Liquefaction and Saccharification of Lotus Root Vinegar

Liquor-Making Science and Technology - - News -

XU Zhili, SUN Jianfeng, DAI Xinpeng, SUN Zhaoping and YU Qiannan (College of Food Science and Technology, Hebei Agricultural University, Baoding, Heibei 071000, China) Abstract: High quality lotus root was used as raw materials to produce vinegar. The corresponding liquefaction and saccharification techniques were studied and their optimum conditions were summed up by using single factor test and orthogonal test as follows: the best liquefaction conditions included temperature at 78 ℃, 30 min liquefaction time, and 25 U/g enzyme adding level, and the liquefied value (DE) reached up to 20.21 % under the above conditions; the best saccharifying conditions included temperature at 60 ℃, 2 h saccharifying time, and 150 U/g enzyme adding level, and the content of reducing sugar reached up to 14.26 % under the above conditions. Key words: lotus root vinegar; liquefaction; saccharification; technology

利用水果和蔬菜酿造食醋和酿制醋酸饮料,目前在国内外非常盛行。据统计,日本的果蔬醋占其总产量的1/3。果蔬醋和醋酸饮料不仅营养丰富,而且还具有软化血管、开胃降压、促进排泄和增进食欲等功效,醋“茶”通常被糖尿病患者用来作为慢

[1] [2]性滋养品 。国内水果醋已有葡萄醋 、梨醋、苹果

[3] [4]醋、番茄醋 和梅子醋 等产品问世,但蔬菜醋却很少,而我国莲藕品质优良,富含各种碳水化合物、多

[5]酚 、氨基酸、卵磷脂、脂肪、胡萝卜素、核黄色、硫

[6] [7]胺素及微量矿物质元素等 。具有清热凉血 、通便止泻、健脾开胃、益血生肌、止血散瘀等功效,莲 藕还有调节心脏、血压、改善末梢血液循环的功用,能够用于促进新陈代谢和防止皮肤粗糙。莲藕中含有大量膳食纤维,有利于人体的排泄功能,可以

[8]降低人体对脂类物质的吸收 。以莲藕为原料酿造的食醋具有饮食和营养需求两方面的作用。 1 材料与方法 1.1 材料、试剂及仪器原料:新鲜莲藕,麸皮,稻糠,食盐,均为市售。α-耗材及试剂:耐高温 淀粉酶(酶活力为

25000 U/mL)、糖化酶(酶活力为 150000 U/mL),诺奥科技有限公司;氢氧化钠,分析纯,天津市新通精细化工有限公司;氯化钠,天津市永大化学试剂开发中心;无水亚硫酸钠,分析纯,天津市百世化工有限公司;酒石酸钾钠,分析纯,天津市永兴化学试剂开发中心;乙酸锌,分析纯,天津市盛奥化学试剂有限公司;次甲基蓝,生物染色试剂,天津市科密欧化学试剂有限公司;硫酸铜,分析纯,天津市恒星化学试剂制造有限公司;亚铁氰化钾,分析纯,天津市恒星化学试剂制造有限公司。

PB-仪器设备:榨汁机,九阳; 20 酸度计,北京

PR-赛多利斯有限公司; 101 数显折光仪, GAPAN

HH- ATAGO CO, LTD; 数显恒温水浴锅, 2。1.2 实验方法1.2.1 样品的制备

将新鲜的莲藕洗净,切成1 cm左右的薄片,打浆,然后将打出的浆液放入水浴锅,进行糖化和液化。1.2.2 工艺优化

优化液化、糖化条件以提高淀粉向还原糖转化的转化率,通过单因素和正交实验,分别优化液化

α-温度、酶解时间、耐高温 淀粉酶添加量、糖化温度、糖化时间以及糖化酶添加量对DE值以及还原糖的影响,从而选出适宜的工艺条件。1.2.2.1 莲藕浆液的液化实验( 1)温度对液化效果的影响。向莲藕浆中加入

α-耐高温 淀粉酶25 U/g,调整莲藕浆pH值为6.0,分别放在81 ℃、84 ℃、87 ℃、90 ℃、93 ℃、96 ℃恒温水浴锅内液化60 min,液化结束后测定其DE 值,实验重复3次。( 2)酶解时间对液化效果的影响。向莲藕浆中

α-加入耐高温 淀粉酶25 U/g,调整莲藕浆的pH值为6.0,将其搅拌均匀,设定恒温水浴锅的温度为87 ℃,液化时间分别设定为20 min、25 min、30 min、35 min、40 min,液化结束后测定其DE值,实验重复3次。

