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    燕麥濁汁酶解工藝及其水溶性β-葡聚糖含量變化研究

    2015-10-21 03:49:51楊金芹陳燕卉中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院北京00083山煙臺工貿技師學院山東煙臺64003
    食品工業(yè)科技 2015年2期
    關鍵詞:葡聚糖水溶性燕麥

    朱 轉,楊金芹,沈 群,陳燕卉,*(.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,北京00083;.山煙臺工貿技師學院,山東煙臺64003)

    燕麥濁汁酶解工藝及其水溶性β-葡聚糖含量變化研究

    朱轉1,楊金芹2,沈群1,陳燕卉1,*
    (1.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,北京100083;2.山煙臺工貿技師學院,山東煙臺264003)

    以穩(wěn)定性為評價指標研究了α-淀粉酶生產燕麥濁汁的酶解工藝,并用剛果紅法探究了水溶性β-葡聚糖含量在飲料加工過程中的變化。結果表明,酶解的最佳工藝條件為:10%的燕麥溶液,溫度55℃、pH6.4、酶用量為91.7U/100g溶液、時間180min,燕麥濁汁穩(wěn)定性值為93.3%;燕麥原料中的水溶性β-葡聚糖含量為12.8mg/g,浸泡過程中會造成水溶性β-葡聚糖的流失,蒸煮、打漿能提高水溶性β-葡聚糖的含量,酶解、滅菌對水溶性β-葡聚糖含量沒有明顯影響。

    燕麥濁汁,α-淀粉酶,穩(wěn)定性,水溶性β-葡聚糖

    燕麥是禾谷類作物中營養(yǎng)價值最高的作物之一,在世界谷物生產中位于小麥、玉米、稻米、大麥及高粱之后居于第六位[1]。我國燕麥加工企業(yè)總加工能力約為50萬噸/年,總產值為60億元,但燕麥粉及面制品等初加工產品占總量的70%[2],新型燕麥食品及深加工產品只占到燕麥加工總量的5%[3-4]。我國近年來開始重視對燕麥的深加工利用,其中以燕麥為原料的谷物飲料是研究熱點之一[5-8]。燕麥中富含淀粉,其糊化后形成的凝膠狀結構以及老化,是影響飲料穩(wěn)定性的關鍵因素之一。徐康[7]、張明等[8]在研究燕麥飲料的工藝時,通過添加淀粉酶等,提高飲料的穩(wěn)定性。

    燕麥中的可溶性膳食纖維是其具有降低血清膽固醇、改善腸道等保健作用的主要原因[9-12],而β-葡聚糖是燕麥可溶性膳食纖維的主要成分。燕麥的β-葡聚糖主要存在于麩皮中,含量在3.20%~6.80%之間,其中35%~50%為可溶性β-葡聚糖[13]。β-葡聚糖分子量的不同會導致其溶液流變學行為的不同[14],而其生理功能與溶液流變性能有密切關系。燕麥加工中常用的工藝均有可能對β-葡聚糖分子產生影響。劉文勝等[15]探究了不同滅酶方式對燕麥β-葡聚糖含量的影響,發(fā)現蒸制滅酶(100℃下20min)組含量比空白組(未經處理的燕麥)高0.64%,而炒制滅酶組(2.5kg燕麥在炭火炒鍋中炒制30min)比空白組高0.88%。Altan等[16]的研究認為擠壓過程中的高溫和剪切力能夠降低β-葡聚糖分子量。Moura等[17]用H2O2溶液對燕麥麩進行氧化處理,發(fā)現β-葡聚糖發(fā)生降解,且分子中羧基和羰基增加。Kivela等[18]研究發(fā)現β-葡聚糖溶液均質后,粘度明顯降低,β-葡聚糖的構象更接近于球形,同時溶解性提高。

    燕麥飲料加工中的浸泡、蒸煮、打漿、殺菌等工藝可能對β-葡聚糖分子造成不同程度的影響;此外,燕麥麩皮由于難易達到理想的粒度,由于在飲料成品中影響感官品質,通常在過濾等操作中被除去,也會影響飲料中β-葡聚糖的含量。本文所研究的燕麥濁汁飲料通過添加α-淀粉酶水解淀粉,提高飲料的穩(wěn)定性,并探究了加工過程對飲料中水溶性β-葡聚糖含量的影響。

