嬰幼兒營養米粉生產中輔料對酶解工藝的影響

劉梅森,林漢卿,高麗霄,張向陽,何小勇,張織芬,臧成國,黃 敏

(深圳市味奇生物科技有限公司,廣東深圳 518109)

嬰幼兒營養米粉生產中輔料對酶解工藝的影響

劉梅森,林漢卿,高麗霄,張向陽,何小勇,張織芬,臧成國,黃 敏

(深圳市味奇生物科技有限公司,廣東深圳 518109)

為了解米粉生產中輔料對酶解工藝的影響,本文探討了嬰幼兒米粉生產中蔗糖、葡萄糖、果糖、奶粉、大豆分離蛋白粉和濃縮乳清蛋白添加量以及漿料濃度對大米淀粉酶解的影響。結果表明:糖類較蛋白類對淀粉酶解影響較大,其中葡萄糖對酶解的抑制最大,葡萄糖添加量20%時較未添加時,酶解程度降低了87.8%；奶粉、濃縮乳清蛋白和大豆分離蛋白粉對酶解影響均較小；漿料濃度的增大會抑制酶解反應,漿料濃度為45.0%時酶解程度較濃度為30.0%時降低了77.0%。鑒于輔料對酶解反應的影響,總結出一套酶解新工藝。

嬰幼兒配方米粉,酶解工藝,糖類,蛋白質類,DE值

嬰幼兒營養米粉作為我國傳統的母乳替代品或嬰幼兒的補充、輔助食品而備受關注。當前一些米粉企業為解決傳統米粉沖調性能差、易結塊、不利于嬰幼兒進食,以及攝取輔食的嬰幼兒胃腸內淀粉水解酶較少[1-2],對淀粉類食品的消化能力差等問題,開始使用淀粉酶生物酶解技術將嬰幼兒營養米粉的主要成分——淀粉,由長鏈大分子水解成短鏈小分子,以提高產品的沖調性能和消化吸收率[3-8]。

為了保證產品質量的穩定性,在酶解結束后應將酶及時鈍化。目前,嬰幼兒營養米粉采用的酶解生產工藝中,通常采用高溫酶鈍化法,即升高米漿溫度使酶蛋白失活。有的米粉生產廠家研究了米漿中酶的鈍化時間與鈍化溫度的關系,結合黏度的影響,確定酶的鈍化溫度70℃,時間15min[5]。另一方面,高溫滅酶后需要降溫滿足后續生產工藝的要求,頻繁的升溫降溫操作,不僅增加了勞動強度,還增加了能耗,提高了生產成本,此外高溫還會對原料中的營養素造成損失。有研究采用輥筒干燥代替升溫滅酶起到鈍化酶的作用[3]。

本文研究了輔料的添加和漿料濃度對酶解反應的影響,通過調整輔料添加量、添加時機和漿料的濃度抑制酶解反應,總結出一套采用合理、簡單的工藝調整抑制酶解反應的方法,以滿足酶解工藝米粉生產需要。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

大米 北京三安科技集團；蔗糖 廣西農墾糖業集團昌菱制糖有限公司；葡萄糖 河北圣雪葡萄糖有限責任公司；果糖 山東西王糖業有限公司；奶粉 恒天然集團；濃縮乳清蛋白 美國Hilmar公司；大豆分離蛋白 南通光合生物技術有限公司；α-淀粉酶(800FΑU/g) 諾維信(中國)生物技術有限公司；β-淀粉酶(70萬u/mL) 山東隆大生物工程有限公司；胰酶 Sigma公司；3,5-二硝基水楊酸 天津市光復精細化工研究所；其他化學藥品均為分析純,文中分析實驗所提到水均為蒸餾水。

EMG0506-4輥筒干燥機 江蘇東臺市億民食品機械廠；DF-15粉碎機 浙江大德制藥有限公司；80L立式調漿罐 浙江蒼南縣立甌石化設備有限公司；752-P紫外分光光度計 上海現科儀器有限公司；HHS-6S水浴鍋 江蘇金壇市中大儀器廠；AL104電子天平 美國西特公司；TG16-WS離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 嬰幼兒谷基配方米粉生產工藝 大米→粉碎→調漿→添加輔料→酶處理→細化→輥筒干燥→成型→檢驗→包裝

