響應(yīng)面法優(yōu)化滿(mǎn)族酸茶液化及糖化工藝

蔡文心1,韓建春,*,劉丹怡,劉容旭

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150030; 2.黑龍江省綠色食品科學(xué)研究院,黑龍江哈爾濱 150000)

滿(mǎn)族酸茶是由玉米、大豆、糯米、小米等原料經(jīng)酶解和發(fā)酵而制成的一種清涼解暑的傳統(tǒng)發(fā)酵飲料[1-2],具有天然發(fā)酵的醇香味,色澤淡黃,濃稠適度,酸甜可口,具有生津止渴、清熱祛暑、促進(jìn)消化吸收等功效,在黑龍江省阿城、五常、雙城、呼蘭等地十分受歡迎。滿(mǎn)族酸茶采用全谷物原料制作并使用乳酸菌發(fā)酵,具有良好的營(yíng)養(yǎng)性和功能性以及地方特色和民族特色,可以滿(mǎn)足人們對(duì)合理膳食的普遍追求,具有巨大潛力和廣闊的市場(chǎng)[3-8]。

玉米中淀粉含量較高超過(guò)60%[9-10],主要有支鏈淀粉與直鏈淀粉,直鏈淀粉含量一般在16%～35%。大豆中淀粉含量較低，約為0.19%～0.91%，且多為直鏈淀粉[11]。小米中淀粉含量約為60%[12],其中直鏈淀粉含量約為20%～27.1%[13]。糯米中淀粉含量約為80%,其中直鏈淀粉含量較少約1.6%,支鏈淀粉含量豐富約為78.4%[14]。直鏈淀粉是脫水葡萄糖單元經(jīng)α-1,4糖苷鍵連接成的右手螺旋狀分子,支鏈淀粉是脫水葡萄糖單元由α-1,4糖苷鍵和α-1,6糖苷鍵連接的高度分支的葡萄糖多聚物[15],支鏈淀粉較直鏈淀粉更易被淀粉酶分解。當(dāng)對(duì)淀粉進(jìn)行液化處理時(shí),α-淀粉酶主要作用于直鏈淀粉和支鏈淀粉α-1,4糖苷鍵使淀粉分子水解成糊精和麥芽糖,不能水解α-1,6糖苷鍵,而糖化酶Diazyme P25是一種由葡萄糖淀粉酶和普魯蘭酶組合的復(fù)合酶,在進(jìn)行糖化處理時(shí),既能作用于α-1,4糖苷鍵又能作用于α-1,6糖苷鍵,最終水解產(chǎn)物為葡萄糖[16-17]。

目前對(duì)滿(mǎn)族酸茶的研究很少,滿(mǎn)族酸茶的制作依然停留在家庭作坊水平,依靠谷物原料及環(huán)境中的微生物對(duì)谷物原料進(jìn)行發(fā)酵,其中微生物種群不明確,谷物原料中淀粉不經(jīng)過(guò)酶解,不能被多數(shù)微生物直接利用,導(dǎo)致發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng),工藝過(guò)程不易控制,產(chǎn)品品質(zhì)良莠不齊,難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。目前在淀粉質(zhì)食品加工過(guò)程中,普遍應(yīng)用液化及糖化工藝,液化是將淀粉水解到低聚糖和糊精范圍大小的分子并為糖化創(chuàng)造條件,本試驗(yàn)糖化所用糖化酶Diazyme P25是一種由葡萄糖淀粉酶和普魯蘭酶組合的復(fù)合酶,對(duì)淀粉水解的終產(chǎn)物全部為葡萄糖。本試驗(yàn)針對(duì)滿(mǎn)族酸茶的液化及糖化工藝進(jìn)行研究,以DE值為指標(biāo)為液化及糖化工藝尋找最優(yōu)工藝指標(biāo),為后續(xù)乳酸菌發(fā)酵提供充足的可直接利用的葡萄糖,力圖達(dá)到工藝可控、能耗小、成本低、原料利用率高、生產(chǎn)周期短的目的,為滿(mǎn)族酸茶的工業(yè)化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

玉米、小米、糯米、大豆 市售;檸檬酸 天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;斐林試劑試劑盒 北京索萊寶科技有限公司;Amylex LT中溫淀粉酶(酶活力10000 U/mL)、Diazyme P25糖化酶(酶活力40000 U/mL) 美國(guó)杜邦公司;NaOH 天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司;葡萄糖、次甲基藍(lán)等試劑 西隴科學(xué)股份有限公司。

