預(yù)糊化-復(fù)合酶解法制備嬰幼兒留胚米粉及其理化性質(zhì)研究

王子妍，劉 穎，賈健輝,2，竇博鑫, ，張 娜,

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150028；2.牡丹江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江牡丹江 157011）

全球每天新生兒的數(shù)量約為20 萬(wàn)，這使得嬰幼兒輔助食品具有了極大的市場(chǎng)潛力。為滿足嬰兒輔食的營(yíng)養(yǎng)需求，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、易消化、不易過(guò)敏的大米成為嬰兒輔食的主流原料。研究表明留胚米與普通的精制大米相比，由于其包含相對(duì)完整的糊粉層、珠心層和胚，使留胚米粉具有更豐富的天然營(yíng)養(yǎng)。留胚米中含有的膳食纖維，有助于改善嬰幼兒腸道菌群結(jié)構(gòu)，益于嬰幼兒健康。相比于大米，留胚米是更為理想的嬰幼兒米粉原料，但是目前市場(chǎng)上銷售的嬰幼兒留胚米粉卻是鳳毛麟角。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)嬰幼兒米粉的技術(shù)主要有滾筒干燥技術(shù)（濕法）和擠壓膨化技術(shù)（干法）兩種。滾筒干燥和擠壓膨化加工過(guò)程米漿均直接與加熱金屬器件接觸，物料局部受熱過(guò)高，部分米漿受到高溫影響（約200～240 ℃），使得蛋白和油脂氧化產(chǎn)生過(guò)氧化產(chǎn)物，因此用上述工藝生產(chǎn)的米粉存在沖調(diào)性差、不易消化等問(wèn)題。研究表明稻米中淀粉糖含量和淀粉顆粒的理化特性與消化特性直接相關(guān)，加工過(guò)程會(huì)影響米粉的糊精、淀粉、膳食纖維的特性，從而影響嬰幼兒對(duì)米粉的消化與吸收。適度酶解可改變谷物基質(zhì)的嬰幼兒米粉的糊化與部分凝膠特性?？刂扑獬潭瓤蓪⒏叻肿拥矸劢到?，部分淀粉轉(zhuǎn)化為具有3～10 個(gè)糖分子的低聚糖混合物，難消化淀粉也有一定程度的分解，因而適度酶解可以增加?jì)胗變簩?duì)米粉的消化與吸收功能，改善適口性，提高嬰幼兒米粉的溶解和復(fù)水能力。劉梅森等通過(guò)對(duì)嬰幼兒米粉進(jìn)行酶解工藝的研究，證明復(fù)合酶解技術(shù)可以顯著地改善米粉沖調(diào)性和消化性，提高嬰幼兒米粉的品質(zhì)。

本研究擬以留胚米為原料，采用預(yù)糊化-復(fù)合酶解法，即采用-淀粉酶和-淀粉酶水解淀粉分子，使之部分水解為小分子質(zhì)量的低聚異麥芽糖、糊精等，將難消化淀粉分解，以期改善產(chǎn)品的沖調(diào)性能和消化吸收性，減少嬰兒斷奶期間食物變化產(chǎn)生的不適，達(dá)到克服傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)嬰幼兒米粉溶解性差、黏度大等弊端。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

留胚米 哈爾濱工程北米科技有限公司；淀粉酶（10 萬(wàn)U）、淀粉酶（10 萬(wàn)U） 上海源葉生物有限公司；酒石酸鉀鈉、乙酸鋅、亞鐵氰化鉀、甲醇、乙醇等試劑 均為分析純。

DSE-25 雙螺桿擠壓膨化機(jī) 德國(guó)本布拉德公司；ESJ180-4 型電子天平 上海恒平科學(xué)儀器有限公司；SIGMA-500 蔡司場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 蘇州沃弗本精密儀器有限公司；Q150TES 型粒子濺射鍍膜儀英國(guó)Quorum；DF-101S 集熱式恒溫油浴鍋 河南勝博儀器有限公司；Tec-Master 型快速黏度分析儀（RVA） 瑞典Perten 儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 未經(jīng)處理留胚米粉的制備 取留胚米直接粉碎過(guò)80 目篩備用。

