全 文 ：77※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 16
毛薯粉浆酶法水解的响应面法优化及其
动力学研究
何 娇，黄广民 *
(海南大学食品学院，海南 海口 570228)
摘 要：考察毛薯酶法水解液化条件及对酶解动力学进行研究。采用液态高温α-淀粉酶在高温下作用于毛薯粉浆，
通过响应面法确定毛薯粉浆最佳水解工艺条件，并对毛薯粉浆酶法水解液化过程进行动力学分析。结果表明：加
酶量 0.15mL/g、水解温度 90℃、pH6.0、毛薯粉浆质量浓度 70mg/mL、水解时间 50min，毛薯粉浆糖化率可达
55.69%。动力学研究表明，米氏常数Km＝ 69.97mg/mL，最大反应速率 vm=1.413mg/(mL·min)。
关键词：毛薯；响应面；酶解；动力学
Optimization and Kinetics of Enzymatic Hydrolysis of Dioscorea esculenta (Lour) Burkill Tubers
HE Jiao，HUANG Guang-min*
(College of Food Science, Hainan University, Haikou 570228, China)
Abstract ：The hydrolysis of Dioscorea esculenta (Lour) Burkill Tubers by thermostable alpha-amylase for starch liquefaction
was optimized by response surface methodology. Meanwhile, the hydrolysis process was studied kinetically. The results
showed that under the optimized hydrolysis conditions: enzyme dosage of 0.15 mL/g, hydrolysis temperature of 90 ℃, hydrolysis
pH of 6.0, substrate concentration of 70 mg/mL and hydrolysis time of 50 min, the DE (dextrose equivalent) was 55.69%. The
vm and Km were determined to be 1.413 mg/(mL·min) and 69.97 mg/mL, respectively.
Key words：Dioscorea esculenta (Lour) Burkill；response surface analysis；enzymatic hydrolysis；kinetics
中图分类号：S216.2 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2012)16-0077-07
收稿日期：2012-04-09
作者简介：何娇(1987—)，女，硕士研究生，主要从事糖及碳水化合物测定研究。E-mail：hejiao_23@163.com
*通信作者：黄广民(1957—)，男，研究员，教授，主要从事糖及碳水化合物和生物质能源研究。E-mail：hgmin886699@163.com
目前化石能源的日趋枯竭，开发新能源已成为各国
竞相发展的战略决策。开发利用生物质能源是新能源的
重要内涵，燃料乙醇是生物质能源的重要组成部分。我
国是一个人多地少的国家，粮食供给仅处于紧平衡，没
有富余的粮食可供酿制乙醇，发展燃料乙醇产业必须坚
持不与人畜争粮食的原则。走非粮型燃料乙醇的道路，
是我国开发生物质能源的必然选择。充分利用非粮型高
糖、高碳水化合物资源，开发燃料乙醇，对我国燃料
乙醇产业规模的拓展及可持续发展至关重要。
毛薯(Dioscorea esculenta (Lour) Burkill)为薯蓣科薯
蓣属藤本植物，有甜薯和蒂薯两种。蒂薯属革质攀援
藤本，蔓长 130～150cm，每株结薯约 10个。薯块椭
圆或长圆形，味稍淡而甜，煮熟后难脱皮。甜薯属攀
绕藤本，茎蔓青紫色，蔓长 100～130cm；薯皮革质，
肉质细软，糖分高，味甜可口，煮熟后易脱皮。熟