粉碎:使用粉碎機將大米粉碎,過篩得到小于80目的大米粉。

調漿:將大米粉使用一定溫度調漿水調制成35%的淀粉乳。

添加輔料:將奶粉、大豆分離蛋白、濃縮乳清蛋白、蔗糖(先在化糖鍋中溶化)或葡萄糖或果糖依次加入調漿罐中,混合均勻。

酶處理:取一定量的α-淀粉酶和β-淀粉酶,添加到淀粉乳中保溫酶解40min。

細化:酶解后的混合料通過膠體磨細化,然后轉移到儲料罐待用。

滾筒干燥:滾筒干燥機蒸汽壓強調至0.5MPa,轉速3r/min。

1.2.2 DE值測定 DE值也稱葡萄糖值,表示淀粉的水解程度或糖化程度。糖化液中還原性糖全部當作葡萄糖計算,占干物質的百分比稱為DE值。

測定方法[9]:稱取1.0g漿料于預加10mL水的試管中,沸水浴中加熱3min,定容到100mL容量瓶中,稱取25g于50mL離心管中,10000r/min離心10min,取上清液2mL,置于25mL比色管中,再加入3,5-二硝基水楊酸溶液3mL,沸水顯色5min,然后以流水迅速冷卻,用水定容至25mL,搖勻。以試劑空白調零,在540nm處比色,參照預先制作的葡萄糖標準曲線求出還原糖的量,同法平行操作2份,按下式計算得出DE值。

DE(以葡萄糖計,%)=還原糖含量/總干物質含量×100

1.2.3 輔料對米淀粉水解的影響 依照1.2.1中米粉生產工藝,將大米粉調制成35%的米漿,分別添加蔗糖、葡萄糖和果糖,每種糖的添加比例分別為10.0%、15.0%和20.0%(占淀粉干基比重)三個水平,再加入淀粉酶保溫酶解40min。以反應終點的DE值為指標,考察糖類的添加對米淀粉水解的影響,同法平行操作2份。

按照上述工藝,將大米粉調制成35%的米漿,分別添加大豆分離蛋白、濃縮乳清蛋白和全脂奶粉,每種蛋白原料添加比例分別為2.5%、5.0%和10.0%(占淀粉干基比例)三個水平,再加入淀粉酶保溫酶解40min。以反應終點的DE值為指標,考察蛋白類的添加對米淀粉水解的影響,同法平行操作2份。

依照上述工藝,向調漿罐中添加固定配比的蔗糖、全脂奶粉、大豆分離蛋白、濃縮乳清蛋白粉,以70℃熱水調漿,漿料濃度分別調為30%、35%、40%和45%,加入淀粉酶保溫酶解40min。以反應終點的DE值為指標,考察漿料濃度對米淀粉水解的影響,同法平行操作2份。

1.2.4 米片中殘存酶活測定 將5.0g米片用不超過70℃溫水調配成5%的溶液,然后溶液密封保存在55℃恒溫培養箱內保溫48h,使其中殘余的酶在適宜的溫度下充分的作用。取樣測定各樣品的DE值,DE值變化的大小反映淀粉酶殘余活力的情況,DE差值越大,淀粉酶殘余活力越強[10]。

1.2.5 米淀粉體外消化性能 實驗對傳統工藝與酶解新工藝制備的成品米粉進行體外消化性能的測定。根據Englyst[11]等人對淀粉按其消化特性進行的劃分,用淀粉消化指數(SDI)表征淀粉體外消化速率。本實驗中采用豬胰酶水解米粉淀粉的方法,根據酶解速率計算產品的SDI值[6]。

取5g樣品分別于250mL燒杯中,加入蒸餾水50mL,pH7.2磷酸緩沖液10mL,置于37℃水浴中保溫5min,然后加入1%豬胰酶0.4mL。反應過程中,不斷取出約1g漿料于預先添加了10mL水的試管中,立即放入沸水浴中4min使酶失活(預實驗4min已完全失活),冷卻,于6000r/min離心10min,取上清液于50mL容量瓶中定容。吸取2mL已定容樣液,置于25mL比色管中,再加入3,5-二硝基水楊酸溶液3mL,沸水顯色5min,然后以流水迅速冷卻,用水定容至25mL,搖勻。以試劑空白調零,在540nm處比色,參照預先制作的葡萄糖標準曲線求出還原糖的量,同法平行操作2份,得出平均還原糖含量。

大米淀粉的消化性能通過快速消化淀粉(rapidly digested starch,RDS)、慢速消化淀粉(slowly digested starch,SDS)和抗性消化淀粉(resistant starch,RS)表征。

