超聲波-酶法制備紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液研究

涂雪令，呂 芬，鄧 冕，盧曉黎*

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院食品工程系，四川 成都 610065)

超聲波-酶法制備紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液研究

涂雪令，呂 芬，鄧 冕，盧曉黎*

(四川大學(xué)輕紡與食品學(xué)院食品工程系，四川 成都 610065)

以福薯13為原料，研究超聲波-酶法制備紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液工藝條件。以紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)方法分別對(duì)超聲波和酶解工藝進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。超聲波處理工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為超聲波功率65W、溫度50℃、時(shí)間25min、料液比1:70(g/mL)，離心分離得到清液和沉淀物。以此沉淀物為處理對(duì)象進(jìn)行酶解，優(yōu)化得到酶解工藝參數(shù)為蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、酶解pH4.3、酶解溫度48℃、酶解時(shí)間65min、料液比1:16(g/mL)。離心分離后再次得到清液。將兩次得到的清液混合則制得紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液，經(jīng)測(cè)定其營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率為82.26%，即保存了新鮮紫甘薯中82.26%的特征營(yíng)養(yǎng)成分。

紫甘薯；營(yíng)養(yǎng)液；超聲波-酶法

Abstract：A process route based on ultrasonic treatment and double-enzyme (cellulase and acidic protease) hydrolysis was designed for the preparation of a nutrient solution with purple sweet potato Fushu 13 as the raw material. To maximize the comprehensive preservation rate of nutrients, which was designated following analytic hierarchy process (AHP) and weighted average methods, orthogonal array design and Box-Behnken experimental design combined with response surface methodology were employed to optimize key process parameters for ultrasonic treatment and double-enzyme hydrolysis, respectively. The optimal ultrasonic treatment parameters were found as follows:ultrasonic power 65 W; extraction temperature 50 ℃; length of extraction time 25 min; and solid/liquid ratio 1:70. The optimal conditions for the enzymatic hydrolysis of the centrifugal precipitate of purple sweet potato after ultrasonic treatment were as follows:acidic protease amount 1.5%; cellulase amount 1.5%; pH 4.3;hydrolysis temperature 48 ℃; hydrolysis duration 65 min; and solid/liquid ratio (g/mL) 1:16. The resultant hydrolysate was centrifugated and the supernntant was then harvested and pooled with the centrifugal supernatant of purple sweet potato after ultrasonic treatment. Finally, a purple sweet potato based nutrient solution was obtained. Its comprehensive preservation rate of nutrients was measured to be 82.26%, namely 82.26% of the main nutrients in fresh purple sweet potato are preserved.

Key words：purple sweet potato；nutrient solution；ultrasonic treatment coupled with enzymatic hydrolysis

紫甘薯含有豐富的花青素、糖蛋白、脂多糖、脫氫表雄酮以及礦物質(zhì)、維生素、膳食纖維等多種營(yíng)養(yǎng)成分，具有抗氧化、抗腫瘤、清除自由基、預(yù)防心血管疾病、預(yù)防糖尿病等保健功能[1]，受到國(guó)內(nèi)外食品研究領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的廣泛關(guān)注。超聲波提取技術(shù)是利用其產(chǎn)生的空化作用、機(jī)械振動(dòng)等效應(yīng)加大提取過程的傳質(zhì)效率，使細(xì)胞組織中的營(yíng)養(yǎng)成分迅速釋放，以提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的提取效率[2]，具有操作簡(jiǎn)便、溫度低、效率高、提取物結(jié)構(gòu)不易被破壞等特點(diǎn)，已廣泛用于天然植物有效成分提取[3-4]。本實(shí)驗(yàn)以福薯13為原料，研究超聲波-酶法制備紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液(簡(jiǎn)稱紫薯液)的工藝條件，旨在為紫薯液的制備研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

福薯13(其營(yíng)養(yǎng)成分見表1) 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院；酸性蛋白酶(酶活20000U/g) 武漢生發(fā)生物科技有限公司；纖維素酶(酶活10000U/g) 肇東市日成酶制劑有限公司。

KH2200B超聲波處理器 昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；LC-10A高效液相色譜 島津分析儀器有限公司；TU-1800PC型紫外-可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；實(shí)驗(yàn)室其他常用儀器。

表1 福薯13營(yíng)養(yǎng)成分Table 1 Nutrient composition of purple sweet potato Fushu 13

表2 操作方法Table 2 Details of process steps for the preparation of purple sweet potato based nutrient solution

1.2 紫薯液制備工藝及操作方法

紫薯液制備工藝的具體操作方法見表2。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

以紫薯液綜合保全率為綜合評(píng)價(jià)值，綜合評(píng)價(jià)值通過層次分析法(AHP)和加權(quán)平均法確定[5-8]。

以花青素保全率F1、可溶性蛋白質(zhì)保全率F2、游離氨基酸保全率F3、可溶性膳食纖維保全率F4、有機(jī)酸保全率F5及脫氫表雄酮保全率F6作為獨(dú)立指標(biāo)，通過AHP構(gòu)造判斷矩陣確定上述各獨(dú)立指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，判斷矩陣為：

