食用木薯饮料加工中酶解关键工艺优化

李明娟，张雅媛，游向荣，周葵，王颖，卫萍

1.广西农业科学院农产品加工研究所（南宁 530007）；2.广西果蔬贮藏与加工新技术重点实验室（南宁 530007）

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯类和六大粮食作物之一，广泛种植于非洲、亚洲和美洲100多个国家的热带和亚热带地区，因其块根中含有丰富的淀粉，而被誉为“淀粉之王”和“地下粮食”[1-4]。依据Bolhuis划分标准，将鲜薯氰化物含量＜50 mg/kg的可鲜食木薯称为食用木薯，也叫甜味木薯[5]。食用木薯块根营养丰富，富含淀粉、膳食纤维、多种维生素及矿物质，且低脂、低糖、低盐，饱腹感强，利于控制体重增长，具有改善肠胃微环境、调节心律、维持酸碱平衡等功效[6-10]，属于优质杂粮。

随着人们生活水平不断提高，因“营养过剩”而导致营养失衡现象越来越明显，“现代营养不良症”也正悄悄向已经富裕起来的人们逼近。在此势头下，消费者对膳食营养均衡意识也在不断提高。杂粮饮料通过采用现代食品高新技术加工而成，不仅能够充分保留原料中的营养成分，具有代餐功能，并且口感好，饮用方便，易于吸收，助于膳食均衡，符合现代生活快节奏和健康饮食的需求而成为饮料行业的新宠，受消费者欢迎，因此，食用木薯饮料的生产及开发有着巨大的市场潜力。

然而，木薯富含淀粉，加工成饮料会有沙砾口感，且在贮藏过程中极易出现“老化”沉淀、析水等现象，导致饮料口感、风味及品质下降[11-13]，影响食用木薯饮料的市场接受度。为了提高产品质量，解决薯类杂粮饮料中淀粉含量高的难题，前人已经进行了一些研究，刘畅[14]采用耐高温α-淀粉酶对华农8号木薯饮料酶解工艺进行了优化研究，结果表明最佳酶用量为60 U/g、温度90 ℃、时间2.5 h、自然pH；刘畅等[15]采用正交试验研究了150 U/g果胶酶+100 U/g耐高温α-淀粉酶对甜木薯汁澄清工艺的影响，结果为：最佳温度50 ℃、pH 4.5、时间4 h；李忠海等[16]采用响应面法研究了甘薯汁酶解最佳工艺条件为：耐高温α-淀粉酶用量55 U/mL、酶解时间80 min、温度90 ℃，但前人尚未对耐高温α-淀粉酶和糖化酶联合酶解工艺进行系统研究。研究以华南9号食用木薯为原料，在制备食用木薯饮料过程中，采用耐高温α-淀粉酶和糖化酶二步法双酶联合酶解技术，通过单因素和正交试验设计确定制备木薯饮料的最优酶解工艺条件，为食用木薯饮品深加工技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

华南9号食用木薯，采自广西南宁市武鸣县；耐高温α-淀粉酶（酶活力20 000 U/g）、糖化酶（酶活力50 000 U/g）、食用级NaOH、柠檬酸，均为食品级，郑州苍宇化工产品有限公司；无水葡萄糖、NaOH、3,5-二硝基水杨酸、酒石酸钾钠、苯酚、亚硫酸钠，均为分析纯，广西南宁泰诺生物工程有限公司。

BC/BD-500HA海尔冰柜，青岛海尔特种电冰柜有限公司；JYL-Y20破壁打浆机，九阳股份有限公司；JM-L50胶体磨，郑州玉祥食品机械有限责任公司；WJ-3A恒温水浴锅，常州市伟嘉仪器制造有限公司；101-2AB型电热鼓风干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；TU-1810紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；美的电磁炉，广东美的集团股份有限公司；6350酸度计，上海任氏电子有限公司；PAL-1糖度计，广州市爱宕科学仪器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 食用木薯饮料制备工艺流程