1.2.2 焙炒-擠壓膨化米粉的制備 取留胚米200 g置于恒溫油浴鍋中200 ℃下焙炒18 min，通風(fēng)處冷卻后粉碎至50～60 目，調(diào)節(jié)水分含量至30%，再送入雙螺桿擠壓膨化機(jī)進(jìn)行擠壓膨化，擠壓膨化機(jī)溫度設(shè)置140 ℃，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)100 r/min，待擠壓膨化機(jī)穩(wěn)定后收集擠出料。擠出物料置于45 ℃烘箱24 h 穩(wěn)定水分，再經(jīng)粉碎過(guò)80 目篩，即得到焙炒-擠壓膨化的米粉，以下稱為預(yù)糊化留胚米粉。

1.2.3 復(fù)配酶比例的確定 采用-淀粉酶與-淀粉酶，在固定酶總添加量1500 U/g、酶解溫度50 ℃、酶解時(shí)間150 min 條件下，設(shè)定11 個(gè)不同水平的酶復(fù)配比例：-淀粉酶:-淀粉酶為0:10、1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1、10:0，研究?jī)煞N酶制劑共同作用對(duì)預(yù)糊化后米粉的作用效果，選擇DE 值（以還原糖含量計(jì)）最高的為最佳復(fù)配比例。

1.2.4 復(fù)配酶水解單因素實(shí)驗(yàn) 參考陸東和等的方法，在確定復(fù)合酶解的最佳比例之后，酶解溫度60 ℃、酶解時(shí)間120 min 條件下，改變酶總添加量（1000、1250、1500、1750、2000 U/g）分別測(cè)定水解度（DE 值）和水溶性指數(shù)（WSI）；酶添加量1500 U/g、酶解溫度60 ℃條件下，-淀粉酶與-淀粉酶的比例為3:7，改變酶解時(shí)間（60、90、120、150、180 min）研究酶解時(shí)間對(duì)水解度（DE 值）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響；酶添加量1500 U/g、酶解時(shí)間150 min 條件下，-淀粉酶與-淀粉酶的比例為3:7，改變酶水解溫度（40、45、50、55、60 ℃）研究酶水解溫度對(duì)水解度（DE 值）和水溶性指數(shù)（WSI）的影響。

1.2.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以水解度（DE 值）和水溶性指數(shù)（WSI）為指標(biāo)，選取酶總添加量、酶解時(shí)間、酶解溫度3 個(gè)影響因素，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，優(yōu)化酶解工藝，試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平和編碼Table 1 Factor level and coding of orthogonal test

1.2.6 嬰幼兒留胚米粉表層形貌觀察 取適量樣品（未經(jīng)處理留胚米粉、預(yù)糊化留胚米粉、預(yù)糊化-酶解留胚米粉），過(guò)80 目篩后分別均勻粘在掃描電鏡觀察臺(tái)，用粒子濺射鍍膜儀給樣品鍍金，厚度約為15 nm。使用電鏡掃描儀觀測(cè)米粒表層結(jié)構(gòu)。

1.2.7 水溶性指數(shù)（WSI）和吸水性指數(shù)（WAI） 參考戴曉慧等的方法。準(zhǔn)確稱取2.50 g 米粉置于離心管中，注入30 mL 去離子水，先進(jìn)行振蕩，后離心。振蕩條件為230 r/min，時(shí)間為30 min；離心條件為4000 r/min，15 min。離心過(guò)后分離上清液和沉淀物。上清液傾倒于恒重過(guò)的稱量瓶中，105 ℃恒溫烘箱蒸發(fā)至恒重。WSI 和WAI 按照公式（1）和（2）計(jì)算。

1.2.8 還原糖含量測(cè)定 參考GB 5009.7-2016還原糖的測(cè)定。

1.2.9 綜合評(píng)分的計(jì)算 測(cè)定米粉的DE 值和WSI。將這兩個(gè)指標(biāo)全部轉(zhuǎn)換成它們的隸屬度，根據(jù)二者對(duì)米粉品質(zhì)的影響效果，將權(quán)重分別設(shè)置為DE 值為60%，WSI 值為40%。以正交試驗(yàn)中綜合得分最高的方案進(jìn)行下一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，隸屬度與綜合評(píng)分計(jì)算公式如下。

1.2.10 分散時(shí)間測(cè)定 參考馬麗媛等方法并略作修改，準(zhǔn)確稱取不同種方法制備的米粉2.50 g，加入溫度保持在70 ℃的100 mL 水中，用恒溫磁力攪拌器以30 r/min 的速率攪拌，記錄從開(kāi)始加入粉體到完全分散所需的時(shí)間，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定5 次。

