響應面法優化荸薺的酶解條件

孟秀梅，李明華，張蘭，李西騰，胡飛宇

1. 江蘇食品藥品職業技術學院（淮安 223005）；2. 江蘇食品加工工程技術研究開發中心（淮安 223005）

荸薺為莎草科植物，形狀扁圓形，表面光滑有光澤，顏色為紫紅色或者黑褐色，生長在池沼中，因外形像馬蹄，所以也被稱為馬蹄[1]。荸薺外皮紫黑，而肉質潔白，味美多汁，清脆可口，有“地下雪梨”之美譽，既可做水果生吃，又可做蔬菜食用，是受人喜愛的時令果蔬[2]。在中國主要分布于廣西、江蘇、安徽、浙江、廣東、湖南、湖北等低洼地區[3]。荸薺中營養非常豐富，每100 g含碳水化合物14.2 g、脂肪0.2 g、蛋白質1.2 g、膳食纖維1.1 g、磷和鉀分別為44和306 mg[4]，還含有豐富的胡蘿卜素、B族維生素、維生素C、鐵和鈣等營養素。荸薺性寒，具有清熱解毒、涼血生津、利尿通便、化濕祛痰、消食除脹功效，還具有降壓作用、滋養胃陰、治食道癌、治咽喉腫、預防流感、通腸利便等保健與藥用價值[5]。荸薺種植面廣泛，產量豐富，價格低廉，以鮮食為主，加工產品不多[6]，荸薺飲料制品的發展受到原料制約，其主要原因是荸薺富含淀粉，淀粉經加熱后大多以糊化狀態存在，糊化淀粉易老化產生混濁或分層沉淀，且不易過濾，制成飲料后穩定性差。而采用淀粉酶酶解可以增加荸薺中營養物質溶出[7]，經酶解后分子變小更有利于人體吸收，因此對荸薺的酶解條件進行優化，以獲得營養更豐富、穩定性更好的荸薺汁。

1 材料與方法

1.1 材料

荸薺（市售）；純凈水（飲料車間自制）；α-淀粉酶（酶活100 000 IU/g）；檸檬酸、蔗糖、異抗壞血酸鈉、抗壞血酸（均為食用級）。

1.2 設備與儀器

JYL-CI6T榨汁機（九陽股份有限公司）；HH-2恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司）；AL204電子分析天平（梅特勒-托利多（上海）有限公司）；WZ110手持折光儀（北京九合儀器儀表有限公司）；TGL-18C-C高速臺式離心機（上海安亭科學儀器廠）；JZH50-80均質機（昆山錦竹機械設備有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

1.3.2 操作要點

選用新鮮、成熟、無機械損傷的荸薺為原料，用清水反復清洗，去除表面殘留的泥土、塵埃以及附著物，不易清理處用毛刷輕輕刷洗。將荸薺置于沸水中熱燙3～5 s，取出置于純凈水中冷卻后稱質量，按照荸薺與水質量比1︰2加純凈水，榨汁機打漿進行粗濾，得到荸薺漿液。荸薺漿液置于水浴鍋中，待溫度升至酶解溫度后，加入適量α-淀粉酶，酶解完畢后升至75 ℃保溫8 min，將其置于高速離心機中，以4 500 r/min離心15 min，上清液即為荸薺汁液，稱質量后進行可溶性固形物測定和出汁率計算。將荸薺汁液、蔗糖、抗壞血酸和異抗壞血酸鈉按照配方進行調配，調配完畢后進行均質，壓力20～25 MPa，溫度50 ℃，均質2次，將荸薺汁加熱至85 ℃保溫10～15 min，趁熱灌入已滅菌的耐高溫塑料瓶中，置于水浴鍋中95 ℃保溫20～30 min，取出后流水冷卻，即得荸薺飲品。

