(gòu)化；果糖

Abstract：The preparation of high fructose syrup from broken rice based on glucose isomerization to fructose and calcium type ion exchange resin separation between fructose and glucose was optimized using single factor and orthogonal array design methods. The optimal isomerization conditions were found to be:glucose isomerase amount 9 mg/g broken rice; reaction temperature 70 ℃; pH 6.5; and reaction duration 35 h, and the optimal conditions for the separation between fructose and glucose were as follows:separation temperature 70 ℃; sample concentration 20%; elution solvent flow rate 4 mL/min; and sample loading amount 40 mL. The content of fructose of the syrup obtained under the above conditions was 89.64%.

Key words：broken rice；high fructose syrup；isomerization；fructose

碎米是大米加工過程中的副產(chǎn)品，由于碎米中淀粉含量較高，可用于加工淀粉糖類產(chǎn)品以提高其附加值。高果糖漿是以果糖和葡萄糖為主要成分的混合糖，其中果糖含量越高高果糖漿的價值越高[1]。果糖的代謝并不需要胰島素，其代謝速度比葡萄糖等傳統(tǒng)糖都要慢，故不易導(dǎo)致高血糖、發(fā)胖和齲齒。高果糖漿作為一種天然甜味劑可以補(bǔ)充蔗糖供應(yīng)量的不足，在美國、日本等發(fā)達(dá)國家，高果糖漿已成為人們尋求健康生活的重要糖源，高果糖漿還可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和煙草等行業(yè)中。我國20世紀(jì)70年代開始試驗性生產(chǎn)高果糖漿，20世紀(jì)90年代末期得到較快的發(fā)展，目前已形成以玉米淀粉為原料的華南、華中、華東、華北四大生產(chǎn)加工基地[2-5]，而以碎米為原料制備高果糖漿尚未見相關(guān)報道。本實驗探索以碎米為原料制備高果糖漿的優(yōu)化工藝，利用鈣型樹脂分離果糖和葡萄糖，旨在提高高果糖漿中果糖的含量和純度，為提高碎米的經(jīng)濟(jì)價值、擴(kuò)大我國的淀粉糖產(chǎn)業(yè)提供試驗依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

碎米：雜交稻加工副產(chǎn)物，蕪湖東源新農(nóng)村開發(fā)股份有限公司。

葡萄糖異構(gòu)酶(380000U/g) 鄭州成果商貿(mào)有限公司；強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂001*7(732) 天津南開大學(xué)化工廠；葡萄糖、果糖、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈣、碳酸鈉、氫氧化鈉、硫酸(均為分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

自動旋光儀 上?？频蔷軆x器有限公司；手持糖量計 四川成都光學(xué)廠；PHS-25B型數(shù)字酸度計 上海大普儀器有限公司；高效液相色譜儀 美國Waters公司；1.5cm×50cm層析柱 上海琪特分析儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 高果糖漿制備工藝流程

碎米→碎米葡萄糖[5]→葡萄糖異構(gòu)酶異構(gòu)化→果葡糖液→滅酶→鈣型樹脂離子交換→洗脫液→脫色→過濾→濃縮→高果糖漿

1.3.2 操作要點及工藝優(yōu)化

1.3.2.1 操作要點

碎米葡萄糖的制備[6]：碎米粉碎過80目篩，在90℃、自然pH值、耐高溫α-淀粉酶加酶量20U/g、液料比(g/mL)5:1條件下液化25min，然后在60℃、糖化酶加酶量120U/g、pH3.5條件下糖化24h，過濾，過陰陽離子交換柱，得碎米葡萄糖液，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的溶液待用。

樹脂處理：將樹脂分別于0.1mol/L的氫氧化鈉和鹽酸溶液中浸泡30min，蒸餾水漂洗至中性，濕法裝柱，用1mol/L氯化鈣溶液過柱，后用70℃去離子水洗滌樹脂上多余的Ca2+，將樹脂轉(zhuǎn)變成鈣型。

