酶法降解魔芋葡甘聚糖工藝研究

唐曉東，孫瑩瑩，李 瑜，馬 俊，高海娜，成 群

（安康市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西安康 725000）

0 引言

魔芋主要活性成分是葡甘聚糖，占干質(zhì)量的50%～60%，由葡萄糖和甘露糖結(jié)合構(gòu)成，分子量達(dá)20 萬～ 200 萬，黏度達(dá)6 000～22 000 mPa·s。是優(yōu)質(zhì)膳食纖維，為人體第七大營(yíng)養(yǎng)素。魔芋的黏結(jié)性使其被廣泛應(yīng)用于凝精粉食品當(dāng)中[1]，而隨著食品工業(yè)科技的發(fā)展，需要擴(kuò)大在糧食加工品、方便食品、飲料、餅干等各類產(chǎn)品中的應(yīng)用，然而魔芋的高黏度特性便成為影響產(chǎn)品生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)的一個(gè)不利因素。張迎慶等人[2]研究了纖維素酶對(duì)葡甘聚糖進(jìn)行酶法降解形成魔芋葡甘低聚糖的工藝條件，發(fā)現(xiàn)纖維素酶能較好地對(duì)葡甘聚糖起到降解作用。陶興無等人[3]采用β -葡聚糖酶魔芋葡甘聚糖進(jìn)行降解，并通過控制水解時(shí)間和降解產(chǎn)物的分子量范圍，得到了預(yù)期分子量范圍的魔芋葡甘低聚糖[4-10]。研究旨在解決魔芋精粉在糧食加工品、方便食品、飲料、餅干等各類產(chǎn)品中的黏度高、口感差、不易加工等關(guān)鍵性技術(shù)難題，一方面擴(kuò)大魔芋產(chǎn)品的類型，豐富魔芋食品的市場(chǎng)，提高魔芋的附加值；另一方面提高魔芋葡甘聚糖在食品中的含量，使其發(fā)揮更大的保健功效。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原料與試劑

魔芋精粉，湖北美力集團(tuán)提供；工業(yè)酒精，無水乙醇（分析純），纖維素酶，β -葡聚糖酶、甘露糖酶（酶活大于15 000 U/g）。

1.2 設(shè)備儀器

J-20 型超級(jí)恒溫水浴、JJ-1 型電動(dòng)攪拌器、過濾器（100 目）、ZK-82A 型真空干燥箱、NDJ-1 型數(shù)字黏度計(jì)、離心機(jī)等。

2 試驗(yàn)方法

2.1 不同種類酶對(duì)魔芋葡甘聚糖降解的影響

準(zhǔn)備8 個(gè)燒杯，分別量取500 mL 超純水，置于磁力攪拌器上，稱取5 g 魔芋精粉，倒入燒杯中，邊加邊攪拌，5 min 后取下，用數(shù)字黏度計(jì)測(cè)定其黏度值后，再按照0.2%（W/V）的量分別加入不同種類的酶，繼續(xù)于磁力攪拌器上攪拌30 min 后取下，用數(shù)字黏度計(jì)分別測(cè)定黏度值，同時(shí)準(zhǔn)備一組不加酶的作為空白對(duì)照。

2.2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 不同魔芋精粉質(zhì)量濃度對(duì)魔芋葡甘聚糖降解的影響

在魔芋精粉質(zhì)量濃度為5，10，15，20，25 g/L，酶添加量為2%，攪拌時(shí)間30 min，反應(yīng)溫度為35 ℃，研究魔芋精粉質(zhì)量濃度對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.2 不同酶添加量對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響

在魔芋精粉質(zhì)量濃度為10 g/L，酶添加量為2%，4%，6%，8%，10%，攪拌時(shí)間30 min，反應(yīng)溫度為35 ℃，研究酶添加量對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.3 不同攪拌時(shí)間對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響

魔芋精粉質(zhì)量濃度為10 g/L，酶添加量為2%，攪拌時(shí)間為20，30，40，50，60 min，反應(yīng)溫度為35 ℃，研究攪拌時(shí)間對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.4 不同反應(yīng)溫度對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響

魔芋精粉質(zhì)量濃度為10 g/L，酶添加量為2%，反應(yīng)溫度為20，25，30，35，40 ℃，攪拌時(shí)間為30 min，研究反應(yīng)溫度對(duì)魔芋葡甘聚糖黏度的影響。

2.2.5 正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果的分析，綜合考慮各因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取其中對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果影響較大的因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。選用三因素三水平的響應(yīng)面分析的方法對(duì)魔芋葡甘低聚糖的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，使用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。

2.3 降解物的分離提純

向酶解液中加入酶解液2 倍量的95%乙醇，開動(dòng)電動(dòng)攪拌器反復(fù)攪拌洗滌，有白色沉淀生成。以轉(zhuǎn)速4 000 r/min 離心15 min，過濾去除雜質(zhì)（蛋白質(zhì)、脂類、寡糖等）并脫水干燥，取濾渣于80 ℃真空干燥，即得魔芋葡甘低聚糖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種類酶對(duì)魔芋葡甘聚糖降解的影響

通過對(duì)同一質(zhì)量濃度的魔芋精粉溶液添加纖維素酶、β -葡聚糖酶、甘露糖酶、纖維素酶+β -葡聚糖酶（1∶1）、纖維素酶+甘露糖酶（1∶1）、β -葡聚糖酶+甘露糖酶（1∶1）、纖維素酶+β -葡聚糖酶+甘露糖酶（1∶1∶1），考查不同的單一酶和復(fù)合酶對(duì)精粉黏度降解的影響。