DHG-9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海三發(fā)科學(xué)儀器有限公司;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市雙捷試驗(yàn)儀器廠;LLZ-306Z全營(yíng)養(yǎng)破壁料理機(jī) 德國(guó)貝爾斯頓電器有限公司;BSA323S-CW分析天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;AH100高壓均質(zhì)機(jī) ATS工業(yè)系統(tǒng)有限公司;ASIC-6粉碎機(jī) 沈陽(yáng)人和機(jī)電有限公司;HT-118手持式折光儀 北京金時(shí)速儀器設(shè)備有限公司;PHS-3C型精密酸度計(jì) 上海盛磁儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 滿(mǎn)族酸茶加工工藝 滿(mǎn)族酸茶加工工藝:原料清洗→粉碎→配比→打漿→煮沸→室溫冷卻→高壓均質(zhì)→液化→糖化→接種發(fā)酵→后熟→成品

原料經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后過(guò)60目篩,按照預(yù)試驗(yàn)所得感官評(píng)價(jià)最高值(小米、玉米、糯米、大豆分別40、16、40、32 g)進(jìn)行配比,然后加入1 L水中于破壁料理機(jī)中打漿,打漿完成后于鍋中煮沸15 min,冷卻至室溫,再經(jīng)高壓均質(zhì)機(jī)20 MPa均質(zhì)15 min,之后加入Amylex LT中溫淀粉酶進(jìn)行液化處理,液化完成后于100 ℃水浴滅酶,冷卻至室溫,用0.1 mol/L檸檬酸調(diào)節(jié)pH后加入Diazyme P25 糖化酶進(jìn)行糖化,糖化完成后于100 ℃水浴滅酶,冷卻至室溫,用0.1 mol/L NaHCO3溶液調(diào)節(jié)pH至6.8,再接種乳酸菌(實(shí)驗(yàn)室保存)發(fā)酵(接種量總體積5%),至發(fā)酵終點(diǎn)(即pH4.6)后4 ℃冷藏24 h后熟最終得到成品。

1.2.2 液化工藝優(yōu)化試驗(yàn)

1.2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn) 以DE值為指標(biāo),確定影響液化工藝的主要因素。

在液化溫度70 ℃,液化時(shí)間40 min,液化pH6.0條件下,研究中溫淀粉酶Amylase LT添加量2、3、4、5、6、7、8 U/g對(duì)液化DE值的影響;

在中溫淀粉酶Amylase LT添加量5 U/g,液化溫度70 ℃,液化pH6.0條件下,研究液化時(shí)間10、20、30、40、50、60、70 min對(duì)液化DE值的影響;

在中溫淀粉酶Amylase LT添加量5 U/g,液化時(shí)間40 min,液化pH6.0條件下,研究液化溫度40、50、60、70、80、90、100 ℃對(duì)液化DE值的影響;

在中溫淀粉酶Amylase LT 添加量5 U/g,液化溫度70 ℃,液化時(shí)間40 min條件下,研究液化pH4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5對(duì)液化DE值的影響。

1.2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇中溫淀粉酶添加量(A1)、液化時(shí)間(B1)、液化溫度(C1)、液化pH(D1)為影響因素,以DE值(Y)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì),進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),具體見(jiàn)表1。

1.2.3 糖化工藝優(yōu)化試驗(yàn)

1.2.3.1 單因素實(shí)驗(yàn) 在確定最佳液化工藝的基礎(chǔ)上,以DE值為指標(biāo),確定影響糖化工藝的主要因素。

在糖化溫度60 ℃,糖化時(shí)間4 h,糖化pH4.0條件下,研究糖化酶Diazyme P25添加量60、80、100、120、140、160、180 U/g對(duì)液化DE值的影響;

在糖化酶Diazyme P25添加量120 U/g,糖化溫度60 ℃,糖化pH4.0條件下,研究糖化時(shí)間1、2、3、4、5、6、7 h對(duì)糖化DE值的影響;

在糖化酶Diazyme P25添加量120 U/g,糖化時(shí)間4 h,糖化pH5.0條件下,研究糖化溫度30、40、50、60、70、80、90 ℃對(duì)糖化DE值的影響;

在糖化酶Diazyme P25添加量120 U/g,糖化時(shí)間4 h,糖化溫度60 ℃條件下,研究糖化pH2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0對(duì)糖化DE值的影響。