表3為標(biāo)度比率，其中每一個(gè)值代表每?jī)蓚€(gè)獨(dú)立指標(biāo)之間的重要性比較。根據(jù)表3的標(biāo)度和評(píng)定小組成員評(píng)價(jià)意見得到量化判斷矩陣，結(jié)果為：

表3 AHP 1～9標(biāo)度比率[6]Table 3 Assigned values for relative importance rates in AHP

通過量化矩陣B的特征向量計(jì)算及特征向量標(biāo)準(zhǔn)化得到各獨(dú)立指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為0.2647、0.0881、0.0773、0.1261、0.0563、0.3874，特征向量對(duì)應(yīng)的近似最大特征值λmax=6.2548。通過隨即一致性指標(biāo)CR進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[5]，計(jì)算得到CR=0.0411＜0.1，即一致性檢驗(yàn)合格，評(píng)判合理。

通過各指標(biāo)與其對(duì)應(yīng)權(quán)重相乘再加和，得出紫薯液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率計(jì)算公式為：

式中：N為綜合保全率/%；F1為花青素保全率/%；F2為可溶性蛋白質(zhì)保全率/%；F3為游離氨基酸保全率/%；F4為可溶性膳食纖維保全率/%；F5為有機(jī)酸保全率/%；F6為脫氫表雄酮保全率/%。

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

可溶性膳食纖維含量按GB/T 5009.88—2008《食品中膳食纖維的測(cè)定》中規(guī)定測(cè)定?？扇苄缘鞍缀坎捎秒p縮脲法(Biuret法)[9]測(cè)定?；ㄇ嗨睾坎捎檬静罘y(cè)定[10-11]。脫氫表雄酮含量采用高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定[12]，檢測(cè)條件：檢測(cè)波長(zhǎng)215nm；柱子：C18柱；流動(dòng)相：甲醇:水=8:2(V/V)；柱溫室溫；流速0.6mL/min；進(jìn)樣量10μL。有機(jī)酸含量采用滴定法測(cè)定[9]。游離氨基酸含量采用茚三酮顯色法測(cè)定[9]，其中氨基酸標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

圖1 氨基酸標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve for quantifying free amino acids

1.5 超聲波處理工藝優(yōu)化

1.5.1 單因素試驗(yàn)

主要研究超聲波功率、溫度、時(shí)間、料液比等因素對(duì)紫薯液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率的影響，具體水平見表4。

表4 單因素水平表Table 4 Factors and levels in the single factor design for optimizing ultrasonic treatment

1.5.2 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見表5。

表5 正交試驗(yàn)因素水平表Table 5 Factors and levels in the orthogonal array design for optimizing ultrasonic treatment

1.6 酶解工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在酶解工序中，酶解對(duì)象是一次離心分離所得到的沉淀物，其主要營(yíng)養(yǎng)成分見表6。

表6 沉淀物中主要營(yíng)養(yǎng)成分Table 6 Major nutrients in the centrifugal precipitate of purple sweet potato after ultrasonic treatment

試驗(yàn)中采用Box-Benhnken試驗(yàn)方法[13-16]研究蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酶解pH值、酶解溫度、酶解時(shí)間及料液比6個(gè)因素對(duì)所得清液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率的影響。根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，將上述6個(gè)影響因素分別以X1、X2、X3、X4、X5、X6表示，每個(gè)自變量按上水平、零水平、下水平3個(gè)水平設(shè)計(jì)，分別以－1、0、1進(jìn)行編碼，其因素水平及編碼見表7。

表7 Box-Benhnken試驗(yàn)因素水平編碼Table 7 Factors and levels in the Box-Benhnken experimental design for optimizing double-enzyme hydrolysis

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波處理工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析

2.1.1 單因素試驗(yàn)

圖2 各單因素對(duì)綜合保全率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power, temperature, ultrasonic treatment and solid/liquid ratio on the comprehensive preservation rate of nutrients

由圖2(A)可知，隨著超聲波功率的增大，紫薯液綜合保全率逐漸增大，當(dāng)功率為60W時(shí)綜合保全率達(dá)到最高值，這是因?yàn)殡S著功率的增大，超聲波所產(chǎn)生的空化作用和機(jī)械振動(dòng)等效應(yīng)增強(qiáng)，促使更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放并擴(kuò)散至溶劑中。但在超聲波功率超過60W后，綜合保全率有所下降，這可能是由于功率過大，超聲處理時(shí)瞬間熱效應(yīng)過于明顯，使得淀粉糊化阻礙了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出。由圖2(B)可知，處理溫度在50℃時(shí)綜合保全率趨于最大，溫度高于50℃后綜合保全率呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)楦邷叵碌矸垡装l(fā)生糊化，從而影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的溶出，另外高溫下紫甘薯中熱敏性成分遭到破壞也造成綜合保全率的下降。由圖2(C)可知，綜合保全率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，當(dāng)超過25min后，綜合保全率趨于常量。對(duì)于一定質(zhì)量的物料而言，溶劑用量增加時(shí)，物料與溶劑接觸界面處的濃度差增加，傳質(zhì)速率提高，提取率增大。由圖2(D)可知，當(dāng)料液比為1:80(g/mL)時(shí)綜合保全率達(dá)到最大值。

