響應面優化小麥粉制備脂肪替代物的酶解工藝

鐘昔陽 徐玉紅 張淑芬 吳 欣 鄭 志

(合肥工業大學生物與食品工程學院，合肥 230009)

近年來流行病學研究發現，高脂肪膳食被認為是肥胖癥、高血脂、糖尿病等的誘因之一，特別是飲食中飽和脂肪酸過高，會引發膽囊炎以及乳腺癌、結腸癌等疾病［1－2］。營養學家一直提倡減少日常飲食中油脂的攝入量，但單純減少食品中脂肪的含量會給產品風味及口感帶來不良影響，從而影響消費者對產品的可接受性［3］。因此，開發生產一類既具有脂肪功能特效又能降低能量攝入的脂肪替代產品是當前食品工業的一個熱點研究方向。

脂肪替代物是一類具有脂肪的部分或全部性質，在體內消化、分解所釋放的能量比天然脂肪少或不被消化吸收，加入到低脂或無脂食品中，具有與同類全脂食品相同或相近的感官效果，但提供的總能量卻明顯降低的物質［4］。目前，脂肪替代物在人造黃油、冷凍食品和焙烤類食品中得到廣泛應用［5－6］，市場已經陸續推出了Simplesse、Olestra、MaltrinM040等多種商業化產品［7］。

利用各類淀粉制備脂肪替代物是當前脂肪替代物開發生產加工領域的一個研究熱點［8］，但在制備過程中需要先從各類農作物原料中分離出淀粉后才能加工，這使得加工過程變得繁瑣、生產成本高，利用富含淀粉的農作物原料不經分離、直接加工制備脂肪替代物，其生產過程相對簡潔、成本低，但目前還鮮見報道。本研究基于此，直接以小麥粉為原料，采用酶法水解制備脂肪替代物，研究其酶解工藝參數并對所得產品的性質進行初步評價。論文研究成果以期尋找一種簡潔制備脂肪替代物的新方法，豐富我國脂肪替代物產品的開發生產。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

小麥粉(淀粉質量分數70.61%，蛋白質質量分數11.2%):安徽豐大股份有限公司。

耐高溫α－淀粉酶(食品級，10 000 U/mL):無錫三茶化工有限公司;鹽酸(AR):上海中試化工總公司;3，5－二硝基水楊酸(AR):上海展云化工有限公司;重蒸酚(AR):北京索萊寶科技有限公司;氫氧化鈉(AR)、酒石酸鉀鈉(AR)、亞硫酸氫鈉(AR):天津市博迪化工有限公司。

1.2 儀器與設備

BL－220H型電子天平:日本島津公司;HH－2型數顯恒溫水浴鍋:江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;DHG－9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱:上海雷韻試驗儀器制造有限公司;UDK－152型自動凱氏定氮儀:意大利VELP公司;LG－04型高速粉碎機:瑞安市百信藥機機械廠;722E型可見分光光度計:上海光譜儀器有限公司;TA－XT plus型物性檢測儀:英國Stable Micro System公司;SC－3614型低速離心機:安徽中科中佳科學儀器有限公司;JSM－6490LV型電鏡掃描儀:日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

1.3.1 小麥粉基脂肪替代物的工藝流程

稱取小麥粉配制成一定濃度的料液→90℃水浴糊化→添加耐高溫α－淀粉酶→加酸滅酶(1 mol/L鹽酸調pH＜2)→調pH(用1 mol/L氫氧化鈉中和至pH 6.5左右)→55℃恒溫鼓風干燥→粉碎過篩得產品。

1.3.2 DE(Dextrose Equivalent)值測定

DE值是指還原糖占干物質的量［9］，當DE值越大時表明還原糖含量越高，所能提供的能量越多。

式中:m1為測定產物中還原糖的質量，m為稱取干物質的質量。還原糖以葡萄糖含量計，以3，5－二硝基水楊酸法測定葡萄糖含量［10］。

1.3.3 持水性測定

參照文獻［11］配制10%的溶液，在離心力4 000 r/min下離心20 min，記錄析出水的質量計算持水性。

式中:m1為配制的樣品溶液中水的總質量，m2為離心后離去水的質量，m為稱取干脂肪替代物的質量。

1.3.4 凝膠強度的測定［12］

在70℃下配置質量分數(15%、20%、25%、30%、35%)的脂肪替代物溶液，并在4℃的冰箱中放置12 h以形成凝膠，采用TA－XT plus型物性檢測儀測定凝膠強度。設置參數:探頭直徑0.5 mm，下壓前速度2.0 mm/s，下壓速度 1.0 mm/s，下壓距離4 mm，下壓后速度2.0 mm/s。凝膠強度定義為探頭接觸凝膠后下壓到4 mm位置時單位面積上承受的破裂力。

