高溫淀粉酶法制備大麥飲料的工藝研究

賈可華，馬曉軍

（江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫214122）

大麥?zhǔn)鞘澜缟献罟爬虾头植紡V泛的作物之一，其產(chǎn)量居世界谷物的第五位[1]。大麥的營養(yǎng)豐富，在世界上的很多地方都是重要的食物來源。但是大麥面粉中缺少面筋以及可溶性纖維含量較大會導(dǎo)致高保水性，以小麥和稻谷為原料的產(chǎn)品因為能夠提供更好的質(zhì)量和口感，限制了大麥在食品中的應(yīng)用。近年來大麥的研究越來越多。大麥中含有豐富的膳食纖維，尤其是β-葡聚糖的含量（因為地區(qū)差異）能達(dá)到2%～9%[2]，已經(jīng)有研究表明可以將β-葡聚糖用作脂肪替代品、穩(wěn)定劑和增稠劑在食品中使用。

在國內(nèi)，大麥一般用于啤酒的釀造、飼料的加工以及對其中功能營養(yǎng)因子的提取[3-4]。在大麥?zhǔn)称烽_發(fā)方面主要是大麥茶和麥片，目前還處于較低水平，對大麥的綜合利用和深加工程度不夠。有關(guān)大麥飲料的研究還很少，而且實驗采用高溫淀粉酶，節(jié)省了采用中溫淀粉酶所需要的預(yù)糊化時間，節(jié)約了生產(chǎn)成本。隨著現(xiàn)在液態(tài)快速消費(fèi)品的需求急速增加，大麥飲料作為植物飲料的新品種符合健康生活的發(fā)展趨勢[5]，不僅能夠充分保留谷物中對人體健康有益的營養(yǎng)成分，飲用更方便，吸收更容易，而且是解決現(xiàn)代生活中城市居民膳食營養(yǎng)失衡的途徑之一。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大麥 江蘇丹綠米業(yè)有限公司；耐高溫α-淀粉酶 無錫昌而盛貿(mào)易有限公司；3.5-二硝基水楊酸 化學(xué)純；四水和酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、苯酚、亞硫酸鈉、葡萄糖 均為分析純。

CFK-30G型長帝調(diào)溫定時型電烤箱 佛山市偉仕達(dá)電器實業(yè)有限公司；粉碎機(jī)、電動篩 新鄉(xiāng)市金禾機(jī)械有限公司；DK-S12型電熱恒溫水浴鍋 上海森信實驗儀器有限公司；RW20型攪拌器 廣州儀科實驗室技術(shù)有限公司；GZX-GF-MBS-1型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；UVmini-1240型紫外分光光度計 島津制作所；YXQ-LS-18SI型立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海東亞壓力容器制造有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 大麥飲料工藝流程 大麥→烘焙→去皮過篩→酶解→離心→調(diào)配→均質(zhì)→滅菌→灌裝→成品[6]。

1.2.2 研究方法及操作要點(diǎn) 烘焙：將去雜后的大麥在180℃烘箱中烘烤15min，大麥烤成焦黃色并且伴有大量香氣物質(zhì)溢出。

去皮粉碎：將烘焙好的帶殼大麥粉碎后過20目篩去皮，去皮后過40目篩作為制備大麥飲料的原料。酶解：本實驗選擇酶解溫度、酶解時間、加酶量為單因素并且通過響應(yīng)面來確定最佳的酶解條件。

1.2.3 料水比對原料利用率和總固形物含量的影響相同質(zhì)量的過40目篩的大麥粉，分別以1∶8、1∶10、1∶12、1∶14、1∶16、1∶18的比例加入自來水，在加酶量為50U/g，酶解溫度為80℃，酶解時間為60min的條件下進(jìn)行酶解。測定原料利用率與總固形物含量。

1.2.4 酶解溫度對還原糖含量和總固形物含量的影響 選取料水比為1∶8，加酶量為50U/g，酶解時間為60min，酶解溫度分別為70、75、80、85、90、95、100℃下反應(yīng)，測定還原糖和總固形物含量。

