超聲協(xié)同酶法制備薏米酶解液的工藝研究

衛(wèi)曉英，李蘋蘋，趙 強，張冬梅，袁 磊

(山東商務職業(yè)學院 食品工程系/山東商務職業(yè)學院 糧油食品工程技術研發(fā)中心，山東 煙臺 264670)

薏米，又叫薏苡仁、苡仁、六谷子，為禾本科植物薏苡的種仁。據(jù)《中國食療大典》記載，薏米含蛋白質14%、脂肪5%、碳水化合物65%、鈣0.7%、磷0.242%、鐵0.001%等成分[1]，還含有薏苡酯、薏苡素等活性成分，具有降壓、降糖、消炎、抑制癌細胞增殖等生理功能[2]，薏米可藥食兩用，具有利水、健脾、除痹、清熱排膿的功效。

目前，薏米的研究主要集中在抗癌抗腫瘤、提高免疫力、消炎鎮(zhèn)痛等藥用價值方面；在食品加工方面，薏米以初加工產(chǎn)品為主，熬粥是主要的食用方式，主要是因為薏米中淀粉結構堅硬，糊化相對困難，限制了薏米的開發(fā)利用。酶解技術可以使植物組織分解，加速有效物質的溶出，提高提取率[3-4]。超聲波具有的空化作用及其所產(chǎn)生的熱效應、乳化、擴散、擊碎等次級效應，能夠促進細胞內有效物質的釋放、擴散和溶解[5]。目前超聲波結合酶解技術在提取黑豆蛋白[6]、雞桑葉多糖[7]、姜辣素[8]等方面均有研究，但在制備薏米酶解液方面鮮有報道。本文在酶解的基礎上，輔以超聲作用，優(yōu)化工藝條件，提高酶解率，以期為薏米的生產(chǎn)加工和綜合利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

薏米，購于煙臺振華超市；淀粉酶，由河南通宇食品配料有限公司生產(chǎn)；葡萄糖、氫氧化鈉、硫酸銅、亞鐵氰化鉀、酒石酸鉀鈉、鹽酸、亞甲基藍，均為分析純，由天津市科密歐化學試劑有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗儀器

FA2004電子天平(由上海上平儀器公司生產(chǎn))；GB/T 11165─2005 pH計[由梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司生產(chǎn)]；DJ10E-K61多功能破壁機(由九陽股份有限公司生產(chǎn))；Scientz-5000TQC槽式超聲萃取儀(由寧波新芝生物科技有限公司生產(chǎn))；101A-1型水浴鍋(由上海市崇明實驗儀器廠生產(chǎn))。

1.3 試驗方法

1.3.1 薏米酶解液的制備方法 薏米酶解液的制備方法見圖1。

圖1 薏米酶解液的制備方法

1.3.2 還原糖含量的測定 還原糖含量按照GB 5009.7─2016標準中的直接滴定法進行測定。

1.3.3 酶解條件對薏米酶解液的影響

1.3.3.1 單因素試驗 稱取薏米，每份100 g，按照1.3.1的制備方法對薏米進行前處理制成薏米漿，分別在酶解時間為2、3、4、5、6 h；酶解溫度為35、40、45、50、55 ℃；酶解pH值為5.5、6.0、6.5、7.0、7.5；酶添加量為100、150、200、250、300 U/g的條件下進行反應，酶解完成后超聲，制得薏米酶解液，測定還原糖含量。

1.3.3.2 正交試驗 根據(jù)單因素試驗結果，將酶解時間、酶解溫度、溶液pH值、酶添加量作為試驗影響因素，進行4因素3水平L9(34)正交試驗，確定最適酶解條件。正交試驗設計見表1。

表1 薏米酶解液酶解條件正交試驗設計

1.3.4 超聲條件對薏米酶解液的影響

1.3.4.1 單因素試驗 稱取薏米，每份100 g，按照1.3.1的制備方法對薏米進行酶解，分別在超聲時間為10、15、20、25、30 min；超聲功率為120、140、160、180、200 W；超聲次數(shù)為1、2、3、4、5次的條件下進行反應，制得薏米酶解液，測定還原糖含量。

1.3.4.2 正交試驗 根據(jù)單因素試驗結果，將超聲時間、超聲功率、超聲次數(shù)作為試驗影響因素，進行3因素3水平L9(33)正交試驗，確定最適超聲條件。正交試驗設計見表2。

表2 薏米酶解液超聲條件正交試驗設計

2 結果與分析

2.1 酶解條件的確定

2.1.1 酶添加量對薏米酶解液的影響 從圖2可知，隨著酶的添加量不斷增大，還原糖的含量逐漸升高，在達到200 U/g后曲線趨于平緩。在反應初期，底物充足，參與反應的酶越多生成的還原糖越多，當加入的酶與底物恰好完全反應后，大部分碳水化合物已經(jīng)達到水解平衡，再增加酶的添加量對還原糖含量沒有顯著影響，因此，酶的最佳添加量確定為200 U/g。

圖2 酶的添加量對薏米酶解液的影響

2.1.2 酶解時間對薏米酶解液的影響 從圖3可知，還原糖含量隨著酶解時間的延長呈現(xiàn)先升后降的趨勢。在反應初期，酶解時間不足使得碳水化合物不能被充分水解；到了反應中期，時間充裕，酶活得到充分利用，底物反應完全；反應后期薏米中其他物質成分分解溶出，使得還原糖的含量下降。薏米酶解液的最佳酶解時間確定為3 h。

