酸酶序解法制备高吸水性玉米多孔淀粉的研究

作为一种新型的有机吸附材料、微胶囊芯材和脂肪替代物，多孔淀粉已经广泛应用于医药、农业、食品和化妆品等领域[1]。目前，多孔淀粉的制备方法主要有超声、喷雾、醇变性等物理方法和酶解、酸解等化学方法[2]。由于方法本身的局限性，用物理方法所得到的多孔淀粉的性能一般较差，因此在实际工作中较少使用。 酸解法制备多孔淀粉虽然可以降低生产成本，但速率较慢、随机性强且不易形成孔状结构，因此目前仅仅停留在实验阶段[3]。酶解法是利用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解生淀粉，与其它方法相比较，该方法制备的多孔淀粉吸附性能好，适合于工业化生产[4]。

研究表明，在生淀粉的酸解过程中，氢离子首先会进攻颗粒表面的无定型区域，并且以较快的速率断裂该部分的糖苷键；而结晶区域具有较强的抗酸解能力，其水解速率较慢，因此，生淀粉经酸解后结晶度会明显提高[5]。而在生淀粉的酶解过程中，葡萄糖淀粉酶分子会优先作用于淀粉无定型区域突出在表面的不规则的分子基团，主要为支链淀粉分子，而直链淀粉分子由于与脂质形成了难以水解的复合物，使葡萄糖淀粉酶分子难以接近；随着水解过程的进行和生淀粉的进一步溶胀，α-淀粉酶分子逐渐接近淀粉的内部，它们的内切作用会将淀粉颗粒内部随机水解并暴露出新的非还原末端[6]；然后，两种酶分子会沿着径向逐步向颗粒中心推进，同时会使小孔的孔径逐渐扩大，最后在淀粉颗粒中心附近相互融合，从而形成淀粉的多孔结构[7]，因此，生淀粉经酶解后结晶度变化并不明显[5]。

由于生淀粉颗粒的酸解和酶解过程都优先水解淀粉的无定型区域，生淀粉在经酸解后，其部分无定型结构和结晶缺陷被水解掉，从而使得其比表面积进一步增大，更易于吸附酶分子而使淀粉颗粒进一步被酶分子水解，这样，其水解速率也会远大于未酸解的淀粉颗粒[5]，同时生淀粉表面凹坑的多少也会一定程度上影响到颗粒表面的成孔数量[4,8]。因此，作者在此采用酸酶序解的方法来水解生淀粉颗粒，首先利用酸部分水解淀粉表面的无定型区域，使生淀粉颗粒表面形成部分凹坑并增加其吸附酶分子的能力，然后在此基础上，使部分酸解后的淀粉颗粒进一步酶解，从而提高生淀粉的酶解速率和多孔淀粉的吸水率。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

玉米生淀粉，市售。

α-淀粉酶(酶活力1.0×104U·g-1)、葡萄糖淀粉酶(酶活力1.0×105U·mL-1)，西安润德生物技术有限公司；磷酸氢二钠、柠檬酸、氢氧化钠、无水碳酸钠、盐酸等均为分析纯。

恒温水浴锅，北京化玻联医疗器械有限公司；RH/BASIC型恒温磁力搅拌器，IKA；SHB-ⅢA型循环水式真空泵，郑州长城科工贸有限公司；ZHWY-200B型恒温振荡器，上海智城分析仪器制造有限公司；101-2AB型恒温烘箱，天津泰斯特仪器有限公司；BP221S型电子天平，Sartorious；微量移液器，Eppendorf；S-570型扫描电镜(SEM)，日本日立。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的酸处理

称取7.0 g玉米生淀粉置于250 mL三角瓶中，加入一定质量浓度的盐酸，配成一定质量浓度的淀粉乳溶液，于一定温度的水浴中加热搅拌一定时间，用饱和碳酸钠溶液调pH值至7.0，抽滤、水洗3次后烘干。

