復(fù)合酶水解法制備青稞固體飲料

崔丁維

(上海華寶孔雀香精有限公司,上海 201821)

青稞是青藏高原上最具備優(yōu)勢的糧食作物,也是具有保健和藥用價值的經(jīng)濟作物[1-3]。具體表現(xiàn)在:1) 青稞具有“三高兩低”的特點,即蛋白質(zhì)、可溶性纖維和維生素的質(zhì)量分數(shù)高,脂肪和糖類的質(zhì)量分數(shù)低[1-3];2) 麥類作物中就屬其β-葡聚糖的質(zhì)量分數(shù)最高,約6.14%[1,3];3) 青稞富含賴氨酸,質(zhì)量分數(shù)高達0.36%,該氨基酸在其他谷物中的質(zhì)量分數(shù)很低[1];4) 青稞還含有人體無法自身合成的硒。因此,青稞具有巨大的研發(fā)和應(yīng)用價值。

目前,雖然國內(nèi)外關(guān)于青稞在食品工業(yè)中應(yīng)用的研究相對較少,市場上的相關(guān)產(chǎn)品尚未形成規(guī)模,但是隨著大眾對青稞本身營養(yǎng)價值認識的提升,其在食品加工行業(yè)中的潛力逐漸凸顯。現(xiàn)有的青稞產(chǎn)品有面條、餅干、面包、蛋糕、酒類以及一些膨化食品和冷凍食品[4-5],尚未發(fā)現(xiàn)有以其為原料的固體飲料。筆者從提升青稞產(chǎn)品的附加值出發(fā),結(jié)合青稞自身特點和前期的市場調(diào)查,選擇復(fù)合酶水解法制備青稞固體飲料,以青稞酶解清液中可溶性固形物得率為考察指標(biāo),采用正交分析法優(yōu)化水解工藝,得到適合實際生產(chǎn)的工藝參數(shù),以期為更多的青稞相關(guān)產(chǎn)品的研究應(yīng)用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

青稞,拉薩華寶食品有限公司;復(fù)合酶,諾維信(中國)投資有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

烤箱,無錫馬牌機械有限公司;多功能料理機,中山市長柏電器實業(yè)有限公司;電子計數(shù)秤,梅特勒-托利多(常州)測量技術(shù)有限公司;電磁爐,廣東美的生活電器制造有限公司;電熱恒溫水槽,海精宏實驗設(shè)備有限公司;攪拌器,艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司;離心機,上海博翎儀器設(shè)備有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;循環(huán)水式真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;噴霧干燥機,上海雅程儀器設(shè)備有限公司;水分測定儀,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 制備工藝

稱取一定量的青稞,洗盡,除雜,瀝干,置于托盤上,于烤箱中烘烤至顏色棕黃,粉碎成青稞原粉,過20目篩,加入去離子水,于100 ℃水浴蒸煮30 min,冷卻至一定溫度后加入一定量的復(fù)合酶,于一定溫度下攪拌水解一定的時間,85 ℃滅酶活10 min,于3 000 r/min離心,取離心清液進行濃縮,再以160 ℃進風(fēng)溫度、80 ℃出風(fēng)溫度進行低溫噴霧干燥,得到青稞粉末,即青稞固體飲料。

1.3.2 可溶性固形物得率的測定

采用國標(biāo)GB 5009.3—2016《食品中水分的含量》[6]中的第一種方法,即直接干燥法,利用水分測定儀進行測定。計算公式為

青稞酶解清液可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)=(1-水分質(zhì)量分數(shù))×100%

青稞酶解清液可溶性固形物得率=[(青稞酶解清液可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)×青稞酶解清液質(zhì)量)/青稞原粉質(zhì)量]×100%

1.3.3 單因素實驗設(shè)計

結(jié)合實際生產(chǎn)情況,分析料液中青稞原粉質(zhì)量分數(shù)(以下簡稱料液質(zhì)量分數(shù))、總料液中復(fù)合酶的質(zhì)量分數(shù)(以下簡稱復(fù)合酶用量)、水解溫度和反應(yīng)時間4個變量對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響。

1) 料液質(zhì)量分數(shù)對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響。將青稞原粉與去離子水配制成質(zhì)量分數(shù)分別為10%,15%,20%,25%,30%的料液,100 ℃水浴蒸煮30 min后冷卻,加入占總料液質(zhì)量0.4%的復(fù)合酶,于50 ℃水浴攪拌酶解5 h,85 ℃滅酶活10 min,于3 000 r/min離心,取離心清液進行可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)和得率的測定。

