食用木薯飲料加工中酶解關鍵工藝優化

李明娟，張雅媛，游向榮，周葵，王穎，衛萍

1.廣西農業科學院農產品加工研究所（南寧 530007）；2.廣西果蔬貯藏與加工新技術重點實驗室（南寧 530007）

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯類和六大糧食作物之一，廣泛種植于非洲、亞洲和美洲100多個國家的熱帶和亞熱帶地區，因其塊根中含有豐富的淀粉，而被譽為“淀粉之王”和“地下糧食”[1-4]。依據Bolhuis劃分標準，將鮮薯氰化物含量＜50 mg/kg的可鮮食木薯稱為食用木薯，也叫甜味木薯[5]。食用木薯塊根營養豐富，富含淀粉、膳食纖維、多種維生素及礦物質，且低脂、低糖、低鹽，飽腹感強，利于控制體重增長，具有改善腸胃微環境、調節心律、維持酸堿平衡等功效[6-10]，屬于優質雜糧。

隨著人們生活水平不斷提高，因“營養過剩”而導致營養失衡現象越來越明顯，“現代營養不良癥”也正悄悄向已經富裕起來的人們逼近。在此勢頭下，消費者對膳食營養均衡意識也在不斷提高。雜糧飲料通過采用現代食品高新技術加工而成，不僅能夠充分保留原料中的營養成分，具有代餐功能，并且口感好，飲用方便，易于吸收，助于膳食均衡，符合現代生活快節奏和健康飲食的需求而成為飲料行業的新寵，受消費者歡迎，因此，食用木薯飲料的生產及開發有著巨大的市場潛力。

然而，木薯富含淀粉，加工成飲料會有沙礫口感，且在貯藏過程中極易出現“老化”沉淀、析水等現象，導致飲料口感、風味及品質下降[11-13]，影響食用木薯飲料的市場接受度。為了提高產品質量，解決薯類雜糧飲料中淀粉含量高的難題，前人已經進行了一些研究，劉暢[14]采用耐高溫α-淀粉酶對華農8號木薯飲料酶解工藝進行了優化研究，結果表明最佳酶用量為60 U/g、溫度90 ℃、時間2.5 h、自然pH；劉暢等[15]采用正交試驗研究了150 U/g果膠酶+100 U/g耐高溫α-淀粉酶對甜木薯汁澄清工藝的影響，結果為：最佳溫度50 ℃、pH 4.5、時間4 h；李忠海等[16]采用響應面法研究了甘薯汁酶解最佳工藝條件為：耐高溫α-淀粉酶用量55 U/mL、酶解時間80 min、溫度90 ℃，但前人尚未對耐高溫α-淀粉酶和糖化酶聯合酶解工藝進行系統研究。研究以華南9號食用木薯為原料，在制備食用木薯飲料過程中，采用耐高溫α-淀粉酶和糖化酶二步法雙酶聯合酶解技術，通過單因素和正交試驗設計確定制備木薯飲料的最優酶解工藝條件，為食用木薯飲品深加工技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

華南9號食用木薯，采自廣西南寧市武鳴縣；耐高溫α-淀粉酶（酶活力20 000 U/g）、糖化酶（酶活力50 000 U/g）、食用級NaOH、檸檬酸，均為食品級，鄭州蒼宇化工產品有限公司；無水葡萄糖、NaOH、3,5-二硝基水楊酸、酒石酸鉀鈉、苯酚、亞硫酸鈉，均為分析純，廣西南寧泰諾生物工程有限公司。

BC/BD-500HA海爾冰柜，青島海爾特種電冰柜有限公司；JYL-Y20破壁打漿機，九陽股份有限公司；JM-L50膠體磨，鄭州玉祥食品機械有限責任公司；WJ-3A恒溫水浴鍋，常州市偉嘉儀器制造有限公司；101-2AB型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；TU-1810紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司；美的電磁爐，廣東美的集團股份有限公司；6350酸度計，上海任氏電子有限公司；PAL-1糖度計，廣州市愛宕科學儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 食用木薯飲料制備工藝流程

