玉米淀粉酶脫支處理過(guò)程的優(yōu)化研究

高惠梅，趙 凱，劉麗艷，劉婧婷

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076；2.天津?qū)嵃l(fā)中科百奧工業(yè)生物技術(shù)有限公司，天津300462）

玉米淀粉酶脫支處理過(guò)程的優(yōu)化研究

高惠梅1，2，趙 凱1，*，劉麗艷1，劉婧婷1

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江省普通高等學(xué)校食品科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150076；2.天津?qū)嵃l(fā)中科百奧工業(yè)生物技術(shù)有限公司，天津300462）

為優(yōu)化酶脫支水解過(guò)程，在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法對(duì)酶脫支水解的3個(gè)主要影響因素即：pH、溫度、和酶添加量進(jìn)行優(yōu)化。建立了各因素與酶脫支水解產(chǎn)生還原力之間的數(shù)學(xué)模型。得出的最佳處理?xiàng)l件為：溫度56℃、pH5.1、酶添加量28.92U/g。模型R2=0.9438，說(shuō)明其擬合程度良好，可以用該模型優(yōu)化酶脫支處理玉米淀粉的過(guò)程。

酶脫支，普魯蘭酶，響應(yīng)曲面，玉米淀粉，優(yōu)化

Abstract：The process of enzyme debranching corn starch was investigated.Based on the single factor experiment，the effect of pH，temperature and enzyme concentration on the yield of reducing value were optimized with Response Surface Methodology（RSM）.A mathematical model was established between the studied factors and the responses.The optimal conditions were as follows：temperature 56℃，pH5.1，and enzyme concentration 28.92U/g.The R2of 0.9438 means that the results were in good agreement with predicted values and the model was useful for optimizing the enzyme debranching process.

Key words：enzyme debranching；pullulanase；response surface methodology；corn starch；optimization

淀粉脫支酶能夠?qū)Ｒ恍郧虚_(kāi)支鏈淀粉分支點(diǎn)的α-1，6糖苷鍵。根據(jù)脫支酶的作用方式，可將其分為直接脫支酶和間接脫支酶。前者可水解未經(jīng)改性的支鏈淀粉或糖原中α-1，6糖苷鍵，而后者只能作用于已由其他酶改性的支鏈淀粉或糖原[1]。普魯蘭酶屬于直接脫支酶，它在以淀粉為原料的食品加工中有著重要的作用。普魯蘭酶和葡萄糖淀粉酶協(xié)同作用可提高淀粉水解速率，減少葡萄糖淀粉酶的用量[2]。Slominska L等研究表明，降低底物濃度，提高酶添加量和反應(yīng)時(shí)間，可以增加環(huán)狀糊精的產(chǎn)量[3]。淀粉經(jīng)過(guò)普魯蘭酶脫支處理后產(chǎn)生很多短直鏈淀粉，導(dǎo)致淀粉凝沉形成新晶體。新形成的晶體結(jié)構(gòu)能延緩淀粉消化，從而形成緩慢消化淀粉。Soto R A G等研究表明每100g蠟質(zhì)淀粉用10g普魯蘭酶水解4h后在1℃儲(chǔ)藏，可獲得較高得率的緩慢消化淀粉[4]。影響普魯蘭酶活力的因素有：溫度、pH、離子強(qiáng)度、底物濃度、酶濃度、脫支時(shí)間等[5]。這些因素對(duì)普魯蘭酶脫支過(guò)程有重要影響。因此建立一個(gè)模型，把酶脫支程度和脫支過(guò)程的影響因素聯(lián)系起來(lái)，對(duì)普魯蘭酶進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用有重要意義。響應(yīng)曲面法是數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它能以最經(jīng)濟(jì)的方式，以最少的實(shí)驗(yàn)數(shù)量和時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面研究。以回歸方法作為函數(shù)估算的工具，將多因子實(shí)驗(yàn)中，因子與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互關(guān)系，用多項(xiàng)式近似，把二者的關(guān)系函數(shù)化，依此可對(duì)函數(shù)進(jìn)行分析，研究因子與響應(yīng)值之間、因子與因子之間的相互關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化[6]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉 黑龍江龍鳳玉米開(kāi)發(fā)有限公司；普魯蘭酶（酶活力400U/g）直鏈淀粉 Sigma-Aldrich Chemical Co.，Ltd.；冰醋酸、無(wú)水醋酸鈉、3，5-二硝基水楊酸 均為國(guó)產(chǎn)分析純。