2) 復(fù)合酶用量對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響。將青稞原粉與去離子水配制成比例合理的料液,100 ℃水浴蒸煮30 min后冷卻,加入質(zhì)量分數(shù)分別為0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%的復(fù)合酶,于50 ℃水浴攪拌酶解5 h,85 ℃滅酶活10 min,于3 000 r/min離心,取離心清液進行可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)和得率的測定。

3) 水解溫度對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響。將青稞原粉與去離子水配制成比例合理的料液,100 ℃水浴蒸煮30 min后冷卻,加入質(zhì)量分數(shù)合理的復(fù)合酶,分別于45,50,55,60,65 ℃的水浴攪拌酶解5 h,85 ℃滅酶活10 min,于3 000 r/min離心,取離心清液進行可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)和得率的測定。

4) 反應(yīng)時間對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響。取青稞原粉與去離子水配制成比例合理的料液,100 ℃水浴蒸煮30 min后冷卻,加入質(zhì)量分數(shù)合理的復(fù)合酶,用適當(dāng)溫度水浴,分別攪拌酶解1,2,3,4,5 h,85 ℃滅酶活10 min,于3 000 r/min離心,取離心清液進行可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)和得率的測定。

1.3.4 正交實驗設(shè)計

以單因素實驗結(jié)果為依據(jù),采取正交實驗優(yōu)化水解工藝條件,考察料液質(zhì)量分數(shù)、復(fù)合酶用量、水解溫度和反應(yīng)時間4個要素在3個水平上對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響,并進行極差分析和驗證實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗結(jié)果與分析

2.1.1 料液質(zhì)量分數(shù)對青稞酶解清液中可溶性固形物得率的影響

設(shè)定復(fù)合酶用量為0.4%,水解溫度為50 ℃,反應(yīng)時間為5 h,考察不同料液質(zhì)量分數(shù)對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響,結(jié)果如圖1所示。

圖1 料液質(zhì)量分數(shù)對可溶性固形物得率的影響

由圖1可知:料液質(zhì)量分數(shù)與青稞酶解清液中的可溶性固形物得率呈負相關(guān)。實際操作中,當(dāng)料液質(zhì)量分數(shù)大于20%時,糊化后的青稞料液中的游離水很少,攪拌困難,加入復(fù)合酶之后可以較快地降低料液的黏度,恢復(fù)料液的流動性。隨著料液質(zhì)量分數(shù)的增大,水解體系中有效水質(zhì)量分數(shù)降低,使得料液和復(fù)合酶中分子的擴散和運動速度變慢,從而降低了水解速率[7-8]。在后續(xù)的操作中需要進行真空濃縮,因為當(dāng)可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)太低時,不僅會增加濃縮的能耗,而且會降低生產(chǎn)效率,因此實驗設(shè)計選擇料液質(zhì)量分數(shù)為20%。

2.1.2 復(fù)合酶用量對青稞酶解清液中可溶性固形物得率的影響

設(shè)定料液料液質(zhì)量分數(shù)為20%,水解溫度為50 ℃,反應(yīng)時間為5 h,考察不同復(fù)合酶用量對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響,結(jié)果如圖2所示。

圖2 復(fù)合酶用量對可溶性固形物得率的影響

由圖2可知:隨著復(fù)合酶用量的增加,青稞酶解清液中的可溶性固形物得率也增加,當(dāng)復(fù)合酶用量大于0.6%時,可溶性固形物得率趨于穩(wěn)定。在一定的條件下,酶反應(yīng)的速率與復(fù)合酶用量成正比,復(fù)合酶的用量越多,水解出的可溶性物質(zhì)越多。從可溶性固形物得率的實際數(shù)值來看,復(fù)合酶用量為0.4%～1.0%時的水解效果差異不大。復(fù)合酶價格較低,用量的略微增加不會明顯增加產(chǎn)品的成本,并且該水解工藝未進行pH調(diào)節(jié),適當(dāng)增加復(fù)合酶的用量可以降低料液pH變化對水解效率的影響[7]。綜上所述,選擇復(fù)合酶用量0.6%為宜。

2.1.3 水解溫度對青稞酶解清液中可溶性固形物得率的影響

設(shè)定料液質(zhì)量分數(shù)為20%,復(fù)合酶用量為0.6%,反應(yīng)時間為5 h,考察不同水解溫度對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 水解溫度對可溶性固形物得率的影響