1.2.3.2 響應(yīng)面試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇糖化酶添加量(A2)、糖化時(shí)間(B2)、糖化溫度(C2)、糖化pH(D2)為影響因素,以DE值(Y)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì),進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),具體見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface experiments

1.2.4 指標(biāo)測(cè)定方法 還原糖含量測(cè)定:根據(jù)《GB 5009.7-2016食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中還原糖的測(cè)定》測(cè)定[18];固形物含量測(cè)定:手持式折光儀直接測(cè)定;淀粉水解度的測(cè)定:以DE值作為淀粉酶解程度的指標(biāo)。

DE(%)=還原糖含量/固形物含量×100

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)均重復(fù)測(cè)定三次,數(shù)據(jù)使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因?qū)嵲囼?yàn)方差分析。圖表應(yīng)用Microsoft Excel 2016及Origin 2017軟件繪制,并采用Design-Expert 8.0軟件設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滿(mǎn)族酸茶發(fā)酵前液化工藝的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1.1 中溫淀粉酶Amylase LT添加量對(duì)液化DE值的影響 由圖1可知,隨著中溫淀粉酶Amylase LT添加量的增加,DE值逐漸升高,在2～5 U/g過(guò)程中酶量增加使液化進(jìn)程加快,DE值顯著增加(P<0.05),并在5 U/g時(shí)DE值達(dá)到最大值20.47%±0.09%,當(dāng)加酶量超過(guò)5 U/g后,繼續(xù)增加中溫淀粉酶Amylase LT添加量,DE值變化趨于平緩不再發(fā)生顯著變化(P>0.05)。反應(yīng)初期,底物濃度大,增加中溫淀粉酶Amylase LT添加量可使酶與底物充分結(jié)合,增大底物與酶結(jié)合的機(jī)會(huì),從而使淀粉水解反應(yīng)速度加快,當(dāng)加酶量達(dá)到5 U/g,底物與酶結(jié)合達(dá)到飽和狀態(tài),催化效果也達(dá)到飽和,繼續(xù)增加酶的添加量對(duì)液化影響不大[19]。因此中溫淀粉酶Amylase LT添加量選擇為5 U/g。

圖1 中溫淀粉酶Amylase LT添加量對(duì)液化DE值的影響Fig.1 Effect of amylase LT amount on DE of liquefaction

2.1.1.2 液化時(shí)間對(duì)液化DE值的影響 由圖2可知,在液化時(shí)間為10～30 min時(shí),隨著液化時(shí)間增加,DE顯著升高(P<0.05),并在30 min時(shí)達(dá)到最大值20.22%±0.12%,在30 min后不再發(fā)生顯著變化(P>0.05)。原料淀粉中含有支鏈淀粉與支鏈淀粉,在酶解反應(yīng)初期中溫淀粉酶首先快速降解直鏈淀粉,作用于α-1,4糖苷鍵,使之生成寡糖,溶液黏度下降,同時(shí)需跨越α-1,6糖苷鍵繼續(xù)酶解α-1,4糖苷鍵,產(chǎn)生葡萄糖、麥芽糖和一系列α-限制糊精,并將寡糖緩慢水解成葡萄糖和麥芽糖,從而使淀粉液化。所以隨著水解程度加深,α-1,6糖苷鍵影響水解速度,且酶解產(chǎn)物的積累也會(huì)使酶活性受到抑制,水解反應(yīng)變慢[20-21]。因此液化時(shí)間選擇為30 min。

圖2 液化時(shí)間對(duì)液化DE值的影響Fig.2 Effect of reaction time on DE of liquefaction

2.1.1.3 液化溫度對(duì)液化DE值的影響 由圖3可知,隨著溫度增加,DE值呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),在40～70 ℃時(shí)DE值隨著液化溫度的升高而顯著升高(P<0.05),并在70 ℃時(shí)達(dá)到最大值20.23%±0.12%,超過(guò)70 ℃后DE值出現(xiàn)顯著下降(P<0.05)。隨著溫度上升,酶的催化位點(diǎn)逐漸暴露出來(lái),與底物結(jié)合能力增強(qiáng),酶活性增強(qiáng),催化效果較好,水解反應(yīng)隨著溫度升高而加快,DE值也隨之升高,并且在70 ℃時(shí)達(dá)到最適溫度,當(dāng)溫度超過(guò)70 ℃時(shí),酶受熱變性活性降低,與底物結(jié)合能力減弱,催化效果較差,水解反應(yīng)較慢,繼續(xù)升高溫度DE值呈下降趨勢(shì)[22]。因此液化溫度選擇70 ℃。