BS224S電子分析天平 賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司；THZ-82A水浴恒溫振蕩器 江蘇榮華儀器制造有限公司；80-2離心分離機(jī) 上海浦東物理光學(xué)儀器廠；SP-721E可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海光譜儀器有限公司；DHG-9203A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 還原力的測(cè)定 將玉米淀粉配成一定濃度的淀粉乳，在95℃水浴中糊化20min，調(diào)節(jié)淀粉糊的pH、溫度、酶添加量，進(jìn)行酶解實(shí)驗(yàn)。酶水解1h后，將酶解液在100℃水浴中滅酶20min，冷卻離心，用3，5-二硝基水楊酸（DNS）測(cè)定上清液中還原糖的量。用上清液的還原力表示酶脫支水解程度[7]。

1.2.2 直鏈淀粉含量的測(cè)定 GB/T 15683-2008[8]。

1.2.3 pH對(duì)淀粉酶脫支程度的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定酶脫支反應(yīng)的溫度57.5℃，酶添加量20U/g，底物濃度2%，研究pH分別為3.5、4.0、4.9、5.5、6.5時(shí)，對(duì)酶脫支程度的影響。

1.2.4 溫度對(duì)淀粉酶脫支程度的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定酶脫支反應(yīng)的pH4.9，酶添加量20U/g，底物濃度2%，研究溫度分別為40、45、50、57.5、65℃時(shí)，對(duì)酶脫支程度的影響。

1.2.5 酶添加量對(duì)淀粉酶脫支程度的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定酶脫支反應(yīng)的pH4.9，溫度為57.5℃，底物濃度2%，研究酶添加量分別為5、10、20、30、40、50、70U/g時(shí)，對(duì)酶脫支程度的影響。

1.2.6 底物濃度對(duì)淀粉酶脫支程度的影響 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)定酶脫支反應(yīng)的pH4.9，溫度為57.5℃，酶添加量為20U/g，研究底物濃度分別為1%、1.5%、2%、3%、4%時(shí)，對(duì)酶脫支程度的影響。

1.2.7 響應(yīng)曲面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過(guò)前面研究表明溫度、pH、酶添加量這三個(gè)因素對(duì)酶脫支過(guò)程有顯著影響。采用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，以脫支水解后上清液中還原力的變化為響應(yīng)值，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的水平及因素見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Coded values of the variables for the Box-Behnken design

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶脫支處理對(duì)還原力和直鏈淀粉含量的影響

圖1 酶脫支處理對(duì)還原力和直鏈淀粉含量的影響Fig.1 The effect of enzyme debranching on the reducing value（RV）and amylose content

下圖為淀粉乳濃度為2%，酶濃度為20U/g的條件下，脫支處理過(guò)程中還原力和直鏈淀粉含量的變化情況。從圖1中可以看出，隨著脫支時(shí)間的延長(zhǎng)，酶濃度的增加，還原力、直鏈淀粉含量都呈上升趨勢(shì)，而且二者趨勢(shì)一致，所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，我們可以用還原力作為脫支程度的檢測(cè)指標(biāo)，考察不同酶脫支處理?xiàng)l件對(duì)脫支程度的影響。

