三酶兩步水解法對雜糧代餐粉的品質(zhì)特性改善

陳悅，高路

（沈陽師范大學(xué)糧食學(xué)院，遼寧 沈陽 110034）

代餐粉是一種單一或綜合性沖調(diào)粉劑產(chǎn)品，其原料由谷物、豆類、薯類等制作而成[1]，具有方便、易于攜帶和儲藏等優(yōu)點。近年來，人們對飲食的要求越來越趨于多樣化和均衡化，作為功能性膳食的雜糧備受關(guān)注[2]。雜糧指除大米、小麥外的其他谷物，是一種具有營養(yǎng)和藥理價值的功能食物[3]。雜糧富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，同時含有大量的植物化學(xué)物質(zhì)，其對人體具有抗氧化和調(diào)節(jié)激素等作用，有益于人體健康[4]。研究表明，雜糧中的酚酸、花青素、黃酮等植物化學(xué)素可與小麥等主要谷物相媲美[5]，用雜糧制備的雜糧代餐粉（coarse cereals meal replacement powder，CCMRP）深受消費者的喜愛。雜糧富含各類營養(yǎng)物質(zhì)，但本研究所選用的雜糧與其它雜糧相比，淀粉含量較高，在儲藏過程中易老化，貨架期不穩(wěn)定，且雜糧中富含的膳食纖維使加工后的產(chǎn)品口感粗糙、適口性和風味變差、沖調(diào)性下降[6-9]。

生物酶水解技術(shù)自然溫和、催化效率高、綠色環(huán)保，既可以保留雜糧中天然的營養(yǎng)物質(zhì)、促進人體對營養(yǎng)成分高效地吸收，又可明顯改善產(chǎn)品的沖調(diào)性[10]，也可提高產(chǎn)品穩(wěn)定性、改善代餐粉的口感、增加風味[11]。纖維素酶是常見的細胞壁消化酶，可改變細胞壁、細胞膜的通透性，加速細胞內(nèi)物質(zhì)溢出，有利于細胞壁中酚類物質(zhì)的釋放，既增加了產(chǎn)品中總酚的含量，也提高了產(chǎn)品的抗氧化能力。α-淀粉酶和糖化酶顯著影響淀粉水解過程[12]，α-淀粉酶是一種內(nèi)切淀粉酶，它可以裂解淀粉內(nèi)部的α-1，4糖苷鍵，進行水解反應(yīng)生成葡萄糖、麥芽糖和糊精；糖化酶水解淀粉鏈的外部葡萄糖殘基，主要作用于長鏈多糖分子[13]。采用α-淀粉酶與糖化酶組成的復(fù)合酶水解底物，具有操作簡單、周期短、水解產(chǎn)物對酶的抑制作用小等優(yōu)點[14]。

本試驗以紫薯為主要原料，輔以黃豆、花生仁、芝麻籽、玉米、小米、糙米、藜麥、薏米、青稞，制備CCMRP，并利用酶解技術(shù)對其沖調(diào)性和感官品質(zhì)進行改善，使CCMRP中的營養(yǎng)成分更易于人體吸收。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紫薯、黃豆、花生仁、芝麻籽、玉米、小米、糙米、藜麥、薏米、青稞：市售。纖維素酶（4×105U/g）：上海瑞永生物科技有限公司；α-淀粉酶（4×103U/g）、糖化酶（1×105U/g）、葡萄糖：大連美侖生物技術(shù)有限公司；DNS試劑：北京酷來搏科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JTM60膠體磨：沈陽市香洋機械廠；Scientz-150高壓均質(zhì)機：寧波新芝生物科技股份有限公司；SD-1500噴霧干燥機：上海沃迪科技有限公司；UV-5100型紫外分光光度計：上海元析儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 工藝流程