圖3 液化溫度對(duì)液化DE值的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on DE of liquefaction

2.1.1.4 液化pH對(duì)液化DE值的影響 由圖4可知,在pH為4.5～6.0時(shí),隨著液化pH增加,DE值顯著升高(P<0.05),并在pH為6.0時(shí),DE值達(dá)到最大值20.16%±0.14%,當(dāng)pH超過(guò)6.0后DE值隨pH升高逐漸下降。中溫淀粉酶的最適pH為6.0～6.5,低于或超過(guò)最適pH會(huì)影響酶分子構(gòu)象的穩(wěn)定性和極性基團(tuán)的解離狀態(tài),進(jìn)而影響酶分子與底物結(jié)合能力和催化能力,從而影響酶活性[23],對(duì)淀粉水解產(chǎn)生影響,因此當(dāng)液化pH從較低逐漸升高至最適pH時(shí),水解速度加快,DE值增加,當(dāng)超過(guò)最適pH時(shí),DE值pH增加而下降。因此液化pH選擇為6.0。

圖4 pH對(duì)液化DE值的影響Fig.4 Effect of pH on DE of liquefaction

2.1.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇中溫淀粉酶添加量(A1)、液化時(shí)間(B1)、液化溫度(C1)、液化pH(D1)為影響因素,以DE值(Y)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì),進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 液化條件響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Design and results of response surface experiments for liquefaction conditions

2.1.2.2 模型建立及顯著性分析 通過(guò)Design-Expert進(jìn)行數(shù)據(jù)分析建立回歸模型:

Y=19.83+0.73A+1.09B+0.50C+0.93D-0.31AB-0.17AC-0.13AD+0.38BC-0.29BD-0.12CD-0.071A2-0.82B2-0.96C2-0.077D2

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 4 Variance analysis results of response surface methodology

2.1.2.3 交互作用分析 各因子交互作用對(duì)于響應(yīng)值影響的響應(yīng)面分析見(jiàn)圖5。

由圖5a可知,當(dāng)液化溫度為70 ℃,液化pH為6.0固定不變時(shí),從響應(yīng)面圖的陡峭程度可看出A和B的交互作用對(duì)淀粉液化DE值具有極顯著影響，在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高加酶量和液化時(shí)間,液化DE值先升高后降低,當(dāng)加酶量為5.5 U/g,液化時(shí)間為30 min時(shí)DE值達(dá)到極大值20%。

由圖5b可知,當(dāng)液化時(shí)間為30 min,液化pH為6.0固定不變時(shí),當(dāng)A加酶量<5.5 U/g,C液化溫度<70 ℃時(shí)等高線密集,表示在此范圍內(nèi)A和C的交互作用對(duì)液化DE值影響顯著,在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高加酶量和液化溫度,液化DE值先升高后降低,在加酶量為5.5 U/g,液化溫度為70 ℃時(shí)達(dá)到極大值20%。

由圖5c可知,當(dāng)液化時(shí)間為30 min,液化溫度為70 ℃固定不變時(shí),從響應(yīng)面圖的陡峭程度可看出,A和D的交互影響對(duì)淀粉液化DE值影響不顯著,在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高加酶量和初始pH,液化DE值逐漸升高。

由圖5d可知,當(dāng)加酶量為5 U/g,初始pH為6.0固定不變時(shí),當(dāng)B時(shí)間<30 min,C液化溫度<70 ℃時(shí)等高線密集,表示在此范圍內(nèi)B和C的交互作用對(duì)液化DE值影響顯著,在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高液化溫度和液化時(shí)間,DE值先升高后下降,且在液化時(shí)間為35 min,液化溫度為70 ℃時(shí)達(dá)到極大值20%。

由圖5e可知,當(dāng)加酶量為5 U/g,液化溫度為70 ℃固定不變時(shí),當(dāng)B液化時(shí)間<30 min,D初始pH<6.5時(shí)等高線密集,表示在此范圍內(nèi)B和D的交互作用對(duì)液化DE值影響顯著,在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高液化時(shí)間和初始pH,DE值升高，當(dāng)pH為6.1,液化時(shí)間為35 min時(shí)，DE值達(dá)到極大值20%,隨后隨著液化時(shí)間和初始pH的增加而呈下降趨勢(shì)。