    1 材料與方法

    1.1材料與儀器

    燕麥壩莜3號;α-淀粉酶丹尼斯克公司;β-葡聚糖標品Sigma公司;剛果紅Fluka公司;麥芽糖、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等均為分析純。

    DK-S24型電熱恒溫水浴鍋上海精宏實驗設備有限公司;VORTEX QL-902型渦旋混合器海門市其林貝爾儀器制造有限公司;WFZ UV-2102C型紫外可見分光光度計尤尼柯(上海)儀器有限公司;HITACHI CF16RXⅡ型離心機立工機有限公司;SHA-BA型水浴恒溫振蕩器金壇市榮華儀器制造有限公司;FD115型熱鼓風循環(huán)干燥箱德國Binder公司;AR5120型電子精密天平奧豪斯國際貿易(上海)有限公司;ALC-110.4型電子天平德國賽多利斯集團;打漿機九陽公司;LS-B35L型立式自動電熱壓力蒸汽滅菌器北京美科美生物技術開發(fā)有限公司。

    1.2α-淀粉酶活力測定

    酶活力定義為單位時間內(1min)每毫升酶催化反應所得1mg麥芽糖為一個活力單位(U)。采用3,5-二硝基水楊酸法(DNS)測定酶活力,DNS試劑的配制參照馬晶晶等的方法[19],具體操作參照邢楠楠等的方法[20]。

    1.3燕麥濁汁工藝及具體操作

    具體工藝:原料→清洗→浸泡→蒸煮→打漿→酶解→滅酶→過濾→調配→灌裝→殺菌。

    浸泡:按照每克燕麥加1.25mL水的比例,將清洗后的燕麥于40℃下浸泡1h。

    蒸煮:燕麥和浸泡液再加入適量水,于常壓沸水浴中蒸煮1h,使燕麥充分糊化。

    打漿:蒸煮后的燕麥迅速冷卻后,加入水使得燕麥-水為1∶9,在打漿機中先低速打漿2次,再高速打漿2次,得到10%的燕麥濃漿。

    酶解條件:探究溫度、pH、加酶量、酶解時間對燕麥濁汁穩(wěn)定性的影響。溫度單因素時,固定pH6.4、酶用量65.5U/100g溶液、時間60min,探究溫度40、45、50、55、60、65℃對穩(wěn)定性的影響。pH單因素時,固定溫度55℃、酶用量65.5U/100g溶液、時間60min,探究pH5.6、6.0、6.4、6.8、7.2、7.6對穩(wěn)定性的影響。酶用量單因素時,固定溫度55℃、pH6.4、時間60min,探究加酶量26.2、39.3、52.4、65.5、78.6、91.7U/100g溶液對穩(wěn)定性的影響。時間單因素時,固定溫度55℃、pH6.4、加酶量78.6U/100g溶液,探究30、60、90、120、150、180min對穩(wěn)定性的影響。單因素實驗結束后,采用適宜水平進行四因素三水平的正交實驗。正交實驗因素水平表見表1。

    表1 正交實驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

    滅酶、過濾:酶解后的燕麥濁汁立即放入沸水浴中加熱10min滅酶,再用200目篩網過濾大顆粒物質。

    殺菌:采用高溫殺菌,將調配好的燕麥濁汁加入預先滅菌的玻璃瓶中,用立式電熱殺菌器在121℃條件下殺菌20min。

    1.4穩(wěn)定性的測定

    參考楊海紅等的方法[21]。酶解后的燕麥濁汁轉入50mL離心管中,5000r/min下離心20min,倒出上清液后,將裝有沉淀的離心管倒置0.5h,測定離心沉淀率SR(Centrifugal Sedimentation Rate)。SR值越大表示穩(wěn)定性越差。

    式中:M1—燕麥濁汁離心、倒置后沉淀物的重量(g);M2—燕麥濁汁離心前的重量(g)。

    1.5燕麥中β-葡聚糖的提取

    燕麥磨粉后過50目篩,按照1∶9的比例加入75%的酒精在80℃下回流2~4h,混合物冷卻至30℃后倒出上清液,加入無水乙醇浸泡15min后過濾,在35℃下干燥脫除溶劑。稱取500mg干燥粉末,加入20mL水溶液,用20%Na2CO3溶液調節(jié)pH10,在40℃下浸提4h后,冷卻,于4000r/min下離心10min,收集上清液,將沉淀再次加入10mL水后,用20%Na2CO3溶液調節(jié)至pH10,于室溫下放置10h,離心后合并上清液。上清液經過淀粉酶除淀粉、等電點法除蛋白(用20%的HCl溶液調pH為4.5),于4000r/min下離心10min得上清液,定容后測定β-葡聚糖含量。燕麥濁汁經除去淀粉、蛋白質后進行測定[13,22]。