2.1.3 酶解溫度對薏米酶解液的影響 從圖4可以看出，還原糖的含量隨著酶解溫度的升高逐漸增加，45 ℃時得率最高，此后得率慢慢下降。每一種酶都有反應的最適溫度，在最適溫度下，反應體系擁有最高的活化能，分子與底物充分接觸，酶的催化效率最高，反應速度最快。溫度過低，活化能太低影響反應速率；溫度過高，蛋白質會發(fā)生變性使酶失活[9]。選擇45 ℃為薏米酶解液的最佳酶解溫度。

圖3 酶解時間對薏米酶解液的影響

圖4 酶解溫度對薏米酶解液的影響

2.1.4 酶解pH值對薏米酶解液的影響 從圖5可以看出，在pH值為6時，還原糖的得率最高，說明酶的最適反應pH值為6。pH值可以影響酶的活性基團的解離程度，在其他pH值下，還原糖的含量比較低，說明酶的活性受到抑制，催化效率緩慢，過酸或過堿還會導致酶結構解體，喪失活性，因此，酶解pH值確定為6。

圖5 酶解pH值對薏米酶解液的影響

2.1.5 正交試驗結果 以酶的添加量、酶解時間、酶解溫度、酶解pH值為試驗影響因子，還原糖含量為試驗指標，進行4因素3水平L9(34)正交試驗，試驗結果見表3。

表3 薏米酶解液酶解條件正交試驗結果

從表3可以看出，薏米酶解液的影響因素的主次順序是：酶解pH值(D)>酶添加量(A)>酶解溫度(C)>酶解時間(B)，酶解條件的最佳組合是A2B2C3D2，即酶添加量200 U/g，酶解時間3 h，酶解溫度50 ℃，酶解pH值6。

2.2 超聲條件的確定

2.2.1 超聲時間對薏米酶解液的影響 從圖6可以看出，在10～20 min內，還原糖含量呈現(xiàn)上升趨勢；在20 min時，還原糖含量達到最大值，為1.71 g/100 g；在此后的20～30 min，還原糖含量緩慢下降。分析其可能的原因是長時間的超聲作用，使得糖分子內部鍵斷裂，分子結構改變，致使含量降低。薏米酶解液的超聲時間選擇20 min。

圖6 超聲時間對薏米酶解液的影響

2.2.2 超聲功率對薏米酶解液的影響 從圖7可以看出：曲線呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。超聲功率的增大有利于體系中空穴作用的形成，產(chǎn)生的空花泡對細胞壁的破壞作用增強，細胞內多糖溶出速度增加，得率提高[10]。當功率超過160 W時，過高的功率會使反應體系溫度升高，分子結構遭到破壞，得率降低。所以，選擇160 W為薏米酶解液的超聲功率。

圖7 超聲功率對薏米酶解液的影響

2.2.3 超聲次數(shù)對薏米酶解液的影響 從圖8可知：總體上來看，隨著超聲次數(shù)的增加，還原糖含量呈上升的趨勢。反應前期上升趨勢明顯，超聲3次以后曲線逐漸平緩，還原糖含量增加不明顯，從經(jīng)濟節(jié)約和試驗效率角度考慮，選取超聲次數(shù)為3次。

圖8 超聲次數(shù)對薏米酶解液的影響

2.2.4 正交試驗結果 根據(jù)單因素試驗結果，以超聲時間、超聲頻率和超聲次數(shù)為影響因子，以還原糖含量為指標，進行3因素3水平L9(33)正交試驗，試驗結果見表4。

根據(jù)正交試驗結果分析，可以看出影響超聲結果的因素主要是超聲功率，其次是超聲時間，影響最小的是超聲次數(shù)。最優(yōu)試驗組合是A2B2C2，即超聲時間20 min，超聲功率160 W，超聲次數(shù)為3次。此試驗組合在正交試驗中沒有出現(xiàn)，經(jīng)驗證性試驗，在此試驗條件下測得還原糖含量為1.89 g/100 g，高于A3B2C1組合下測得的1.86 g/100 g，因此得出的A2B2C2可行。

2.3 超聲協(xié)同酶解效果的比較

經(jīng)過正交試驗分別優(yōu)化了薏米酶解液的酶解條件和超聲條件，在此條件下測定還原糖的含量為1.89 g/100 g，原工藝條件下測得還原糖的含量為1.64 g/100 g，相比提高了15.2%。由此可見超聲可以起到促進酶解效果，提高產(chǎn)物得率的作用。

表4 薏米酶解液超聲條件正交試驗結果

3 結論

應用超聲和酶解相結合的方法對薏米進行酶解，通過正交試驗優(yōu)化工藝條件，得到制備薏米酶解液的最優(yōu)工藝參數(shù)是酶添加量200 U/g，酶解時間3 h，酶解溫度50 ℃，酶解pH值6，超聲時間20 min，超聲功率160 W，超聲次數(shù)3次。在此條件下，還原糖含量達到1.89 g/100 g，相較于原制備工藝，還原糖含量提高了15.2%。制備的薏米酶解液還原糖含量顯著提高，為薏米的深加工和綜合利用提供了技術參考。