原料→膠體磨→50目篩過濾→纖維素酶水解→第一次滅活→復(fù)合酶水解→第二次滅活→高壓均質(zhì)→噴霧干燥→CCMRP。

1.3.2 操作要點

將紫薯清洗、去皮、護色（質(zhì)量分數(shù)0.25%檸檬酸、0.35%植酸、0.30%L-半胱氨酸，質(zhì)量比為 1.0∶2.8∶3.6的復(fù)合護色劑中處理20 min），黃豆和花生除雜、清洗、浸泡、去皮，芝麻籽、玉米、小米、糙米、藜麥、薏米、青稞除雜、清洗、浸泡；用膠體磨（驅(qū)動功率1.5 kW，研磨3次）將處理后的10種原料混合打漿 [料液比為1∶6（g/mL）]，并用50目篩過濾；經(jīng)過酶解處理后，對混合漿液進行高壓均質(zhì)（40 MPa，2 min～5 min）處理，最后經(jīng)噴霧干燥（噴霧壓力0.20 MPa、進料流量400 mL/h、進風溫度160℃、熱風流量45 m3/h）得CCMRP。

1.3.3 纖維素酶和復(fù)合酶添加順序試驗

酶解處理按照先復(fù)合酶、后纖維素酶和先纖維素酶、后復(fù)合酶的順序分別進行試驗。通過預(yù)試驗得出，在酶解時間110 min、酶解溫度55℃、纖維素酶添加量0.75%的條件時，纖維素酶效果最佳；復(fù)合酶水解條件取各因素的單因素試驗中間水平。以不進行酶解處理為空白對照組。

1.3.4 單因素試驗

選取復(fù)合酶水解條件（α-淀粉酶∶糖化酶、酶解時間、酶解溫度、復(fù)合酶添加量）為考察因素。復(fù)合酶體積比 3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3，酶解時間 70、90、110、130、150 min，酶解溫度 45、50、55、60、65 ℃，復(fù)合酶添加量0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%，并以葡萄糖當量（dextrose equivalent value，DE值）為指標。每組單因素試驗做3組平行。

1.3.5 正交試驗優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，進行四因素三水平正交試驗，確定CCMRP的最佳酶解條件，如表1所示。

表1 正交試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.3.6 DE值測定

參考王麗麗[15]、王章桃[16]的方法并加以改動，DE值指淀粉的轉(zhuǎn)化程度，以葡萄糖值表示。

1.3.6.1 固形物含量的測定

固形物含量參考文獻[15]的方法進行測定。

1.3.6.2 葡萄糖值的測定

稱取0.1 g干燥樣品于4.9 mL去離子水中，充分溶解后冷卻至室溫，取0.1 mL于離心管中，再加入1.5 mL DNS溶液和0.4 mL去離子水，沸水浴5 min，冷卻。于540 nm處測定吸光值，繪制曲線得到回歸方程：Y=0.248 9X-0.084 5（R2=0.999 6），DE 值計算公式如下。

1.3.7 感官評價

由12名評估人員組成感官評價小組，評估人員需具有食品感官評價方面的專業(yè)知識。將經(jīng)酶解處理和未作處理的CCMRP隨機分發(fā)給評估人員，兩個樣品評估時間間隔3 min[17]，評定標準見表2。

表2 CCMRP感官評定標準Table 2 Criteria for sensory assessment of CCMRP

1.3.8 水合特性測定

準確稱取0.5 g樣品與20 mL蒸餾水混合，在25℃和100℃條件下水浴30min，不斷攪拌，然后10000r/min離心30 min。將上清液傾倒于鋁盒中，105℃烘干至恒重[18]，水合特性計算公式如下。