吃毛薯能健脾止泻，益肺滋肾，解毒敛疮[ 1 ]。自古以
来，一直是海南岛上居民的农家杂粮，一年四季均可
食用。海南岛优越的地理气候环境，赋予毛薯速生快
长的条件，现已成为海南省的一大特产。全省年种植
面积 2.7万亩以上，亩产鲜薯约 2500kg。
海南毛薯富含糖和淀粉，适用于制备燃料乙醇。
利用毛薯制备燃料乙醇，须先将毛薯淀粉糖化，使其
转化为酵母可发酵的糖类，再接种发酵制备乙醇。酶
法水解具有反应条件温和，催化效率高和产物专一性而
被广泛用于粮食发酵制备乙醇工业。工业上常采用液态
高温α- 淀粉酶将粮食淀粉一次性糊化和液化，再用糖
化酶糖化，糖化液经接种发酵就可制备乙醇。毛薯含
有大量黏性成分，毛薯淀粉被这些黏性成分包埋，液
态高温α- 淀粉酶很难作用于毛薯淀粉，使其中的淀粉
液化，不能简单地套用液态高温α- 淀粉酶液化粮食淀
2012, Vol. 33, No. 16 食品科学 ※工艺技术78
粉制备乙醇的工艺。本实验拟采用液态高温α- 淀粉酶
在高温下作用于毛薯粉浆，通过响应面法确定毛薯粉浆
最佳水解工艺条件，并对毛薯粉浆酶法水解液化过程进
行动力学分析，以期为毛薯的开发利用提供一定的参考
依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
新采收的毛薯，洗净、切片、烘干，粉碎至 80～
100 目，得含水量为 8%～10 %，备用。
苯酚、亚硫酸氢钠、3 , 5 - 二硝基水杨酸、盐酸、
氢氧化钠、酒石酸钾钠、葡萄糖、磷酸氢二钠、柠
檬酸等，所有试剂均为分析纯；液态高温α- 淀粉酶
(15183U/mL) 山东枣庄市杰诺生物酶有限公司。
1.2 仪器与设备
280-型齿爪式粉碎机 广州广莱农业机械设备有限
公司；721-型分光光度计 上海精密科学仪器有限公
司； 601BS-型恒温水浴锅 江苏省金坛市晨阳电子仪
器 厂 。
1.3 毛薯粉中淀粉含量的测定[2-3]
毛薯粉中淀粉含量的测定方法按GB/T 5009.9—2003
《食品中淀粉的测定》进行。即准确称取 5.0000g毛薯
粉于装有慢速滤纸的三角漏斗中，用 30mL乙醚分数次
洗去脂肪，用 150mL乙醇分数次洗去糖类，再用 100mL
水分数次洗涤残渣，转入 250mL锥形瓶，加入 30mL
6mol/L盐酸，于沸水浴中回流 2h，得毛薯淀粉水解液，
迅速冷却，加 2滴甲基红指示剂，分别用氢氧化钠和盐
酸溶液调节 pH值至 7.0，加 20mL乙酸铅溶液(200g/L)，
摇匀，静置 10min，用 20mL硫酸钠(100g/L)溶液除去过
量的铅。将溶液及残渣全部转入 500mL容量瓶，加水
稀释定容。过滤，弃去初滤液 20mL，滤液供测定用。
准确吸取 5.0mL滤液于 100mL容量瓶，加蒸馏水稀
释定容，摇匀。再准确吸取 1.0mL稀释液于 50mL容量
瓶，采用 DNS比色法测定其吸光度，根据吸光度对葡
萄糖质量浓度的回归方程，计算出滤液中总还原糖的含
量，所得结果再乘以 0.9可得到毛薯中淀粉的含量，实
测得毛薯粉中淀粉含量为 77.87%。
1.4 毛薯粉浆的液化方法[4-8]
1.4.1 葡萄糖溶液标准工作曲线的绘制[9-11]
在 0～2.0mL范围，按 0.1mL增序，分别准确吸取
质量浓度为1.0mg/mL的葡萄糖标准溶液于50mL容量瓶，
加入 1.5mL DNS溶液，2.0mL蒸馏水，使葡萄糖质量浓
度分别为 0～0.04mg/mL，在 100℃水浴中加热 5min，迅
速冷却，加蒸馏水稀释定容。选择 1 c m 比色皿，在
480nm波长处测定吸光度，以葡萄糖质量浓度为横坐
标，吸光度为纵坐标，绘制标准工作曲线。作一元回
归分析，得吸光度对葡萄糖质量浓度的回归方程为：
Y＝ 22.573X－ 0.0109(R2＝ 0.9961)。
1.4.2 毛薯粉浆的液化
分别准确称取 5.0000g毛薯粉于三颈烧瓶，加入一
定量的磷酸二氢钠 -柠檬酸缓冲溶液，搅拌成浆状，调
节至适当的 pH 值，搅拌中升温至合适的温度，加入适
量的液态高温α- 淀粉酶，水解一定时间，水解液转入
2 50 mL 容量瓶，加蒸馏水稀释定容，备用。
1.4.3 毛薯粉浆糖化率的测定方法[12-13]
分别准确吸取 5.0mL毛薯淀粉液于 100mL容量瓶，
加蒸馏水稀释定容，摇匀。再准确吸取 1.0mL此稀释液