1.2.11 溶解度測(cè)定 參照標(biāo)準(zhǔn)GB 5413.29-2010進(jìn)行測(cè)定。

1.2.12 糊化特性分析 參考邊鑫等的方法測(cè)定淀粉的糊化特性，以快速粘度分析儀測(cè)量樣品的峰值粘度（peak viscosity，PV）、谷值粘度（trough viscosity，TV）、最終粘度（final viscosity，F(xiàn)V）、回生值（FV-PV）和衰減值（PV-TV）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次，分析數(shù)據(jù)并以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。其中曲線圖使用Origin 2021 和Microsoft Office Excel 進(jìn)行繪制，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析使用SPSS 25 進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶復(fù)配比例的確定

以地衣芽孢桿菌來(lái)源的-淀粉酶和多黏芽孢桿菌來(lái)源的-淀粉酶制備不同比例的復(fù)合酶對(duì)米粉進(jìn)行酶解，以DE 值為指標(biāo)，得出較好的復(fù)配比例。如表2 所示，4 號(hào)復(fù)配實(shí)驗(yàn)酶解效果最佳，DE 值為21.54%，因此后續(xù)試驗(yàn)采用的復(fù)配酶比例為3:7，即-淀粉酶:-淀粉酶為3:7。

表2 不同復(fù)配酶比例水解對(duì)米粉的酶解效果影響Table 2 Effects of different complex enzyme ratios on enzymatic hydrolysis of rice flour

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 酶總添加量 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。酶總添加量被視為酶解實(shí)驗(yàn)中影響酶解的重要因素之一。當(dāng)控制其他影響因素且底物充足情況下，在一定程度下增加酶的使用量可以使反應(yīng)速率加快。而當(dāng)?shù)孜锊粩啾幻阜纸夂?，底物濃度降低，酶解速率增長(zhǎng)較慢。由圖1 可見(jiàn)當(dāng)復(fù)配酶總添加量為1000～1750 U/g 時(shí)，米粉漿中的DE 值隨著酶總添加量的增多而不斷增加，當(dāng)酶總添加量超過(guò)1750 U/g 后，米粉漿中的DE 值增加趨勢(shì)不明顯，繼續(xù)增大酶的總添加量對(duì)米粉漿中淀粉分解的效果作用不大；且隨著酶總添加量的增加，水溶性指數(shù)也不斷升高，在酶總添加量1250～1750 U/g 之間明顯提高，可能原因在于水溶性指數(shù)主要反應(yīng)淀粉的降解程度，與淀粉釋放的可溶性小分子的數(shù)量有關(guān)，當(dāng)?shù)孜锓纸獬潭戎饾u升高，WSI 值也隨之增加。為了考慮生產(chǎn)成本，酶添加量為1500 U/g 時(shí)WSI 變化曲線的斜率最大，故選擇復(fù)配酶總添加量為1500 U/g 為宜。

圖1 不同酶總添加量對(duì)DE 值和WSI 的影響Fig.1 Effects of different total enzyme supplemental levels on DE value and WSI

2.2.2 酶解時(shí)間 由圖2 可知，當(dāng)固定酶解溫度、酶總添加量時(shí)，隨著酶解時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)，DE 值呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。酶解持續(xù)時(shí)間達(dá)到150 min時(shí)，DE 值達(dá)到了最大的水平。主要原因可能是酶在的水解過(guò)程中，酶具有專一性，并且在酶促水解的早期階段，底物能夠被準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)。而隨著酶解的進(jìn)行，底物在逐漸減少，底物與酶之間的相互作用逐漸減弱；另一方面可能因?yàn)殡S著酶解過(guò)程持續(xù)時(shí)間的推移，酶的活力在逐漸減弱，而產(chǎn)物的累積會(huì)逐漸對(duì)酶解反應(yīng)起到抑制作用，故DE 值呈現(xiàn)平緩的趨勢(shì)。水溶性指數(shù)也隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律。因此，150 min 是酶解的最佳時(shí)間。

圖2 不同酶解時(shí)間對(duì)DE 值和WSI 的影響Fig.2 Influence of different enzymatic hydrolysis time on DE value and WSI

2.2.3 酶解溫度 溫度是影響酶活性的主要因素之一，也會(huì)影響酶反應(yīng)的促進(jìn)速度。在一定范圍內(nèi)，逐漸上升溫度，這個(gè)過(guò)程中反應(yīng)能量增加，單位時(shí)間內(nèi)的有效碰撞數(shù)就會(huì)增加，反應(yīng)速度從而提高；由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，當(dāng)溫度上升到超過(guò)某一限值時(shí)酶蛋白變性失去活性，導(dǎo)致酶促反應(yīng)速率下降，由圖3可知，當(dāng)溫度低時(shí)，淀粉酶的活性有限，淀粉酶的分解速率較低；隨著溫度的緩慢升高，淀粉酶的活性逐漸提高，酶的分解速率逐漸加快，DE 值逐漸升高。在55 ℃中以DE 值達(dá)到峰值，隨后隨著溫度的升高酶活性受到限制，DE 值下降。