    1.6剛果紅法測β-葡聚糖

    1.6.1β-葡聚糖標準溶液準確稱取0.0500g β-葡聚糖標品,加入少量去離子水于70℃下水浴溶解,冷卻后定容至50mL,配成1mg/mL β-葡聚糖標準母液,使用前稀釋10倍。

    1.6.2剛果紅溶液準確稱取0.1000g剛果紅溶于0.2mol/L pH8.0的磷酸緩沖溶液中,用pH8.0的磷酸緩沖溶液定容至1000mL。

    1.6.3檢測波長的確定用2mL蒸餾水+4mL剛果紅溶液(空白組)、1mL蒸餾水+1mLβ-葡聚糖溶液+4mL剛果紅溶液(實驗組)在25℃下反應20min后,用酶標儀掃描兩者的最大吸收光譜和差譜,測得空白組的最大吸收光譜在489nm處,反應液的最大吸收光譜在500nm處,在544nm處有最大差譜,故選擇544nm為測定波長。

    1.6.4具體測定方法分別吸取0.1mg/mL的β-葡聚糖標準溶液0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mL于試管中,補充蒸餾水至2mL,加入4mL剛果紅溶液,在25℃下顯色20min后,在544nm處測定吸光值。每組3個平行,根據標準曲線算出β-葡聚糖含量[13,23]。

    2 結果與討論

    2.1α-淀粉酶活力

    根據吸光值結果,繪制麥芽糖標準曲線,得到計算公式為y=0.5451x-0.0416(R2=0.9982),其中,x為麥芽糖含量(mg),y為吸光值。

    準確吸取0.05mL酶溶液于100mL容量瓶中加蒸餾水定容后,吸取0.02mL酶溶液稀釋液于25mL具塞刻度管中,加入0.8mL pH6.0的磷酸鹽緩沖溶液(0.2mol/L),于60℃下保溫10min后,加入1mL的1%可溶性淀粉,保溫5min,加入2mL DNS,在沸水浴中加熱5min,迅速冷卻,加蒸餾水定容至20mL,于540nm處測定吸光值。空白組的設置,以第一次保溫前加入DNS試劑作為對照平行3次。根據公式計算,得到酶活力為1048U/mL。

    2.2燕麥濁汁酶解工藝條件

    2.2.1酶解工藝單因素實驗

    2.2.1.1溫度單因素溫度影響結果見圖1,隨著溫度的升高,飲料穩(wěn)定性先增加后減小,55℃時穩(wěn)定性最大,原因是該淀粉酶在55℃時活性最大,對淀粉的水解效率最高,離心過程中沉淀下來的大分子淀粉最少。由此可知,55℃為最佳溫度。

    圖1 酶解溫度對燕麥濁汁穩(wěn)定性的影響Fig.1 Effect of temperature on stability of turbid oats beverage

    2.2.1.2pH單因素pH影響結果見圖2,pH為6.4時,SR值最小,飲料穩(wěn)定性最佳,原因是α-淀粉酶在pH6.4時活性最高,對淀粉的水解效率最高。選取pH6.4為后續(xù)單因素實驗的pH。

    圖2 酶解pH對燕麥濁汁穩(wěn)定性的影響Fig.2 Effect of pH on stability of turbid oats beverage

    2.2.1.3酶用量單因素加酶量影響結果見圖3,隨著酶用量的增加,飲料穩(wěn)定性增加,當酶用量超過78.6U/100g燕麥溶液時,穩(wěn)定性變化趨勢平緩。選擇加酶量78.6U/100g燕麥溶液,既能使飲料達到較好的穩(wěn)定性,同時又節(jié)約生產成本、防止酶本身不良氣味給飲料風味帶來破壞作用。

    圖3 加酶量對燕麥濁汁穩(wěn)定性的影響Fig.3 Effect of enzyme dosage on stability of turbid oats beverage