于 50mL容量瓶，加入 1.5mL DNS溶液，2.0mL蒸馏水，
以沸水浴加热 5min显色，迅速冷却，加蒸馏水稀释定
容，选用 1cm比色皿，在 480nm波长处，测定其吸光
度，同时作空白实验。根据吸光度对葡萄糖质量浓度
的回归方程，计算毛薯粉浆的糖化率。
1.4.4 毛薯淀粉液糖化率的计算[14]
根据葡萄糖溶液的吸光度对葡萄糖质量浓度的回归
方程：Y＝ 22.573X－ 0.0109，可导出毛薯粉浆糖化率
的计算公式为：

(A＋0.0109)× 50×n
DE/%＝—————————— (1)

22.573×0.7787×M
式中：DE为毛薯淀粉液糖化率 /%；A为糖化稀释
液的吸光度；0.7787为毛薯粉中淀粉含量；n为稀释倍
数；M 为毛薯粉质量 / g。
2 结果与分析
2.1 液态高温α-淀粉酶水解条件
2.1.1 水解温度对毛薯粉浆水解的影响
按照 1.4.2节方法，调节粉浆的 pH值为 6.0，毛薯
粉浆质量浓度为 50mg/mL，加入预先稀释 20倍的液态
高温α-淀粉酶 0.14mL/g，分别以 60～95℃的温度水解
50min。水解液按 1.4.3节方法测定总还原糖的含量，计
算毛薯粉浆的糖化率，结果见图 1。
图 1 水解温度对毛薯粉浆水解的影响
Fig.1 Effect of hydrolysis temperature on the degree of hydrolysis
Dioscorea esculenta (Lour) Burkill tubers
60
50
40
30
20
10
0
D
E
/%
水解温度 /℃
60 65 70 75 80 85 90 95
79※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 16
由图 1 以看出，水解温度小于 85℃时，毛薯粉浆
的糖化率随着水解温度的增大呈线性增大；水解温度为
85℃时，毛薯粉浆的糖化率达到最大值，说明在该温
度下，液态高温α- 淀粉酶的活力最大；水解温度大于
85℃时，随着水解温度的增大，毛薯粉浆的糖化率几
乎保持不变。这一现象与酶促反应的普遍规律非常吻
合。在酶促反应中，温度升高反应速度加快与使酶失
活这两个相反的影响同时存在。温度升高，毛薯粉浆
中淀粉粒运动加快，使得酶与淀粉分子中的α-1,4糖苷
键的接触几率增加，反应速度加快。但并非温度越高
越好，若水解温度过高，超过某一范围时，酶蛋白将
逐渐变性失活，影响反应的进行。而这个温度是酶的
最适作用温度，即毛薯粉浆最适宜的酶解温度为 85℃。
2.1.2 粉浆的 pH值对毛薯粉浆水解的影响
按照 1.4.2节方法，分别调节粉浆的 pH值为 3.6～
7.2，以 85℃水解，其他条件同 2.1.1节。测定毛薯粉
浆的糖化率，其结果见图 2。
由图 2以看出，毛薯粉浆的 pH值对液态高温α-淀
粉酶的活力影响极大。毛薯粉浆 pH 值小于 6.0时，毛
薯粉浆的糖化率随着粉浆 pH 值的增大呈线性增大；毛
薯粉浆的 pH 值为 6.0时，毛薯粉浆的糖化率达到最大
值，表明液态高温α-淀粉酶在此 pH值时对毛薯淀粉作
用的效果最佳。这与酶的性质有关，即在此 pH 值，酶
的活力最大，pH 值高于或低于该值，都会改变酶的活
性中心构象，甚至改变酶分子结构使其变性失活。pH
值还会影响淀粉分子的结构形态，淀粉分子上某些基团
只有在一定的结构形态下，才适宜与酶结合而发生水解
反应[13]。因此液态高温α-淀粉酶水解毛薯粉浆最佳 pH
值为 6 . 0。
2.1.3 底物质量浓度对毛薯粉浆水解的影响
按照 1.4.2节方法，调节粉浆 pH值为 6.0，分别控
制毛薯粉浆质量浓度为 10～130g/mL，其他条件同 2.1.2
节，计算毛薯粉浆的糖化率，其结果见图 3。
由图 3以看出，毛薯粉浆质量浓度小于 40mg/mL
时，随着底物质量浓度的增大，毛薯粉浆的糖化率呈
线性增大；毛薯粉浆质量浓度达到 40mg/mL时，酶与
底物能完全结合，水解生成葡萄糖的量达到最大，毛
薯粉浆的糖化率达到最大值。此后，随着毛薯粉浆质
量浓度的增大，毛薯粉浆的糖化率几乎保持不变。当
毛薯质量浓度大于 70mg/mL时，随着毛薯粉浆质量浓度
的增大，毛薯粉浆的糖化率呈线性下降。其原因在于
毛薯粉浆质量浓度过高，黏度过大，流动性差，α- 淀
