響應(yīng)面優(yōu)化小麥粉制備脂肪替代物的酶解工藝

鐘昔陽 徐玉紅 張淑芬 吳 欣 鄭 志

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

近年來流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，高脂肪膳食被認(rèn)為是肥胖癥、高血脂、糖尿病等的誘因之一，特別是飲食中飽和脂肪酸過高，會引發(fā)膽囊炎以及乳腺癌、結(jié)腸癌等疾?。?－2］。營養(yǎng)學(xué)家一直提倡減少日常飲食中油脂的攝入量，但單純減少食品中脂肪的含量會給產(chǎn)品風(fēng)味及口感帶來不良影響，從而影響消費(fèi)者對產(chǎn)品的可接受性［3］。因此，開發(fā)生產(chǎn)一類既具有脂肪功能特效又能降低能量攝入的脂肪替代產(chǎn)品是當(dāng)前食品工業(yè)的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。

脂肪替代物是一類具有脂肪的部分或全部性質(zhì)，在體內(nèi)消化、分解所釋放的能量比天然脂肪少或不被消化吸收，加入到低脂或無脂食品中，具有與同類全脂食品相同或相近的感官效果，但提供的總能量卻明顯降低的物質(zhì)［4］。目前，脂肪替代物在人造黃油、冷凍食品和焙烤類食品中得到廣泛應(yīng)用［5－6］，市場已經(jīng)陸續(xù)推出了Simplesse、Olestra、MaltrinM040等多種商業(yè)化產(chǎn)品［7］。

利用各類淀粉制備脂肪替代物是當(dāng)前脂肪替代物開發(fā)生產(chǎn)加工領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［8］，但在制備過程中需要先從各類農(nóng)作物原料中分離出淀粉后才能加工，這使得加工過程變得繁瑣、生產(chǎn)成本高，利用富含淀粉的農(nóng)作物原料不經(jīng)分離、直接加工制備脂肪替代物，其生產(chǎn)過程相對簡潔、成本低，但目前還鮮見報(bào)道。本研究基于此，直接以小麥粉為原料，采用酶法水解制備脂肪替代物，研究其酶解工藝參數(shù)并對所得產(chǎn)品的性質(zhì)進(jìn)行初步評價(jià)。論文研究成果以期尋找一種簡潔制備脂肪替代物的新方法，豐富我國脂肪替代物產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉(淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)70.61%，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.2%):安徽豐大股份有限公司。

耐高溫α－淀粉酶(食品級，10 000 U/mL):無錫三茶化工有限公司;鹽酸(AR):上海中試化工總公司;3，5－二硝基水楊酸(AR):上海展云化工有限公司;重蒸酚(AR):北京索萊寶科技有限公司;氫氧化鈉(AR)、酒石酸鉀鈉(AR)、亞硫酸氫鈉(AR):天津市博迪化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BL－220H型電子天平:日本島津公司;HH－2型數(shù)顯恒溫水浴鍋:江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;DHG－9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司;UDK－152型自動(dòng)凱氏定氮儀:意大利VELP公司;LG－04型高速粉碎機(jī):瑞安市百信藥機(jī)機(jī)械廠;722E型可見分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司;TA－XT plus型物性檢測儀:英國Stable Micro System公司;SC－3614型低速離心機(jī):安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司;JSM－6490LV型電鏡掃描儀:日本電子株式會社。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 小麥粉基脂肪替代物的工藝流程

稱取小麥粉配制成一定濃度的料液→90℃水浴糊化→添加耐高溫α－淀粉酶→加酸滅酶(1 mol/L鹽酸調(diào)pH＜2)→調(diào)pH(用1 mol/L氫氧化鈉中和至pH 6.5左右)→55℃恒溫鼓風(fēng)干燥→粉碎過篩得產(chǎn)品。

1.3.2 DE(Dextrose Equivalent)值測定

DE值是指還原糖占干物質(zhì)的量［9］，當(dāng)DE值越大時(shí)表明還原糖含量越高，所能提供的能量越多。

式中:m1為測定產(chǎn)物中還原糖的質(zhì)量，m為稱取干物質(zhì)的質(zhì)量。還原糖以葡萄糖含量計(jì)，以3，5－二硝基水楊酸法測定葡萄糖含量［10］。

