加酶法制备淀粉工艺研究

加酶法制备淀粉工艺研究

芋头通常被称为芋头。这是天南星科的一种重要的可食品种。其淀粉质量占干重的53.71%83.35%。淀粉作为人类食物来源和重要的化工产品原料,市场需求较广。芋头淀粉具有特殊的营养特性和物化特性,且全世界芋头的年产量约为530~580万t,故芋头淀粉提取及深加工市场前景较为广阔［1］。目前针对芋头淀粉的提取、性质、产品开发利用的报道并不多见。主要因为芋头淀粉颗粒细小,被包裹在蛋白质网状结构及黏多糖内,造成破壁提取淀粉颗粒的困难,影响了其性能应用的研究。淀粉提取方法主要有水提取法、碱提取法、酶辅助提取法。Moorthy［2］利用0.03mol/L氨水溶液浸泡芋头浆液提取芋头淀粉,提取率相比于水提法可增加16%。孙忠伟［3］优化了稀氨水提取芋头淀粉工艺,提取率达80.2%。陈龙［4］使用pH值为10的氢氧化钠溶液作为浸泡液,提取芋头粗淀粉,得84.82%的提取率。与传统的水提取法、碱提取法相比,酶法提取淀粉工艺具有条件温和、沉降时间缩短、淀粉质量提高等优点,且木聚糖酶及蛋白酶理论上可以分解破坏芋头淀粉颗粒周围的黏多糖及蛋白质网络,故具有提高淀粉得率的潜在可能性。目前已有关于玉米淀粉、大米淀粉、小米淀粉等的酶法提取的研究［5－7］,但目前鲜见采用双酶法提取芋头淀粉的报道。本试验以新鲜的芋头为原料,采用双酶分步法提取芋头淀粉,分别研究了木聚糖酶、中性蛋白酶提取芋头淀粉的单因素试验及正交试验得出了最佳工艺;在此基础上,比较了双酶法与单酶法对淀粉回收率的影响。最后测定了芋头淀粉的黏度性质,并与马铃薯淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉的黏度性质进行了比较。以期为芋头资源的进一步开发利用提供理论依据和支持,促进我国芋头深加工业的发展。1材料和方法1.1仪器、设备和测试仪器新鲜芋头,市售;木聚糖酶(1×105u/g,适宜pH值3.0~7.0)、中性蛋白酶(5×104u/g,适宜pH值6.0~7.5),康地恩生物科技有限公司;其余试剂均为分析纯。BS224S电子天平:北京赛多利斯仪器系统有限公司;DELTA320PH计:梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;85-2恒温磁力搅拌器:北京华人新创科技有限公司;JJ-2组织捣碎均浆机:常州国华电器有限公司;HH-2数显恒温水浴锅:上海双捷实验设备有限公司;LXJ-IIB低速离心机:上海安亭科学仪器厂;DHG-9070A型电热鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司;快速黏度分析仪(RVA):澳大利亚NewportScientificInstruments公司。1.2测试方法1.2.1不同目数的筛子过滤芋头薄片与磷酸盐缓冲液以5∶3的比例,用植物组织捣碎机匀浆,加入酶液浸提后分别用60目和180目筛子过滤;3000r/min离心20min,弃去上清液,水洗沉淀数次,于40℃干燥48h。1.2.2单因素试验以芋头淀粉回收率为指标分别考察酶处理时间、酶处理温度、酶处理pH值、酶添加量4个因素对芋头淀粉回收率的影响,每个因素设定5个梯度,进行单因素试验。1.2.3正交试验的设计参照单因素试验的结果,进行L9(34)设计方案的正交试验,以确定芋头淀粉提取的最佳工艺条件,各因素水平的设定分别见表1和表2。1.2.4不同酶法提取馒头淀粉的效果在正交试验所得最佳提取条件的基础上,采用分步加酶法(先加木聚糖酶后加中性蛋白酶,先加中性蛋白酶后加木聚糖酶)、同步加酶法(木聚糖酶和中性蛋白酶同时添加,pH值调整到6.0)提取芋头淀粉,并与单一酶的提取效果进行比较。1.3粗芋淀粉质量分数/%芋头淀粉回收率的测定参照参考文献。式中:m1为芋头的质量/g;m2为粗芋头淀粉质量/g;f1为芋头中淀粉质量分数/%。淀粉质量分数的测定参照GB/T5009.9—2008。1.4马铃薯淀粉、红薯、红薯淀粉的黏度曲线比较参照参考文献,依次配制质量分数为7%的马铃薯淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉、芋头淀粉的淀粉乳,用快速黏度分析仪分别测定其黏度曲线,并进行比较。