1.3.5 脂肪替代物的掃描電子顯微鏡觀察［13］

用導電雙面膠將樣品粉末固定在樣品臺上并涂抹均勻，用洗耳球吹去多余的樣品，在真空離子濺射噴金后，放入掃描電子顯微鏡中進行觀察，拍攝具有代表性的樣品顆粒形貌。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2003和Design－Expert 8.0軟件分析處理。

2 結果與分析

2.1 影響小麥粉基脂肪替代物的單因素試驗

2.1.1 底物濃度對DE值和持水性影響

配制5%、10%、15%、20%、25%、30%的小麥粉溶液，90℃、15 min水浴糊化，調溶液pH 6.5后加入2.5 U/g耐高溫α－淀粉酶酶，酶解6 min，測定產物的DE值和持水性，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知:DE值隨底物濃度的增加而降低，持水性先上升后下降，在底物質量分數為25%時持水性最大為213.83% ，DE值為4.13%。這可能是由于當底物濃度較低時，料液中水的含量大，淀粉能夠充分吸水糊化，酶解時淀粉酶與底物接觸的機率大、酶解較充分，產品的DE值較大;底物濃度增加時，淀粉充分糊化的程度減小，酶解程度降低，產品的DE值也隨之降低［14－15］。利用淀粉酶解制備脂肪替代物一般要求DE值小于5，此時其流變學上才具有一定的凝膠強度，方可模擬脂肪的某些功能性質［16］。綜合考慮，本試驗選擇25%為最佳的底物濃度。

圖1 底物濃度對DE值和持水性影響

2.1.2 酶解時間對DE值和持水性影響

配制25%的小麥粉溶液，90℃、15 min水浴糊化，調溶液pH 6.5后添加2.5 U/g耐高溫α－淀粉酶，酶解4、5、6、7、8、9 min，測定產物的 DE 值和持水性，試驗結果如圖2。

由圖2可得出:DE值隨酶解時間增加而增加，持水性先增加后下降，在酶解7 min時持水性最大為202.60%，DE值為4.77%。這可能是由于隨著時間的增加，淀粉酶酶解淀粉的程度增大，DE值隨之而增大。DE值增大時淀粉鍵斷裂程度增大，空間網絡結構增大、持水能力增加;但是隨時間增加酶解程度越大，淀粉被水解為小分子，鍵斷裂程度越大，與水結合能力減弱持水性則減小。故本試驗選擇7 min為最佳酶解時間。

圖2 酶解時間對DE值和持水性影響

2.1.3 酶添加量對DE值和持水性的影響

配制25%的小麥粉溶液，90℃、15 min水浴糊化，調溶液 pH 6.5 后添加 0.5、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 U/g耐高溫α－淀粉酶，酶解7 min，測定產物的DE值和持水性，試驗結果如圖3。

由圖3可得出:DE值隨酶添加量增加而升高，持水性先增加后下降，在添加2.5 U/g的酶時持水性最大為190.59%，DE值為4.22%。這可能是由于隨著淀粉酶量的增加，酶與底物接觸的機率增大［17］，酶解程度增大，DE值增加。隨著酶解程度的增加，淀粉與水結合形成網絡三維結構增大，吸水能力增強，持水性增大;當酶解程度達到一定程度時，鍵斷裂程度大，空間網絡結構吸水能力減弱，持水性減小。故本試驗選擇2.5 U/g為最佳的酶添加量。

圖3 酶添加量對DE值和持水性的影響

2.2 響應面試驗設計酶水解工藝

2.2.1 響應面試驗設計及試驗結果分析

根據單因素試驗中底物濃度(X1)、酶解時間(X2)、酶添加量(X3)3個因素選定因素水平，持水性在因素變化范圍內具有中心點，更符合響應面試驗設計［18－19］，以持水性(Y)指標進行方程預測，同時測定DE值作為參考指標。因素水平見表1，響應面試驗結果見表2。

表1 響應面試驗因素與水平表

表2 響應面試驗設計及結果

利用Design－Expert 8.0軟件對表2試驗數據進行二元回歸擬合，得到產物的持水性(Y)對底物濃度(X1)、酶解時間(X2)、酶添加量(X3)的預測方程如下:

由表3方差分析結果可以看出，模型P=0.000 2＜0.05，模型達到顯著，失擬項 P=0.253 0 ＞0.05，不顯著，因此二次模型成立。R2為0.966 1，大于0.9表明有不到4%的變量不能由模型解釋。應用此模型可以分析預測酶法制備脂肪替代物的工藝條件，其中一次項X2、X3均顯著，X1不顯著，二次項 X1X2顯著其他不顯著，交互項均顯著［20］，所以得出影響產物持水性的主次因素為:酶解時間＞酶添加量＞底物濃度。