2.2 pH對(duì)淀粉脫支程度的影響

pH改變普魯蘭酶活力中心上有關(guān)基團(tuán)的電離狀態(tài)，從而影響淀粉與酶的結(jié)合。酶的活力受環(huán)境pH的影響極為顯著，通常在一定pH范圍內(nèi)才表現(xiàn)它的活性。由圖2可見(jiàn)，pH在4～5.5區(qū)間，還原力較高；當(dāng)pH＜3.5及pH＞6時(shí)，酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，引起酶構(gòu)象的改變，使普魯蘭酶活性降低，從而還原力降低?？梢?jiàn)4～5.5為酶脫支處理的最適pH范圍。

圖2 pH對(duì)還原力影響Fig.2 The effect of pH on the RV

2.3 溫度對(duì)淀粉酶脫支程度的影響

圖3可見(jiàn)，在40～50℃區(qū)間隨著溫度升高，還原力逐漸增加。反應(yīng)速度隨著溫度升高而增加。但隨著溫度繼續(xù)升高，尤其在超過(guò)57.5℃后，反應(yīng)速度下降，還原力降低。溫度升高，酶分子吸收過(guò)多能量，易引起其維持構(gòu)象的次級(jí)鍵斷裂，導(dǎo)致酶蛋白變性，反應(yīng)速度隨溫度升高的效應(yīng)將逐漸為酶蛋白變性效應(yīng)抵消，反應(yīng)速度迅速下降。所以酶脫支處理的適宜溫度范圍應(yīng)為50～60℃。

圖3 溫度對(duì)還原力影響Fig.3 The effect of temperature on the RV

2.4 酶添加量對(duì)淀粉酶脫支程度的影響

由圖4可見(jiàn)，隨著酶添加量增加，還原力逐漸上升，酶添加量和還原力成線性關(guān)系，說(shuō)明底物沒(méi)有被酶飽和，此時(shí)的反應(yīng)速度取決于酶添加量。隨著酶添加量的增加，酶底復(fù)合物生成也增多，此時(shí)反應(yīng)速度取決于酶底復(fù)合物的濃度，故反應(yīng)速度隨著酶添加量的增加而增高。但當(dāng)酶添加量大于50U/g后，還原力增加緩慢，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇低酶添加量（40U/g以下）。

2.5 底物濃度對(duì)淀粉酶脫支程度的影響

圖4 酶添加量對(duì)還原力影響Fig.4 The effect of enzyme concentration on the RV

圖5 底物濃度對(duì)還原力影響Fig.5 The effect of substrate concentration on the RV

由圖5可見(jiàn)，隨著底物濃度增加，還原力逐漸上升，底物濃度和還原力成線性關(guān)系。這主要是因?yàn)槊柑砑恿枯^低，酶脫支時(shí)間較短，酶脫支水解的產(chǎn)物較少，產(chǎn)物競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用不明顯，同時(shí)由于酶脫支水解產(chǎn)生的直鏈淀粉含量較少，直鏈淀粉之間沒(méi)有產(chǎn)生凝沉現(xiàn)象。故還原力隨著底物濃度的增加而增高。考慮到淀粉糊粘度隨著底物濃度增加而增大，底物濃度高于4%會(huì)導(dǎo)致操作困難，故底物濃度應(yīng)低于4%。

2.6 響應(yīng)曲面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

通過(guò)前面研究表明，溫度、pH和酶添加量這三個(gè)因素對(duì)酶脫支過(guò)程有顯著影響。采用響應(yīng)曲面分析對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，以脫支水解后上清液中還原力的變化為響應(yīng)值，用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三因素五水平實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的水平及因素見(jiàn)表1。設(shè)該模型通過(guò)最小二乘法擬合二次多項(xiàng)方程可表達(dá)為：

表2 實(shí)驗(yàn)安排及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Table 2 Box-Behnken Design matrix and experimental results

式中，Y為預(yù)測(cè)響應(yīng)值，C0為常數(shù)項(xiàng)，C1、C2、C3分別為線性系數(shù)，C12、C13、C23為交互項(xiàng)系數(shù)，C4、C5、C6為二次項(xiàng)系數(shù)。為了確立二次多項(xiàng)方程式（1），利用Design Expert軟件來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果見(jiàn)表2。