粉酶在反应系统中运动速度过慢，酶与淀粉接触几率减
小，不利于水解反应的进行。为提高毛薯粉浆的糖化
率，毛薯粉浆的最佳质量浓度应为 70mg/mL。
2.1.4 加入液态高温α-淀粉酶的量对毛薯粉浆水解的
影响
按照 1.4.2节方法，毛薯粉浆质量浓度为 70g/mL，
分别加入预先稀释 20倍的液态高温α-淀粉酶 0.02～
0.24mL/g，其他条件同 2.1.3节，计算毛薯粉浆的糖化
率，其结果见图 4 。
由图 4 以看出，液态高温α- 淀粉酶加酶量小于
0.14mL/g时，随着加酶量的增加，毛薯粉浆的糖化率呈
线性迅速增大；液态高温α-淀粉酶加酶量为 0.14mL/g
图 2 pH 值对毛薯粉浆水解的影响
Fig.2 Effect of hydrolysis pH on the degree of hydrolysis of Dioscorea
esculenta (Lour) Burkill tubers
D
E
/%
pH
3.6 4.0 4.4 4.8 5.2 5.6 6.0 6.4 6.8 7.2
60
50
40
30
20
10
0
图 3 底物质量浓度对毛薯粉浆水解的影响
Fig.3 Effect of substrate concentration on the degree of hydrolysis of
Dioscorea esculenta (Lour) Burkill tubers
D
E
/%
底物质量浓度 /(mg/mL)
10 30 50 70 90 110 130
55
45
35
25
15
图 4 加入液态高温α-淀粉酶的量对毛薯粉浆水解的影响
Fig.4 Effect of α-amylase amount on the degree of hydrolysis of
Dioscorea esculenta (Lour) Burkill tubers
60
55
50
45
40
D
F/
%
加酶量 /(mL/g)
0.02 0.07 0.12 0.17 0.22 0.27
2012, Vol. 33, No. 16 食品科学 ※工艺技术80
时，毛薯粉浆的糖化率达到最大值；液态高温α- 淀粉
酶加酶量大于 0.14mL/g时，继续增加酶量，毛薯粉浆
的糖化率几乎保持不变。这是因为底物浓度恒定时，参
与酶解反应的位点总是一定的，其底物分子中的α-1 ,4
糖苷键已被饱和，即使继续增加酶量，水解产物的量
也不会发生变化。所以为节省成本，液态高温α- 淀粉
酶加酶量应为 0.14mL/g。
2.1.5 水解时间对毛薯粉浆水解的影响
按照 1.4.2节方法，加入预先稀释 20倍的液态高温
α-淀粉酶 0.14mL/g，水解时间 10～100min其他条件同
2 .1 .4 节，计算毛薯粉浆的糖化率，结果见图 5。
由图 5以看出，水解时间小于 50min时，毛薯粉
浆的糖化率随着水解时间的延长呈线性增大，水解时间
为 50min时达到最大值；继续延长水解时间，毛薯粉浆
的糖化率几乎变化不大。据张国权等[15]的荞麦淀粉耐高
温α- 淀粉酶液化工艺条件研究报道，其主要原因是耐
高温α-淀粉酶对长链淀粉或糊精水解的速度要比短链淀
粉速度快，随着水解的进行，淀粉液中短链淀粉产物
的数量逐渐增加，水解的速率逐步减慢。另是淀粉中
含有α-1 , 6 糖苷键，也会影响酶解速度。因此，为节
约能耗，毛薯粉浆液化水解时间应为 50min。
2.2 毛薯粉浆液态高温α-淀粉酶水解条件优化
2.2.1 毛薯粉浆水解条件响应面优化[16]
根据上述单因素试验分析，影响毛薯粉浆水解的
因素诸多。如加酶量、粉浆的 p H 值、水解温度、水
解时间、毛薯粉浆质量浓度都是影响因素。为优化毛
薯粉浆的水解条件，利用Design-Expert 7.1.6软件，采
用中心组合试验设计(central composite design，CCD)，
分别以加入液态高温α-淀粉酶的量(A)、水解温度(B)、
毛薯粉浆的 pH 值(C )和毛薯粉浆质量浓度(D )为自变
量，毛薯粉浆的糖化率(Y )为响应值。采用 4 因素 5 水
平的响应面分析法，确定最佳水解条件，试验因素水
平设计见表 1。
2.2.2 响应面模型的建立及显著性分析[17]
因素 代码
编码水平
－ 2 － 1 0 1 2