圖3 不同酶解溫度對(duì)DE 值和WSI 的影響Fig.3 Effects of different enzymolysis temperatures on DE value and WSI

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

在單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取酶總添加量（A）、酶解時(shí)間（B）和酶解溫度（C）作為因素，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3 所示。

表3 復(fù)合酶解嬰幼兒米粉正交試驗(yàn)分析方案和結(jié)果Table 3 Analysis scheme and results of orthogonal test of compound enzymatic hydrolysis of infant rice flour

由表4 極差值R 可知，R＞R＞R，因此影響復(fù)合酶解嬰幼兒留胚米粉綜合評(píng)價(jià)的因素主次關(guān)系為：酶解溫度＞酶總添加量＞酶解時(shí)間，ABC為最佳組合，即酶總添加量為1250 U/g，酶解時(shí)間為150 min，酶解溫度為58 ℃，試驗(yàn)結(jié)果為：DE 值：33.08%±0.33%，WSI：0.823%±0.07%，綜合評(píng)分：1.012。驗(yàn)證試驗(yàn)顯示，該工藝重現(xiàn)性、穩(wěn)定性較好。

表4 正交試驗(yàn)方差分析Table 4 Analysis of variance of orthogonal test

2.4 嬰幼兒留胚米粉表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)分析

由圖4 可見(jiàn)，未處理米粉樣品的米粉顆粒主要為球形，較為完整且表面粗糙；經(jīng)焙炒-擠壓膨化加工處理過(guò)的米粉顆粒的形態(tài)與原淀粉顆粒的相近，表面稍顯光滑，含有大量的碎屑；預(yù)糊化-酶解處理后的樣品形狀不規(guī)則，表面粗糙，呈鱗狀，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因可能是在預(yù)預(yù)糊化-酶解過(guò)程中，米粉原有顆粒破碎，表面碎片增加，表面粗糙度提高。米粉顆粒外觀形狀的不同應(yīng)該與其加工方式有關(guān)，預(yù)糊化-酶解米粉樣品由于經(jīng)過(guò)擠壓處理和酶的作用破壞了淀粉分子的結(jié)構(gòu)，使得米粉顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。

圖4 米粉掃描電鏡圖（15000×）Fig.4 SEM of rice flour (15000×)

2.5 水溶性指數(shù)（WSI）與吸水性指數(shù)（WAI）

水溶性指數(shù)用于衡量淀粉的降解程度，與淀粉釋放的可溶性小分子的數(shù)量有直接關(guān)系。吸水性指數(shù)主要是反映淀粉吸水膨脹形成凝膠的能力，這兩個(gè)指標(biāo)可以用來(lái)衡量米粉的沖調(diào)性質(zhì)。如表5 所示，WSI 與WAI 呈負(fù)相關(guān)，預(yù)糊化-復(fù)合酶解留胚米粉的WSI 達(dá)到72.20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他組別。而預(yù)糊化-復(fù)合酶解留胚米粉的WAI 為1.82±0.13 g·g，低于其它組別，總體來(lái)講與未經(jīng)處理的留胚米粉比較WSI 上升50%，WAI 下降的主要原因在于在預(yù)糊化-酶解的過(guò)程中，-淀粉酶和-淀粉酶復(fù)合作用于淀粉，淀粉結(jié)構(gòu)遭到破壞，使得留胚米粉的持水能力和吸水能力下降。Xu 等研究發(fā)現(xiàn)擠壓膨化時(shí)加入高溫-淀粉酶處理后，精米和糙米粉的WAI 均有所下降，WSI 均有所升高，與本研究結(jié)果一致。

表5 預(yù)糊化-復(fù)合酶解對(duì)嬰幼兒米粉WSI 與WAI 的影響Table 5 Effects of pregelatinization and compound enzymatic hydrolysis on WSI and WAI of infant rice flour