1.2.5 加酶量對還原糖含量和總固形物含量的影響選取料水比為1∶8，酶解溫度為90℃，酶解時間為60min，加酶量為20、30、40、50、60、70U/g條件下反應(yīng)，測定還原糖和總固形物含量。

1.2.6 酶解時間對還原糖含量和總固形物含量的影響 選取料水比為1∶8，酶解溫度為90℃，加酶量為50U/g，酶解時間分別為20、30、40、50、60、70、80、90min條件下反應(yīng)，測定還原糖和總固形物含量。

1.2.7 酶解工藝最優(yōu)參數(shù)的確定 在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以還原糖含量和總固形物含量為評價指標(biāo)進(jìn)行研究和分析，并確定三因素三水平響應(yīng)面分析。實驗設(shè)計因素水平表見表1。

表1 中心組合設(shè)計因素水平表Table 1 Variables and levels in central composite design

1.3 分析方法

1.3.1 原料利用率的測定 原料利用率：X（%）=（m1-m2）/m1×100

式中，X—原料利用率；m1—原料大麥的質(zhì)量/g；m2—?dú)堅亓?g；原料質(zhì)量和殘渣質(zhì)量均以干重計。

1.3.2 總固形物含量的測定 用105℃恒重法測得，取10mL樣液至于平皿中，烘干至恒重。

1.3.3 還原糖含量的測定 3，5－二硝基水楊酸比色法[7]。以還原糖含量為橫坐標(biāo)，吸光值為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 料水比對原料利用率和總固形物含量的影響

料水比對原料利用率和總固形物含量的影響如圖2所示。從圖2中可以看出，料水比從1∶18到1∶8的過程中，原料利用率先增加后減小，在料水比為1∶14的時候達(dá)到最大值?？偣绦挝锏暮恳恢痹黾樱诹纤葹?∶8時最大。從原料利用率來看，料水比1∶14時值最高，達(dá)到55%，料水比1∶8時值最小，為45%；從總固形物含量來看，料水比1∶8時值最高，約是料水比1∶14時的兩倍。考慮到料水比過大，固形物含量偏低，大麥飲料的風(fēng)味不足，后續(xù)實驗采用料水比1∶8。

圖1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of glucose

圖2 料水比對原料利用率和總固形物含量的影響Fig.2 Effect of solid-liquid ratio on total solid content and utilization rate of raw materials

2.2 單因素實驗結(jié)果與分析

2.2.1 酶解溫度對還原糖和總固形物含量的影響酶解溫度對還原糖含量和總固形物含量的影響如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著酶解溫度的升高，還原糖含量先增加后減少。在酶解溫度達(dá)到90℃時還原糖的含量達(dá)到最高值，溫度大于90℃的時候還原糖的含量降低，可能是因為耐高溫淀粉酶的最適溫度為90℃，溫度升高，酶活力減弱，還原糖含量降低。耐高溫淀粉酶的最適活力在85～110℃之間，但是因為酶解的時間較長，酶在90℃以下時穩(wěn)定性較90℃以上好，固形物的含量也是先增加后降低，在溫度達(dá)到95℃時，含量達(dá)到最大值，90℃與95℃時差距很小。因此，實驗酶解溫度控制在90℃左右[8]。

圖3 酶解溫度對還原糖和總固形物含量的影響Fig.3 Effect of temperature on total solid content and reducing sugar content

2.2.2 加酶量對還原糖和總固形物含量的影響 加酶量對還原糖和總固形物含量的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，加酶量從20U/g增加到50U/g時，還原糖和總固形物含量快速增加，在加酶量大于50U/g的時候，還原糖含量曲線趨于平緩，增加緩慢；總固形物含量在加酶量達(dá)到50U/g時，達(dá)到最大值。因為當(dāng)?shù)孜餄舛冗_(dá)到一定濃度時，底物吸附的酶分子已經(jīng)飽和，當(dāng)再增加酶量時，減少單位酶的作用底物，降低淀粉的水解程度。而且增加酶量會增加生產(chǎn)成本，所以加酶量控制在50U/g。