加酶量 /(mL/g) A 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18
水解温度 /℃ B 80 85 90 95 100
pH C 5.2 5.6 6.0 6.4 6.8
毛薯粉浆质量
D 50 60 70 80 90
浓度 /(mg/mL)
表 1 毛薯粉浆酶解条件响应面分析因素和水平表
Table 1 Factors and levels of response surface analysis
标准序 运行序
因素
DE/%
A B C D
29 1 0 0 0 0 55.47
25 2 0 0 0 0 55.69
27 3 0 0 0 0 55.43
7 4 － 1 1 1 － 1 49.18
30 5 0 0 0 0 55.25
21 6 0 0 － 2 0 51.51
19 7 0 － 2 0 0 51.53
1 8 － 1 － 1 － 1 － 1 51.40
10 9 1 － 1 － 1 1 52.32
16 10 1 1 1 1 50.53
12 11 1 1 － 1 1 53.50
15 12 － 1 1 1 1 51.10
14 13 1 － 1 1 1 50.02
18 14 2 0 0 0 53.31
20 15 0 2 0 0 49.79
11 16 － 1 1 － 1 1 49.22
8 17 1 1 1 － 1 49.44
24 18 0 0 0 2 52.03
28 19 0 0 0 0 56.01
5 20 － 1 － 1 1 － 1 51.90
13 21 － 1 － 1 1 1 52.26
9 22 － 1 － 1 － 1 1 51.56
22 23 0 0 2 0 49.88
3 24 － 1 1 － 1 － 1 49.27
23 25 0 0 0 － 2 51.22
2 26 1 － 1 － 1 － 1 52.59
4 27 1 1 － 1 － 1 52.18
31 28 0 0 0 0 55.13
6 29 1 － 1 1 － 1 50.71
17 30 － 2 0 0 0 51.81
26 31 0 0 0 0 55.25
表 2 毛薯粉浆酶解条件中心组合试验设计及结果
Table 2 Central composite design and corresponding results
中心组合试验结果见表 2，将数据用Design-Expert
软件进行多元回归拟合，得到以毛薯粉浆糖化率为目标
函数 Y 的二次多项回归方程：
Y＝55.46＋0.35A－0.49B－0.42C＋0.23D＋0.52AB－
0.80AC－ 0.059AD－ 0.059BC＋ 0.30BD＋ 0.095CD－
0.78A2－1.25B2－1.242C2－1.01D2
由方程可看出，各因素对毛薯粉浆糖化率的影响顺
图 5 水解时间对毛薯粉浆水解的影响
Fig.5 Effect of hydrolysis time on the degree of hydrolysis of
Dioscorea esculenta (Lour) Burkill tubers
D
E
/%
水解时间 /min
10 40 70 100
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
81※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 16
序为：水解温度(B)＞粉浆 pH值(C)＞加酶量(A)＞毛薯
粉浆的质量浓度(D )。
模型来源 平方和 自由度 均方 F值 P值
常数项 135.02 14 9.64 60.35 ＜ 0.0001**
A 2.94 1 2.94 18.40 0.0006**
B 5.82 1 5.82 36.43 ＜ 0.0001**
C 4.30 1 4.30 26.91 ＜ 0.0001**
D 1.24 1 1.24 7.77 0.0132*
AB 4.37 1 4.37 27.33 ＜ 0.0001**
AC 10.37 1 10.37 64.88 ＜ 0.0001**
AD 0.06 1 0.06 0.35 0.5648
BC 0.06 1 0.06 0.35 0.5648
BD 1.39 1 1.39 8.71 0.0094**
CD 0.14 1 0.14 0.90 0.3560