原料挑選→沖洗→去皮→清洗→切塊→凍藏→解凍→打漿→膠體磨→耐高溫α-淀粉酶酶解→滅酶→糖化酶酶解→殺菌→灌裝→成品

1.2.2 操作要點及試驗設計

1.2.2.1 原料前處理

選擇剛采收的新鮮、無病蟲害、無腐爛變質的木薯塊根，除掉泥土后用自來水沖洗干凈；用不銹鋼刀切除木薯塊根兩頭兩尾，去皮（包括外內和內皮），用自來水清洗干凈；將去皮的木薯塊根切成大小約為3 cm×2 cm×2 cm的塊狀，置于-18 ℃冰柜中凍藏備用；將凍藏的木薯塊取出解凍，按料液比1∶6加水打漿3 min，過2次膠體磨進一步細化得到木薯漿。

1.2.2.2 耐高溫α-淀粉酶酶解條件的研究

采用耐高溫α-淀粉酶對木薯漿進行酶解處理，考察單因素酶用量（20，40，60，80和100 U/g）、酶解溫度（60，70，80，90和100 ℃）和酶解時間（30，60，90，120和150 min）對木薯漿葡萄糖當量DE值的影響；在單因素試驗基礎上，以木薯漿葡萄糖當量DE值為考察指標，設計酶用量、酶解溫度和酶解時間三因素三水平正交試驗（見表1），優化確定最佳酶解工藝參數。

1.2.2.3 糖化酶酶解條件的研究

經耐高溫α-淀粉酶酶解后的木薯汁，加熱沸騰10 min滅酶，冷卻后用糖化酶進行酶解，以飲料可溶性固形物含量為考察指標，分別進行酶用量（80，120，160，200和240 U/g）、酶解溫度（40，50，60，70和80 ℃）、酶解時間（60，90，120，150和180 min）和酶解pH（4.0，4.5，5.0，5.5和6.0）等單因素試驗研究；以優選出的單因素范圍為基礎，設計四因素三水平正交試驗（見表2），確定最優糖化酶酶解條件。

表1 α-淀粉酶酶解正交試驗因素及水平

表2 糖化酶酶解正交試驗因素及水平

1.2.2.4 后續處理

將糖化酶酶解后的木薯飲料進行巴氏滅菌、灌裝即得成品。

1.2.3 測定指標

1.2.3.1 木薯漿DE值

1) 木薯漿還原糖含量：參照3,5-二硝基水楊酸比色法測定[17]。

2) 木薯漿總固形物含量：量取5 ml木薯漿，置于105 ℃的鼓風干燥箱中烘干至恒重，總固形物含量=干物質含量/被測體積×100%。

3) 木薯漿DE值=還原糖含量/總固形物含量×100%，每個樣品重復3次取平均值[18]。

1.2.3.2 木薯飲料可溶性固形物含量

采用糖度計進行測定，每個樣品重復3次取平均值。

1.2.4 數據統計分析

采用DPS 7.05和Excel 2003軟件對試驗數據進行處理分析并制圖。

2 結果與分析

2.1 食用木薯漿α-淀粉酶酶解工藝優化

2.1.1 α-淀粉酶用量對食用木薯漿DE值的影響

α-淀粉酶屬于內切酶，隨機、無規律的切斷淀粉分子內部α-1,4糖苷鍵，水解最終產物主要是糊精、麥芽糖和少量的葡萄糖[19]。考察了不同耐高溫α-淀粉酶用量20，40，60，80和100 U/g對木薯漿DE值（Dextrose Equivalent，葡萄糖當量）的影響，從圖1可知，木薯漿DE值隨著加酶量的增加而呈現倒“V”型的拋物線變化趨勢，即DE值先增加，至加酶量60 U/g時，出現最高點，DE值最大；之后DE值下降，說明當底物濃度達到一定濃度時，底物吸附的酶分子達到飽和，酶的用量增加繼續，只會減少單位酶的作用底物，降低淀粉的水解程度；由方差分析結果可知，加酶量為40，60和80 U/g的木薯漿DE值差異不顯著。因此，選取α-淀粉酶用量40，60和80 U/g進行下一步正交試驗。

圖1 α-淀粉酶用量對食用木薯漿DE值的影響

2.1.2 酶解溫度對食用木薯漿DE值的影響

酶解溫度直接影響酶活力的大小，酶解溫度過高或過低，酶活性都將受到影響，只有在α-淀粉酶最適溫度范圍內進行酶解，其效果才最好。考察了不同酶解溫度60，70，80，90和100 ℃對木薯漿DE值的影響，由圖2可知，隨著酶解溫度的升高，木薯漿DE值先增加后減少，在酶解溫度達到90 ℃時DE值達到最高值；酶解溫度大于90 ℃后DE值略有降低，可能是因為耐高溫α-淀粉酶酶解木薯漿的最適溫度為90 ℃左右。因此，選擇酶解溫度控制在90 ℃左右進行下一步正交試驗。