1.3.3 持水性測定

參照文獻(xiàn)［11］配制10%的溶液，在離心力4 000 r/min下離心20 min，記錄析出水的質(zhì)量計(jì)算持水性。

式中:m1為配制的樣品溶液中水的總質(zhì)量，m2為離心后離去水的質(zhì)量，m為稱取干脂肪替代物的質(zhì)量。

1.3.4 凝膠強(qiáng)度的測定［12］

在70℃下配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)(15%、20%、25%、30%、35%)的脂肪替代物溶液，并在4℃的冰箱中放置12 h以形成凝膠，采用TA－XT plus型物性檢測儀測定凝膠強(qiáng)度。設(shè)置參數(shù):探頭直徑0.5 mm，下壓前速度2.0 mm/s，下壓速度 1.0 mm/s，下壓距離4 mm，下壓后速度2.0 mm/s。凝膠強(qiáng)度定義為探頭接觸凝膠后下壓到4 mm位置時(shí)單位面積上承受的破裂力。

1.3.5 脂肪替代物的掃描電子顯微鏡觀察［13］

用導(dǎo)電雙面膠將樣品粉末固定在樣品臺上并涂抹均勻，用洗耳球吹去多余的樣品，在真空離子濺射噴金后，放入掃描電子顯微鏡中進(jìn)行觀察，拍攝具有代表性的樣品顆粒形貌。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和Design－Expert 8.0軟件分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響小麥粉基脂肪替代物的單因素試驗(yàn)

2.1.1 底物濃度對DE值和持水性影響

配制5%、10%、15%、20%、25%、30%的小麥粉溶液，90℃、15 min水浴糊化，調(diào)溶液pH 6.5后加入2.5 U/g耐高溫α－淀粉酶酶，酶解6 min，測定產(chǎn)物的DE值和持水性，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知:DE值隨底物濃度的增加而降低，持水性先上升后下降，在底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)持水性最大為213.83% ，DE值為4.13%。這可能是由于當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)，料液中水的含量大，淀粉能夠充分吸水糊化，酶解時(shí)淀粉酶與底物接觸的機(jī)率大、酶解較充分，產(chǎn)品的DE值較大;底物濃度增加時(shí)，淀粉充分糊化的程度減小，酶解程度降低，產(chǎn)品的DE值也隨之降低［14－15］。利用淀粉酶解制備脂肪替代物一般要求DE值小于5，此時(shí)其流變學(xué)上才具有一定的凝膠強(qiáng)度，方可模擬脂肪的某些功能性質(zhì)［16］。綜合考慮，本試驗(yàn)選擇25%為最佳的底物濃度。

圖1 底物濃度對DE值和持水性影響

2.1.2 酶解時(shí)間對DE值和持水性影響

配制25%的小麥粉溶液，90℃、15 min水浴糊化，調(diào)溶液pH 6.5后添加2.5 U/g耐高溫α－淀粉酶，酶解4、5、6、7、8、9 min，測定產(chǎn)物的 DE 值和持水性，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。

由圖2可得出:DE值隨酶解時(shí)間增加而增加，持水性先增加后下降，在酶解7 min時(shí)持水性最大為202.60%，DE值為4.77%。這可能是由于隨著時(shí)間的增加，淀粉酶酶解淀粉的程度增大，DE值隨之而增大。DE值增大時(shí)淀粉鍵斷裂程度增大，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增大、持水能力增加;但是隨時(shí)間增加酶解程度越大，淀粉被水解為小分子，鍵斷裂程度越大，與水結(jié)合能力減弱持水性則減小。故本試驗(yàn)選擇7 min為最佳酶解時(shí)間。

圖2 酶解時(shí)間對DE值和持水性影響

2.1.3 酶添加量對DE值和持水性的影響

配制25%的小麥粉溶液，90℃、15 min水浴糊化，調(diào)溶液 pH 6.5 后添加 0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 U/g耐高溫α－淀粉酶，酶解7 min，測定產(chǎn)物的DE值和持水性，試驗(yàn)結(jié)果如圖3。