A2 17.27 1 17.27 108.10 ＜ 0.0001**
B2 44.84 1 44.84 280.59 ＜ 0.0001**
C2 44.22 1 44.22 276.68 ＜ 0.0001**
D2 29.23 1 29.23 182.89 ＜ 0.0001**
残差 2.56 16 0.16
失拟性 2.00 10 0.20 2.17 0.1775
纯误差 0.55 6 0.09
总差 137.58 30
表 3 二次回归模型的方差分析结果
Table 3 Variance analysis of the fitted quadratic regression model
注：* . P ＜ 0 . 0 5，差异显著；* * . P ＜ 0 . 0 1，差异极显著。
57
56
55
54
53
52
51
D
E
/%
B：温度
/ %
95
8789
91
93
85 0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
A：
加酶
量 /
(m
L/g
)
a.加酶量与水解温度
57
56
55
54
53
52
51
D
E
/%
C：p H
0.12
A：
加酶
量 /
(m
L/g
)
6.4
5.6
6.0 0.14
6.2
5.8 0.13
0.15
0.16
b.加酶量与毛薯粉浆的 pH
c.水解温度与毛薯粉浆质量浓度
固定水平：加酶量0.14mL/g；水解温度90℃；
p H 6 . 0；毛薯粉浆质量浓度 7 0 m g / m L。
图 7 各因素交互作用对糖化率值的影响的响应面图
Fig.7 Response surface plots for the interactive effects of hydrolysis
conditions on the degree of hydrolysis of Dioscorea esculenta (Lour)
Burkill tubers
57
56
55
54
53
52
51
D
E
/%
C：底物质量浓度
/(mg/mL)
B：
温度
/℃
8.0
87
7.57.0
6.5
6.0 85
89
91
93
95
从图 7可以看出，糖化率的等值曲线最圆则相互影
响最小，而 A C 的最扁平，则相互影响最大。
图 7a 表明，加入液态高温α-淀粉酶的量不变时，
毛薯粉浆的糖化率随着水解温度的增大而呈线性增大；
水解温度大于 92℃时，毛薯粉浆的糖化率 随着水解温
度的增大而逐渐减小，故水解温度为 8 7～9 2℃，加
酶量在 0.13～0.15mL/g时，毛薯粉浆的糖化率达到最
大 值 。
图 7b表明，加入液态高温α-淀粉酶的量不变，毛
薯粉浆的糖化率随着粉浆的 pH 值增大而呈线性增加，
pH值大于 6.2时，毛薯粉浆的糖化率随着粉浆 pH值的
增大而逐渐减小；当粉浆的 pH值为 5.8～6.2，加酶量
为 0.13～0.16mL/g时，毛薯粉浆的糖化率达到最大值。
图 7c 表明，水解温度不变时，毛薯粉浆的糖化率
随着毛薯粉浆质量浓度的增大而呈线性增大；毛薯粉浆质
量浓度大于75mg/mL时，毛薯粉浆的糖化率随着毛薯粉浆
质量浓度的增大而逐渐减小。水解温度在 86～90℃，毛
薯粉浆质量浓度在 62～76mg/mL时，毛薯粉浆的糖化率
达到最大值。
通过软件分析，得到加入液态高温α- 淀粉酶的量
0.15mL/g、水解温度 89.43℃、粉浆 pH5.9、毛薯粉浆
质量浓度为 70.7mg/mL、水解时间 50min，毛薯粉浆的
由表 3可知，该模型表现为极显著(P＜ 0.0001)；
失拟性表现为不显著(P＝ 0.1775)；R 2 和 RAdj2 分别为
0.9814和 0.9652，说明该模型拟合度良好，其响应值的
98.14%都来自所选因变量，其模型能很好的反映因变量
与响应值的关系；而预测拟合度为 0.9106，说明该模型
预测性良好，其所得预测结果能表现试验的最佳条件。
从表中可以看出其中 A、B、C、AB、AC、BD、A 2、
B2、C2、D2对响应值值有极显著的影响(P＜ 0.01)，D
对相应值则差异显著(P＜ 0.05)，其他因素 AD、BC、
CD间的交互影响表现为不显著(P＞ 0.05)。
2.2.3 因素的响应面分析及最优条件的确定[18]