式中：m為樣品質(zhì)量，g；m1為離心管中沉淀的質(zhì)量，g；m2為干燥至恒重的上清液質(zhì)量，g。

1.3.9 沖調(diào)性測定

用分散性和潤濕性定量的表征沖調(diào)性[19]。

1.3.9.1 分散性的測定

參考茍小菊等[20]的方法。取1.0 g樣品于25 mL蒸餾水中，以300 r/min的轉(zhuǎn)速進行磁力攪拌，直至樣品充分溶解，記錄樣品溶解所需時間。

1.3.9.2 潤濕性的測定

參考張妍等[19]的方法。取1.0 g樣品置于50 mL 50℃蒸餾水中，記錄樣品全部潤濕的時間。

1.3.10 吸濕性測定

參考Caparino等[21]的方法并加以改動。準確稱取1.0 g樣品放入盛有飽和氯化鈉溶液的干燥器中，25℃保存7 d。吸濕性（hygroscopicity，HG）計算公式如下。

式中：Δm為樣品質(zhì)量的增加量，g；m為樣品的初始質(zhì)量，g；mi為樣品放入干燥器前的水分含量，g。

1.3.11 填充性和流動性測定

1.3.11.1 松密度、輕敲密度的測定

取1個內(nèi)徑為25 mm的50 mL量筒，勻速注入20 mL樣品至標記處，準確稱量注入樣品前后量筒的質(zhì)量[22]，松密度（ρB）公式如下。

式中：m1為量筒的質(zhì)量，g；m2為樣品與量筒的總質(zhì)量，g；VB為注入樣品的體積，mL。

然后用手敲擊上述量筒，重復(fù)300次，記錄敲擊后樣品的體積，輕敲密度（ρT）的計算公式如下。

式中：VT為敲擊后樣品的體積，mL。

1.3.11.2 休止角、滑角[23]、卡氏指數(shù)和霍斯納比值的測定[22]

在一張方格紙上方固定一個漏斗，使漏斗底端出口與紙張垂直距離（H）為3 cm，然后將樣品倒入漏斗，流下的樣品在方格紙上形成圓錐體，直至錐體上部接觸到漏斗下部，測量錐體直徑（2R），休止角θ為錐體與水平面夾角，計算公式如下。

準確稱量5.0 g樣品于光滑平板上，緩慢抬起平板（長L為130 mm）一端直到樣品表面開始滑動，測量斜面頂部與水平面的垂直距離（H），平板與水平面的夾角即為滑角α，計算公式如下。

根據(jù)上式計算卡氏（Carr）指數(shù)、霍斯納（Hausner）比值，計算公式如下。

1.3.11.3 川北方程

參考陳盛君等[24]的方法并把壓力改成輕敲次數(shù)。取樣品緩慢注入量筒中至體積100 mL，在量筒距手面1 cm處輕敲，記錄輕敲次數(shù)和對應(yīng)體積，直至樣品體積不再改變，川北方程如下。

式中：n為輕敲次數(shù)；a為輕敲次數(shù)無窮大時體積減少數(shù)；b為填充速度常數(shù)；C為樣品相對體積減小數(shù)。

輕敲次數(shù)無窮大時，a、b公式如下。以n為橫坐標，n/C為縱坐標作圖，通過方程斜率和截距計算a和1/b。

式中：V0為初始體積，mL；Vn為輕敲n次后樣品體積，mL；V∞為輕敲無窮次后樣品體積，mL。

1.4 數(shù)據(jù)處理

每組試驗進行3次獨立重復(fù)試驗，試驗數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示，使用Origin軟件作圖，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

2.1.1 復(fù)合酶體積比對CCMRP的DE值影響

復(fù)合酶體積比（α-淀粉酶∶糖化酶）對CCMRP的DE值影響，如圖1所示。

圖1 復(fù)合酶體積比對CCMRP的DE值影響Fig.1 Effect of enzyme volume ratio on DE value of CCMRP