1.3.3 單因素試驗設計

1.3.3.1 α-淀粉酶對荸薺酶解的影響

荸薺汁中的淀粉主要是直鏈淀粉，選用弱酸性的α-淀粉酶，在pH 6.5～6.8時酶活較好，采用檸檬酸進行pH調節，經試驗發現檸檬酸0.15%時，酶解效果較好。酶解效果隨著淀粉酶用量增加而增加[8]，而后達到平衡。綜合考慮成本與酶解效果，設計α-淀粉酶為0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.25%，酶解溫度50℃，酶解時間2 h，優化α-淀粉酶用量。

1.3.3.2 酶解溫度對荸薺酶解的影響

溫度對酶的活性影響很大，高溫可使酶鈍化，低溫可以抑制酶活性，適宜的酶解溫度可使淀粉在一定條件下獲得最佳酶解效果[8]。設計酶解溫度為40，45，50，55和60 ℃，α-淀粉酶0.15%，酶解時間2 h，優化酶解溫度。

1.3.3.3 酶解時間對荸薺酶解的影響

時間對荸薺淀粉的酶解起到關鍵作用，酶解時間會直接影響荸薺汁中的可溶性固形物含量及荸薺汁的出汁率[8]。可溶性固形物及出汁率隨酶解時間延長逐漸遞增達峰值后趨于恒定。設計酶解時間1.0，1.5，2.0，2.5和3.0，酶解溫度50 ℃，α-淀粉酶添加量0.15%，優化酶解時間。

1.3.4 響應面試驗設計

依據單因素所獲得的α-淀粉酶添加量，酶解溫度和酶解時間對荸薺酶解液中可溶性固形物及出汁率較高的3個水平進行響應面優化。

1.3.5 測定方法

1.3.5.1 可溶性固形物（SSC）

采用GB/T 12143規定的方法進行檢驗。

1.3.5.2 出汁率

荸薺酶解液經離心分離后，稱量上清液質量，即荸薺汁質量。采用式（1）計算出汁率。

2 結果與分析

2.1 荸薺淀粉酶解的單因素試驗

2.1.1 α-淀粉酶用量對荸薺酶解的影響

由圖1可知，隨著淀粉酶用量增加，可溶性固形物含量與出汁率均呈現逐漸升高的趨勢，α-淀粉酶添加量0.15%時，可溶性固形物與出汁率上升至接近峰值，這時荸薺淀粉充分酶解；α-淀粉酶添加量超過0.15%時，可溶性固形物與出汁率趨于平穩，α-淀粉酶添加量0.15%時，充分酶解荸薺汁中淀粉，使可溶性固形物及出汁率增值趨于穩定的拐點，因此選擇0.10%，0.15%和0.20%進行優化。

圖1 α-淀粉酶用量對荸薺酶解的影響

2.1.2 酶解溫度對荸薺酶解的影響

由圖2可知，酶解溫度在40～50 ℃，可溶性固形物與出汁率呈現逐漸升高趨勢，酶解溫度50 ℃時，可溶性固形物與出汁率均達到峰值，荸薺中淀粉充分酶解；但酶解溫度超過50 ℃時，可溶性固形物與出汁率又出現下降，可能是因為淀粉酶在超過50 ℃時淀粉酶活性逐漸降低，致使可溶性固形物含量降低。綜合考慮選擇酶解溫度45，50和55 ℃進行優化。

圖2 酶解溫度對荸薺酶解的影響

2.1.3 酶解時間對荸薺酶解的影響

由圖3可知，酶解時間1～2 h時，可溶性固形物與出汁率呈現不斷增加的趨勢，酶解時間2 h后，可溶性固形物與出汁率增長緩慢，荸薺中淀粉基本被酶解完畢，隨著時間延長幾乎變化不大，因此酶解時間選擇1.5，2.0和2.5 h進行優化。

圖3 酶解時間對荸薺酶解的影響

2.2 響應面試驗

2.2.1 數學模型的建立與顯著性分析

單因素試驗結果表明，α-淀粉酶、酶解溫度和酶解時間對荸薺酶解液的出汁率和可溶性固形物均有明顯的影響，出汁率和可溶性固形物呈現相同的變化趨勢，尤其以可溶性固形物的變化率相對較高，因此選擇可溶性固形物作為指標進行優化。將3個因素作為變量，以可溶性固形物（Y）為響應值，設計三因素三水平（表1）響應面試驗[10]，優化荸薺的酶解條件。試驗結果和方差分析分別見表2和表3。