利用 Design-Expert软件，通过多元回归方程做出
对毛薯粉浆的糖化率影响极显著的因素响应面图和等值
图，如图 7 所示。
2012, Vol. 33, No. 16 食品科学 ※工艺技术82
糖化率可达 55.61%。取整后得毛薯粉浆最佳水解条件
为：加酶量 0.15mL/g，水解温度 90℃、粉浆 pH6.0、
水解时间 50min，毛薯粉浆质量浓度为 70mg/mL。在该
条件下，液态高温α-淀粉酶能很好地作用于毛薯粉浆，
其糖化率最高，达到 55.69% [18-19]。
2.3 液态高温α-淀粉酶水解毛薯粉浆的动力学分析
2.3.1 毛薯粉浆水解动力学模型建立[20-25]
以响应面分析法优化取整所得的最佳结果，选择水
解温度为 90℃、毛薯粉浆 pH6.0、水解时间 50min、加
酶量 0.15mL/g，分别考察底物浓度对液态高温α-淀粉
酶水解毛薯粉浆的反应速率。根据毛薯粉浆质量浓度与
毛薯粉浆的糖化率的关系，分别计算单位时间、单位
体积内总还原糖的生成量，即葡萄糖生成速率。不同
毛薯粉浆质量浓度酶水解反应速率见图 8[26]。
图 8 底物质量浓度与反应速率的关系
Fig.8 Relationship between reaction velocity and substrate concentration
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
反
应
速
率
/(
m
g/
(m
L
·
m
in
))
底物质量浓度 /(mg/mL)
10 40 70 100
从图 8 可以看出，反应初始时，随着底物质量浓
度的增加，酶解速率迅速增大，即葡萄糖生成速率呈
线性增大；当底物质量浓度达到一定值，酶完全与底
物结合，此时葡萄糖生成速率达到最大值。此后尽管
底物浓度不断增大，反应速率却不再上升而是趋于平
缓[27]。反应速率(v)对毛薯粉浆质量浓度[S]呈近似的双
曲线关系，符合表征酶促反应特征的米氏方程所绘制的
曲线。
以 lnv对 ln[S]作图得到图 9所示直线，可认为在加
酶后很短的时间内液态高温α-淀粉酶水解毛薯粉浆遵循
一级反应规律。可用米氏方程对试验数据进行拟合。
图 9 lnv与 ln[S]的关系
Fig.9 Relationship between lnv and ln[S]
5
4
3
2
1
0
－1－ 1.5 － 1.0 － 0.5 0.0 0.5
ln[S]
lnv
Michaelis-Menten方程提出酶促反应分两步进行：
E＋S ES2 E＋P (2)
式(2)中，液态高温α-淀粉酶(E)与毛薯淀粉(S)快速
结合生成络合物(ES)，而该络合物却以较慢的速度分解
为产物(P)，同时释放出酶分子(E)；k 1、k 2、k 3、k 4 分
别代表各步反应的速率常数。
反应初期，没有反应产物[P]或反应产物浓度[P]很
低，k 4 可忽略不计，故第二步反应可认为是单向不可
逆的。由质量守恒定律可得到反应的动力学模型(米氏
方程 )为：

Vm[S]
v＝———— (3)

[S]＋Km
式(3)中：Km=(k 3+k2)/k1，vm=k3[E]总；Km相当于液
态高温α-淀粉酶的活性部位一半被毛薯淀粉占据时所需
的毛薯粉浆质量浓度；v m表示加入酶的量不变时，液
态高温α- 淀粉酶被毛薯淀粉饱和，反应速率所达到的
最大值。
2.3.2 用Wilkinson[28]统计法求解米氏常数和最大反应
速率
Wilkinson统计法包括非线性二乘法求估算解和泰勒
展开式求精校解，计算过程分两步，见表 4、5。
由表 4可得：Δ＝αε－γδ＝ 3.37× 10 -4
估算解：vm0＝(βε－δ2)/Δ＝ 1.413mg/(mL·min) (4)
Km0＝(βγ－αδ)/Δ＝6.997g/100mL (5)
式(4)(5)中：vm0为最大反应速率的估算解；Km0为
米氏常数的估算解。
由表 4可得：Δ′＝α′β′－γ′2＝ 1.23× 10-4
b1＝(β′δ′－γ′ε′)/Δ′＝0.9998
b2＝(α′ε′－γ′δ′)/Δ′＝ 2.56× 10-4
式中：b1、b2分别为 vm和Km计算过程中修正常数。
由此可求得精校解：vm＝ vm0 b1＝1.41mg/(mL·min)
Km＝ Km0+ b2/ b1＝69.97mg/mL
故本实验采用Wilkinson 统计法求解，其结果为：