1.2.2 多孔淀粉的制备

称取5.0 g经过盐酸处理后的玉米淀粉置于150 mL三角瓶中，加入一定pH值的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液50 mL，于一定温度下预热30 min。精确取一定量的α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶(酶配比为1∶5)，用少量磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液稀释后加入到淀粉乳中，搅拌一段时间后加入4% NaOH 5.0 mL终止反应，抽滤、水洗3次后烘干，粉碎。

1.3 分析与检测

1.3.1 吸水率的测定

精确称取烘至恒重的多孔淀粉样品1.00 g，记为W1。室温下与去离子水混合搅拌30 min后用砂芯漏斗抽滤直至没有水滴下，精确称取吸附了水的多孔淀粉质量，记为W2。按下式计算吸水率。

1.3.2 淀粉表面形貌的测定

将淀粉样品充分混合随机取样，均匀地撒在贴有双面胶的样品台上，用离子溅射仪喷金固定后用扫描电镜观测生淀粉及多孔淀粉的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 酸处理工艺条件的优化

参考相关文献[9～11], 在玉米淀粉的酸解过程中，反应温度一般控制在20～55℃、酸质量浓度一般控制在0.5%～10%、淀粉乳质量浓度一般控制在36%～40%。由于本实验并非用酸解法制备多孔淀粉，而是作为预处理过程来部分水解淀粉表面的无定型区域，因此处理时间不宜过久，一般控制在2 h 以内；然后在酸解的基础上，参照文献方法用酶解法对酸处理后的淀粉颗粒进一步酶解后，测定其吸水率。酶解条件为：酶加量50%、酶解时间24 h、酶解温度50℃、pH值4.8。

2.1.1 酸处理工艺单因素实验

2.1.1.1 处理温度对多孔淀粉吸水率的影响

固定盐酸质量浓度为3.0%、淀粉乳质量浓度为40%、处理时间为50 min，考察处理温度对多孔淀粉吸水率的影响，结果如图1所示。

图1 处理温度对多孔淀粉吸水率的影响

由图1可看出，当反应温度从30℃ 升高到40℃ 时，多孔淀粉的吸水率相应增大；在反应温度约为40℃ 时，多孔淀粉的吸水率达到最大；而当反应温度从40℃ 继续升高到60℃ 时，多孔淀粉的吸水率反而减小。

2.1.1.2 淀粉乳质量浓度对多孔淀粉吸水率的影响

固定盐酸质量浓度为3.0%、处理温度为40℃、处理时间为50 min，考察淀粉乳质量浓度对多孔淀粉吸水率的影响，结果如图2所示。

图2 淀粉乳质量浓度对多孔淀粉吸水率的影响

由图2可知，当淀粉乳质量浓度从30% 增加到40% 时，多孔淀粉的吸水率相应增大；在淀粉乳质量浓度约为40%时，多孔淀粉的吸水率达到最大；而当淀粉乳质量浓度从40% 继续增大到60% 时，多孔淀粉的吸水率反而减小。

2.1.1.3 盐酸质量浓度对多孔淀粉吸水率的影响

固定淀粉乳质量浓度为40%、处理温度为40℃、处理时间为50 min，考察盐酸质量浓度对多孔淀粉吸水率的影响，结果如图3所示。

图3 盐酸质量浓度对多孔淀粉吸水率的影响

低浓度盐酸处理能在一定程度上提高多孔淀粉的吸水率，这是由于盐酸能部分水解掉生淀粉表面的无定型区域和结晶缺陷而导致其比表面积增大，更易于酶分子的吸附；而高浓度的盐酸会破坏淀粉表面的天然结构甚至使淀粉颗粒发生崩解。

由图3可看出，当盐酸质量浓度从2.0% 增加到3.0% 时，多孔淀粉的吸水率迅速增大；当盐酸质量浓度约为3.0%时，多孔淀粉的吸水率达到最大；当盐酸质量浓度从3.0% 继续增加到4.0% 时，多孔淀粉的吸水率迅速减小；而当盐酸质量浓度从4.0% 继续增加到6.0% 时，多孔淀粉的吸水率变化不大；之后，当盐酸质量浓度从6.0% 继续增加到7.0% 时，多孔淀粉的吸水率再次迅速减小。