淀粉消化指數SDI(%)=RDS/TS×100

快速消化淀粉RDS(%)=D/F×100

式中,D-20min內淀粉產生的葡萄糖含量(g)；F-理論上淀粉水解成葡萄糖的含量(g)；TS-總淀粉(total starch,TS)含量(g)。

2 結果與分析

2.1 糖類的添加對米淀粉水解的影響

從圖1可知,隨著蔗糖、葡萄糖和果糖添加量的增加,DE值都有不同程度的降低,即三種糖類的添加抑制了淀粉酶對大米淀粉的水解,這可能是隨著漿料中糖的增多,溶液粘度增大,粘度不僅影響擴散和分子彼此碰撞,而且也影響酶的變構,一定程度上降低了酶活力[11-12]。

圖1 糖的添加量對米漿DE值的影響Fig.1 Effect of carbohydrate concentration on dextrose equivalent of rice starch

三種糖對米漿DE值的影響有較大的差異,蔗糖的影響最小,葡萄糖的影響最大。蔗糖的影響除了上述溶液粘度增大原因,還因其作為競爭性底物,有類似淀粉的α-1,4糖苷鍵與酶結合結構,進而影響到淀粉水解,當蔗糖添加量為20.0%(占淀粉干基)時水解程度降低了41.7%。果糖的添加一方面增大了溶液粘度,另一方面其作為非酶底物不斷增多降低了底物與酶活性位點的碰撞結合,從而降低了酶反應效率,當果糖添加量為20.0%時DE值降低了80.0%。葡萄糖的影響包括溶液粘度和非酶底物因素,此外淀粉水解反應中,葡萄糖作為反應產物,反應產物濃度的增加,一定程度上也抑制了淀粉水解[13],當葡萄糖添加量為20%時DE值降低了87.8%。

2.2 蛋白類的添加對米淀粉水解的影響

從圖2可知,隨著大豆分離蛋白、濃縮乳清蛋白和全脂奶粉添加量的增加,DE值都有所降低,但是變化很小,在大豆分離蛋白粉、濃縮乳清蛋白粉和全脂奶粉添加量為10.0%時DE值分別降低了8.9%、6.3%和6.3%。這可能是非酶底物的增加降低了底物與酶活性位點的碰撞結合,從而影響到酶反應效率。

圖2 蛋白質添加量對米漿DE值的影響Fig.2 Effect of proteins concentration on dextrose equivalent of rice starch

2.3 漿料濃度對米淀粉水解的影響

從圖3可知,隨著漿料濃度的增加,DE值不斷的降低,即漿料濃度的增加抑制了淀粉酶對大米淀粉的水解,在濃度為45.0%時水解程度較30.0%時降低了77.0%。這可能是隨著漿料濃度的增大,溶液粘度增大,影響酶的擴散及分子間彼此碰撞,也影響酶的變構的緣故。此外,漿料中添加的蔗糖作為競爭性底物,有類似淀粉的α-1,4糖苷鍵與酶結合結構,蔗糖的存在一定程度上降低了酶活力,進而影響到淀粉水解。

圖3 漿料濃度對米漿DE值的影響Fig.3 Effect of slurry concentration on dextrose equivalent of rice starch

2.4 酶解新工藝

傳統的酶解工藝生產中抑制酶活采用高溫鈍化法,即升高米漿溫度使酶蛋白失活。有研究選定酶鈍化溫度70℃,鈍化15min[5]。酶高溫鈍化后還需及時降溫,以滿足后續營養素投料的要求,升溫和降溫操作不僅提高了勞動強度,還增加了能耗,提高了生產成本。

從以上實驗中可知,酶解反應前加入輔料嚴重影響正常的酶解反應,降低淀粉酶的效能,鑒于此,我們調整輔料添加時機,在酶解終點時添加輔料,這樣既能充分發揮酶的效能,也可以在酶解終點時通過輔料的添加增加濃度以及輔料添加過程中漿料體系的降溫共同抑制酶解反應,替代高溫終止酶促反應的工藝,調整后的嬰幼兒營養米粉生產新工藝如下:

大米→粉碎→調漿→加酶水解→添加輔料→細化→輥筒干燥→成型→檢驗→包裝

2.4.1 輔料抑制酶反應實驗 由于生產實踐中,大豆分離蛋白的溶解速度快,易結塊,給生產帶來不利影響[14-16],故提前將大豆分離蛋白與大米粉混合,易分散均勻,避免結團。

按照酶解新工藝生產嬰幼兒營養米片,70℃熱水調漿,酶解40min后添加固定配比蔗糖、全脂奶粉和濃縮乳清蛋白粉,攪拌均勻、細化后轉移到儲料罐自然放置30min,分別測定漿料反應40min和70min時的DE值。