由圖3可得出:DE值隨酶添加量增加而升高，持水性先增加后下降，在添加2.5 U/g的酶時(shí)持水性最大為190.59%，DE值為4.22%。這可能是由于隨著淀粉酶量的增加，酶與底物接觸的機(jī)率增大［17］，酶解程度增大，DE值增加。隨著酶解程度的增加，淀粉與水結(jié)合形成網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)增大，吸水能力增強(qiáng)，持水性增大;當(dāng)酶解程度達(dá)到一定程度時(shí)，鍵斷裂程度大，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)吸水能力減弱，持水性減小。故本試驗(yàn)選擇2.5 U/g為最佳的酶添加量。

圖3 酶添加量對DE值和持水性的影響

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)酶水解工藝

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)中底物濃度(X1)、酶解時(shí)間(X2)、酶添加量(X3)3個(gè)因素選定因素水平，持水性在因素變化范圍內(nèi)具有中心點(diǎn)，更符合響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)［18－19］，以持水性(Y)指標(biāo)進(jìn)行方程預(yù)測，同時(shí)測定DE值作為參考指標(biāo)。因素水平見表1，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平表

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用Design－Expert 8.0軟件對表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元回歸擬合，得到產(chǎn)物的持水性(Y)對底物濃度(X1)、酶解時(shí)間(X2)、酶添加量(X3)的預(yù)測方程如下:

由表3方差分析結(jié)果可以看出，模型P=0.000 2＜0.05，模型達(dá)到顯著，失擬項(xiàng) P=0.253 0 ＞0.05，不顯著，因此二次模型成立。R2為0.966 1，大于0.9表明有不到4%的變量不能由模型解釋。應(yīng)用此模型可以分析預(yù)測酶法制備脂肪替代物的工藝條件，其中一次項(xiàng)X2、X3均顯著，X1不顯著，二次項(xiàng) X1X2顯著其他不顯著，交互項(xiàng)均顯著［20］，所以得出影響產(chǎn)物持水性的主次因素為:酶解時(shí)間＞酶添加量＞底物濃度。

表3 響應(yīng)值的二次模型方差分析

2.2.2 響應(yīng)面和等高線分析

各因素影響持水性的曲面圖和等高線如圖4所示。

從等高線圖可知:等高線均呈橢圓，表示底物濃度和酶解時(shí)間、底物濃度和酶添加量、酶解時(shí)間和酶添加量之間的交互作用明顯［21－22］，都對產(chǎn)物的持水性有影響。

由圖4a可看出:固定酶添加量為2.5 U/g，隨著加酶解時(shí)間和底物濃度的增大，持水性明顯上升，之后隨著底物濃度和酶解時(shí)間的增加，持水性有下降趨勢，在交叉區(qū)域持水性存在一個(gè)極大值點(diǎn)［23－24］，此時(shí)能夠確定一組最佳的底物濃度和酶解時(shí)間;由圖4b可看出:固定酶解時(shí)間為6 min時(shí)，隨著底物濃度和酶添加量的增大，持水性明顯上升，之后隨著底物濃度和酶添加量的增加，持水性有下降趨勢，在交叉區(qū)域持水性存在一個(gè)極大值點(diǎn)，此時(shí)能夠確定一組最佳的底物濃度和酶解時(shí)間;由圖4c可看出:固定底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，隨著酶解時(shí)間和酶添加量的增大，持水性明顯上升，之后隨著酶解時(shí)間和酶添加量的增加，持水性有下降趨勢，在交叉區(qū)域持水性存在一個(gè)極大值點(diǎn)，此時(shí)能夠確定一組最佳的酶解時(shí)間和酶添加量。

圖4 各因素交互作用對持水性的響應(yīng)面和等高線

2.2.3 優(yōu)化最佳工藝條件

利用Design－Expert 8.0軟件分析，結(jié)合二次回歸方程預(yù)測最佳酶解工藝參數(shù)，分析出最佳參數(shù)為:底物濃度25.60%，酶添加量 2.33 U/g，酶解時(shí)間6.77 min，此時(shí)持水性的預(yù)測值能達(dá)到282.25%，經(jīng)驗(yàn)證測定該條件下測得持水性為273.69%，與預(yù)測值基本一致，說明該方程與實(shí)際情況相符合，擬合程度較好。

