响应面法优化双酶水解技术生产
婴幼儿配方米粉工艺

刘梅森,林汉卿,张向阳,高丽霄,何小勇,张织芬,臧成国

(深圳市味奇生物科技有限公司,广东 深圳 518109)

 

摘 要:为优化双酶水解技术生产婴幼儿米粉工艺,以α-淀粉酶添加量、β-淀粉酶添加量、调浆水温度为主要影响因素,结合实际生产中的其他水解条件,在单因素试验基础上,运用Box-Behnken试验设计原理,探讨α-淀粉酶添加量、β-淀粉酶添加量、调浆水温度的最佳组合。结果表明:α-淀粉酶添加量0.04(相当于0.15 U/g)、β-淀粉酶添加量0.26%(相当于1 820 U/g)、调浆水温度70.2 ℃时生产米粉的淀粉消化指数高达39.26%,与市售品牌米粉相比,淀粉消化指数提高10%以上。

关键词:婴幼儿配方米粉;α-淀粉酶;β-淀粉酶;调浆水温度;消化指数;响应面法

 

Optimization of Double Enzymatic Hydrolysis of Rice for Production of Infant Formula Rice Powder Using Response Surface Methodology

 

LIU Mei-sen, LIN Han-qing, ZHANG Xiang-yang, GAO Li-xiao, HE Xiao-yong, ZHANG Zhi-fen, ZANG Cheng-guo

(Shenzhen Weicky Biotechnology Co. Ltd., Shenzhen 518109, China)

 

Abstract: The enzymatic hydrolysis of rice slurry with α-amylase and β-amylase for use in infant formula rice powder was optimized using a Box-Behnken design with response surface methodology. The optimal hydrolysis conditions were established as follows: 0.04 (equivalent to 0.15 U/g) α-amylase, 0.26% (equivalent to 1 820 U/g) β-amylase, and hydrolysis at 70.2 ℃, yielding a starch digestion index as high as 39.26%, which represented an over 10% increase over that reported for commercial infant rice powder.

Key words: infant formula rice powder; α-amylase; β-amylase; mashing temperature; starch digestion index; response surface methodology

中图分类号:TS216 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)22-0063-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201422012

婴幼儿营养米粉作为我国传统的母乳替代品或婴幼儿的补充、辅助食品而备受关注。由于摄取辅食婴幼儿的胃、肠内淀粉水解酶较少,对淀粉类食品的消化能力差,传统的米粉制品常使婴幼儿产生胀气、腹泻等消化问题[1-3]。为了改善米粉的消化性能,有的米粉厂家开始研究并采用α-淀粉酶水解工艺[4-6],α-淀粉酶作用淀粉分子中的α-1,4-葡萄糖苷键,水解从分子内部进行,水解中间位置的α-1,4-葡萄糖苷键,先后次序没有一定规律,短时间内将淀粉大分子水解成较小分子质量的糊精[7];有的米粉厂家采用先α-淀粉酶水解,再添加葡萄糖淀粉酶进行糖化的工艺,合理控制酶解程度。以上酶解工艺都是将淀粉大分子水解成短链小分子,一定程度上提高了米粉的消化性能,使其更易吸收。在生产中,淀粉回生也会降低米粉的消化性。众所周知,淀粉加热糊化后随着温度的降低,淀粉分子链趋于平行排列,相互靠拢,经氢键重新缔合成结晶性结构,不能被淀粉酶水解,这就是淀粉的回生过程,回生一定程度上也会影响淀粉的消化性。有关抑制回生的研究表明大米淀粉外侧短链聚合度一般为15~18,链长10 个单元以上易形成双螺旋结构,加速回生[8-11],用β-淀粉酶切断大米支链淀粉外侧支链可以有效抑制回生[12-15]。所以,本研究采用α-淀粉酶和
β-淀粉酶生物酶解技术,控制酶解葡萄糖值在10%左右[16]生产婴幼儿营养米粉,首先通过α-淀粉酶将淀粉长链大分子降解成短链小分子,提高了米粉的消化性能,减轻婴幼儿肠胃消化负荷;通过β-淀粉酶修饰大米支链淀粉外侧支链抑制淀粉回生,消除回生带来的消化性的降低。双酶工艺生产婴幼儿配方米粉中有关酶解程度控制研究另见后续报道。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米 北京三安科技集团;蔗糖 广西农垦糖业集团昌菱制糖有限公司;低聚果糖、低聚半乳糖 江门量子高科生物股份有限公司;奶粉 恒天然集团;花生油 益海嘉里粮油有限公司;磷脂 杜邦Solae公司;浓缩乳清蛋白 美国Hilmar公司;大豆膳食纤维 山东谷神生物科技集团;二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)、花生四烯酸(arachidonic acid,AA) 广东润科生物工程有限公司;中温α-淀粉酶(800 FΑU/g)
诺维信(中国)生物技术有限公司;β-淀粉酶
(70万 U/mL) 山东隆大生物工程有限公司;胰酶 美国Sigma公司;实验所用水均为蒸馏水。