表3 響應值的二次模型方差分析

2.2.2 響應面和等高線分析

各因素影響持水性的曲面圖和等高線如圖4所示。

從等高線圖可知:等高線均呈橢圓，表示底物濃度和酶解時間、底物濃度和酶添加量、酶解時間和酶添加量之間的交互作用明顯［21－22］，都對產物的持水性有影響。

由圖4a可看出:固定酶添加量為2.5 U/g，隨著加酶解時間和底物濃度的增大，持水性明顯上升，之后隨著底物濃度和酶解時間的增加，持水性有下降趨勢，在交叉區域持水性存在一個極大值點［23－24］，此時能夠確定一組最佳的底物濃度和酶解時間;由圖4b可看出:固定酶解時間為6 min時，隨著底物濃度和酶添加量的增大，持水性明顯上升，之后隨著底物濃度和酶添加量的增加，持水性有下降趨勢，在交叉區域持水性存在一個極大值點，此時能夠確定一組最佳的底物濃度和酶解時間;由圖4c可看出:固定底物質量分數為25%，隨著酶解時間和酶添加量的增大，持水性明顯上升，之后隨著酶解時間和酶添加量的增加，持水性有下降趨勢，在交叉區域持水性存在一個極大值點，此時能夠確定一組最佳的酶解時間和酶添加量。

圖4 各因素交互作用對持水性的響應面和等高線

2.2.3 優化最佳工藝條件

利用Design－Expert 8.0軟件分析，結合二次回歸方程預測最佳酶解工藝參數，分析出最佳參數為:底物濃度25.60%，酶添加量 2.33 U/g，酶解時間6.77 min，此時持水性的預測值能達到282.25%，經驗證測定該條件下測得持水性為273.69%，與預測值基本一致，說明該方程與實際情況相符合，擬合程度較好。

2.3 脂肪替代物的凝膠強度

淀粉被水解程度的增加導致體系所形成的凝膠之間的網狀結構的交聯程度不斷減弱，所能形成的凝膠強度就將越小［25］。作為一種品質優異的脂肪替代物，需要有較好的凝膠強度，方可模擬脂肪潤滑的口感。選擇上述最優條件下所得脂肪替代物，在70℃下配制不同質量分數(15%、20%、25%、30%、35%)的溶液測定其凝膠強度，具體結果如表4所示。

表4 70℃時不同濃度溶液的凝膠強度

由圖表4可知，在70℃時15%溶液的凝膠強度最低，形成凝膠的能力最弱，隨著濃度的增加凝膠強度逐漸增加。這可能是由于隨著濃度增加，淀粉與水在形成凝膠時溶液中多余的水分呈流動形態，水的含量越多流動越明顯，形成凝膠的能力較弱，水分減少時能充分吸收水分并保持凝膠狀態，凝膠強度增加［26－27］。但濃度越大能夠自由流動的水減少，反而影響替代脂肪的口感。

2.4 脂肪替代物的掃描電鏡分析

在上述最優制備條件下得到的脂肪替代物是一種淺白色的黏稠糊狀物質，具有小麥粉的天然香味和較好的潤滑口感。對其進一步干燥粉碎，所得的產物為顆粒細膩的白色粉末狀物質。為探明所得脂肪替代物的微觀結構特征，比較酶解前后結構性質的變化，對原料小麥粉和最優條件下脂肪替代物進行掃描電鏡觀察，所得結果如圖5所示。

由圖5可看出:小麥粉中顆粒多以圓形的形態存在，顆粒表面光滑、大小不一，蛋白質嵌在淀粉的內部和表面［28］，而在相同放大倍數的條件下經過酶解處理的小麥粉制得的脂肪替代物顆粒形態與原面粉發生了很大的變化，顆粒表面明顯的受到傾蝕，外形不再光滑規則，而是變得粗糙，顆粒尺寸減小。這可能是由于在淀粉酶的作用下，淀粉被酶解成小分子，直鏈淀粉斷裂，面粉顆粒的表面呈現被侵蝕的現象，變得不再平滑。

圖5 小麥粉和脂肪替代物掃描電鏡圖

3 結論

3.1 通過響應面優化試驗，酶解小麥粉制備脂肪替代物的持水性與各因素間關系的預測方程為:

由各因素的顯著性分析得出影響產物持水性的因素依次為:酶解時間＞酶添加量＞底物濃度。

3.2 由模型和曲面圖分析優化得到最佳工藝參數:底物質量分數25.60%，酶添加量 2.33 U/g，酶解時間6.77 min，此時持水性的預測值能達到282.247%，經驗證測定該條件下測得持水性為273.69%，表明模型建立合理，預測的結果較為準確。