利用Design Expert軟件，通過(guò)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)方程式（1）進(jìn)行多元回歸擬合，獲得上清液中的還原力對(duì)自變量pH、溫度、酶添加量的二次多項(xiàng)回歸方程式（2）：

對(duì)回歸模型作顯著檢驗(yàn)和方差分析（見(jiàn)表3、表4）：p值越小，說(shuō)明影響越顯著[9]。模型F=18.65，p＜0.0001，說(shuō)明模型回歸效果是顯著的，模型的校正系數(shù)Radj2=0.8932，說(shuō)明有89.32%的變量可以用回歸模型解釋[10]。通過(guò)對(duì)回歸方程各項(xiàng)方差分析得到一次項(xiàng)X1（溫度）、X2（pH）、X3（酶添加量），二次項(xiàng)中的X1、X2對(duì)響應(yīng)值影響顯著，X2和X3交互作用對(duì)響應(yīng)值影響顯著。通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)值和真實(shí)值作圖得到的各個(gè)點(diǎn)基本在一條直線上，說(shuō)明模型擬合很好。失擬項(xiàng)p=0.2651＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明真實(shí)值和預(yù)測(cè)值擬合結(jié)果較好。

利用軟件對(duì)回歸方程求解得到最佳脫支條件為：溫度56.05℃、pH5.09、酶添加量28.92U/g，此條件下預(yù)測(cè)值為1.4128mg/mL。考慮到實(shí)際操作的方便，將最佳脫支條件改為：溫度56℃、pH5.1、酶添加量28.92U/g。在此條件下的實(shí)際值為1.4146mg/mL，與預(yù)測(cè)值基本相符。

表3 二次多項(xiàng)模型方差分析表Table 3 Analysis of variance for the quadratic mode

表4 回歸方程各項(xiàng)方差分析Table 4 Significance of the coefficients of regression

通過(guò)前面分析，實(shí)驗(yàn)得到的二次方程能很好地預(yù)測(cè)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)不同單因素條件下的響應(yīng)值。為了進(jìn)一步確定方程的可靠性，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨機(jī)做三個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證方程的可靠程度。實(shí)驗(yàn)安排見(jiàn)表5。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)Table 5 Confirmation experiment

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的誤差在0.2%～5%之間，殘差的正態(tài)分布圖在一條直線上，通過(guò)殘差對(duì)預(yù)測(cè)值作圖，殘差分布無(wú)規(guī)律。通過(guò)以上的分析得出通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的回歸方程的精確度很高[11-12]。

3 結(jié)論

將單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)曲面結(jié)合對(duì)酶脫支水解玉米淀粉進(jìn)行優(yōu)化，獲得的最佳工藝條件為：溫度56℃、pH5.1、酶添加量28.92U/g。通過(guò)響應(yīng)曲面的分析及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，可以用響應(yīng)曲面法優(yōu)化酶脫支處理玉米淀粉的過(guò)程，同時(shí)可以通過(guò)響應(yīng)曲面分析得出酶脫支水解的重要影響因素及預(yù)測(cè)酶脫支水解過(guò)程。

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Optimization of enzyme debranching process of corn starch

GAO Hui-mei1，2，ZHAO Kai1，*，LIU Li-yan1，LIU Jing-ting1
（1.Key Laboratory for Food Science and Engineering，College of Food Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin 150076，China；2.Tianjin SF-Bio Industrial Bio-tee Co.，Ltd.，Tianjin 300462，China）

TS201.2+5

A

1002-0306（2012）16-0191-04

2011-12-06 *通訊聯(lián)系人

高惠梅（1985-），女，碩士，研究方向：淀粉化學(xué)與工藝學(xué)。

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃（1251G025）；黑龍江省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃（2010td04）。