    2.2.1.4時間單因素時間影響結果見圖4。隨著時間的延長,飲料穩(wěn)定性增加,原因是淀粉分子不斷被水解,當時間為150min時,溶液中淀粉的濃度很小,與酶接觸的幾率大大減少,從而穩(wěn)定性不再發(fā)生明顯變化。酶解時間過長,不但對飲料穩(wěn)定性沒有貢獻,反而會影響生產效率,故選擇酶解時間150min。

    圖4 酶解時間對燕麥濁汁穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of hydrolyzing time on stability of turbid oats beverage

    2.2.2最佳酶解條件的確定單因素實驗表明,當酶解溫度為55℃、pH6.4、酶用量78.6U/100g燕麥溶液或者酶解時間150min時燕麥濁汁可獲得最佳穩(wěn)定性。但酶解的最佳條件并非各個單因素實驗的最佳結果的簡單疊加,需正交實驗考察多因素的疊加效果。正交實驗設計及結果見表2。

    從表2可以看出:影響因素為溫度(A)>酶用量(C)>酶解時間(D)>pH(B),燕麥濁汁的最佳懸浮穩(wěn)定下的酶解工藝為A2B2C3D3,即溫度55℃,pH6.4,酶用量為91.7U/100g燕麥溶液,時間180min。驗證實驗中,在最佳懸浮穩(wěn)定酶解工藝條件下,燕麥溶液經過酶解后,過40目網篩,所得燕麥濁汁離心沉淀率為6.7%,即懸浮穩(wěn)定性值為93.3%;結果優(yōu)于表2中其他組合。

    表2 α-淀粉酶解L9(34)正交實驗結果Table 2 The results of L9(34)orthogonal experiment for α-amylase enzymation

    2.3剛果紅法測水溶性β-葡聚糖含量

    2.3.1β-葡聚糖標準曲線根據β-葡聚糖含量(mg)與對應吸光值,繪制標準曲線,得計算公式y(tǒng)=2.3900x+ 0.0130(R2=0.9978),其中,y表示吸光值,x表示β-葡聚糖。

    2.3.2燕麥濁汁加工過程中β-葡聚糖含量變化β-葡聚糖是燕麥中重要的功能性成分,尤其水溶性β-葡聚糖的作用效果更顯著。燕麥原料中水溶性β-葡聚糖的含量為12.80mg/g,相對偏低,可能是由于貯存時間過長,被燕麥中所含的內源β-葡聚糖酶分解或者脂肪氧化而降解。燕麥經過浸泡、蒸煮、打漿、酶解過濾、滅菌等工藝處理后,測定燕麥固體或者溶液中的β-葡聚糖的含量(分析前對溶液進行定容,根據溶液的體積計算出總量),結果用β-葡聚糖相對含量(即與原料中β-葡聚糖含量的比例)來表示,見圖5。

    浸泡后燕麥籽粒中β-葡聚糖的相對含量為78.68%,由于燕麥中的β-葡聚糖主要存在于麩皮中,麩皮位于燕麥的外層,水溶性的β-葡聚糖浸泡過程中溶解于水,而使燕麥籽粒中含量減少,鄧萬和[13]、張娟等[24]用水提法提取麩皮或燕麥粉中的β-葡聚糖原理即為此。因此,燕麥在浸泡時應控制合適的溫度和時間,防止水溶性β-葡聚糖大量流失,或者將浸泡液加入后續(xù)加工中。

    蒸煮時,將浸泡液倒入容器中,再加入適量蒸餾水。蒸煮后燕麥籽粒中β-葡聚糖相對含量為105.87%,相比原料提高5.87%,但與原料中的β-葡聚糖含量不存在顯著差異??赡茉蚴歉邷亻L時間的蒸煮,促使部分非水溶性β-葡聚糖分子斷裂,轉變?yōu)樗苄驭?葡聚糖;原料中β-葡聚糖測定時,燕麥未經過蒸煮,使得浸提過程中存在于胚乳里面的少量β-葡聚糖難以溶出,而蒸煮過程使得胚乳細胞破裂,內部的β-葡聚糖更加容易釋放。研究結果與劉文勝等[15]的研究相同,他們采用100℃下蒸制20min的方法對燕麥進行滅酶處理,發(fā)現其中β-葡聚糖含量相對于未經處理的燕麥含量提高0.64%。Johansson等[25]的研究也表明水煮能夠提高燕麥可溶性β-葡聚糖的含量。