由圖5f可知,當(dāng)加酶量為5 U/g,液化時(shí)間為30 min固定不變時(shí),從響應(yīng)面圖的陡峭程度可看出,C和D的交互影響對(duì)淀粉液化DE值影響不顯著。

圖5 中溫淀粉酶添加量、液化時(shí)間、液化溫度、液化pH交互作用對(duì)DE值影響的響應(yīng)面和等高線Fig.5 Response surface and contour map of the interaction between amylase LT amount,reaction time,reaction temperature and reaction pH on DE of liquefaction

2.1.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果 對(duì)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面尋優(yōu)分析,得到最優(yōu)工藝參數(shù):加酶量6 U/g,液化時(shí)間33.34 min,液化溫度71.72 ℃,液化pH6.5,此條件下DE值預(yù)測(cè)值可達(dá)到21.31%,但考慮實(shí)際操作情況,將參數(shù)調(diào)整為加酶量6 U/g,液化時(shí)間33 min,液化溫度72 ℃,液化pH6.5,此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn),得到液化DE值為21.32%±0.09%,與預(yù)測(cè)值相比誤差較小,結(jié)果可靠,且較各組單因素實(shí)驗(yàn)最大值相比DE值有顯著提高(P<0.05)。

2.2 滿(mǎn)族酸茶發(fā)酵前糖化工藝優(yōu)化結(jié)果

2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1.1 糖化酶添加量對(duì)糖化DE值的影響 由圖6可知,在糖化酶Diazyme P25添加量為60～120 U/g時(shí),DE值顯著升高(P<0.05),并在120 U/g時(shí)達(dá)到最大值47.98%±0.15%,當(dāng)糖化酶Diazyme P25添加量繼續(xù)增加時(shí),DE值出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。在60～120 U/g過(guò)程中增加糖化酶Diazyme P25添加量,底物濃度較高,酶的催化位點(diǎn)充分暴露出來(lái)，與底物結(jié)合比較充分,水解反應(yīng)隨著酶濃度增加而加快,酶催化效果好,還原糖含量顯著提高(P<0.05),DE值隨之增加，且在120 U/g時(shí)達(dá)到最高,超過(guò)120 U/g時(shí),由于底物已大部分被水解,底物濃度低無(wú)法與過(guò)量的酶結(jié)合,底物濃度影響反應(yīng)速度,還原糖含量增長(zhǎng)變慢,導(dǎo)致 DE值出現(xiàn)下降趨勢(shì)[24]。因此糖化酶Diazyme P25添加量選擇為120 U/g。

圖6 糖化酶Diazyme P25添加量對(duì)糖化DE值的影響Fig.6 Effect of Diazyme P25 amount on DE of saccharification

2.2.1.2 糖化時(shí)間對(duì)糖化DE值的影響 由圖7可知,在糖化時(shí)間為1～4 h時(shí),隨著糖化時(shí)間的增加,DE值顯著升高(P<0.05),并在4 h時(shí)達(dá)到最大值47.80%±0.16%,超過(guò)4 h后,隨著糖化時(shí)間的增加DE值出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。在糖化反應(yīng)初期,底物濃度較高,酶反應(yīng)具有高效性及專(zhuān)一性,催化位點(diǎn)充分暴露與底物結(jié)合較為充分,催化效果好,反應(yīng)速度迅速提高,DE值隨時(shí)間增加而提高,在1～4 h過(guò)程中DE值變化顯著(P<0.05),且在4 h時(shí)DE值達(dá)到最高,此時(shí)酶與底物充分結(jié)合,催化效果最佳,4 h后底物濃度逐漸降低,且酶作用于對(duì)長(zhǎng)鏈淀粉比短鏈淀粉活性大,隨著水解反應(yīng)進(jìn)行,糊精鏈逐漸變短,酶解反應(yīng)減速,且高濃度的葡萄糖會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng),隨著糖化時(shí)間增加,DE值出現(xiàn)下降[25-27]。因此糖化時(shí)間選擇為4 h。

圖7 糖化時(shí)間對(duì)糖化DE值的影響Fig.7 Effect of reaction time on DE of saccharification