洗脫液脫色：洗脫液中加入1%的活性炭，置于60℃水浴鍋中加熱60min脫色[6]。

1.3.2.2 異構(gòu)化工藝的優(yōu)化

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，果糖和葡萄糖含量最高可達(dá)1:1。

以果糖含量作為異構(gòu)化效果優(yōu)劣的評價指標(biāo)，分別對加酶量、pH值、反應(yīng)溫度，反應(yīng)時間進(jìn)行單因素試驗，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行正交試驗，確定最佳工藝條件。每個試驗重復(fù)兩次，取其平均值。初始試驗條件：加酶量9mg/g碎米葡萄糖、pH7.0、反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間30h。后續(xù)試驗依次將前因素的優(yōu)化值帶入。

1.3.2.3 分離條件的優(yōu)化

采用鈣型離子交換樹脂分離葡萄糖和果糖。以洗脫液的果糖含量作為分離效果的評價指標(biāo)，參考文獻(xiàn)[7-8]，對分離溫度(60、70、80℃)、糖液體積分?jǐn)?shù)(20%、30%、40%)、洗脫液流速(2、4、6mL/min)進(jìn)料量(20、40、60mL)4因素進(jìn)行L9(34)的正交試驗，確定最佳工藝條件。

1.4 相關(guān)指標(biāo)的檢測與計算

還原糖含量：菲林試劑法[9]；總糖含量測定：手持糖量計；旋光度測定：旋光儀[9]；pH值測定：酸度計[9]。

果糖含量測定：

旋光度法[7]：試驗過程中普遍采用的方法，用于快速評定優(yōu)化結(jié)果。取試樣管長2dm，用以下公式計算：

液相色譜分析法[10]：為了更精確的測定高果糖漿中的果糖含量，對最終獲得的最優(yōu)條件下制取的高果糖漿進(jìn)行的測定方法。檢測器：蒸發(fā)光檢測器(ELSD)；色譜柱：Waters Cosmosil Sugar-D糖柱(4.6mm×250mm，5μm)；流動相：乙腈-水(80:20)；流速：1mL/min；柱溫：30℃；進(jìn)樣量10μL。

2 結(jié)果與分析

2.1 異構(gòu)化工藝的優(yōu)化

2.1.1 加酶量對異構(gòu)化效果的影響

圖1 加酶量對異構(gòu)化效果的影響Fig.1 Effect of glucose isomerase amount on glucose isomerization to fructose

由圖1可知，隨著加酶量增加，異構(gòu)化作用增強(qiáng)，果糖含量先增大后穩(wěn)定，在9mg/g碎米葡萄糖時，果糖含量最高。由于酶用量趨于飽和，酶用量的增加對異構(gòu)化效果的影響減弱。從經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇0.9g/100g碎米葡萄糖為最佳加酶量，此因素不進(jìn)行正交試驗。

2.1.2 pH值對異構(gòu)化效果的影響

圖2 pH值對異構(gòu)化效果的影響Fig.2 Effect of pH on glucose isomerization to fructose

由圖2可知，弱堿性條件下，異構(gòu)化效果最好，當(dāng)pH7.5時，異構(gòu)酶的活性最高，果糖含量最高，但當(dāng)pH8.0時，果糖含量開始下降。原因是異構(gòu)酶的最適pH7.5，酸性或堿性條件下，酶的活性減弱。因此選擇pH7.5最佳。

2.1.3 反應(yīng)溫度對異構(gòu)化效果的影響

由圖3可知，當(dāng)溫度70℃時，果糖含量最高，反應(yīng)溫度過低時，酶的活性和異構(gòu)化效果均未達(dá)到最優(yōu)值，而當(dāng)溫度過高時，酶會逐漸失去活性。由于糖類物質(zhì)在較高溫度下易變色[9]，故選擇50、60、70℃進(jìn)行正交試驗。

圖3 反應(yīng)溫度對異構(gòu)化效果的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on glucose isomerization to fructose

2.1.4 反應(yīng)時間對異構(gòu)化效果的影響

圖4 反應(yīng)時間對異構(gòu)化效果的影響Fig.4 Effect of reaction duration on glucose isomerization to fructose