1.2 仪器与设备

MG0505滚筒干燥机 江苏东台市亿民食品机械厂;DF-15粉碎机 浙江大德制药有限公司;80L调浆罐 浙江苍南县立瓯石化设备有限公司;752-P紫外分光光
度计 上海现科仪器有限公司;HHS-6S水浴锅 江苏金坛市中大仪器厂;BL-2000S电子天平 美国西特公司;TG16-WS离心机 湖南湘仪实验室仪器开发有限公司。

1.3 方法

1.3.1 婴幼儿谷基配方米粉生产工艺

1.3.1.1 工艺流程

大米→粉碎→调浆→酶处理→添加辅料→细化→滚筒干燥→成型→检验→包装

1.3.1.2 操作要点

粉碎:使用粉碎机将大米粉碎,过筛得到小于80 目(0.180 mm)的大米粉。

调浆:将大米粉使用一定温度调浆水调制成质量分数为35%的淀粉乳。

酶处理:量取一定量的α-淀粉酶(pH 5.8,55~65 ℃,3 700 U/mL)和β-淀粉酶(pH 5.8,55~65 ℃,70万 U/mL),用少量水稀释后,添加到淀粉乳中保温酶解40 min。

添加辅料:将奶粉、大豆分离蛋白、磷脂(先加水乳化)、蔗糖(先在化糖锅中溶化)和大豆膳食纤维等依次加入调浆罐中,混合均匀。

细化:混合均匀后的混合料通过胶体磨细化。

滚筒干燥:滚筒干燥机蒸汽压强调至0.5 MPa,转速3 r/min。

1.3.2 酶活性测定方法

酶活性定义:在实验温度和pH值条件下,1 g(或1 mL)酶在1 h内完全水解1 g淀粉为一个酶活力单位(单位为U/g或U/mL)。

酶活性测定[17]:分别于具塞试管中加入质量分数2%可溶性淀粉10.0 mL、pH 6.0的磷酸盐缓冲溶液5.0 mL,于40~65 ℃水浴中预热5 min,然后加入质量分数1%的酶液0.5 mL,混匀并计时。按一定时间间隔取出酶解液,在白瓷板中以I2-KI液试之,待颜色变为橙黄色时,记录反应时间。

791063.jpg (1)

式中:t为反应时间/min。

1.3.3 米淀粉体外消化性能

对米淀粉经酶解、滚筒干燥后得到的成品米粉进行体外消化性能的测定。根据Englyst等[18]对淀粉按其消化特性进行的划分,用淀粉消化指数(starch digestion index,SDI)表征淀粉体外消化速率。采用猪胰酶水解米粉淀粉的方法,根据酶解速率计算产品的SDI值[19-22]。

