响应面法优化紫薯汁糖化工艺研究

党 娅，刘水英

（1.陕西理工学院 生物科学与工程学院，陕西 汉中 723099；2.陕西理工学院 秦巴蓝莓研究所，陕西 汉中 723099；3.陕西省资源生物重点试验室，陕西 西安 710000；4.陕西省黑色有机食品工程技术研究中心，陕西 汉中 723000）

紫薯[Ipomoea batatas（L.）Lam]属旋花科甘薯属草本植物。薯肉呈紫色至深紫色，故又称黑薯、紫心甘薯、紫肉甘薯等，兼有粮食作物、经济作物和药用作物的特点[1-3]。除了具有普通甘薯的成分和功能外，还具有多种生理作用，是食品、医药、化工、轻工、纺织等领域的重要原料[4-6]。紫薯汁以紫薯为原料，经清洗、打浆、糊化-液化、糖化、过滤、澄清、精滤、浓缩、杀菌冷却而成。在紫薯汁的制备过程中，淀粉[7-8]的糖化过程直接影响其澄清度和品质[9-10]。紫薯汁经淀粉酶液化后，淀粉转化为大量的糊精、低聚糖和少量的葡萄糖，大量的糊精易老化，形成沉淀，影响紫薯汁的澄清度和外观效果，所以要进一步糖化，使大量糊精转化为葡萄糖，因而糖化是紫薯汁生产的重要环节之一。据文献报道，酶处理[11-13]不仅可提高紫薯汁糖化效果、促进营养物质的溶出，而且对紫薯汁中花青苷含量无明显影响[14-16]。本研究采用响应面法对紫薯汁糖化工艺进行优化，以期为紫薯汁酶法糖化的研究提供试验参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

紫薯1号：杨凌金薯种业科技有限公司；糖化酶（5.0×104U/mL）：无锡德赛生物工程有限公司；盐酸（分析纯）：北京化工厂；柠檬酸（食用级）：河南向富精细化工发展有限公司；葡糖糖（分析纯）：天津市北方天医化学试剂厂；硫酸铜（分析纯）：天津市恒兴化学试剂有限公司；乙醇（分析纯）：天津富宇精细化工有限公司。

1.2 仪器与设备

BSA224S电子天平：上海精密科技仪器有限公司；UV-2550型紫外分光光度计：日本岛津公司；RE-52A型旋转蒸发仪：上海亚荣生化仪器厂；ZKT-1002型真空泵：上海嘉鹏科技有限公司；GZKW-4型恒温水浴锅：黄骅市渤海电器厂；LC-800型低速台式离心机：科大创新股份有限公司；101-1型电热鼓风干燥箱：北京科伟永兴仪器有限公司；FW177型中草药粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司；pHS-3C型精密酸度计：上海大普仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 紫薯汁加工工艺

1.3.2 紫薯汁糖化试验

（1）糖化单因素试验

由紫薯汁的糊化-液化试验制备所得的薯汁为糖化工艺研究的试验材料。

糖化温度的确定：准确称取15等份糊化-液化后的紫薯汁，每份240 mL，分成5组（每组做3个平行），分别置于500 mL锥形瓶中，调节pH值为4.5，加入其体积1.0%的糖化酶，分别置于40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃的恒温水浴锅中，糖化2 h，采用热滴定的方法测定各自总糖含量（取三组平行试验的平均值）[17-18]，以总糖含量的高低作为糖化最适温度选择的依据，并考察温度对花青苷（以吸光度值A530nm计）及糖化总糖含量的影响。

糖化pH值的确定：其他条件不变，糖化温度按上述最优条件，分别调节pH 3.5、4.0、4.5、5.0、5.5，加入其体积1.0%的糖化酶，置于60 ℃的恒温水浴锅，糖化2 h，测定其总糖含量，确定最适糖化pH值，并考察pH值对花青苷（以吸光度值A530nm计）及糖化总糖含量的影响。

糖化酶添加量的确定：其他条件不变，调节pH 4.5，分别加入其体积0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%的糖化酶，置于60 ℃的恒温水浴锅，糖化2 h，测定其总糖含量，确定最适糖化酶添加量，并考察加酶量对花青苷（以吸光度值A530nm计）及糖化总糖含量的影响。

糖化时间的确定：其他条件不变，调节pH4.5，加入其体积1.0%糖化酶，置于60 ℃恒温水浴锅内，分别糖化0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h后，测定其总糖含量，确定最适糖化时间，并考察糖化时间对花青苷（以吸光度值A530nm计）及糖化总糖含量的影响。

（2）糖化工艺优化

表1 糖化工艺优化响应面试验因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface methodology for saccharification process optimization

采用Design-Expert.8.06软件，根据Box-Behnken设计原理[6]，在单因素试验的基础上，分别以X1（糖化酶量）、X2（糖化pH）、X3（糖化时间）、X4（糖化温度）作为自变量，每个自变量的低、中、高水平分别以-1、0、1进行编码。各试验因素及编码水平表见表1。以糖化后薯汁中的总糖含量为响应值，设计4因素3水平的糖化响应面试验，建立回归方程，确定紫薯汁糖化的最佳工艺参数。