不同種類酶作用下的酶解液黏度見圖1。

圖1 不同種類酶作用下的酶解液黏度

由圖1 可知，質(zhì)量濃度為10 g/L 的魔芋精粉的黏度可達(dá)7 000 mPa·s 以上，在不同酶的作用下水解0.5 h，黏度均會(huì)不同程度地降低，其中β -葡聚糖酶的作用效果最強(qiáng)，黏度可降至630 mPa·s，酶解液的黏度降低幅度達(dá)到90%以上，甘露糖酶的作用最弱，酶解液的黏度降低幅度達(dá)到60%左右。而對(duì)照（不加酶）組的溶液黏度基本不變，說明純化后的魔芋精粉（純化粉）原料中基本沒有天然水解酶活性。

3.2 不同酶添加量對(duì)精粉黏度降解的影響

通過對(duì)同一質(zhì)量濃度的魔芋精粉溶液添加不同酶添加量，考查酶添加量對(duì)精粉黏度降解的影響。

酶添加量對(duì)魔芋精粉黏度降解的影響見圖2。

圖2 酶添加量對(duì)魔芋精粉黏度降解的影響

由圖2 可知，在相同條件下，同一底物質(zhì)量濃度的魔芋精粉溶液，黏度相同；魔芋精粉的黏度隨著酶添加量的增加而降低。

3.3 不同魔芋精粉質(zhì)量濃度對(duì)精粉黏度降解的影響

通過對(duì)不同質(zhì)量濃度的魔芋精粉溶液添加相同酶量，考查底物質(zhì)量濃度對(duì)精粉黏度降解的影響。

魔芋精粉質(zhì)量濃度對(duì)精粉黏度降解的影響見圖3。

由圖3 可知，魔芋精粉的黏度隨著底物質(zhì)量濃度的增大而升高，魔芋精粉黏度降低程度隨著底物質(zhì)量濃度增大而增強(qiáng)。

圖3 魔芋精粉質(zhì)量濃度對(duì)精粉黏度降解的影響

3.4 不同反應(yīng)溫度對(duì)精粉黏度降解的影響

通過在同一質(zhì)量濃度的魔芋精粉溶液添加相同酶量，測(cè)定不同溫度下酶解后魔芋膠的黏度，考查反應(yīng)溫度對(duì)精粉黏度降解的影響。

反應(yīng)溫度對(duì)魔芋精粉黏度降解的影響見圖4。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)魔芋精粉黏度降解的影響

魔芋精粉的黏度隨著反應(yīng)溫度的升高而降低，且溫度越高，黏度降低程度越大，在反應(yīng)溫度為35 ℃時(shí)為最佳。

3.5 不同攪拌時(shí)間對(duì)精粉黏度降解的影響

通過在同一質(zhì)量濃度的魔芋精粉溶液添加相同酶量，測(cè)定不同攪拌時(shí)間下酶解后魔芋膠的黏度，考查攪拌時(shí)間對(duì)精粉黏度降解的影響。

攪拌時(shí)間對(duì)精粉黏度降解的影響見圖5。

圖5 攪拌時(shí)間對(duì)精粉黏度降解的影響

由圖5 可知，魔芋精粉的黏度降解程度隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

3.6 降解物的分離提純

將酶解液經(jīng)過提取、醇沉、干燥、粉粹等一系列的工藝技術(shù)，得到的魔芋葡甘低聚糖產(chǎn)物。

乙醇沉淀后的降解產(chǎn)物見圖6。

圖6 乙醇沉淀后的降解產(chǎn)物

由圖6 可知，采用95%乙醇溶液對(duì)降解液進(jìn)行沉淀的方法對(duì)降解產(chǎn)物具有一定的分離純化作用。

4 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：①β -葡聚糖酶的作用最強(qiáng)，甘露糖酶的作用最弱；②當(dāng)魔芋精粉黏度相同時(shí)，不同酶添加量進(jìn)行降解后，酶添加量越高，黏度降解的越低；當(dāng)魔芋精粉黏度不同而酶添加量相同時(shí)，黏度越高，降解程度越大；③魔芋精粉黏度降解過程中，底物質(zhì)量濃度和添加酶量是影響魔芋精粉黏度降解程度的重要因素；④魔芋精粉中主要成分是葡甘聚糖，酶液中的葡甘聚糖酶對(duì)大分子的葡甘聚糖具有特異性的降解作用，可以將大分子的葡甘聚糖酶切成分子量較小的低聚葡甘聚糖。⑤葡甘聚糖質(zhì)量濃度和酶添加量越高，酶切程度越劇烈，酶解效果越好。

目前，我國(guó)魔芋食品加工主要采用魔芋粉或精粉作為原材料，在加工過程中存在的最大問題是精粉黏度過高，一方面影響魔芋的添加量，從而導(dǎo)致魔芋膳食纖維的功能價(jià)值發(fā)揮不足；另一方面高黏度的魔芋精粉不僅增加了產(chǎn)品加工工藝的難度，還局限了魔芋精粉的適用范圍。所以，低聚葡甘聚糖的開發(fā)有望為魔芋食品工業(yè)帶來新的原料與產(chǎn)品類型。研究表明小分子、低黏度的葡甘聚糖能夠促進(jìn)雙歧桿菌增殖，具有降血壓、降血脂、不升高血糖等生理功效，是一種重要的功能性食品的原料。因此，開發(fā)功能性葡甘聚糖不僅具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和巨大的市場(chǎng)需求，而且功能性食品的大力研究和開發(fā)可以解決和改善目前我國(guó)居民的營(yíng)養(yǎng)現(xiàn)狀及存在問題，提高廣大居民的健康素質(zhì)。同時(shí)以小分子葡甘聚糖為原材料進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用，為魔芋的深加工產(chǎn)品開發(fā)及我國(guó)魔芋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。