取5 g样品分别于250 mL烧杯中,加入蒸馏水50 mL、pH 7.2磷酸缓冲液10 mL,置于37℃水浴中保温5 min,然后加入质量分数1%猪胰酶0.4 mL。反应过程中,不断取出约1 g浆料于预先添加了10 mL水的试管中,立即放入沸水浴中4 min使酶失活(预实验4 min已完全失活),冷却,于6 000 r/min转速离心10 min,取上清液于50 mL容量瓶中定容。吸取2 mL已定容样液,置于25 mL比色管中,再加入3,5-二硝基水杨酸溶液3 mL,沸水显色5 min,然后以流水迅速冷却,用水定容至25 mL,摇匀。以试剂空白调零,在540 nm波长处比色,参照预先制作的葡萄糖标准曲线求出还原糖含量,同法平行操作2 份,得出平均还原糖含量。

大米淀粉的消化性能通过快速消化淀粉(rapidly digested starch,RDS)、慢速消化淀粉和抗性消化淀粉质量分数表征。SDI是淀粉体外消化速率的常用指标。

791121.jpg (2)

791133.jpg (3)

式中:D为20 min内淀粉产生的葡萄糖质量/g;F为理论上淀粉水解成葡萄糖的质量/g;TS为总淀粉(total starch,TS)质量分数/%;RDS为快速消化淀粉质量分数/%。

1.3.4 Box-Behnken试验设计

根据单因素试验结果,采用响应面设计,运用Box-Behnken试验设计原理,以淀粉消化指数为响应值,选定α-淀粉酶添加量、β-淀粉酶添加量和调浆水温度,设计三因素三水平响应面分析试验,其中淀粉酶添加量以占淀粉干基质量分数计,试验因素水平见表1。

表 1 响应面试验因素和水平编码值

Table 1 Coded values and corresponding real values of the optimization parameters tested in response surface analysis

因素

水平

-1

0

1

A α-淀粉酶添加量/

0.03

0.04

0.05

B β-淀粉酶添加量/%

0.20

0.25

0.30

C 调浆水温度/℃

65

70

75

 

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 α-淀粉酶添加量对淀粉消化指数的影响

788554.jpg 

字母不同表示差异显著(P<0.05),字母相同表示差异不显著(P>0.05)。下同。

图 1 α-淀粉酶添加量对淀粉消化指数影响

Fig.1 Effect of α-amylase concentration on starch digestion index

由图1可知,淀粉消化指数随着α-淀粉酶添加量的增加不断增大,当添加量超过0.04‰时,淀粉消化指数增势趋缓,考虑到添加过多的酶对米粉的淀粉消化指数提高不大,反而增加生产成本,所以选择α-淀粉酶添加量为0.04‰左右较为合适。

2.1.2 β-淀粉酶添加量对淀粉消化指数的影响

788570.jpg 

图 2 β-淀粉酶添加量对淀粉消化指数影响

Fig.2 Effect of β-amylase concentration on starch digestion index

由图2可知,淀粉消化指数随着β-淀粉酶添加量的增加不断的增大,当添加量超过0.25%时,淀粉消化指数增势趋缓,考虑到添加过多的酶对米粉的淀粉消化指数提高不大,还会引起生产成本的提高,所以选择β-淀粉酶添加量为0.25%左右较为合适。

2.1.3 调浆水温度对淀粉消化指数的影响

788587.jpg 

图 3 调浆水温度对淀粉消化指数影响

Fig.3 Effect of water temperature on starch digestion index

由图3可知,在酶添加量不变的情况下,淀粉消化指数随着调浆水温度的升高先增加后减少,当调浆水温度为70 ℃时,淀粉消化指数最大,所以选择调浆水温度为70 ℃左右较为合适。

2.2 响应面法优化米粉酶解生产工艺

2.2.1 模型建立及显著性分析

根据表1方案进行响应面试验,在17 个试验中,1~12是析因试验,13~17是中心试验,用来估算试验误差。响应面分析试验结果见表2,方差分析见表3。

表 2 响应面分析试验设计及结果

Table 2 Box-Behnken experimental design and results for
response surface analysis