vm为 1.413mg/(mL·min)，Km为 69.97mg/mL。
3 结 论
综上所述，经单因素和响应面分析法对液态高温
α- 淀粉酶水解毛薯粉浆的条件优化，建立了毛薯粉
浆的糖化率与加入酶的量、水解温度、毛薯粉浆质量
浓度、粉浆 p H 值等各因素之间的二次多项式回归模
型，取整后得毛薯粉浆最佳水解条件分别为：加酶量
0 .15mL /g、水解温度 90℃、粉浆 pH 6 .0、水解时间
50min、毛薯粉浆质量浓度为 70mg/mL。在该条件下，
其糖化率最高，达 55.69%。液态高温α-淀粉酶作用于
毛薯粉浆，其酶解反应速率遵循一级反应规律，遵循
→→ →→k1
k2
k3
k4
83※工艺技术 食品科学 2012, Vol. 33, No. 16
Michaelis-Menten方程，米氏常数 Km＝ 69.97mg/mL，
最大反应速率 vm＝ 1.413mg/(mL·min)。
上述研究结果表明，液态高温α- 淀粉酶作用于毛
薯淀粉与作用于粮食淀粉一样，能在高温下一次性将毛
薯淀粉糊化和液化，能将粮食淀粉制备乙醇生产工艺直
接应用于毛薯淀粉制备乙醇中。这为利用薯蓣科等非粮
植物资源制备燃料乙醇提供了依据，且对后续开发利用
热带淀粉质生物资源具有良好的应用前景。
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[S]/(g/100mL) v/(mg/(mL·min)) X＝ v2 Y=v2/[S] vX X2 vY XY Y2
4 7 0.700 0.491 7.01× 10-2 3.44× 10-1 2.41× 10-1 4.91× 10-2 3.44× 10-2 4.91× 10-3
5 8 0.759 0.577 7.21× 10-2 4.38× 10-1 3.33× 10-11 5.47× 10-2 4.16× 10-2 5.20× 10-3
6 9 0.802 0.643 7.15× 10-2 5.16× 10-1 4.14× 10-1 5.73× 10-2 4.60× 10-2 5.11× 10-3
7 10 0.824 0.680 6.80× 10-2 5.60× 10-1 4.62× 10-1 5.60× 10-2 4.62× 10-2 4.62× 10-3
Σ — — — — 1.86 1.45 2.17× 10-1 1.68× 10-1 1.98× 10-2
代号 — — — — α β γ δ ε
表 4 Wilkinson法求估算解
Table 4 Estimated values of vm and Km by Wilkinson method
[S]+Km0 vm0[S] f＝———— f＝————— f 2 f＇2 ff＇ vf vf＇
4 1.40× 10 9.89 7.07× 10-1 － 5.05× 10-2 4.99× 10-1 2.55× 10-3 － 3.57× 10-2 4.95× 10-1 － 3.54× 10-2
5 1.50× 10 1.13× 10 7.54× 10-1 － 5.03× 10-2 5.68× 10-1 2.53× 10--3 － 3.79× 10-2 5.72× 10-1 － 3.82× 10-2
6 1.60× 10 1.27× 10 7.95× 10-1 － 4.97× 10-2 6.32× 10-1 2.47× 10-3 － 3.95× 10-2 6.38× 10-1 － 3.99× 10-2
7 1.70× 10 1.41× 10 8.31× 10-1 － 4.89× 10-2 6.91× 10-1 2.39× 10-3 － 4.07× 10-2 6.85× 10-1 － 4.03× 10-2
Σ — — — — α＇ β＇ γ＇ δ＇ ε＇
代号 — — — — 2.39 9.94× 10-3 － 1.54× 10-1 2.39 － 1.54× 10-1
表 5 Wilkinson法求精校解
Table 5 Accurate values of vm and Km by Wilkinson method
Vm0[S]
Km0＋[S] (Km0＋[S])2
－Vm0[S]
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