由圖4可知，隨著反應(yīng)時間的增加，異構(gòu)化效果越來越好。這是由于反應(yīng)時間越長，異構(gòu)反應(yīng)越趨近于葡萄糖與果糖1:1的平衡態(tài)，當(dāng)反應(yīng)40h時，果糖含量最高。由于40h相對于35h的效果相差較小，綜合考慮，選擇反應(yīng)時間為35h最佳。

2.1.5 異構(gòu)化正交試驗結(jié)果

表1 異構(gòu)化正交試驗設(shè)計及結(jié)果Table 1 Arrangement and experimental results of the orthogonal array design for optimizing glucose isomerization to fructose

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交試驗考察pH值、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間3個因素對異構(gòu)化效果的影響。正交試驗設(shè)計及結(jié)果見表1。

由表1極差分析可知，3個因素的主次關(guān)系為C＞A＞D；最優(yōu)方案為C3A2D2。C3A2D2在表1中并未出現(xiàn)，但在單因素試驗中已出現(xiàn)，且恰為單因素試驗中的最優(yōu)組合，其果糖含量為39.9%，這比表2顯示果糖含量最高的5號組合38.3%還要高，因此確定C3A2D2為最優(yōu)組合。

綜上，碎米葡萄糖制備碎米果葡糖液的最佳工藝：加酶量9mg/g碎米葡萄糖、pH7.5、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時間35h。此時旋光度法測得果糖含量為39.9%。

2.2 分離條件的優(yōu)化

對分離溫度、糖液體積分?jǐn)?shù)、洗脫液流速、進(jìn)料量4個因素進(jìn)行L9(34)的正交試驗，結(jié)果見表2。

表2 分離正交試驗結(jié)果Table 2 Arrangement and experimental results of the orthogonal array design for optimizing separation between fructose and glucose

由表3極差分析可知，4個因素的主次關(guān)系為A＞B＞D＞C，最優(yōu)方案為A3B1D2C1。由于最佳方案未出現(xiàn)在表2中，所以進(jìn)行驗證實驗，驗證結(jié)果A3B1D2C1組合的果糖含量92.5%，比表2中果糖含量最高的7號組合91.2%還要高。綜上A3B1D2C1為最優(yōu)組合，即最佳分離條件：分離溫度70℃、糖液體積分?jǐn)?shù)20%、洗脫液流速4mL/min、進(jìn)料量40mL。此時旋光度法測得果糖含量為92.5%。

2.3 高效液相色譜分析

對最優(yōu)條件下制取的高果糖漿進(jìn)行高效液相色譜分析[11-15]，結(jié)果如圖5所示，果糖含量為89.64%，果糖含量較高。

圖5 果糖含量的高效液相色譜圖Fig.5 HPLC chromatogram for fructose

3 結(jié) 論

碎米葡萄糖異構(gòu)化制備果葡糖液的最佳工藝條件：異構(gòu)酶加酶量9mg/g碎米葡萄糖、pH7.5、反應(yīng)溫度70℃、反應(yīng)時間35h。此時旋光度法測得果糖含量為39.9%。

樹脂法分離果葡糖液制備高果糖漿的最佳條件：分離溫度70℃、糖液體積分?jǐn)?shù)20%、洗脫液流速4mL/min、進(jìn)料量40mL。通過高效液相色譜測得最優(yōu)條件下果糖含量為89.64%。

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Preparation Optimization of High Fructose Syrup from Broken Rice

ZHANG Qiu-zi，WANG Ze-nan*，CHEN Cong，WU Hong-yin，LI Ying，LIU Peng
(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

TS210.9

A

1002-6630(2010)18-0188-04

2010-07-01

安徽省教育廳重點項目(Kj2010A276)

張秋子(1987—)，女，碩士研究生，研究方向為生物資源綜合利用。E-mail：zhangqiuzi999@qq.com

*通信作者：王澤南(1947—)，男，教授，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：wznan@ah163.com