2.1.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)選出各因素水平(如1.5.2節(jié)中表5所示)進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)，其結(jié)果見表8。

表8 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 8 Arrangement and experimental results of the orthogonal array design for optimizing ultrasonic treatment

由表8極差(R)大小可以看出，超聲波處理過程中各因素對(duì)綜合保全率影響的主次順序?yàn)锽＞C＞A＞D，即溫度＞時(shí)間＞超聲波功率＞料液比。由指標(biāo)均值可優(yōu)化出超聲波處理工藝參數(shù)為A3B2C2D1，即超聲波功率65W、溫度50℃、時(shí)間25min、料液比1:70(g/mL)。此條件下，所得清液的綜合保全率為41.03%。

2.2 酶解工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析

根據(jù)Box-Benhnken試驗(yàn)方法及因素水平表7得到酶解工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果，見表9。

分析圖3和表10可知，酶解過程中各因素對(duì)紫薯液綜合保全率影響的主次順序?yàn)榈鞍酌纲|(zhì)量分?jǐn)?shù)≈纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞酶解溫度＞酶解時(shí)間＞酶解pH值＞料液比。根據(jù)表10的二次回歸模型參數(shù)分析結(jié)果，得到以蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)、酶解溫度、酶解時(shí)間、酶解pH值、料液比等參數(shù)為變量，綜合保全率為響應(yīng)值的二次回歸模型為：

模型相關(guān)系數(shù)R2為92.76%，說明回歸模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度較高，因此可用此模型對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

圖3 各因素與響應(yīng)值的關(guān)系Fig.3 Relationship between reaponse value and affecting factors

通過SAS軟件對(duì)上述模型進(jìn)行嶺跡分析，得到方程最大穩(wěn)定點(diǎn)，穩(wěn)定點(diǎn)處各因素水平值為蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、酶解pH4.3、酶解溫度48℃、酶解時(shí)間65min、料液比1:16(g/mL)，通過模型計(jì)算此處綜合保全率預(yù)測(cè)值為90.18%。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，酶解所得清液的營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率為89.78%，與預(yù)測(cè)值吻合程度較高。

2.3 紫薯液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率測(cè)定結(jié)果

將兩次離心分離得到的清液混合則制得紫薯液。對(duì)紫薯液營(yíng)養(yǎng)成分保全率進(jìn)行測(cè)定得到：花青素保全率97.38%、可溶性蛋白保全率86.45%、游離氨基酸保全率150.18%、有機(jī)酸保全率86.12%、脫氫表雄酮保全率63.62%、可溶性膳食纖維保全率61.58%。將以上測(cè)定結(jié)果代入紫薯液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率計(jì)算公式，計(jì)算得到紫薯液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率為82.26%。

表9 酶解工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 9 Arrangement and experimental results of the Box-Benhnken experimental design for optimizing double-enzyme hydrolysis

表10 酶解工藝優(yōu)化二次回歸模型參數(shù)Table 10 Significance test for each regression coefficient of the developed quadratic regression model with the comprehensive preservation rate of nutrients as a function

3 結(jié) 論

以福薯13為原料，以紫甘薯營(yíng)養(yǎng)液營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)和Box-Behnken試驗(yàn)方法分別對(duì)超聲波和酶解過程進(jìn)行優(yōu)化得到以下結(jié)果：

3.1 超聲波處理過程中各因素對(duì)綜合保全率影響的主次順序：溫度＞時(shí)間＞超聲波功率＞料液比。酶解過程中各因素對(duì)綜合保全率影響的主次順序：蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)≈纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞酶解溫度＞酶解時(shí)間＞酶解pH值＞料液比。

3.2 超聲波處理工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為超聲波功率65W、溫度50℃、時(shí)間25min、料液比1:70(g/mL)，離心分離得到清液和沉淀物。以此沉淀物為對(duì)象進(jìn)行酶解處理，優(yōu)化得到酶解工藝參數(shù)為蛋白酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、纖維素酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、酶解pH4.3、酶解溫度48℃、酶解時(shí)間65min、料液比1:16(g/mL)，離心分離后再次得到清液。將兩次得到的清液混合則制得紫薯液，經(jīng)測(cè)定其營(yíng)養(yǎng)成分綜合保全率為82.26%，即保存了新鮮紫薯中82.26%的特征營(yíng)養(yǎng)成分。

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Ultrasonic Treatment Coupled with Enzymatic Hydrolysis for Preparing Purple Sweet Potato Based Nutrient Solution

TS210.4

A

1002-6630(2010)18-0182-06

2010-07-05

涂雪令(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称芳庸づc保藏應(yīng)用技術(shù)。E-mail：cqfjtxl@126.com

*通信作者：盧曉黎(1954—)，男，教授，本科，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)與工程技術(shù)。E-mail：LXL8628@163.com