由圖3可知:隨著水解溫度的升高,青稞酶解清液中的可溶性固形物得率先增加后降低,在50 ℃時可溶性固形物得率最高。水解酶本質(zhì)上是蛋白質(zhì),其活性受溫度的影響較大,在一定的溫度范圍內(nèi),溫度上升,催化反應(yīng)速率提高,但超過一定溫度后催化反應(yīng)速率反而下降較為明顯[7,9]。目前商業(yè)化的酶制劑基本上都是直投式,因為其優(yōu)點是普遍比較耐溫,所以在一定溫度范圍內(nèi)的水解效率變化不大。此外,料液的流動性同溫度呈正相關(guān),但溫度太高意味著能耗增加。綜上所述,選擇水解溫度50 ℃為宜。

2.1.4 反應(yīng)時間對青稞酶解清液中可溶性固形物得率的影響

設(shè)定料液質(zhì)量分數(shù)為20%,復(fù)合酶用量為0.6%,水解溫度為50 ℃,考察不同反應(yīng)時間對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時間對可溶性固形物得率的影響

由圖4可知:隨著反應(yīng)時間的延長,青稞酶解清液中的可溶性固形物得率逐漸增加,之后趨于穩(wěn)定[10]。反應(yīng)3 h后,可溶性固形物得率開始保持相對穩(wěn)定。結(jié)合實際情況,反應(yīng)超過3 h以后,反應(yīng)時間越久生產(chǎn)效率越低,因此選擇反應(yīng)時間3 h為宜。

2.2 正交實驗結(jié)果與分析

在單因素實驗的基礎(chǔ)上,考察料液質(zhì)量分數(shù)A、復(fù)合酶用量B、水解溫度C和反應(yīng)時間D4個因素在3個水平上對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響,然后進行極差分析和驗證實驗。正交實驗因素水平表如表1所示,正交實驗結(jié)果和極差分析表如表2所示。

表1 正交實驗因素水平表

表2 正交實驗結(jié)果和極差分析表

由表2可得:各因素對青稞酶解清液中的可溶性固形物得率的影響順序為料液質(zhì)量分數(shù)>反應(yīng)時間>復(fù)合酶用量>水解溫度,影響酶解液中可溶性固形物得率的主要要素是料液質(zhì)量分數(shù),其他3個因素的影響均較小。正交實驗得出的最佳工藝條件為A1B3C1D3,即料液質(zhì)量分數(shù)15%,復(fù)合酶用量0.8%,水解溫度45 ℃,反應(yīng)時間4 h。

對正交實驗得出的最佳工藝條件進行驗證實驗,青稞酶解清液中的可溶性固形物得率為71.27%,比正交實驗中的最高得率實驗(3號A1B3C3D3)的72.74%低了1.47%,最佳工藝的水解溫度較3號實驗低了10 ℃,而溫度對酶解條件的影響又是最小的。對于實際生產(chǎn)而言,多1.47%的得率并無明顯的實際意義,因此從降本增效的角度出發(fā),仍然選擇最佳工藝條件為最終生產(chǎn)工藝條件。

采用最佳工藝條件制備青稞酶解清液,通過真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)進行濃縮,濃縮至可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)約為30%,再于160 ℃進風(fēng)溫度,80 ℃出風(fēng)溫度進行低溫噴霧干燥,粉末過40目篩,最終得到流動性佳,粉質(zhì)細膩,溶解性好的青稞粉末,即青稞固體飲料。

3 結(jié) 論

結(jié)合實際生產(chǎn)情況,先后開展單因素實驗和正交實驗,確定了青稞酶解清液的最佳工藝條件:料液質(zhì)量分數(shù)為15%,復(fù)合酶用量為0.8%,水解溫度為45 ℃,反應(yīng)時間為4 h。在該條件下,青稞酶解清液中的可溶性固形物得率為71.27%。采用最佳工藝制備得到的青稞固體飲料,粉質(zhì)細膩,流動性佳,溶解性好。鑒于該青稞固體飲料純天然,無添加的特性,大大提升了青稞原粉的附加值,與市售的青稞液體飲料相比,其適用范圍更加廣泛,存儲運輸更加便捷;相比傳統(tǒng)工藝烘干磨粉生產(chǎn)的青稞粉,其復(fù)水溶解后不會成粥狀,口感順滑,口味清甜。