2.3 脂肪替代物的凝膠強(qiáng)度

淀粉被水解程度的增加導(dǎo)致體系所形成的凝膠之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)程度不斷減弱，所能形成的凝膠強(qiáng)度就將越?。?5］。作為一種品質(zhì)優(yōu)異的脂肪替代物，需要有較好的凝膠強(qiáng)度，方可模擬脂肪潤滑的口感。選擇上述最優(yōu)條件下所得脂肪替代物，在70℃下配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(15%、20%、25%、30%、35%)的溶液測定其凝膠強(qiáng)度，具體結(jié)果如表4所示。

表4 70℃時(shí)不同濃度溶液的凝膠強(qiáng)度

由圖表4可知，在70℃時(shí)15%溶液的凝膠強(qiáng)度最低，形成凝膠的能力最弱，隨著濃度的增加凝膠強(qiáng)度逐漸增加。這可能是由于隨著濃度增加，淀粉與水在形成凝膠時(shí)溶液中多余的水分呈流動(dòng)形態(tài)，水的含量越多流動(dòng)越明顯，形成凝膠的能力較弱，水分減少時(shí)能充分吸收水分并保持凝膠狀態(tài)，凝膠強(qiáng)度增加［26－27］。但濃度越大能夠自由流動(dòng)的水減少，反而影響替代脂肪的口感。

2.4 脂肪替代物的掃描電鏡分析

在上述最優(yōu)制備條件下得到的脂肪替代物是一種淺白色的黏稠糊狀物質(zhì)，具有小麥粉的天然香味和較好的潤滑口感。對其進(jìn)一步干燥粉碎，所得的產(chǎn)物為顆粒細(xì)膩的白色粉末狀物質(zhì)。為探明所得脂肪替代物的微觀結(jié)構(gòu)特征，比較酶解前后結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化，對原料小麥粉和最優(yōu)條件下脂肪替代物進(jìn)行掃描電鏡觀察，所得結(jié)果如圖5所示。

由圖5可看出:小麥粉中顆粒多以圓形的形態(tài)存在，顆粒表面光滑、大小不一，蛋白質(zhì)嵌在淀粉的內(nèi)部和表面［28］，而在相同放大倍數(shù)的條件下經(jīng)過酶解處理的小麥粉制得的脂肪替代物顆粒形態(tài)與原面粉發(fā)生了很大的變化，顆粒表面明顯的受到傾蝕，外形不再光滑規(guī)則，而是變得粗糙，顆粒尺寸減小。這可能是由于在淀粉酶的作用下，淀粉被酶解成小分子，直鏈淀粉斷裂，面粉顆粒的表面呈現(xiàn)被侵蝕的現(xiàn)象，變得不再平滑。

圖5 小麥粉和脂肪替代物掃描電鏡圖

3 結(jié)論

3.1 通過響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)，酶解小麥粉制備脂肪替代物的持水性與各因素間關(guān)系的預(yù)測方程為:

由各因素的顯著性分析得出影響產(chǎn)物持水性的因素依次為:酶解時(shí)間＞酶添加量＞底物濃度。

3.2 由模型和曲面圖分析優(yōu)化得到最佳工藝參數(shù):底物質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.60%，酶添加量 2.33 U/g，酶解時(shí)間6.77 min，此時(shí)持水性的預(yù)測值能達(dá)到282.247%，經(jīng)驗(yàn)證測定該條件下測得持水性為273.69%，表明模型建立合理，預(yù)測的結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.3 最優(yōu)工藝條件下脂肪替代物的凝膠強(qiáng)度、電子顯微鏡掃描表明，小麥淀粉分子結(jié)構(gòu)在酶解過程破壞中遭到破壞。

［1］Lundman P，Boquist S，Samanegard A，et al.A high － fat meal is accompanied by increased plasmainterleukin－6 concentrations［J］.Nutrition，Metabolism and Cardiovascular Diseases，2007，17(3):195 －202

［2］Howard B V.Dietary fat and cardiovascular disease:putting the women's health Initiative in perspective［J］.Nutrition，Metabolism and Cardiovascular Diseases，2007，17(3):171 －174

［3］姚懷芝，姚惠源.脂肪替代品的現(xiàn)狀及展望［J］.廣州食品工業(yè)科技，2003，19(2):73 －74

［4］Miller G D，Groziak S M.Impact of fat substitutes on fat intake［J］.Lipids，1996，31(1):293 －296