圖2 酶解溫度對食用木薯漿DE值的影響

2.1.3 酶解時間對食用木薯漿DE值的影響

研究考察了不同酶解時間30，60，90，120和150 min對木薯漿DE值的影響，由圖3可知，隨著酶解時間的延長，木薯漿DE值先升高，至酶解時間達到90 min時DE值最大；之后略有降低，但酶解90～150 min之間的木薯漿DE值差異不顯著，下降幅度不大。為節省生產成本，酶解時間控制在90 min左右為宜。

2.1.4 α-淀粉酶酶解正交試驗結果

在單因素試驗基礎上，對耐高溫α-淀粉酶用量、酶解溫度和酶解時間進行正交優化試驗，確定木薯漿最佳酶解工藝條件。由表3中α-淀粉酶酶解正交試驗結果可知，極差R值大小為C＞B＞A，即酶解工藝條件對木薯漿DE值的影響因素主次順序為酶解時間＞酶解溫度＞酶用量；由k值可知，最佳組合條件為A3B1C3，即耐高溫α-淀粉酶用量為80 U/g、酶解溫度85 ℃、酶解時間為120 min，該組合即為正交試驗設計中的試驗號7，在此工藝條件下制備的木薯漿DE值最高為30.34%，顯著優于其他試驗號DE值（p＜0.05）。

圖3 酶解時間對食用木薯漿DE值的影響

表3 α-淀粉酶酶解正交試驗結果

2.2 食用木薯飲料糖化酶酶解工藝優化

2.2.1 糖化酶用量對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

糖化酶又稱葡萄糖淀粉酶，屬于外切酶，能水解α-1,4、α-1,6和α-1,3糖苷鍵，可進一步分解耐高溫α-淀粉酶液化生成的糊精、麥芽糖，酶解最終產物為葡萄糖，可增加木薯飲料產品甜度，并賦予飲料獨特的風味[20-21]。可溶性固形物是糖化酶酶解效果的重要指標，既反映了木薯漿中大分子物質的分解程度，也是后續加工是否需要添加白砂糖的重要依據。考察了不同糖化酶用量80，120，160，200和240 U/g對木薯飲料可溶性固形物含量的影響，從圖4可知，木薯飲料可溶性固形物含量隨著糖化酶用量的增大，基本呈上升趨勢，當酶用量為200 U/g時，木薯飲料可溶性固形物含量最大，與酶用量160 U/g和240 U/g的差異不顯著，說明酶用量增大有利于木薯飲料中大分子物質更充分的水解，產生更多的可溶性小分子物質，但酶用量增大到一定程度時達到飽和，可溶性固形物含量增加幅度不大。因此，選擇較適合的加酶量160，200和240 U/g進行正交試驗。

圖4 糖化酶用量對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

2.2.2 酶解溫度對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

研究考察了不同酶解溫度40，50，60，70和80 ℃對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響，由圖5可知，隨著酶解溫度的升高木薯飲料可溶性固形物含量呈先升高后降低的變化趨勢，當酶解溫度在40～60 ℃時，糖化酶的活性逐漸增強，木薯飲料可溶性固形物含量不斷升高，酶解效果不斷變好，至60 ℃時木薯飲料可溶性固形物含量最大；當溫度超過60 ℃，酶活力受到高溫抑制而下降，木薯飲料可溶性固形物含量下降。因此，在糖化酶酶解過程中應盡量使反應體系的溫度控制在60 ℃左右。

圖5 酶解溫度對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

2.2.3 酶解時間對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

食用木薯飲料的糖化程度與糖化酶酶解時間有很大的關系，若酶解時間過短，糖化過程不完全，達不到最佳糖化效果；若糖化時間過長，糖化周期延長，則成本增加。研究考察了不同酶解時間60，90，120，150和180 min對木薯飲料可溶性固形物含量的影響，由圖6可知，隨著酶解時間的延長，木薯飲料可溶性固形物含量呈不斷升高的趨勢，60～120 min木薯飲料可溶性固形物含量迅速升高，酶解速率很快；120 min后木薯飲料可溶性固形物含量增長速率相對穩定，雖有增加，但增加幅度不大，酶解120，150和180 min的木薯飲料可溶性固形物含量差異不顯著。因此，選取酶解時間120，150和180 min進行下一步正交試驗。