DE值與淀粉的水解、糖化程度有關(guān)，以DE值來判斷酶解程度，DE值越高，酶解程度越大[25]。由圖1可知，α-淀粉酶與糖化酶體積比對CCMRP的DE值有較大影響，隨α-淀粉酶的添加量減少，糖化酶添加量增加，DE值呈先增大后減小趨勢，α-淀粉酶與糖化酶的體積比為1∶2時，DE值達到最大。這可能是由于隨著糖化酶的增多促進了α-淀粉酶與糖化酶的協(xié)同作用，使DE值變大，但糖化酶的比例過高，會影響α-淀粉酶的對底物的反應(yīng)，使其酶解效率降低，從而使DE值減小。試驗結(jié)果與姚芳等[26]研究的α-淀粉酶與糖化酶體積比對可溶性糖類物質(zhì)水解程度的影響趨勢一致。確定α-淀粉酶與糖化酶最佳體積比為1∶2，選擇復(fù)合酶體積比 1∶1、1∶2、1∶3 進行后續(xù)正交試驗。

2.1.2 酶解時間對CCMRP的DE值影響

酶解時間對CCMRP的DE值影響如圖2所示。

圖2 酶解時間對CCMRP的DE值影響Fig.2 Effect of enzymolysis time on DE value of CCMRP

從圖2可以看出，隨著酶解時間增加，DE值增大，130 min后，DE值趨于平緩狀態(tài)，稍有降低。原因可能是酶解的進行使底物中的葡萄糖和短鏈淀粉分子數(shù)量逐漸增多，導(dǎo)致酶解速度變緩。當130 min后，因酶與底物間作用使分子細胞壁已經(jīng)分解完全[27]。所以選擇酶解時間110、130、150 min進行后續(xù)正交試驗。

2.1.3 酶解溫度對CCMRP的DE值影響

酶解溫度對CCMRP的DE值影響如圖3所示。

圖3 酶解溫度對CCMRP的DE值影響Fig.3 Effect of enzymolysis temperature on DE value of CCMRP

如圖3所示，隨酶解溫度升高，DE值先上升后下降，當酶解溫度小于55℃時，溫度升高，DE增加，特別是50℃～55℃時DE值增加更為顯著。當溫度超過55℃后，DE值顯著下降。這主要是因為溫度低于復(fù)合酶的最適溫度影響酶解效果，但高于最適溫度又抑制了酶的活性，使酶的活性降低甚至失活，延緩了酶解進程[28-29]。所以選擇酶解溫度50、55、60℃進行后續(xù)正交試驗。

2.1.4 復(fù)合酶添加量對CCMRP的DE值影響

復(fù)合酶添加量對CCMRP的DE值影響如圖4所示。

圖4 復(fù)合酶添加量對CCMRP的DE值影響Fig.4 Effect of enzyme addition amount on DE value of CCMRP

如圖4所示，當復(fù)合酶添加量增加時，CCMRP的DE值變化趨勢呈先增大后減小，復(fù)合酶添加量在0.75%時，DE值出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。這可能是因為當?shù)孜锏竭_一定濃度時，酶解較徹底，根據(jù)分子絡(luò)合學(xué)說，酶分子與底物之間存在某個平衡點，在此平衡點酶解底物到達飽和狀態(tài)，酶活性趨于穩(wěn)定，酶添加量增加，而單位酶的作用底物減小，水解程度降低[8，30]。因此選擇復(fù)合酶添加量0.50%、0.75%、1.00%進行后續(xù)正交試驗。

2.2 正交試驗結(jié)果

正交試驗中，在分析DE值基礎(chǔ)上進一步討論CCMRP的沖調(diào)性（以分散性、潤濕性進行定量表征），依據(jù)各指標對CCMRP品質(zhì)特性的影響，賦予各指標權(quán)重分別為DE值占40%，沖調(diào)性占60%（其中分散性30%、潤濕性30%）。再用隸屬度表示3個指標，隸屬度是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種多因素決策方法[31]。利用隸屬度表達分值，最后計算綜合分即可得出最優(yōu)組合。隸屬度計算公式[16]如下。