原料挑选→冲洗→去皮→清洗→切块→冻藏→解冻→打浆→胶体磨→耐高温α-淀粉酶酶解→灭酶→糖化酶酶解→杀菌→灌装→成品

1.2.2 操作要点及试验设计

1.2.2.1 原料前处理

选择刚采收的新鲜、无病虫害、无腐烂变质的木薯块根，除掉泥土后用自来水冲洗干净；用不锈钢刀切除木薯块根两头两尾，去皮（包括外内和内皮），用自来水清洗干净；将去皮的木薯块根切成大小约为3 cm×2 cm×2 cm的块状，置于-18 ℃冰柜中冻藏备用；将冻藏的木薯块取出解冻，按料液比1∶6加水打浆3 min，过2次胶体磨进一步细化得到木薯浆。

1.2.2.2 耐高温α-淀粉酶酶解条件的研究

采用耐高温α-淀粉酶对木薯浆进行酶解处理，考察单因素酶用量（20，40，60，80和100 U/g）、酶解温度（60，70，80，90和100 ℃）和酶解时间（30，60，90，120和150 min）对木薯浆葡萄糖当量DE值的影响；在单因素试验基础上，以木薯浆葡萄糖当量DE值为考察指标，设计酶用量、酶解温度和酶解时间三因素三水平正交试验（见表1），优化确定最佳酶解工艺参数。

1.2.2.3 糖化酶酶解条件的研究

经耐高温α-淀粉酶酶解后的木薯汁，加热沸腾10 min灭酶，冷却后用糖化酶进行酶解，以饮料可溶性固形物含量为考察指标，分别进行酶用量（80，120，160，200和240 U/g）、酶解温度（40，50，60，70和80 ℃）、酶解时间（60，90，120，150和180 min）和酶解pH（4.0，4.5，5.0，5.5和6.0）等单因素试验研究；以优选出的单因素范围为基础，设计四因素三水平正交试验（见表2），确定最优糖化酶酶解条件。

表1 α-淀粉酶酶解正交试验因素及水平

表2 糖化酶酶解正交试验因素及水平

1.2.2.4 后续处理

将糖化酶酶解后的木薯饮料进行巴氏灭菌、灌装即得成品。

1.2.3 测定指标

1.2.3.1 木薯浆DE值

1) 木薯浆还原糖含量：参照3,5-二硝基水杨酸比色法测定[17]。

2) 木薯浆总固形物含量：量取5 ml木薯浆，置于105 ℃的鼓风干燥箱中烘干至恒重，总固形物含量=干物质含量/被测体积×100%。

3) 木薯浆DE值=还原糖含量/总固形物含量×100%，每个样品重复3次取平均值[18]。

1.2.3.2 木薯饮料可溶性固形物含量

采用糖度计进行测定，每个样品重复3次取平均值。

1.2.4 数据统计分析

采用DPS 7.05和Excel 2003软件对试验数据进行处理分析并制图。

2 结果与分析

2.1 食用木薯浆α-淀粉酶酶解工艺优化

2.1.1 α-淀粉酶用量对食用木薯浆DE值的影响

α-淀粉酶属于内切酶，随机、无规律的切断淀粉分子内部α-1,4糖苷键，水解最终产物主要是糊精、麦芽糖和少量的葡萄糖[19]。考察了不同耐高温α-淀粉酶用量20，40，60，80和100 U/g对木薯浆DE值（Dextrose Equivalent，葡萄糖当量）的影响，从图1可知，木薯浆DE值随着加酶量的增加而呈现倒“V”型的抛物线变化趋势，即DE值先增加，至加酶量60 U/g时，出现最高点，DE值最大；之后DE值下降，说明当底物浓度达到一定浓度时，底物吸附的酶分子达到饱和，酶的用量增加继续，只会减少单位酶的作用底物，降低淀粉的水解程度；由方差分析结果可知，加酶量为40，60和80 U/g的木薯浆DE值差异不显著。因此，选取α-淀粉酶用量40，60和80 U/g进行下一步正交试验。