2 结果与分析

2.1 糖化单因素试验

2.1.1 糖化温度对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响

图1 糖化温度对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响Fig.1 Effect of temperature on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由图1可看出，在其他条件一定的条件下，当温度＜60 ℃时，紫薯汁总糖及花青苷含量随温度的增加而增加，并在温度为60 ℃时总糖含量达到最大值，当温度＞60 ℃时，总糖含量开始下降，花青苷含量没有显著变化，紫薯汁的吸光度值基本维持在0.36左右。由于温度过高，对设备要求更高，且造成能源消耗，从经济和设备角度考虑，糖化温度以60 ℃为宜。

2.1.2 糖化pH值对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响

图2 糖化pH值对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响Fig.2 Effect of pH on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由图2可看出，在其他条件一定的条件下，当pH＜4.5时，紫薯汁总糖含量随pH值的增加而增加，并在pH 4.5时总糖含量达最大值，当pH＞4.5时，总糖含量开始下降。糖化pH值对紫薯汁吸光度值变化的影响说明紫薯汁中花青苷含量随着pH值的逐渐增大呈现负相关的变化趋势。因此，综合两者糖化pH值以4.5为宜。

2.1.3 糖化酶添加量对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响

图3 糖化酶添加量对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响Fig.3 Effect of glucoamylase addition on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由图3可看出，紫薯汁总糖及花青苷含量与糖化酶添加量呈现基本相同的变化趋势。其他条件一定的条件下，随着糖化酶用量的增加，两者含量逐渐升高，在糖化酶量＞1.0%以后，随着糖化酶量的增加，两者含量几乎保持不变、均达到动态平衡。从经济角度考虑，糖化酶添加量以1.0%为宜。

2.1.4 糖化时间对紫薯汁总糖含量的影响

图4 糖化时间对紫薯汁总糖及花青苷含量的影响Fig.4 Effect of saccharification time on total sugar and anthocyanins content in purple potato juice

由图4可看出，其他条件一定的条件下，紫薯汁总糖含量随着时间的延长而逐渐升高，在2.0 h以后，随着时间的继续延长，紫薯汁总糖含量增加减慢并逐渐达到平衡。紫薯汁吸光度值随糖化时间的变化说明在0.5～2.5 h时花青苷随糖化时间的增加也呈现逐渐上升的趋势。从经济角度考虑，液化-糊化时间以≤2.0 h为宜。

2.2 紫薯汁糖化工艺优化试验

响应面法优化紫薯汁糖化工艺试验的试验结果见表2，回归模型方差分析见表3。

表2 糖化工艺优化响应面结果Table 2 Results of response surface methodology for saccharification process optimization

采用Design-Expert.8.06软件，对表2的数据进行回归拟合，以总糖含量（Y）为响应值，以糖化酶（X1）、糖化pH值（X2）、糖化时间（X3）和糖化温度（X4）为自变量，得回归方程如下：

表3 模型和回归系数显著性检验Table 3 Model and regression coefficient significance test

从表3可以看出，模型P＜0.000 1，表明模型达到了极显著水平，R2＝0.990 4，说明该模型对试验结果的拟合性较好。对紫薯汁糖化效果影响极显著的因素为X1、X2、X3、X4、X12、X22、X32、X42。对紫薯汁糖化过程总糖含量影响的大小依次为时间、糖化酶量、温度和pH值。

紫薯汁糖化试验的响应面分析图，各因素的交互作用见图5。由图5可知，X1X3交互作用对紫薯汁总糖含量的影响显著，X1X2、X1X4、X2X3、X2X4、X3X4交互作用对紫薯汁总糖含量的影响均不显著。

2.3 糖化工艺优化验证试验

经回归方程计算得到紫薯汁糖化的最佳工艺参数：温度61.08 ℃、pH值为4.46、糖化酶量1.15%、作用时间1.85 h。在此条件下紫薯汁总糖含量理论值为38.754 g/L。根据实际情况，将所得工艺参数修正为温度60 ℃、pH值为4.5、糖化酶量1.0%、糖化酶作用时间2.0 h。在此条件下，重复3次，紫薯汁总糖含量试验值为38.691 g/L（见表4），与理论值的相对误差为0.16%。验证试验结果表明，糖化得到的工艺参数可靠，具有实用价值。

表4 糖化工艺优化后紫薯汁总糖含量Table 4 Total sugar content in purple potato juice with saccharification process optimization

图5 各因素交互作用对紫薯汁总糖含量影响的响应面及等高线Fig.5 Response surface plot and contour line of effect of interactions among each factors on total sugar content of purple potato juice

3 结论

本试验对紫薯汁糖化工艺进行了研究，并考察了影响紫薯汁糖化效果的因素，结果表明，各因素对紫薯汁糖化的影响大小依次为时间、糖化酶量、温度和pH值。并得到紫薯汁糖化的最佳工艺参数：温度60 ℃、pH值为4.5、糖化酶添加量1.0%、糖化酶作用时间2.0 h。在此条件下，紫薯汁总糖含量达到38.691 g/L，为紫薯汁及薯类饮料制品的生产提供了科学的试验参考并具有一定的实践指导价值。

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