2.2.1.3 糖化溫度對(duì)糖化DE值的影響 由圖8可知,在糖化溫度變化為30～60 ℃時(shí),隨著糖化溫度升高,DE值呈現(xiàn)顯著升高(P<0.05),并在60 ℃時(shí)DE值達(dá)到最大值為47.67%±0.13%,在糖化溫度變化為60～80 ℃時(shí),DE值隨溫度升高而顯著下降(P<0.05),在30～60 ℃溫度變化過(guò)程中隨著溫度升高,酶的催化位點(diǎn)逐漸暴露出來(lái),與底物結(jié)合越來(lái)越充分,因此酶的催化活性隨溫度升高而增強(qiáng),水解反應(yīng)加快,DE值顯著升高(P<0.05),在60 ℃時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)酶與底物充分結(jié)合催化效果達(dá)到最佳,當(dāng)糖化溫度繼續(xù)升高時(shí)時(shí),超過(guò)酶的最適溫度,酶的蛋白結(jié)構(gòu)被破壞,與底物結(jié)合能力下降,導(dǎo)致糖化酶被鈍化,水解反應(yīng)被抑制,DE值顯著下降(P<0.05)[28-29]。因此糖化溫度選擇為60 ℃。

圖8 糖化溫度對(duì)糖化DE值的影響Fig.8 Effect of reaction temperature on DE of saccharification

2.2.1.4 糖化pH對(duì)糖化DE值的影響 由圖9可知,在pH為2.0～5.0時(shí),隨著糖化pH增加,DE值顯著升高(P<0.05),并在pH為5.0時(shí)達(dá)到最大值50.01%±0.14%,當(dāng)pH超過(guò)5.0后,DE值隨著pH升高而顯著下降(P<0.05)。糖化酶的最適作用pH為4.0～4.5左右,pH過(guò)低或過(guò)高都會(huì)破壞酶的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)使糖化酶發(fā)生變性,當(dāng)pH逐漸升至糖化酶最適pH范圍時(shí),酶與底物結(jié)合越來(lái)越充分,催化效果越來(lái)越好,水解速度加快,DE值顯著升高(P<0.05),當(dāng)pH超過(guò)最適pH時(shí)破壞了酶的活性中心及構(gòu)象使糖化酶發(fā)生變性,影響酶與底物結(jié)合與催化,水解反應(yīng)變慢,DE值出現(xiàn)顯著下降(P<0.05)[26,30]。因此糖化pH選擇為5.0。

圖9 糖化pH對(duì)糖化DE值的影響Fig.9 Effect of pH on DE of saccharification

2.2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇糖化酶添加量(A2)、糖化時(shí)間(B2)、糖化溫度(C2)、糖化pH(D2)為影響因素,以DE值(Y)為響應(yīng)值,采用Box-Behnken的中心組合設(shè)計(jì),進(jìn)行4因素3水平的響應(yīng)面試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 糖化條件響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 5 Design and results of response surface experiments for saccharification conditions

2.2.2.2 模型建立及顯著性分析 通過(guò)Design-Expert進(jìn)行數(shù)據(jù)分析建立回歸模型:

Y=49.84+1.98A+1.44B-0.76C-1.09D+0.39AB-1.40AC-0.17AD-0.63BC-1.25BD+0.76CD-1.58A2-1.09B2-3.78C2-4.18D2

表6 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 6 Variance analysis results of response surface methodology

2.2.2.3 交互作用分析 各因子交互作用對(duì)于響應(yīng)值影響的響應(yīng)面分析見(jiàn)圖10。

由圖10a可知,當(dāng)糖化溫度為60 ℃,糖化pH為5.0固定不變時(shí),從響應(yīng)面圖的陡峭程度可以看出A和B的交互影響對(duì)淀粉糖化DE值具有極顯著影響,在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高加酶量和糖化時(shí)間,糖化DE值先顯著升高后降低,當(dāng)加酶量為124 U/g,糖化時(shí)間為4.5 h時(shí)DE值達(dá)到極大值50%。

由圖10b可知,當(dāng)糖化時(shí)間為4 h,糖化pH為5.0固定不變時(shí),從響應(yīng)面的陡峭程度可以看出A和C的交互影響對(duì)淀粉糖化DE值具有極顯著影響，在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高加酶量和糖化溫度,糖化DE值先顯著升高后降低,當(dāng)加酶量為124 U/g,糖化溫度為60 ℃時(shí)DE值達(dá)到極大值50%。