圖4 加酶量對還原糖和總固形物含量的影響Fig.4 Effect of enzyme dosage on total solid content and reducing sugar content

2.2.3 酶解時間對還原糖和總固形物含量的影響酶解時間對還原糖和總固形物含量的影響如圖5所示。從圖5中可以看出隨著酶解時間的延長，還原糖和總固形物含量先迅速增加，然后含量基本保持不變。酶解時間達(dá)到60min時，還原糖和總固形物含量增加緩慢，為節(jié)省生產(chǎn)成本，酶解時間控制在60min。

圖5 酶解時間對還原糖和總固形物含量的影響Fig.5 Effect of hydrolysis time on total solid content and reducing sugar content

2.3 響應(yīng)面法酶解條件的優(yōu)化

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，以文獻(xiàn)[9-11]為參考，以還原糖和總固形物含量為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面優(yōu)化方法（RSM）中的Box-Behnken分析方法建立模型，對酶解條件進(jìn)行優(yōu)化。每組實驗重復(fù)3次，響應(yīng)面實驗設(shè)計和結(jié)果如表2所示。

2.3.1 不同因素對還原糖含量的影響 利用Designexpert7.0軟件進(jìn)行分析，以還原糖含量為響應(yīng)值得到方差分析表，利用軟件進(jìn)行非線性回歸的二次多項式擬合，得到的預(yù)測模型如下：

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Process variables and levels in response surface central composite design and experimental results

Y1=25.19-1.35A+0.70B+0.46C+0.040AB+0.091AC+0.48BC-2.84A2-0.12B2+0.29C2，方差分析結(jié)果見表3。

該模型回歸顯著。R2=0.9878，R2adj=0.9659，說明該模型是可靠的，使用該方程模擬真實的三因素三水平的分析是可行的。由p值可以看出A、B、C、BC、A2對響應(yīng)值Y1的影響顯著，說明實驗因子對響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系，一次項、二次項和交互作用都有很大的影響。由表中的F值可以看出FA＞FB＞FC，說明酶解溫度對還原糖含量的影響最大。

2.3.2 響應(yīng)面圖分析 采用Design-Expert 7.0軟件根據(jù)多元回歸擬合分析處理的3個因素對還原糖含量的響應(yīng)面分析結(jié)果見圖6～圖8。

圖6 酶解溫度與酶解時間對還原糖含量的影響Fig.6 Effect of temperature and hydrolysis time on reducing sugar content

表3 還原糖含量回歸方程方差分析表Table 3 Analysis of variance for regression model of reducing sugar content

圖7 酶解時間和加酶量對還原糖含量的影響Fig.7 Effect of hydrolysis time and enzyme dosage on reducing sugar content

圖8 酶解溫度和加酶量對還原糖含量的影響Fig.8 Effect of temperature and enzyme dosage on reducing sugar content

由圖6可以看出，酶解溫度和酶解時間的交互作用不顯著，還原糖含量隨著酶解時間的增加而增加，隨著酶解溫度的增加先增加后減少，因此選用酶解時間為70min左右，酶解溫度為90℃左右；由圖7可以看出，酶解時間和加酶量交互作用顯著，還原糖含量隨著酶解時間和加酶量的增加而增加，因此選用酶解時間為70min左右，加酶量為60U/g左右；由圖8可以看出，酶解溫度和加酶量交互作用不顯著，還原糖含量隨著加酶量的增加而增加，隨著酶解溫度的增加先增加后減小，因此選用加酶量為60U/g左右，酶解溫度為90℃左右。