试验号

Α α-淀粉酶

添加量

B β-淀粉酶

添加量

C 调浆

水温度

淀粉消化

指数/%

1

-1

-1

0

35.46

2

1

-1

0

37.98

3

-1

1

0

35.84

4

1

1

0

38.82

5

-1

0

-1

31.43

6

1

0

-1

34.67

7

-1

0

1

32.61

8

1

0

1

34.99

9

0

-1

-1

34.69

10

0

1

-1

34.65

11

0

-1

1

35.13

12

0

1

1

35.37

13

0

0

0

39.51

14

0

0

0

39.79

15

0

0

0

39.26

16

0

0

0

38.96

17

0

0

0

39.32

 

 

由表3可以看出,ΑΑ2、C2为显著性影响因素。在各影响因素中,α-淀粉酶添加量对淀粉消化指数影响最大,其次是调浆水温度和β-淀粉酶添加量。经回归拟合后,试验因素对响应值的影响可用回归方程表示。

Y=39.37+1.39Α+0.18B+0.33C+0.12ΑB-0.21ΑC+0.070BC-1.94Α2-0.40B2-4.00C2

由表3可见,整体模型的显著水平P<0.000 1,表明试验所选的二次多项模型具有高度显著性,能够很好的描述各因素与响应值之间的真实关系,可以利用该回归方程确定米粉最佳酶解工艺参数。同时,失拟项P=0.693 7>0.05,表明差异不显著,说明残差均由随机误差引起;该模型R2=99.51%,R2Adj=98.88%,说明该模型与试验模拟性良好。

表 3 响应面试验方差分析

Table 3 Analysis of variance for the fitted regression model

来源

平方和

自由度

均方

F

P

显著性

模型

106.15

9

11.79

157.26

<0.000 1

**

Α α-淀粉酶添加量

15.46

1

15.46

206.10

<0.000 1

**

B β-淀粉酶添加量

0.25

1

0.25

3.36

0.109 4

 

C调浆水温度

0.88

1

0.88

11.79

0.010 9

*

ΑB

0.053

1

0.053

0.71

0.428 7

 

ΑC

0.18

1

0.18

2.47

0.160 4

 

BC

0.02

1

0.02

0.26

0.624 9

 

Α2

15.83

1

15.83

211.08

<0.000 1

**

B2

0.69

1

0.69

9.16

0.019 2

*

C2

67.50

1

67.50

900.08

<0.000 1

**

残差

0.52

7

0.075

 

 

 

失拟

0.15

3

0.049

0.52

0.693 7

 

纯误差

0.38

4

0.095

 

 

 

总和

106.67

16

 

 

 

 

R2

0.995 1

 

 

 

 

 

R2Adj

0.988 8

 

 

 

 

 

 

注:*.差异显著(P<0.05);**.差异极显著(P<0.01)。

 

2.2.2 响应面优化与分析

根据模型方程绘制淀粉消化指数响应面图,结果如图4~6所示。从图中可以直观地看出各因素对淀粉消化指数的影响。

788608.jpg 

图 4 α-淀粉酶添加量和β-淀粉酶添加量对淀粉消化指数影响的响应面图

Fig.4 Response surface plot for the effect of cross-interaction between α-amylase concentration and β-amylase concentration on starch digestion index

由图4、5可以看出,当β-淀粉酶添加量和调浆水温度不变时,淀粉消化指数随α-淀粉酶添加量的增加而增加;当α-淀粉酶添加量和调浆水温度不变时,淀粉消化指数随β-淀粉酶添加量的增加而增加。α-淀粉酶添加量对淀粉消化指数影响较β-淀粉酶添加量显著,表现为曲线较陡。由图5、6可以看出,当α-淀粉酶添加量和调浆水温度不变时,淀粉消化指数随β-淀粉酶添加量的增加而增大;在β-淀粉酶添加量不变时,淀粉消化指数先随调浆水温度的升高而增加,达到一定温度后反而逐渐减少。