由圖10c可知,當(dāng)糖化時(shí)間為4 h,糖化溫度為60 ℃固定不變時(shí),從響應(yīng)面的陡峭程度可以看出A和D的交互影響對(duì)淀粉糖化DE值具有極顯著影響,在試驗(yàn)條件下同時(shí)提高加酶量和糖化pH,糖化DE值先升高后降低,當(dāng)加酶量為124 U/g,糖化pH為5.0時(shí)DE值達(dá)到極大值50%。

由圖10d可知,當(dāng)加酶量為120 U/g,糖化pH為5.0固定不變時(shí),從響應(yīng)面陡峭程度可以看出B和C的交互影響對(duì)淀粉糖化DE值具有極顯著影響,在試驗(yàn)條件下同時(shí)增加糖化時(shí)間和升高糖化溫度,糖化DE值先升高后降低,當(dāng)糖化時(shí)間為4.5 h,糖化溫度為60 ℃時(shí)DE值達(dá)到極大值50%。

由圖10e可知,當(dāng)加酶量為120 U/g,糖化溫度為60 ℃固定不變時(shí),從響應(yīng)面陡峭程度可以看出B和D的交互影響對(duì)淀粉糖化DE值具有極顯著影響,在試驗(yàn)條件下同時(shí)增加糖化時(shí)間并提高糖化pH,糖化DE值先升高后降低,當(dāng)糖化時(shí)間為4.5 h,糖化pH為5.0時(shí)DE值達(dá)到極大值50%。

圖10 糖化酶添加量、糖化時(shí)間、糖化溫度、糖化pH交互作用對(duì)DE值影響的響應(yīng)面和等高線Fig.10 Response surface and contour map of the interaction between Diazyme P25 amount,reaction time,reaction temperature and reaction pH on DE of saccharification

由圖10f可知,當(dāng)加酶量為120 U/g,糖化時(shí)間為4 h固定不變時(shí),從響應(yīng)面陡峭程度可以看出C和D達(dá)到交互影響對(duì)淀粉糖化DE值具有極顯著影響，在試驗(yàn)條件下同時(shí)升高糖化溫度和糖化pH糖化DE值先升高后降低,當(dāng)糖化溫度為55 ℃,糖化pH為4.5時(shí)DE值達(dá)到極大值48%。

2.2.2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)及結(jié)果 對(duì)回歸模型進(jìn)行響應(yīng)面尋優(yōu)分析,得到最優(yōu)工藝參數(shù):加酶量138.79 U/g,糖化時(shí)間5 h,糖化溫度56.09 ℃,初始pH4.66,此條件下DE值預(yù)測(cè)值可達(dá)到51.96%,但考慮實(shí)際操作情況,將參數(shù)調(diào)整為加酶量140 U/g,糖化時(shí)間5 h,糖化溫度56 ℃,糖化pH4.6,此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn),得到糖化DE值為51.92%±0.13%,與預(yù)測(cè)值相比誤差較小,結(jié)果可靠,且較各組單因素實(shí)驗(yàn)最大值相比DE值有顯著提高(P<0.05),另外,在此工藝條件下還原糖含量較高為0.0997 g/mL。

3 結(jié)論

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以DE值為響應(yīng)值,采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)對(duì)滿(mǎn)族酸茶液化、糖化工藝條件進(jìn)行優(yōu)化,得出液化最優(yōu)工藝參數(shù):中溫對(duì)淀粉酶添加量6 U/g,液化時(shí)間33 min,液化溫度72 ℃,液化pH6.5,此條件下液化DE值為21.32%±0.09%。糖化最優(yōu)工藝參數(shù):糖化酶添加量140 U/g,糖化時(shí)間5 h,糖化溫度56 ℃,糖化pH4.6,此條件下糖化DE值為51.92%±0.13%。對(duì)于兩模型方差分析和響應(yīng)面分析表明,兩個(gè)模型回歸極顯著(P<0.01),對(duì)試驗(yàn)擬合性較好,可用來(lái)預(yù)測(cè)條件范圍及滿(mǎn)族酸茶液化及糖化工藝參數(shù),淀粉水解程度較單因素實(shí)驗(yàn)具有顯著提高(P<0.05),在此工藝條件下還原糖含量較高為0.0997 g/mL,可對(duì)滿(mǎn)族酸茶產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供參考,為后續(xù)使用乳酸菌發(fā)酵并研究酶解對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)和酸茶的感官性質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)性質(zhì)的影響提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。