CCMRP的正交試驗設(shè)計與結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of orthogonal test

由表3可知，各因素對CCMRP的DE值影響主次為C＞D＞B＞A。取綜合分最大時的組合A2B2C2D2為最優(yōu)組合，即復(fù)合酶體積比1∶2、酶解時間130 min、酶解溫度55℃、復(fù)合酶添加量0.75%。

2.3 驗證試驗結(jié)果

2.3.1 纖維素酶和復(fù)合酶添加順序驗證試驗

加酶順序?qū)CMRP的DE值影響，如表4所示。

表4 不同加酶順序測得CCMRP的DE值Table 4 DE values of CCMRP samples prepared with enzymes added in different sequences

由表4可知，在酶解條件優(yōu)化前，先加纖維素酶后加復(fù)合酶所測得CCMRP的DE值高于先加復(fù)合酶后加纖維素酶的DE值；經(jīng)過正交試驗后，不同加酶順序測得CCMRP的DE值大小與酶解條件優(yōu)化前一致，即先加纖維素酶后加復(fù)合酶的DE值較大。

傅超英[32]以木薯為研究對象，探索了多酶水解木薯的過程，研究表明增加α-淀粉酶和糖化酶用量，反應(yīng)體系中葡萄糖逐漸積累，從而使葡萄糖濃度增大。所以本試驗中先加纖維素酶后加復(fù)合酶的DE值更大可能由于復(fù)合酶對纖維素酶有抑制作用，隨著α-淀粉酶和糖化酶添加量的增多，大分子物質(zhì)隨之被分解為糊精、葡萄糖等小分子物質(zhì)，從而使體系中固形物的濃度和黏度變大，高濃度不利于底物與纖維素酶的吸附與作用，進而降低了纖維素酶的水解效率。

2.3.2 正交驗證試驗

在最佳工藝條件下測得CCMRP的DE值為（35.38±0.90）%，分散時間為（34.12±1.41）s，潤濕時間為（15.03±0.61）s，根據(jù)3個指標的隸屬度計算出的綜合分為0.96，高于正交試驗分值，故確定A2B2C2D2為最佳工藝。

2.4 CCMRP的感官評價結(jié)果

酶解對CCMRP色澤、風味、口感、整體認可度以及沖調(diào)性的影響如圖5所示。

圖5 酶解對CCMRP感官品質(zhì)的影響Fig.5 Effect of enzymolysis on the sensory quality of CCMRP

由圖5可知，樣品組在色澤、風味、口感、整體認可度以及沖調(diào)性方面都比對照組的感官評分高，樣品組相比對照組感官品質(zhì)更好，特別是樣品組的風味和沖調(diào)性比對照組明顯偏高。

2.5 CCMRP的理化性質(zhì)結(jié)果

酶解對CCMRP吸水指數(shù)、水溶性、膨脹勢、分散時間及吸濕性的影響如表5所示。

表5 酶解對CCMRP理化性質(zhì)的影響Table 5 Effect of enzymolysis on the physicochemical properties of CCMRP

從表5可以看出，樣品酶解后吸水性增加，25℃時，吸水指數(shù)從1.53±0.02升高到2.11±0.04，100℃時從1.76±0.06升高到2.21±0.03。吸水性與細胞吸水能力以及暴露的親水基團數(shù)量有關(guān)，由于酶解使CCMPR粒度降低，細胞裂解，親水基團數(shù)量增加，導(dǎo)致吸水指數(shù)升高[33]；樣品組的水溶性增加，25℃和100℃分別增加了37.54%和38.48%，水溶性與分子結(jié)構(gòu)的完整度有關(guān)，酶解使CCMPR表面積增加，表面活性提高，打破分子之間的團聚現(xiàn)象，繼而使分散性增加[34]，分散時間縮短了23.16 s。溶解度和膨脹勢反映了淀粉分子在水中加熱過程中，結(jié)晶區(qū)與無定型區(qū)結(jié)構(gòu)中淀粉鏈之間相互作用的大小[35]。經(jīng)過酶解處理后，樣品在25℃和100℃條件下膨脹勢均增大。樣品組的吸濕性從（23.82±0.29）%降低到（15.03±0.22）%，吸濕性的降低有助于提高產(chǎn)品的貨架期穩(wěn)定性。