圖6 酶解時間對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

2.2.4 酶解pH對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

糖化酶活力受pH的影響，在最適pH范圍內，糖化酶活力最大，低于或超過最適pH范圍條件下，酶活力均受到抑制而下降，甚至失活。研究考察了酶解pH為4.0，4.5，5.0，5.5和6.0條件下木薯飲料可溶性固形物含量的變化規律，由圖7可知，隨著酶解pH增加，木薯飲料可溶性固形物含量先升高，至pH為4.5時達到最大值，之后下降；酶解pH為4.0，4.5和5.0的木薯飲料可溶性固形物含量差異不顯著。因此，糖化酶酶解的最佳pH范圍為4.0～5.0，列入下一步正交試驗的pH考察范圍。

圖7 酶解pH對食用木薯飲料可溶性固形物含量的影響

2.2.5 糖化酶酶解正交試驗結果

在單因素試驗基礎上，對糖化酶用量、酶解溫度、酶解時間和酶解pH進行四因素三水平正交優化試驗，以飲料可溶性固形物含量為考察指標，確定食用木薯飲料最佳糖化酶酶解工藝條件。由表4正交試驗結果中各因素的R和k值大小可知，極差R值大小為A＞D＞B＞C，說明糖化酶用量對木薯飲料可溶性固形物含量的影響最大，其次為酶解pH，然后是酶解溫度和酶解時間；據k的最大值確定最優水平為A3B1C3D2，即糖化酶用量為240 U/g、酶解溫度55 ℃、酶解時間為180 min、酶解pH為4.5，該組合即為正交試驗設計中的試驗號7，在此工藝條件下制備的木薯飲料可溶性固形物含量為9.33%，顯著優于其他試驗號可溶性固形物含量（p＜0.05）。在此工藝條件下制備的食用木薯飲料為淡黃色，具有濃郁的木薯風味，口感順滑細膩、酸甜適中，流動性好、無沉淀、無分層。

表4 糖化酶酶解正交試驗結果

3 討論與結論

木薯富含淀粉，制備成飲料冷卻降溫后，已糊化的淀粉分子運動減慢，淀粉分子之間以氫鍵形式相互作用，重新形成微膠束，導致體系發生析水、沉淀、老化回生等不穩定現象[22]，采用α-淀粉酶對木薯漿進行酶解液化，從淀粉分子內部切開α-1,4-糖甘鍵，使部分淀粉水解生成小分子糖，對解決飲料產品不穩定現象具有一定的緩解作用[16,19]。研究采用耐高溫淀粉酶對木薯漿最佳酶解工藝條件進行了優化研究，結果表明，最佳酶用量為80 U/g、酶解溫度85 ℃、酶解時間120 min，在此工藝條件下制備的木薯汁DE值最高為30.34%，顯著高于其他處理組DE值（p＜0.05）。

經耐高溫α-淀粉酶作用后的食用木薯汁中仍有一些糊精和多糖等大分子物質，不利于飲料的穩定，因此還需進一步糖化水解，糖化酶可將這些大分子物質水解成單糖，達到進一步改善飲料穩定性的目的，同時還可以增加飲料的甜味[23]。研究采用單因素和正交試驗設計，對木薯飲料糖化酶酶解工藝參數進行了優化，結果表明，最佳糖化酶用量為240 U/g、酶解溫度55 ℃、酶解時間180 min、酶解pH為4.5，在該工藝條件下制備的食用木薯飲料色澤淡黃、風味濃郁、口感細膩、組織狀態好，其可溶性固形物含量高達9.33%（p＜0.05），不需要添加白砂糖等甜味劑就可達到消費者喜歡的口味要求，可大大降低生產成本。

研究以新鮮華南9號食用木薯為原料，采用耐高溫α-淀粉酶和糖化酶二步法雙酶聯合酶解技術開發風味獨特、口感新穎的食用木薯飲料產品，為木薯深加工利用提供了新思路，可延長木薯產業鏈，提高其經濟效益，開發利用前景廣闊。