［5］賈士杰.脂肪替代物的應(yīng)用概述［J］.中國乳業(yè)，2006(7):53－55

［6］宮艷艷.脂肪替代物的分類及在食品中的應(yīng)用［J］.中國食品添加劑，2009(2):67－71

［7］楊銘鐸，于亞莉，高峰.食品生產(chǎn)中脂肪代用品的研究進(jìn)展［J］.食品科學(xué)，2002，23(8):310 －314

［8］楊玉玲，許時(shí)嬰.淀粉為基質(zhì)的脂肪替代品［J］.食品工業(yè)科技，2002，23(12):85 －87

［9］Ljubica D，Jovan J，Peter D.Relation between viscous characteristics and dextrose equivalent of maltodextrins［J］.Starch，2004，56(11):520 －525

［10］趙凱，徐鵬舉，谷廣燁.3.5－二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究［J］.食品科學(xué)，2008，29(8):534－536

［11］于明曉，郭順堂.擠壓組織對脫脂花生蛋白粉的持水性和持油性的影響［J］.食品工業(yè)科技，2007，28(1):87 －90

［12］陳龍.芋頭淀粉脂肪模擬品的制備及應(yīng)用的研究［D］.重慶:西南大學(xué)，2011

［13］Mcbonough C M，Anderson B J，Ronney L W.Structural characteristics of steam －flaked sorghum［J］.Cereal Chemistry，1997，74(5):542 －547

［14］張斌，羅發(fā)興，羅志剛.馬鈴薯淀粉基脂肪模擬物的工藝研究［J］.現(xiàn)代食品科技，2009，25(6):629 －632

［15］劉輝琴.淀粉基脂肪替代用品的制備及應(yīng)用研究［D］.河南:河南工業(yè)大學(xué)，2009

［16］徐毅華，曲靜然.淀粉基脂肪替代物的研究應(yīng)用概況［J］.糧食加工，2011，36(3):46 －48

［17］劉懷偉，孔保華，武晗，等.馬鈴薯淀粉基質(zhì)脂肪模擬物制備工藝的研究［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2006，32(11):50－54

［18］Ferreiraa SL C，Brunsb R E，F(xiàn)erreiraa H S，et al.Box － Behnken design:an alternative for the optimization of analytical methods［J］.Analytical Chemical Acta，2007，597(2):179 －186

［19］楊文雄，高彥祥.響應(yīng)面法及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用［J］.中國食品添加劑，2005(2):68 －71

［20］歐陽輝，余佶，陳小原，等.響應(yīng)面分析法優(yōu)化湘西月見草籽油的超臨界萃取工藝研究［J］.食品科學(xué) 2010，31(2):42－45

［21］張玉香，屈慧鴿，楊潤亞，等.響應(yīng)面法優(yōu)化藍(lán)莓葉黃酮的微波提取工藝［J］.食品科學(xué)，2010，31(16):33 －37

［22］陳海華，魯軍.響應(yīng)曲面法優(yōu)化狹鱈魚皮明膠的微波輔助提取工藝［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2009，35(8):168－174

［23］張艷榮，豐艷，孫麗琴，等.響應(yīng)面法優(yōu)化米糠擠出工藝及其物性研究［J］.食品科學(xué)，2010，31(20):146－151

［24］Liang Renjie.Optimization of extraction process of Glycyrrhiza glabra polysaccharides by response surface methodology［J］.Carbohydrate Polymers，2008，74(4):858 － 861

［25］酆淵.酶解大米制備脂肪替代品及其在烘焙領(lǐng)域中的應(yīng)用［D］.無錫:江南大學(xué)，2009

［26］楊玉玲，許時(shí)嬰，王璋.秈米為基質(zhì)的脂肪替代品的凝膠性質(zhì)［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，2003，18(5):8－11

［27］郝新蕾，張連富.低DE值麥芽糊精凝膠特性研究［J］.中國糧油學(xué)報(bào)，2010，25(3):29 －33

［28］朱帆，徐廣文，姚歷，等.小麥淀粉顆粒的微觀結(jié)構(gòu)研究［J］.食品科學(xué)，2010，29(5):93 －96.