2.1.1.4 处理时间对多孔淀粉吸水率的影响

固定盐酸质量浓度为3.0%、淀粉乳质量浓度为40%、处理温度为40℃，考察处理时间对多孔淀粉吸水率的影响，结果如图4所示。

图4 处理时间对多孔淀粉吸水率的影响

酸处理时间过短不能有效地水解淀粉表面的无定型区域从而形成细密的凹坑，但酸处理时间过长则会破坏淀粉的天然结构。

由图4可看出，当酸处理时间从10 min 延长到50 min 时，多孔淀粉的吸水率不断增大；在酸处理时间约为50 min时，多孔淀粉的吸水率达到最大；而当酸处理时间从50 min 继续延长到90 min 时，多孔淀粉的吸水率反而减小。

2.1.2 酸处理正交实验

根据酸处理单因素实验结果，依L9(34)设计了正交实验，后续的酶解条件不变。正交实验的因素与水平见表1，结果与分析见表2。

表1 酸处理正交实验因素和水平

表2 酸处理正交实验结果与分析

由表2可知，各因素对多孔淀粉吸水率影响的大小依次为：处理温度>处理时间>淀粉乳质量浓度>盐酸质量浓度，最佳酸处理条件为：A2B2C3D3，即盐酸质量浓度为3.0%、淀粉乳质量浓度为40%、处理时间为70 min、处理温度为50℃。

2.2 复合酶解工艺条件的优化

采用上述最佳工艺参数进行盐酸处理，对经过酸处理所得淀粉的复合酶解过程进行了优化。根据复合酶解单因素实验结果设计L9(34)正交实验，因素和水平见表3，结果和分析见表4。

表3 复合酶解正交实验因素与水平

表4 酶解正交实验结果与分析

由表4可知，各因素对多孔淀粉吸水率影响的大小依次为：酶解时间>酶加量>pH值>酶解温度。最佳复合酶解条件为：A2B2C1D1，即酶加量为理论水解量的40%、酶解时间为18 h、酶解温度为40℃、pH值为4.0。

2.3 吸水率的测定

对由不同方法得到的多孔淀粉的吸水率进行测定，结果见表5。

由表5可知，单用复合酶解法制备玉米多孔淀粉时，所得多孔淀粉的吸水率为132.04%，而用酸酶序解法制备玉米多孔淀粉时，所得多孔淀粉的吸水率为156.98%，绝对吸水率提高了24.94%，相对吸水率提高了近20%。

2.4 扫描电镜分析

玉米生淀粉、经不同质量浓度盐酸处理和经酸酶序解法得到的玉米多孔淀粉的扫描电镜照片见图5。由图5可看出，未经过任何处理的玉米生淀粉颗粒的表面是光滑无孔的；经3% 盐酸处理后的玉米淀粉表面比较粗糙，盐酸分子部分水解掉淀粉表面的无定型区域后使淀粉表面布满孔径较小、孔深较浅的凹坑；而用7% 盐酸处理后的玉米淀粉表面凹坑消失，淀粉颗粒的边缘发生崩解和蚀刻，表层结构剥落，淀粉的天然结构遭到严重破坏；经过酸酶序解后的玉米多孔淀粉表面布满了高密度的小孔，孔深更深且孔径更大更均匀，同时多孔淀粉颗粒仍然保持了生淀粉颗粒的天然结构。

图5 玉米生淀粉(a)、经3%盐酸处理后淀粉(b)、经7%盐酸处理后淀粉(c)、酸酶序解后多孔淀粉(d)的SEM图

3 结论

采用酸酶序解法制备了高吸水性玉米多孔淀粉。最佳酸处理条件为：盐酸质量浓度3.0%、淀粉乳质量浓度40%、处理时间70 min、处理温度50℃；最佳酶解条件为：复合酶加量为理论水解量的40%、酶解时间18 h、酶解温度40℃、pH值4.0。采用这种方法制备的玉米多孔淀粉的吸水率为156.98%，比单用复合酶解法提高近20%。

参考文献：

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