图1 α-淀粉酶用量对食用木薯浆DE值的影响

2.1.2 酶解温度对食用木薯浆DE值的影响

酶解温度直接影响酶活力的大小，酶解温度过高或过低，酶活性都将受到影响，只有在α-淀粉酶最适温度范围内进行酶解，其效果才最好。考察了不同酶解温度60，70，80，90和100 ℃对木薯浆DE值的影响，由图2可知，随着酶解温度的升高，木薯浆DE值先增加后减少，在酶解温度达到90 ℃时DE值达到最高值；酶解温度大于90 ℃后DE值略有降低，可能是因为耐高温α-淀粉酶酶解木薯浆的最适温度为90 ℃左右。因此，选择酶解温度控制在90 ℃左右进行下一步正交试验。

图2 酶解温度对食用木薯浆DE值的影响

2.1.3 酶解时间对食用木薯浆DE值的影响

研究考察了不同酶解时间30，60，90，120和150 min对木薯浆DE值的影响，由图3可知，随着酶解时间的延长，木薯浆DE值先升高，至酶解时间达到90 min时DE值最大；之后略有降低，但酶解90～150 min之间的木薯浆DE值差异不显著，下降幅度不大。为节省生产成本，酶解时间控制在90 min左右为宜。

2.1.4 α-淀粉酶酶解正交试验结果

在单因素试验基础上，对耐高温α-淀粉酶用量、酶解温度和酶解时间进行正交优化试验，确定木薯浆最佳酶解工艺条件。由表3中α-淀粉酶酶解正交试验结果可知，极差R值大小为C＞B＞A，即酶解工艺条件对木薯浆DE值的影响因素主次顺序为酶解时间＞酶解温度＞酶用量；由k值可知，最佳组合条件为A3B1C3，即耐高温α-淀粉酶用量为80 U/g、酶解温度85 ℃、酶解时间为120 min，该组合即为正交试验设计中的试验号7，在此工艺条件下制备的木薯浆DE值最高为30.34%，显著优于其他试验号DE值（p＜0.05）。

图3 酶解时间对食用木薯浆DE值的影响

表3 α-淀粉酶酶解正交试验结果

2.2 食用木薯饮料糖化酶酶解工艺优化

2.2.1 糖化酶用量对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，属于外切酶，能水解α-1,4、α-1,6和α-1,3糖苷键，可进一步分解耐高温α-淀粉酶液化生成的糊精、麦芽糖，酶解最终产物为葡萄糖，可增加木薯饮料产品甜度，并赋予饮料独特的风味[20-21]。可溶性固形物是糖化酶酶解效果的重要指标，既反映了木薯浆中大分子物质的分解程度，也是后续加工是否需要添加白砂糖的重要依据。考察了不同糖化酶用量80，120，160，200和240 U/g对木薯饮料可溶性固形物含量的影响，从图4可知，木薯饮料可溶性固形物含量随着糖化酶用量的增大，基本呈上升趋势，当酶用量为200 U/g时，木薯饮料可溶性固形物含量最大，与酶用量160 U/g和240 U/g的差异不显著，说明酶用量增大有利于木薯饮料中大分子物质更充分的水解，产生更多的可溶性小分子物质，但酶用量增大到一定程度时达到饱和，可溶性固形物含量增加幅度不大。因此，选择较适合的加酶量160，200和240 U/g进行正交试验。

图4 糖化酶用量对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

2.2.2 酶解温度对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

研究考察了不同酶解温度40，50，60，70和80 ℃对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响，由图5可知，随着酶解温度的升高木薯饮料可溶性固形物含量呈先升高后降低的变化趋势，当酶解温度在40～60 ℃时，糖化酶的活性逐渐增强，木薯饮料可溶性固形物含量不断升高，酶解效果不断变好，至60 ℃时木薯饮料可溶性固形物含量最大；当温度超过60 ℃，酶活力受到高温抑制而下降，木薯饮料可溶性固形物含量下降。因此，在糖化酶酶解过程中应尽量使反应体系的温度控制在60 ℃左右。

图5 酶解温度对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

2.2.3 酶解时间对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

食用木薯饮料的糖化程度与糖化酶酶解时间有很大的关系，若酶解时间过短，糖化过程不完全，达不到最佳糖化效果；若糖化时间过长，糖化周期延长，则成本增加。研究考察了不同酶解时间60，90，120，150和180 min对木薯饮料可溶性固形物含量的影响，由图6可知，随着酶解时间的延长，木薯饮料可溶性固形物含量呈不断升高的趋势，60～120 min木薯饮料可溶性固形物含量迅速升高，酶解速率很快；120 min后木薯饮料可溶性固形物含量增长速率相对稳定，虽有增加，但增加幅度不大，酶解120，150和180 min的木薯饮料可溶性固形物含量差异不显著。因此，选取酶解时间120，150和180 min进行下一步正交试验。

