超聲波-酶法制備紫甘薯營養液研究

涂雪令，呂 芬，鄧 冕，盧曉黎*

(四川大學輕紡與食品學院食品工程系，四川 成都 610065)

超聲波-酶法制備紫甘薯營養液研究

涂雪令，呂 芬，鄧 冕，盧曉黎*

(四川大學輕紡與食品學院食品工程系，四川 成都 610065)

以福薯13為原料，研究超聲波-酶法制備紫甘薯營養液工藝條件。以紫甘薯營養液營養成分綜合保全率為評價指標，通過正交試驗和Box-Behnken試驗方法分別對超聲波和酶解工藝進行參數優化。超聲波處理工藝參數優化結果為超聲波功率65W、溫度50℃、時間25min、料液比1:70(g/mL)，離心分離得到清液和沉淀物。以此沉淀物為處理對象進行酶解，優化得到酶解工藝參數為蛋白酶質量分數1.5%、纖維素酶質量分數1.5%、酶解pH4.3、酶解溫度48℃、酶解時間65min、料液比1:16(g/mL)。離心分離后再次得到清液。將兩次得到的清液混合則制得紫甘薯營養液，經測定其營養成分綜合保全率為82.26%，即保存了新鮮紫甘薯中82.26%的特征營養成分。

紫甘薯；營養液；超聲波-酶法

Abstract：A process route based on ultrasonic treatment and double-enzyme (cellulase and acidic protease) hydrolysis was designed for the preparation of a nutrient solution with purple sweet potato Fushu 13 as the raw material. To maximize the comprehensive preservation rate of nutrients, which was designated following analytic hierarchy process (AHP) and weighted average methods, orthogonal array design and Box-Behnken experimental design combined with response surface methodology were employed to optimize key process parameters for ultrasonic treatment and double-enzyme hydrolysis, respectively. The optimal ultrasonic treatment parameters were found as follows:ultrasonic power 65 W; extraction temperature 50 ℃; length of extraction time 25 min; and solid/liquid ratio 1:70. The optimal conditions for the enzymatic hydrolysis of the centrifugal precipitate of purple sweet potato after ultrasonic treatment were as follows:acidic protease amount 1.5%; cellulase amount 1.5%; pH 4.3;hydrolysis temperature 48 ℃; hydrolysis duration 65 min; and solid/liquid ratio (g/mL) 1:16. The resultant hydrolysate was centrifugated and the supernntant was then harvested and pooled with the centrifugal supernatant of purple sweet potato after ultrasonic treatment. Finally, a purple sweet potato based nutrient solution was obtained. Its comprehensive preservation rate of nutrients was measured to be 82.26%, namely 82.26% of the main nutrients in fresh purple sweet potato are preserved.

Key words：purple sweet potato；nutrient solution；ultrasonic treatment coupled with enzymatic hydrolysis

紫甘薯含有豐富的花青素、糖蛋白、脂多糖、脫氫表雄酮以及礦物質、維生素、膳食纖維等多種營養成分，具有抗氧化、抗腫瘤、清除自由基、預防心血管疾病、預防糖尿病等保健功能[1]，受到國內外食品研究領域專家、學者的廣泛關注。超聲波提取技術是利用其產生的空化作用、機械振動等效應加大提取過程的傳質效率，使細胞組織中的營養成分迅速釋放，以提高營養物質的提取效率[2]，具有操作簡便、溫度低、效率高、提取物結構不易被破壞等特點，已廣泛用于天然植物有效成分提取[3-4]。本實驗以福薯13為原料，研究超聲波-酶法制備紫甘薯營養液(簡稱紫薯液)的工藝條件，旨在為紫薯液的制備研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

福薯13(其營養成分見表1) 四川省農業科學院；酸性蛋白酶(酶活20000U/g) 武漢生發生物科技有限公司；纖維素酶(酶活10000U/g) 肇東市日成酶制劑有限公司。

KH2200B超聲波處理器 昆山禾創超聲儀器有限公司；LC-10A高效液相色譜 島津分析儀器有限公司；TU-1800PC型紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；實驗室其他常用儀器。

表1 福薯13營養成分Table 1 Nutrient composition of purple sweet potato Fushu 13

表2 操作方法Table 2 Details of process steps for the preparation of purple sweet potato based nutrient solution

1.2 紫薯液制備工藝及操作方法

紫薯液制備工藝的具體操作方法見表2。

1.3 評價指標

以紫薯液綜合保全率為綜合評價值，綜合評價值通過層次分析法(AHP)和加權平均法確定[5-8]。

以花青素保全率F1、可溶性蛋白質保全率F2、游離氨基酸保全率F3、可溶性膳食纖維保全率F4、有機酸保全率F5及脫氫表雄酮保全率F6作為獨立指標，通過AHP構造判斷矩陣確定上述各獨立指標的權重系數，判斷矩陣為：