1.5处理数据试验数据采用EXCEL2003和SPSS17.0软件进行处理和分析。2结果与分析2.1不同处理时间对淀粉回收率的影响由图1可以看出,随木聚糖酶处理时间的增加,淀粉回收率呈现先增加后降低的趋势,酶处理2h时淀粉的回收率最大。随中性蛋白酶处理时间的增加,淀粉回收率呈现增加的趋势,酶处理3h后趋于稳定。产生这种变化的原因主要是随着木聚糖酶处理时间的延长,芋头组织中细胞壁纤维素被降解,因而淀粉的回收率增加,作用时间超过2h后,由于木聚糖酶中的杂酶可能分解淀粉,从而影响了淀粉的回收率。随蛋白酶处理时间的延长,与淀粉结合的蛋白质被破坏,淀粉释放出来,因而淀粉的回收率增加。2.1.2不同温度对淀粉回收率的影响由图2可以看出,随着酶处理温度的升高,淀粉回收率呈现先上升后降低的趋势。当木聚糖酶和蛋白酶的处理解温度分别为55℃和50℃时,淀粉回收率最高。这是由于酶的活性受温度的影响,在适宜的温度范围内,酶的催化效率强,而过低温度使酶活受到抑制,过高的温度使酶变性失活,导致淀粉回收率较低。2.1.3不同ph值对木聚糖酶回收率的影响由图3可以看出,随pH的升高,淀粉回收率先升高后降低,木聚糖酶和蛋白酶分别在pH值为5.0和7.0时,淀粉回收率最高。这可能是因为pH值为5.0时,木聚糖酶的催化活性最佳,当pH大于5.0时木聚糖酶的活力下降,故淀粉回收率相应降低;同理,蛋白酶的催化活性可能在pH值7.0时达到最佳,故在此时得到的淀粉回收率最高［10］。2.1.4木聚糖酶和蛋白酶添加量对淀粉回收率的影响由图4可以看出,随着酶添加量的增加,淀粉的回收率逐渐增加。当木聚糖酶和蛋白酶的添加量分别增加至750u·g－1时和375u·g－1时,淀粉回收率趋于稳定。这是因为当酶添加量达到一定程度后,底物被酶作用的位点接近饱和,因而淀粉回收率几乎不再变化。2.2采用酶法提取甘薯粉末工艺条件的优化2.2.1酶处理时间对淀粉回收率的影响从表3可以看出,影响木聚糖酶处理对淀粉回收率影响的4个因素的主次排序为A>D>B>C,即酶处理时间对淀粉回收率的影响最大,其次为酶添加量、酶处理温度、酶处理pH值。最优组合为A2D2B1C2,即酶处理时间2h,加酶量750u·g－1,温度50℃,pH值5.0,在该条件下淀粉回收率为76.00%。2.2.2酶添加量对淀粉回收率的影响从表4可以看出,影响蛋白酶处理对淀粉回收率影响的4个因素主次排序为D>B>A>C,即酶添加量对淀粉回收率的影响最大,其次为酶处理温度、时间、pH值,最佳组合为D3B2A2C2,即酶添加量500u·g-1,酶处理温度50℃,酶处理时间3h,酶处理pH值7.0,在该条件下淀粉回收率为77.04%。2.3添加中性蛋白酶的分步双酶法处理的效果由图5可以看出,与空白相比,酶处理后,淀粉回收率增加9.57%;与单酶法相比,同步加酶法对淀粉回收率影响不显著;先添加木聚糖酶后添加中性蛋白酶的分步双酶法处理的效果最好,与空白相比,淀粉回收率增加11.82%,比单酶法增加了2.25%。原因可能是酶的分步加入使得酶在各自最适条件下进行反应,有利于酶发挥最大作用;木聚糖酶的加入可以通过降解木聚糖破坏芋头组织的细胞壁,还可以使木聚糖分子降解,降低反应体系的黏度,从而提高淀粉的提取效果［11］,而蛋白酶则进一步使淀粉颗粒与蛋白质分离开来,故酶的先后加入顺序对淀粉的释放产生了影响。2.4含糊剂含量芋头原料与粗提淀粉的淀粉质量分数见表5。2.5红薯、红薯、红薯淀粉的热稳定性由表6可以看出,相同浓度的淀粉乳,芋头淀粉乳糊化温度明显高于马铃薯淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉,但是黏度明显低于其他3种淀粉。芋头淀粉的衰减值明显低于其他3种淀粉,因而芋头淀粉的热稳定性最优,适合于需热加工处理的食品。芋头淀粉回生值最小,说明芋头淀粉抗老化能力最强。3中性蛋白酶的酶处理及回收率分别采用木聚糖酶和中性蛋白酶提取芋头淀粉,2种酶的最佳提取条件分别为:木聚糖酶的酶处理时间2h,酶处理温度50℃,酶处理pH值5.0,酶