從圖4可知,酶解40min時漿料的DE值為11.5%,酶解70min時漿料的DE值為11.8%,添加輔料后的30min內米淀粉的酶解程度僅增加了2.6%,達到了很好的抑制酶解反應效果。這是輔料的添加增加濃度和粘度以及輔料添加后漿料體系的降溫大大降低了酶活力的緣故。

表1 保溫時間對米淀粉DE值影響Table 1 Effect of reaction time on dextrose equivalent of rice starch

注:數值均取平均值±標準偏差(n=3),不同保溫時間與0 h兩組數值之間差異不顯著(p>0.05)。

表2 傳統工藝與酶解新工藝制備米粉特性對比結果Table 2 Comparison of characteristics of rice powder prepared by traditional and enzymatic technology

圖4 輔料添加對酶反應影響Fig.4 Effect of additives on enzymatic reactions

2.4.2 輥筒干燥滅酶實驗 依照酶解新工藝生產嬰幼兒營養米片,70℃熱水調漿,酶解40min后添加固定配比蔗糖、全脂奶粉和濃縮乳清蛋白粉,攪拌均勻、細化后轉移到儲料罐自然放置30min,然后輥筒干燥。輥筒干燥機工作氣壓0.50MPa,轉速3r/min,米漿上料厚度0.40mm,生產制得米片按照1.3.3方法進行酶活力測定,結果如表1。

從表1可知,米片中大米淀粉的DE值變化不顯著,說明米粉中的酶沒有殘存的活力,已經鈍化完全。

酶解新工藝實驗說明了本研究總結的酶解工藝生產米粉新方法,操作性強,完全可以取代傳統的頻繁升溫降溫的酶解工藝,新方法生產設備簡單,降低了投資成本,簡化了操作,減輕了勞動強度,減少了能耗,本方法非常適于廣大傳統工藝米粉廠的改造升級。

2.5 傳統工藝與酶解新工藝制備的米粉特性對比

在米粉制備條件完全相同的情況下(除輔料添加與酶解先后順序不同外),傳統工藝與酶解新工藝制備米粉的相關特征對比結果見表2。

由表2可知,酶解新工藝制備米粉的DE值和淀粉消化指數顯著高于傳統工藝,其水解效果良好,漿料稠度適中,酶解新工藝成品米粉沖調后米香味更濃、甜度適宜、口感更細膩。

3 結論

米粉生產中糖類和蛋白質類輔料的添加對淀粉酶的活力有一定的影響,蔗糖、葡萄糖和果糖三種糖類中,葡萄糖對淀粉酶的活力影響最大,蔗糖影響最小,葡萄糖添加量20%時,酶解程度降低了87.8%；大豆分離蛋白粉、全脂奶粉和濃縮乳清蛋白三種蛋白質原料較糖類對淀粉酶活力影響較小。漿料濃度的增加抑制了淀粉酶對大米淀粉的水解,在漿料濃度為45.0%時水解程度較濃度為30.0%時降低了77.0%。酶解新工藝通過加入輔料抑制酶反應效果明顯,且可在輥筒干燥過程中完全滅酶,不影響漿料的上輥、干燥和成型,完全能夠滿足生產需要。

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Effect of production auxiliary materials of infant rice formula powderon enzymolysis processing

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

(Shenzhen Weicky Biotechnology co.,LTD.,Shenzhen 518109,China)

In order to realize the effect of production auxiliary materials of infant rice formula powder on enzymolysis processing,the effect of additive amount of sucrose,glucose,fructose,milk powder,isolated soybean protein,whey protein concentrate and slurry concentration on enzymolysis of rice starch were studied. The results showed that carbohydrates had a greater impact on enzymolysis of rice starch than proteins,and glucose showed the greatest inhibition of enzymolysis among them,and the degree of hydrolysis reduced by 87.8% when glucose content reached 20.0%. Milk powder,whey protein concentrate and isolated soybean protein had a less influence on enzymolysis. Enzymatic reaction was inhibited by increasing slurry concentration,compared to the slurry concentration of 30.0%,the degree of hydrolysis reduced by 77.0% when the slurry concentration was 45.0%. Finally,a set of new enzymatic process was summarized on the basis of effect of production auxiliary materials on enzymatic reaction.

infant rice formula powder;enzymolysis processing;carbohydrates;proteins;dextrose equivalent

2014-04-21

劉梅森(1968-)，男，博士，教授級高級工程師，研究方向：食品科學。

廣東省產業技術研究與開發項目(2012B020402002)。

TS216

B

1002-0306(2015)03-0195-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.032