α- ( 3)耐高温 淀粉酶添加量对液化效果的影响。设定液化温度为87 ℃,液化时间为30 min,调整

α-莲藕浆的pH值为6.0,添加耐高温 淀粉酶15 U/g、18 U/g、21 U/g、24 U/g、27 U/g,将莲藕浆搅拌至均 匀,于87 ℃恒温水浴锅内液化 30 min,液化结束后测定莲藕浆的DE值,实验重复3次。( 4)液化正交实验。正交实验优化液化工艺条件,在单因素实验基础上,选择液化温度,、液化时α-间、耐高温 淀粉酶添加量,按照 L9(34)[ 正交表9]进行实验,对莲藕醋发酵过程中液化阶段进行优化。 1.2.2.2 莲藕浆液的糖化实验

莲藕浆液化后,升温至100 ℃,加热15 min灭酶活。灭酶后,以还原糖为指标,对影响淀粉糖化工艺的糖化温度、时间、糖化酶添加量进行单因素实验,对正交实验进行优化。

( 1)温度对糖化效果的影响。向莲藕浆里加入糖化酶150 U/g,调整莲藕浆的pH值为 4.5,设定糖化时间为1.5 h,将莲藕浆搅拌至均匀,调整恒温水浴锅的温度为52 ℃、56 ℃、60 ℃、64 ℃、68 ℃,莲藕浆开始糖化,糖化结束后测定还原糖含量,实验重复3次。

( 2)酶解时间对糖化效果的影响。向莲藕浆里加入糖化酶150 U/g,调整莲藕浆的pH值为4.5,将莲藕浆搅拌均匀,设置糖化温度为60 ℃,糖化时间分别设定为 1.0 h、、、、1.5 h 2.0 h 2.5 h 3.0 h,糖化结束后测定还原糖含量,实验重复3次。

( 3)糖化酶添加量对糖化效果的影响。设置糖化温度为60 ℃,时间为 1.5 h,调整莲藕浆的pH值为 4.5,将莲藕浆搅拌均匀,设定糖化酶添加量为110 U/g、130 U/g、150 U/g、170 U/g、190 U/g,糖化结束后测定还原糖含量,实验重复3次。

( 4)糖化正交实验。在单因素实验的基础上做正交实验,正交实验的实验因素分别是糖化时的温度、酶解时间、糖化酶添加量,按照 L9(34)正交表进行实验。以还原糖含量为指标,选出适宜的实验组合,实验重复3次。1.2.3 测定、分析方法可溶性固形物含量测定[ 10- 11]:用手持糖度计进

10203—行测定,按 SB/T 1994中阿贝折光仪法;还原糖,斐林试剂法[ 12];淀粉的测定,酸水解法;总糖的测定,直接滴定法。

图1 液化温度对DE值的影响

从图1可以看出,随着液化温度的升高, DE值逐渐增大,在87 ℃时达到最大。在较高温度下淀粉酶的催化位点显现出来,使酶的活性增强,可以发挥较好效果。同时由于温度的升高,酶和底物分子之间的作用机率大大增大,增快催化进程。温度低于87 ℃未达到酶的最适作用温度,温度过高导致酶分子变性,100 ℃则会导致酶活性大大降低。且温度越高,还原糖与氨基酸易发生氨基糖反应,

[13]同时还原糖之间发生焦糖化反应,使糖分损失 。因此液化温度控制在87 ℃左右为宜。2.2 酶解时间对液化效果的影响(图2) 图2 液化时间对DE值的影响由图2可以看出,在20~30 min内,液化DE值α一直上升,之后下降。向莲藕浆中加入耐高温淀粉酶进行液化时,莲藕浆中淀粉的液化分两个阶段:第一阶段,在酶解反应初期,淀粉浓度很大,直 α-链淀粉首先被耐高温 淀粉酶快速降解,且耐高α- α-温 淀粉酶主要是酶解 1,4糖苷键;第二阶段, α- α-需要越过 1,6糖苷键的阻碍继续酶解 1,4糖苷α-键,产生葡萄糖、麦芽糖和一系列 限制糊精,同时使寡糖缓慢水解成葡萄糖和麦芽糖,从而使淀粉液化。该阶段的反应速率比第一阶段慢很多。为了既达到淀粉液化的目的又使营养成分的损失降低,同时也考虑能源等成本因素,选择适宜的液化时间为30 min。α- 2.3 耐高温 淀粉酶添加量对液化效果的影响(图3) α-图3 耐高温 淀粉酶添加量对DE值的影响α-从图3可以看出,随着淀粉酶添加量的增α-加,液化DE值呈现上升趋势,在 淀粉酶添加量为24 U/g时, DE值达到最大值。在前期,莲藕浆中α-淀粉的浓度远远超过耐高温 淀粉酶的加入量, α-液化量随着耐高温 淀粉酶添加量的增大而增大,淀粉液化的速度很快,还原糖含量随着酶用量的增加而显著增大;由此可见,酶分子增大会加快淀粉中糖的转化,缩短液化时间,但当酶分子浓度达到过饱和时,过量酶分子难以与底物接触,液化程度不再增大[ 14],比以往报道的采用传统真菌淀粉α- [15]酶更高效、快速 。因此,实验选择 淀粉酶添加量为24 U/g较为适宜。2.4 正交实验结果(表1、表2、表3)由方差分析表3可以看出,液化温度、液化时α-间以及耐高温 淀粉酶的添加量对液化具有显著性影响( P<0.05)。结合极差分析,可以得出适宜的液化条件:液化温度90 ℃,液化时间30 min,耐α-高温 淀粉酶添加量24 U/g,此时的DE值达到20.21 %,适宜的实验组合为A3B3C2。由以上3个因