表3為標度比率，其中每一個值代表每兩個獨立指標之間的重要性比較。根據表3的標度和評定小組成員評價意見得到量化判斷矩陣，結果為：

表3 AHP 1～9標度比率[6]Table 3 Assigned values for relative importance rates in AHP

通過量化矩陣B的特征向量計算及特征向量標準化得到各獨立指標的權重系數分別為0.2647、0.0881、0.0773、0.1261、0.0563、0.3874，特征向量對應的近似最大特征值λmax=6.2548。通過隨即一致性指標CR進行一致性檢驗[5]，計算得到CR=0.0411＜0.1，即一致性檢驗合格，評判合理。

通過各指標與其對應權重相乘再加和，得出紫薯液營養成分綜合保全率計算公式為：

式中：N為綜合保全率/%；F1為花青素保全率/%；F2為可溶性蛋白質保全率/%；F3為游離氨基酸保全率/%；F4為可溶性膳食纖維保全率/%；F5為有機酸保全率/%；F6為脫氫表雄酮保全率/%。

1.4 指標測定方法

可溶性膳食纖維含量按GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測定》中規定測定。可溶性蛋白含量采用雙縮脲法(Biuret法)[9]測定。花青素含量采用示差法測定[10-11]。脫氫表雄酮含量采用高效液相色譜法(HPLC)測定[12]，檢測條件：檢測波長215nm；柱子：C18柱；流動相：甲醇:水=8:2(V/V)；柱溫室溫；流速0.6mL/min；進樣量10μL。有機酸含量采用滴定法測定[9]。游離氨基酸含量采用茚三酮顯色法測定[9]，其中氨基酸標準曲線見圖1。

圖1 氨基酸標準曲線Fig.1 Standard curve for quantifying free amino acids

1.5 超聲波處理工藝優化

1.5.1 單因素試驗

主要研究超聲波功率、溫度、時間、料液比等因素對紫薯液營養成分綜合保全率的影響，具體水平見表4。

表4 單因素水平表Table 4 Factors and levels in the single factor design for optimizing ultrasonic treatment

1.5.2 正交試驗

在單因素試驗基礎上，采用L9(34)正交表進行正交試驗，試驗因素水平見表5。

表5 正交試驗因素水平表Table 5 Factors and levels in the orthogonal array design for optimizing ultrasonic treatment

1.6 酶解工藝試驗設計

在酶解工序中，酶解對象是一次離心分離所得到的沉淀物，其主要營養成分見表6。

表6 沉淀物中主要營養成分Table 6 Major nutrients in the centrifugal precipitate of purple sweet potato after ultrasonic treatment

試驗中采用Box-Benhnken試驗方法[13-16]研究蛋白酶質量分數、纖維素酶質量分數、酶解pH值、酶解溫度、酶解時間及料液比6個因素對所得清液營養成分綜合保全率的影響。根據Box-Benhnken中心組合試驗設計原則，將上述6個影響因素分別以X1、X2、X3、X4、X5、X6表示，每個自變量按上水平、零水平、下水平3個水平設計，分別以－1、0、1進行編碼，其因素水平及編碼見表7。

表7 Box-Benhnken試驗因素水平編碼Table 7 Factors and levels in the Box-Benhnken experimental design for optimizing double-enzyme hydrolysis

2 結果與分析

2.1 超聲波處理工藝參數優化結果與分析

2.1.1 單因素試驗

圖2 各單因素對綜合保全率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power, temperature, ultrasonic treatment and solid/liquid ratio on the comprehensive preservation rate of nutrients

由圖2(A)可知，隨著超聲波功率的增大，紫薯液綜合保全率逐漸增大，當功率為60W時綜合保全率達到最高值，這是因為隨著功率的增大，超聲波所產生的空化作用和機械振動等效應增強，促使更多的營養物質釋放并擴散至溶劑中。但在超聲波功率超過60W后，綜合保全率有所下降，這可能是由于功率過大，超聲處理時瞬間熱效應過于明顯，使得淀粉糊化阻礙了營養物質的溶出。由圖2(B)可知，處理溫度在50℃時綜合保全率趨于最大，溫度高于50℃后綜合保全率呈下降趨勢，這是因為高溫下淀粉易發生糊化，從而影響營養物質的溶出，另外高溫下紫甘薯中熱敏性成分遭到破壞也造成綜合保全率的下降。由圖2(C)可知，綜合保全率隨時間的延長而提高，當超過25min后，綜合保全率趨于常量。對于一定質量的物料而言，溶劑用量增加時，物料與溶劑接觸界面處的濃度差增加，傳質速率提高，提取率增大。由圖2(D)可知，當料液比為1:80(g/mL)時綜合保全率達到最大值。