2.3.3 不同因素對總固形物含量的影響 利用Design-expert7.0軟件進(jìn)行分析，以總固形物含量為響應(yīng)值得到方差分析表，利用軟件進(jìn)行非線性回歸的二次多項式擬合，得到的預(yù)測模型如下：

Y2=9.71+0.13A+0.24B+0.21C+0.039AB+0.11AC+0.21BC-0.29A2-0.099B2-0.100C2，方差分析結(jié)果見表4。

該模型回歸顯著。R2=0.9681，R2adj=0.9106，說明該模型是可靠的，使用該方程模擬真實的三因素三水平的分析是可行的。由p值可以看出A、B、C、BC、A2對響應(yīng)值Y2的影響顯著，說明實驗因子對響應(yīng)值不是簡單的線性關(guān)系，一次項、二次項和交互作用都有很大的影響。由表中的F值可以看出FB＞FC＞FA，說明酶解時間對總固形物含量的影響最大，與影響還原糖含量的次序不同。綜合兩個考察指標(biāo)可知，酶解溫度、時間和加酶量對酶解條件均有很大的影響。

2.3.4 響應(yīng)面圖分析 采用Design-Expert 7.0軟件根據(jù)多元回歸擬合分析處理的3個因素對固形物含量的響應(yīng)面分析結(jié)果見圖9～圖11。

由圖9可以看出，酶解溫度和酶解時間的交互作用不顯著，總固形物含量隨著酶解時間的增加而增加，隨著酶解溫度的增加先增加后降低，因此選用酶解時間為70min左右，酶解溫度為90℃左右；由圖10可以看出，酶解時間和加酶量交互作用顯著，總固形物含量隨著酶解時間和加酶量的增加而增加，因此選用酶解時間為70min左右，加酶量為60U/g左右；由圖11可以看出，酶解溫度和加酶量交互作用不顯著，總固形物含量隨著加酶量的增加而增加，隨著酶解溫度的增加先增加后減小，因此選用加酶量為60U/g，酶解溫度為90℃。

2.3.5 酶解條件的確定 三個因素中對還原糖含量影響大小順序為：酶解溫度＞酶解時間＞加酶量，對總固形物含量影響大小順序為：酶解時間＞加酶量＞酶解溫度。綜合考慮兩個響應(yīng)值，利用Designexpert 7.0軟件進(jìn)行最優(yōu)條件的選擇，選擇條件為酶解溫度90.12℃，酶解時間為70min，加酶量為60U/g。預(yù)測的固形物含量為10.177g/100mL，還原糖含量為26.9401mg/mL。為方便操作，實驗中酶解溫度為90℃，經(jīng)過驗證實驗，得到還原糖含量平均值為27.2445mg/mL，總固形物含量平均值為10.334g/100mL。

表4 總固形物含量回歸方程方差分析表Table 4 Analysis of variance for regression model of total solid content

圖9 酶解溫度和酶解時間對固形物含量的影響Fig.9 Effect of temperature and hydrolysis time on total solid content

圖10 酶解時間和加酶量對固形物含量的影響Fig.10 Effect of hydrolysis time and enzyme dosage on total solid content

圖11 酶解溫度和加酶量對固形物含量的影響Fig.11 Effect of temperature and enzyme dosage on total solid content

3 結(jié)論

本研究以大麥為原料，采用高溫淀粉酶制備大麥飲料，在料水比為1∶8的條件下，以還原糖含量和總固形含量為工藝指標(biāo)，通過響應(yīng)面分析得到酶解的最優(yōu)條件為：酶解溫度90℃，酶解時間70min，加酶量60U/g。與文獻(xiàn)[10]與[12]得到的酶解條件基本符合，但因為原料的不同，酶解時間與加酶量會有稍許不同；與文獻(xiàn)[9]的差異較大，原因是文獻(xiàn)[9]中所用的酶為中溫淀粉酶，原料的預(yù)處理也不相同。目前關(guān)于大麥飲料的研究報道比較少，本文為大麥飲料的開發(fā)提供理論依據(jù)。

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