图4 糖化温度对还原糖含量的影响 从图4可以看出,还原糖含量在60 ℃时最高,温度继续升高还原糖的含量基本不变。随着温度 升高,酶的活性增大,60 ℃时是酶的最适作用温度,酶的活性最大,还原糖含量最高;超过60 ℃后,由于温度较高糖化酶被钝化,还原糖的含量几乎不变。因此,糖化温度选择60 ℃为宜。2.6 酶解时间对糖化效果的影响(图5) 图5 糖化时间对还原糖的影响

由图5可知,在 1~2 h时还原糖含量持续增加,在2h时达到最大,延长作用时间,还原糖含量几乎不变。在糖化反应中存在着水解产生葡萄糖以及葡萄糖合成其他副产物的两个过程,还原糖的含量随着时间的延长并没有显著增加,因此,控制糖化时间对莲藕浆淀粉糖化有着较重要的意义。同时从生产效益的角度考虑,糖化时间2h是适宜的糖化时间。2.7 糖化酶添加量对还原糖含量的影响(图6) 图6 糖化酶添加量对还原糖含量的影响

从图6可以看出,还原糖含量随糖化酶添加量的增加逐渐上升,在150 U/g时,还原糖含量达到最大值,继续添加糖化酶时还原糖含量基本无变化。糖化酶是一种外切酶,从淀粉分子的非还原性末端

α-开始,逐个水解 1,4糖苷键,以单个葡萄糖为单位

β-分离,产生 葡萄糖,且水解产物只有葡萄糖。糖

α-化酶专一性较差,除了水解 1,4糖苷键外,还能水

α-解 1,6糖苷键,但是其水解速度较慢 。当糖化

[16]酶的加入量为150 U/g时,淀粉的浓度已经使糖化酶达到饱和状态,糖化发应的速度随着糖化酶浓度的增加而变快,还原糖含量有显著提高;但是当糖化酶加入量超过150 U/g时,底物已经大部分被水解掉,较低的底物浓度无法同过剩的高浓度糖化酶相结合,因而底物浓度起主导作用来控制反应的速度,还原糖含量的增长趋势较缓慢。因此,选择糖化酶添加量为150 U/g为宜。2.8 正交实验结果(表4、表5、表6)

表4 正交实验因素水平表 由方差分析表6可看出,糖化温度、糖化时间、以及糖化酶添加量对糖化具有显著性影响( P< 0.05)。结合极差分析,可以得出适宜的糖化条件:糖化温度60 ℃,糖化时间80 min,糖化酶的添加量150 U/g,此时的发酵液中还原糖含量达到14.26 %,适宜的实验组合为A2B1C2。由以上3个因素的方差分析和极差分析可以得出影响糖化时还原糖含量的主次实验因素是时间>温度>加酶量。 3 总结 研究先采用单因素实验方法,分别考察了液化

α-时间、液化温度、耐高温 淀粉酶添加量、糖化时间、糖化温度、糖化酶添加量分别对液化、糖化过程中的DE值以及还原糖含量的影响,筛选了上述3个因素中对液化、糖化的影响较显著的工艺条件,继续用3因素3水平正交实验设计进行工艺优化。实验结果表明,液化适宜加工工艺条件为:液

α-化温度 90 ℃,液化时间 30 min,耐高温 淀粉酶添加量24 U/g。在此工艺条件DE值达到20.21 %;糖化适宜加工工艺条件为:糖化温度60 ℃,糖化时间80 min,糖化酶添加量150 U/g,在此工艺条件下还原糖含量达到14.26 %。

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