图6 酶解时间对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

2.2.4 酶解pH对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

糖化酶活力受pH的影响，在最适pH范围内，糖化酶活力最大，低于或超过最适pH范围条件下，酶活力均受到抑制而下降，甚至失活。研究考察了酶解pH为4.0，4.5，5.0，5.5和6.0条件下木薯饮料可溶性固形物含量的变化规律，由图7可知，随着酶解pH增加，木薯饮料可溶性固形物含量先升高，至pH为4.5时达到最大值，之后下降；酶解pH为4.0，4.5和5.0的木薯饮料可溶性固形物含量差异不显著。因此，糖化酶酶解的最佳pH范围为4.0～5.0，列入下一步正交试验的pH考察范围。

图7 酶解pH对食用木薯饮料可溶性固形物含量的影响

2.2.5 糖化酶酶解正交试验结果

在单因素试验基础上，对糖化酶用量、酶解温度、酶解时间和酶解pH进行四因素三水平正交优化试验，以饮料可溶性固形物含量为考察指标，确定食用木薯饮料最佳糖化酶酶解工艺条件。由表4正交试验结果中各因素的R和k值大小可知，极差R值大小为A＞D＞B＞C，说明糖化酶用量对木薯饮料可溶性固形物含量的影响最大，其次为酶解pH，然后是酶解温度和酶解时间；据k的最大值确定最优水平为A3B1C3D2，即糖化酶用量为240 U/g、酶解温度55 ℃、酶解时间为180 min、酶解pH为4.5，该组合即为正交试验设计中的试验号7，在此工艺条件下制备的木薯饮料可溶性固形物含量为9.33%，显著优于其他试验号可溶性固形物含量（p＜0.05）。在此工艺条件下制备的食用木薯饮料为淡黄色，具有浓郁的木薯风味，口感顺滑细腻、酸甜适中，流动性好、无沉淀、无分层。

表4 糖化酶酶解正交试验结果

3 讨论与结论

木薯富含淀粉，制备成饮料冷却降温后，已糊化的淀粉分子运动减慢，淀粉分子之间以氢键形式相互作用，重新形成微胶束，导致体系发生析水、沉淀、老化回生等不稳定现象[22]，采用α-淀粉酶对木薯浆进行酶解液化，从淀粉分子内部切开α-1,4-糖甘键，使部分淀粉水解生成小分子糖，对解决饮料产品不稳定现象具有一定的缓解作用[16,19]。研究采用耐高温淀粉酶对木薯浆最佳酶解工艺条件进行了优化研究，结果表明，最佳酶用量为80 U/g、酶解温度85 ℃、酶解时间120 min，在此工艺条件下制备的木薯汁DE值最高为30.34%，显著高于其他处理组DE值（p＜0.05）。

经耐高温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质，不利于饮料的稳定，因此还需进一步糖化水解，糖化酶可将这些大分子物质水解成单糖，达到进一步改善饮料稳定性的目的，同时还可以增加饮料的甜味[23]。研究采用单因素和正交试验设计，对木薯饮料糖化酶酶解工艺参数进行了优化，结果表明，最佳糖化酶用量为240 U/g、酶解温度55 ℃、酶解时间180 min、酶解pH为4.5，在该工艺条件下制备的食用木薯饮料色泽淡黄、风味浓郁、口感细腻、组织状态好，其可溶性固形物含量高达9.33%（p＜0.05），不需要添加白砂糖等甜味剂就可达到消费者喜欢的口味要求，可大大降低生产成本。

研究以新鲜华南9号食用木薯为原料，采用耐高温α-淀粉酶和糖化酶二步法双酶联合酶解技术开发风味独特、口感新颖的食用木薯饮料产品，为木薯深加工利用提供了新思路，可延长木薯产业链，提高其经济效益，开发利用前景广阔。