2.6 分散時(shí)間

分散時(shí)間能直接表明米粉溶于水的速度的快慢。分散時(shí)間越短代表米粉自身的分散性越好。預(yù)糊化后留胚米粉的分散性相較于未處理的米粉有所改善，其主要原因是米粉中的大分子物質(zhì)在高溫高壓強(qiáng)剪切力作用下被剪切成小分子物質(zhì)，小分子更易溶于水。酶解后的米粉分散性更佳原因在于，物料經(jīng)擠出后，再經(jīng)過(guò)酶解，淀粉結(jié)構(gòu)變得疏松，隨著小分子物質(zhì)含量的增加，分散時(shí)間變短。

表6 預(yù)糊化-復(fù)合酶解對(duì)嬰幼兒米粉分散時(shí)間的影響Table 6 Effects of pregelatinization and compound enzymatic hydrolysis on dispersion time of infant rice flour

2.7 溶解度

將經(jīng)過(guò)預(yù)糊化處理過(guò)的米粉和經(jīng)預(yù)糊化-復(fù)合酶解加工處理過(guò)后的留胚米粉幾種產(chǎn)品進(jìn)行溶解度對(duì)比，結(jié)果如表7 所示。由數(shù)值關(guān)系上推斷，經(jīng)預(yù)糊化-復(fù)合酶解制備的米粉在溶解度上與未經(jīng)處理米粉相比顯著上升（＜0.05）。原因可能在于在留胚米粉在酶解過(guò)程中，部分淀粉被水解，從而形成了短鏈的低聚糖和葡萄糖，這兩種物質(zhì)的生成使得米粉的溶解性增大。在一定程度上，酶水解程度越高，其含有的短鏈糖越多，淀粉的溶解度就會(huì)越大。預(yù)糊化后的米粉相較于未處理的米粉溶解度也有較大程度的提升，證明高溫高壓高剪切力的條件可以破壞淀粉分子結(jié)構(gòu)，使得米粉的溶解性增大。

表7 預(yù)糊化-復(fù)合酶解對(duì)嬰幼兒米粉溶解度的影響Table 7 Effects of pregelatinization and compound enzymatic hydrolysis on solubility of infant rice flour

2.8 糊化特性

根據(jù)RVA 糊化儀測(cè)定產(chǎn)品的糊化特性，結(jié)果如表8 所示。經(jīng)預(yù)糊化-酶解加工制備的米粉的峰值黏度、谷值黏度、崩解值、終值黏度和回生值均低于預(yù)糊化加工處理的米粉，尤其是峰值黏度顯著降低了（＜0.05）。峰值粘度低可能是因?yàn)榱襞呙捉?jīng)過(guò)擠壓膨化和復(fù)合酶解，促進(jìn)了部分淀粉膨脹和直鏈淀粉的溶出；谷值黏度、崩解值和回升值小說(shuō)明經(jīng)預(yù)糊化-酶解的口感更好，老化速度慢?？傮w上，預(yù)糊化-復(fù)合酶解嬰幼兒米粉的糊化特性較預(yù)糊化的米粉高，粘度較低，口感更好，更適合嬰兒消化吸收。

表8 預(yù)糊化-復(fù)合酶解對(duì)嬰幼兒米粉黏度的影響Table 8 Effects of pregelatinization and compound enzymatic hydrolysis on viscosity of infant rice flour

3 結(jié)論

本研究以經(jīng)焙炒-擠壓膨化留胚米粉為原料分別研究了酶總添加量、酶解溫度、酶解時(shí)間3 個(gè)因素對(duì)嬰幼兒留胚米粉DE 值和WSI 的影響，正交試驗(yàn)表明對(duì)DE 值的影響順序?yàn)槊附鉁囟龋久缚偺砑恿浚久附鈺r(shí)間；最佳酶解條件為：復(fù)合酶總添加量為1250 U/g，酶解時(shí)間150 min，酶解溫度58 ℃，在此條件下，DE 值：33.08%±0.33%，WSI：0.823%±0.07%，綜合評(píng)分：1.012。預(yù)糊化-復(fù)合酶解留胚米粉DE 值增加使得淀粉分子降解更易消化，同時(shí)與未經(jīng)處理的留胚米粉比較，預(yù)糊化-復(fù)合酶解留胚米粉的水溶性指數(shù)上升，吸水性指數(shù)和溶解度上升了，黏度降低。

由上述結(jié)果可知，留胚米粉經(jīng)過(guò)預(yù)糊化-酶解后，具有更好的溶解度和糊化特性，可以有效改善傳統(tǒng)加工嬰幼兒米粉的溶解度差、消化性差、黏度大等問(wèn)題。