788628.jpg 

图 5 α-淀粉酶添加量和调浆水温度对淀粉消化指数影响的响应面图

Fig.5 Response surface plot for the effect of cross-interaction between α-amylase concentration and water temperature on starch digestion index

788654.jpg 

图 6 β-淀粉酶添加量和调浆水温度对淀粉消化指数影响的响应面图

Fig.6 Response surface plot for the effect of cross-interaction between β-amylase concentration and water temperature on starch digestion index

通过对模型方程求导计算,得到最高的淀粉消化指数酶解工艺参数为α-淀粉酶添加量0.04‰、β-淀粉酶添加量0.26%、调浆水温度70.17 ℃,由模型方程预测得到此时的淀粉消化指数是39.65%。

根据响应面优化结果,以α-淀粉酶添加量0.04β-淀粉酶添加量0.26%、70.2 ℃调浆水生产米片,通过3 次验证实验,所得米片的淀粉消化指数依次是39.01%、39.41%和39.36%,平均值是39.26%,与模型方程预测值基本一致。

2.3 不同品牌米粉淀粉消化性能比较

按照2.2.2节中米粉优化工艺再添加奶粉、蔗糖、浓缩乳清蛋白、DHA等辅料生产米粉,将酶解工艺生产米粉与本公司非酶解工艺生产米粉、市售3种畅销米粉进行体外消化实验测定其淀粉消化性能[16],测定结果如表4所示。研究中实验数据用Excel软件进行输入,并用SPSS软件包进行单因素方差分析。

表 4 不同品牌米粉淀粉消化性能比较

Table 4 Comparison of starch digestion among different brands of infant rice powder

样品

酶解工艺生产米粉

 

非酶解工艺生产米粉

本公司双酶工艺米粉

品牌1

品牌2

 

本公司米粉

品牌3

SDI/%

39.41±2.21c

35.76±0.36b

34.27±0.77b

 

21.30±0.68a

18.91±0.11a

 

注:数值均取平均值±标准偏差,字母不同表示差异显著(P<0.05),字母相同表示差异不显著(P>0.05)。

 

从表4可以看出,本研究使用的双酶工艺生产的米粉淀粉消化指数最高,达到39.41%,比市售非酶解工艺生产米粉、酶解工艺生产米粉淀粉消化指数都有不同程度的提高。与本公司非酶解工艺米粉相比,淀粉消化指数提高了85%,与市售品牌3米粉相比,淀粉消化指数提高108%。与其他品牌厂家酶解工艺生产的米粉,双酶工艺生产的米粉在淀粉消化指数上仍有其优势,淀粉消化指数提高都超过10%。目前市售酶解工艺米粉多是运用
α-淀粉酶或α-淀粉酶结合葡萄糖淀粉酶生产,而本研究生产的米粉不仅从α-淀粉酶将淀粉长链分子降解为短链小分子着手,还运用β-淀粉酶剪切淀粉分子外侧支链以抑制回生,从而有效抑制回生带来的消化性能的降低。姚远等[23]通过米饭粒硬度和脉冲核磁共振测试表明,采用
β-淀粉酶对米淀粉进行适度降解可通过缩短支链淀粉分子的外侧支链长度而显著延缓淀粉的回生速率,改善消化性能。

3 结 论

利用Box-Behnken试验设计和响应面分析,探讨提高淀粉消化指数的最佳酶解工艺参数,所建立的试验模型能够反映响应值的变化,对试验的拟合较好。优化结果显示,在α-淀粉酶添加量0.04β-淀粉酶添加量0.26%、调浆水温度70.2 ℃条件下生产的米粉淀粉消化指数高达39.26%。以此条件为基础生产的米粉与本公司非酶解工艺生产米粉、市售3 种品牌米粉比较,其淀粉消化指数提高10%以上。

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收稿日期:2014-03-12

基金项目:广东省产业技术研究与开发资金项目(2012B020402002)

作者简介:刘梅森(1968—),男,教授级高级工程师,博士,研究方向为食品科学。E-mail:meisen18@sina.com