2.1.2 正交試驗

根據單因素試驗結果優選出各因素水平(如1.5.2節中表5所示)進行L9(34)正交試驗，其結果見表8。

表8 正交試驗設計及結果Table 8 Arrangement and experimental results of the orthogonal array design for optimizing ultrasonic treatment

由表8極差(R)大小可以看出，超聲波處理過程中各因素對綜合保全率影響的主次順序為B＞C＞A＞D，即溫度＞時間＞超聲波功率＞料液比。由指標均值可優化出超聲波處理工藝參數為A3B2C2D1，即超聲波功率65W、溫度50℃、時間25min、料液比1:70(g/mL)。此條件下，所得清液的綜合保全率為41.03%。

2.2 酶解工藝參數優化結果與分析

根據Box-Benhnken試驗方法及因素水平表7得到酶解工藝試驗設計及結果，見表9。

分析圖3和表10可知，酶解過程中各因素對紫薯液綜合保全率影響的主次順序為蛋白酶質量分數≈纖維素酶質量分數＞酶解溫度＞酶解時間＞酶解pH值＞料液比。根據表10的二次回歸模型參數分析結果，得到以蛋白酶質量分數、纖維素酶質量分數、酶解溫度、酶解時間、酶解pH值、料液比等參數為變量，綜合保全率為響應值的二次回歸模型為：

模型相關系數R2為92.76%，說明回歸模型對實驗數據擬合程度較高，因此可用此模型對實驗進行分析預測。

圖3 各因素與響應值的關系Fig.3 Relationship between reaponse value and affecting factors

通過SAS軟件對上述模型進行嶺跡分析，得到方程最大穩定點，穩定點處各因素水平值為蛋白酶質量分數1.5%、纖維素酶質量分數1.5%、酶解pH4.3、酶解溫度48℃、酶解時間65min、料液比1:16(g/mL)，通過模型計算此處綜合保全率預測值為90.18%。在此條件下進行驗證實驗，酶解所得清液的營養成分綜合保全率為89.78%，與預測值吻合程度較高。

2.3 紫薯液營養成分綜合保全率測定結果

將兩次離心分離得到的清液混合則制得紫薯液。對紫薯液營養成分保全率進行測定得到：花青素保全率97.38%、可溶性蛋白保全率86.45%、游離氨基酸保全率150.18%、有機酸保全率86.12%、脫氫表雄酮保全率63.62%、可溶性膳食纖維保全率61.58%。將以上測定結果代入紫薯液營養成分綜合保全率計算公式，計算得到紫薯液營養成分綜合保全率為82.26%。

表9 酶解工藝試驗設計及結果Table 9 Arrangement and experimental results of the Box-Benhnken experimental design for optimizing double-enzyme hydrolysis

表10 酶解工藝優化二次回歸模型參數Table 10 Significance test for each regression coefficient of the developed quadratic regression model with the comprehensive preservation rate of nutrients as a function

3 結 論

以福薯13為原料，以紫甘薯營養液營養成分綜合保全率為評價指標，通過正交試驗和Box-Behnken試驗方法分別對超聲波和酶解過程進行優化得到以下結果：

3.1 超聲波處理過程中各因素對綜合保全率影響的主次順序：溫度＞時間＞超聲波功率＞料液比。酶解過程中各因素對綜合保全率影響的主次順序：蛋白酶質量分數≈纖維素酶質量分數＞酶解溫度＞酶解時間＞酶解pH值＞料液比。

3.2 超聲波處理工藝參數優化結果為超聲波功率65W、溫度50℃、時間25min、料液比1:70(g/mL)，離心分離得到清液和沉淀物。以此沉淀物為對象進行酶解處理，優化得到酶解工藝參數為蛋白酶質量分數1.5%、纖維素酶質量分數1.5%、酶解pH4.3、酶解溫度48℃、酶解時間65min、料液比1:16(g/mL)，離心分離后再次得到清液。將兩次得到的清液混合則制得紫薯液，經測定其營養成分綜合保全率為82.26%，即保存了新鮮紫薯中82.26%的特征營養成分。

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Ultrasonic Treatment Coupled with Enzymatic Hydrolysis for Preparing Purple Sweet Potato Based Nutrient Solution

TS210.4

A

1002-6630(2010)18-0182-06

2010-07-05

涂雪令(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為食品加工與保藏應用技術。E-mail：cqfjtxl@126.com

*通信作者：盧曉黎(1954—)，男，教授，本科，研究方向為食品科學與工程技術。E-mail：LXL8628@163.com