3.3 最優工藝條件下脂肪替代物的凝膠強度、電子顯微鏡掃描表明，小麥淀粉分子結構在酶解過程破壞中遭到破壞。

［1］Lundman P，Boquist S，Samanegard A，et al.A high － fat meal is accompanied by increased plasmainterleukin－6 concentrations［J］.Nutrition，Metabolism and Cardiovascular Diseases，2007，17(3):195 －202

［2］Howard B V.Dietary fat and cardiovascular disease:putting the women's health Initiative in perspective［J］.Nutrition，Metabolism and Cardiovascular Diseases，2007，17(3):171 －174

［3］姚懷芝，姚惠源.脂肪替代品的現狀及展望［J］.廣州食品工業科技，2003，19(2):73 －74

［4］Miller G D，Groziak S M.Impact of fat substitutes on fat intake［J］.Lipids，1996，31(1):293 －296

［5］賈士杰.脂肪替代物的應用概述［J］.中國乳業，2006(7):53－55

［6］宮艷艷.脂肪替代物的分類及在食品中的應用［J］.中國食品添加劑，2009(2):67－71

［7］楊銘鐸，于亞莉，高峰.食品生產中脂肪代用品的研究進展［J］.食品科學，2002，23(8):310 －314

［8］楊玉玲，許時嬰.淀粉為基質的脂肪替代品［J］.食品工業科技，2002，23(12):85 －87

［9］Ljubica D，Jovan J，Peter D.Relation between viscous characteristics and dextrose equivalent of maltodextrins［J］.Starch，2004，56(11):520 －525

［10］趙凱，徐鵬舉，谷廣燁.3.5－二硝基水楊酸比色法測定還原糖含量的研究［J］.食品科學，2008，29(8):534－536

［11］于明曉，郭順堂.擠壓組織對脫脂花生蛋白粉的持水性和持油性的影響［J］.食品工業科技，2007，28(1):87 －90

［12］陳龍.芋頭淀粉脂肪模擬品的制備及應用的研究［D］.重慶:西南大學，2011

［13］Mcbonough C M，Anderson B J，Ronney L W.Structural characteristics of steam －flaked sorghum［J］.Cereal Chemistry，1997，74(5):542 －547

［14］張斌，羅發興，羅志剛.馬鈴薯淀粉基脂肪模擬物的工藝研究［J］.現代食品科技，2009，25(6):629 －632

［15］劉輝琴.淀粉基脂肪替代用品的制備及應用研究［D］.河南:河南工業大學，2009

［16］徐毅華，曲靜然.淀粉基脂肪替代物的研究應用概況［J］.糧食加工，2011，36(3):46 －48

［17］劉懷偉，孔保華，武晗，等.馬鈴薯淀粉基質脂肪模擬物制備工藝的研究［J］.食品與發酵工業，2006，32(11):50－54

［18］Ferreiraa SL C，Brunsb R E，Ferreiraa H S，et al.Box － Behnken design:an alternative for the optimization of analytical methods［J］.Analytical Chemical Acta，2007，597(2):179 －186

［19］楊文雄，高彥祥.響應面法及其在食品工業中的應用［J］.中國食品添加劑，2005(2):68 －71

［20］歐陽輝，余佶，陳小原，等.響應面分析法優化湘西月見草籽油的超臨界萃取工藝研究［J］.食品科學 2010，31(2):42－45

［21］張玉香，屈慧鴿，楊潤亞，等.響應面法優化藍莓葉黃酮的微波提取工藝［J］.食品科學，2010，31(16):33 －37

［22］陳海華，魯軍.響應曲面法優化狹鱈魚皮明膠的微波輔助提取工藝［J］.食品與發酵工業，2009，35(8):168－174

［23］張艷榮，豐艷，孫麗琴，等.響應面法優化米糠擠出工藝及其物性研究［J］.食品科學，2010，31(20):146－151

［24］Liang Renjie.Optimization of extraction process of Glycyrrhiza glabra polysaccharides by response surface methodology［J］.Carbohydrate Polymers，2008，74(4):858 － 861

［25］酆淵.酶解大米制備脂肪替代品及其在烘焙領域中的應用［D］.無錫:江南大學，2009

［26］楊玉玲，許時嬰，王璋.秈米為基質的脂肪替代品的凝膠性質［J］.中國糧油學報，2003，18(5):8－11

［27］郝新蕾，張連富.低DE值麥芽糊精凝膠特性研究［J］.中國糧油學報，2010，25(3):29 －33

［28］朱帆，徐廣文，姚歷，等.小麥淀粉顆粒的微觀結構研究［J］.食品科學，2010，29(5):93 －96.