2.6 CCMRP的填充性和流動性結(jié)果

CCMRP的填充性和流動性評價結(jié)果如表6所示。

表6 CCMRP的填充性和流動性評價結(jié)果Table 6 Filling property and flowability of CCMRP

ρB和ρT是反映粉體填充性的重要指標之一，密度越大，填充性越好[36]。如表6所示，樣品組的ρB和ρT與對照組相比明顯升高。ρB升高了21.74%，ρT升高了10.00%，表明樣品組的填充性好，易于壓縮、成形。

θ和α與粉體流動性有關(guān)[37]，θ用于表示物料顆粒間的聚集能力和團聚能力，α表示物料顆粒在接觸面上的附著能力[38]。一般來說，θ、α越小，粉體流動性越好[39]。從表6中可以看出，樣品組θ減小了18.42%，α減小16.15%。

Carr指數(shù)、Hausner比值表示壓縮粉體時其流動的難易程度，Carr指數(shù)和Hausner比值與粉體的流動性呈負相關(guān)[40]。樣品組的 Carr指數(shù)為（17.04±1.92）%，與對照組（24.95±1.61）%相比明顯減小；同樣，樣品組的 Hausner比值（1.21±0.03）低于對照組的 Hausner比值（1.33±0.03）。一般來說，Carr指數(shù)在18%～21%之間時，說明粉體流動性處于中間水平，大于21%粉體流動性變差，小于18%流動性逐漸變好。Hausner比值接近1.2或者更小時，說明粉體具有良好的流動性，可以投入生產(chǎn)。而當Hausner比值逐漸趨于2.0時，粉體的流動性變差，導(dǎo)致很難流出容器甚至不流動[41]。上述結(jié)果表明，樣品組的流動性遠好于對照組。

2.7 川北方程解析粉體的填充性與流動性

川北方程擬合參數(shù)結(jié)果如表7所示。

表7 川北方程擬合參數(shù)結(jié)果Table 7 Fitting parameters of Kawakita's equation

一般認為，a值越小，粉體的流動性越好；1/b值越小，粉體的填充速度越大，填充更易于進行[42]。由表7可知，樣品組的a值為0.26±0.01，小于對照組（0.32±0.01），這與Carr指數(shù)和Hausner比值計算出的粉體流動性趨勢一致。且通過1/b值可以看出，樣品組的填充性比對照組好。

3 結(jié)論

本試驗考察了纖維素酶與復(fù)合酶添加順序?qū)CMRP的DE值影響，并通過單因素、正交試驗對復(fù)合酶水解條件進行優(yōu)化，研究了酶解前后CCMRP的吸水指數(shù)、水溶性、膨脹勢、分散性、吸濕性和粉體特性的變化。結(jié)果表明，先加纖維素酶后加復(fù)合酶所測得CCMRP的DE值高于先加復(fù)合酶后加纖維素酶的DE值，且復(fù)合酶最佳酶解條件：復(fù)合酶體積比（α-淀粉酶∶糖化酶）1∶2，酶解時間 130 min，酶解溫度 55 ℃，復(fù)合酶添加量0.75%，在此條件下產(chǎn)品的DE值和沖調(diào)性的綜合分最高。可見，經(jīng)過酶解處理的CCMRP感官品質(zhì)得到改善，吸水指數(shù)、水溶性、膨脹勢和分散性增大，吸濕性降低。粉體的填充性和流動性增強，更易于投入生產(chǎn)、包裝。制得的代餐粉風味、口感、沖調(diào)性俱佳。