應用Design Expert 8.0軟件對表2中結果進行二次多項回歸擬合，即得如二次多項回歸方程：可溶性固形物含量（%）=1.85+0.12A+0.081B-0.03C+0.025AB+0.038AC+0.087BC-0.20A2-0.15B2-0.038C2。

表1 響應面設計試驗因素和水平表

表2 酶解條件的響應面試驗結果

表3 回歸分析結果

由響應面軟件結果分析得到，復相關系數R2=0.952 0，校正后R2=0.890 2。對回歸方程進行方差分析和顯著性檢驗，得到二次回歸模型方差分析表3，說明該模型與試驗值擬合較好，說明該模型適合于荸薺淀粉酶解理論。回歸分析結果表明，A、B、BC、A2、B2是顯著項，α-淀粉酶影響最大，其次是酶解溫度，酶解時間的影響最小。

2.2.2 響應面分析

響應面曲面越陡峭表示該試驗因素對響應值的影響越顯著，響應面中等高線隨響應面變化而變化，其曲線越接近中心對應的響應值越大[11]。由圖4可以看出，當酶解時間固定時，隨著α-淀粉酶用量的增加與酶解溫度提升，可溶性固形物呈現先有上升后下降趨勢。從響應面的陡峭程度可見，α-淀粉酶用量和酶解溫度有一定交互作用，但對酶解的影響不太顯著。

圖4 α-淀粉酶用量與酶解溫度對荸薺酶解效果影響的響應面圖

由圖5可以看出，酶解溫度固定時，隨著酶解時間延長，可溶性固形物變化趨勢平緩，而α-淀粉酶用量對可溶性固形物的影響呈現上升后略有下降趨勢，α-淀粉酶與酶解時間有一定交互作用，但影響不顯著。

圖5 α-淀粉酶用量與酶解時間對荸薺酶解效果影響的響應面圖

由圖6可以看出，α-淀粉酶用量固定時，酶解溫度與酶解時間有交互作用隨著酶解時間延長，可溶性固形物略有下降趨勢，而隨著酶解溫度升高，可溶性固形物呈現緩慢升高后略有下降趨勢，從響應面的陡峭程度分析，酶解溫度與酶解時間有交互作用且對荸薺酶解的條件影響顯著。

圖6 酶解溫度與酶解時間對荸薺酶解效果影響的響應面圖

2.3 驗證試驗

響應面優化的預測值為：酶解溫度52.34 ℃，解時間2.29 h、α-淀粉酶添加量0.169%。此時獲得最好的酶解效果，可溶性固形物1.888%。為驗證預測值與真實值之間的擬合程度及方程合適性、有效性，采用綜合評分最大響應值對應響應因素值進行試驗驗證[12]。考慮到實際操作的方便及工藝實際情況，對響應因素值進行修正，淀粉酶添加量（A）為0.17%，酶解溫度（B）為52 ℃，酶解時間（C）為2.29 h，3組平行試驗，可溶性固形物含量為1.88%，真實值與預測結果非常的相近，此時出汁率達到91.23%，與果膠酶酶解工藝相比[13]，出汁率更高，因此，響應面試驗建立的模型合適、有效，可用于荸薺淀粉酶解，具有一定實踐指導意義。

3 結論

采用新鮮的荸薺進行酶解條件研究，通過響應面試驗獲得最佳酶解條件：檸檬酸0.15%、α-淀粉酶0.17%、酶解溫度52 ℃、酶解2.29 h。此時，可溶性固形物含量達到1.88%，出汁率達到91.23%。荸薺營養豐富，經淀粉酶酶解后，不僅可以提高荸薺利用率，同時有利于人體吸收，所制備的荸薺飲料長時間放置無淀粉沉淀生成，荸薺酶解液還可與其他果蔬復合，制備復合飲料。