    打漿后,燕麥中β-葡聚糖相對含量為109.76%,與原料中β-葡聚糖含量有顯著差別(p<0.05),較蒸煮后含量有所上升,但兩者無顯著差別,可能是打漿過程中的剪切力使得部分非水溶性β-葡聚糖分子斷裂。Kivel?等[26]研究表明,均質能夠使大分子的β-葡聚糖降解,Tosh等[27]發(fā)現,擠壓能夠顯著增加β-葡聚糖的溶解性,即部分不溶性的大分子β-葡聚糖轉變?yōu)樗苄缘摩?葡聚糖,打漿與擠壓和均質均不同,但是工作過程中均產生剪切力,尤其是燕麥溶液在打漿時粘度很大,高速打漿產生的剪切力可能使部分不溶于水的β-葡聚糖分子被切割成可溶性小分子片段。

    圖5 不同加工過程對β-葡聚糖相對含量的影響Fig.5 β-glucan relative content of turbid oats beverage influenced by different processing stages

    酶解過濾后燕麥濁汁中β-葡聚糖的相對含量為66.03%,相對于“打漿”等含量顯著降低,原因是在該實驗條件下溶液體系不是很利于β-葡聚糖的溶出,且燕麥麩皮相對于其余結構來講,其中含有大量的纖維素不被水解,且打漿過程中不易被破碎,故過濾后被除去,存在麩皮中未溶出的β-葡聚糖可能會因此損失。

    為了探究飲料中加糖酸調配對β-葡聚糖含量的影響,采用兩種飲料配方進行滅菌?!皽缇?”、“滅菌2”中β-葡聚糖的相對含量分別為63.14%、62.47%,結果表明該滅菌工藝對水溶性β-葡聚糖幾乎沒有影響。

    3 結論

    穩(wěn)定性是評價飲料品質的關鍵指標之一,尤其在燕麥飲料產品的開發(fā)過程中是常見的難題,通過α-淀粉酶水解淀粉,可以提高飲料的穩(wěn)定性。利用10%的燕麥溶液,在最佳酶解工藝條件下(溫度55℃、pH6.4、酶用量91.7U/100g溶液、時間180min),所得燕麥濁汁穩(wěn)定性為93.3%。

    浸泡、蒸煮、打漿等工藝對燕麥中水溶性β-葡聚糖有影響,浸泡后β-葡聚糖相對含量為78.7%,部分β-葡聚糖溶于水而流失;蒸煮和打漿能提高水溶性的β-葡聚糖含量;α-淀粉酶水解燕麥有利于β-葡聚糖的溶出;過濾操作中除去了絕大部分麩皮,導致沒有溶解出的β-葡聚糖損失;121℃、20min高溫滅菌對水溶性β-葡聚糖含量無明顯影響。

    燕麥濁汁制作過程中,為盡量減少水溶性β-葡聚糖的損失,要使麩皮中的β-葡聚糖得到充分浸提,同時控制好浸泡條件或對浸泡液加以利用。

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    Study on enzymatic processing and soluble β-glucan variation of turbid oats beverage

    ZHU Zhuan1,YANG Jin-qin2,SHEN Qun1,CHEN Yan-hui1,*
    (1.College of Food Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China;2.Yantai Industry and Trade Technician College of Shandong,Yantai 264003,China)

    By determining the stability of the beverage,application of alpha-amylase in the processing of oats turbid beverage was studied,and the content variation of β-glucan was determined in method of Congo Red. Results showed that the optimal process conditions of enzymatic hydrolysis:temperature was 55℃,pH was 6.4,enzyme dosage was 91.7U/100g,hydrolysis time was 180min,and under this conditions the suspension stability was 93.3%.β-glucan in the oat was 12.8mg/g,soaking process resulted in loss of β-glucan,while cooking and beating increased the content of β-glucan.Enzymolysis of alpha-amylase and sterilization had no significant effect on β-glucan content.

    oats turbid beverage;α-amylase;stability;soluble β-glucan

    TS210.1

    A

    1002-0306(2015)02-0190-05

    10.13386/j.issn1002-0306.2015.02.032

    2014-03-17

    朱轉(1989-),女,碩士研究生,研究方向:糧食、油脂與植物蛋白質工程。

    陳燕卉(1957-),女,博士,副教授,研究方向:營養(yǎng)與食品安全。

    雜豆代餐飲品的研究開發(fā)品質評價研究(2012BAD34B08-05)。

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