大米多孔淀粉及大米多孔酯化淀粉吸附特性的研究

张甲奇，张燕萍

(江南大学食品学院，江苏无锡 214122)

大米多孔淀粉及大米多孔酯化淀粉吸附特性的研究

张甲奇，张燕萍*

(江南大学食品学院，江苏无锡 214122)

研究大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉对次甲基蓝的吸附特性，分析酶解时间和取代度对淀粉吸附次甲基蓝的影响，在此基础上建立了大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附速率方程。结果表明，大米多孔淀粉吸附次甲基蓝的最佳浓度为25×10－5mol/L，大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉对次甲基蓝的饱和吸附量分别为4.88mg/g和5.97mg/g。与大米原淀粉相比，大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉对次甲基蓝的吸附量得到明显提升，其中大米多孔酯化淀粉的吸附量更大。

大米多孔淀粉，酯化淀粉，吸附，次甲基蓝

多孔淀粉是用物理方法、机械方法以及生物方法使淀粉颗粒由表面至内部形成孔洞的淀粉。与原淀粉相比，多孔淀粉的凹孔内部所产生的吸引力较为集中，因此吸附更加牢固［1］。但由于淀粉本身的亲水性质，使得多孔淀粉在吸附特定的疏水性物质方面存在缺陷，有时并不能满足应有的需要。在多孔淀粉分子中引入辛烯基琥珀酸基团使其具有了表面活性［2］，使淀粉吸附功能性物质的性质得到明显改善，应用范围得到拓展。大米淀粉在所有的商业淀粉中颗粒度是最小的，在吸附小分子色素、风味物质、维生素等领域具有独特的优势。本论文利用α－淀粉酶和糖化酶对生淀粉的酶解作用制备大米多孔淀粉，同时利用辛烯基琥珀酸酐和大米多孔淀粉的酯化反应制备大米多孔酯化淀粉。大米淀粉的颗粒度很小，当用常规的吸油率来检测大米多孔淀粉的吸附性能时，效果并不理想，因此本论文尝试用淀粉对次甲基蓝的吸附量来评价大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附性能。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

大米淀粉 江苏宝宝集团;糖化酶/α－淀粉酶无锡赛德生物生物工程有限公司;辛烯基琥珀酸福州怡昌实业有限公司提供;次甲基蓝 天津市天新精细化工开发中心;磷酸氢二钠、氢氧化钠、柠檬酸等 均为分析纯试剂。

SHZ－BA型数显水浴恒温振荡器 江苏金坛市荣华仪器制造有限公司;721E型可见分光光度计上海第三分析仪器厂;LXJ－Ⅱ型离心沉淀机 上海医用分析仪器厂;DFY－400型摇摆式高速中药粉碎机 温岭市大德中药机械有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 多孔淀粉的制备 称取90g大米淀粉(干基)置于500m L反应瓶中，加入pH4.6的磷酸氢二钠－柠檬酸缓冲液至内容物总重295～300g，搅匀，置于45℃恒温水浴振荡器中预热10min。移取适量的中温α－淀粉酶和糖化酶(酶活比为1∶3)至反应瓶内，立即搅匀并记时。酶解一定时间后，加入20g/L氢氧化钠溶液10m L终止反应，将淀粉悬液在3000 r/m in的转速下离心5m in。淀粉沉淀用去离子水洗涤并再次离心，如此重复三次。所得淀粉置于45℃电热恒温鼓风干燥箱中烘干，用粉碎机粉碎并过100目筛，即得多孔淀粉成品。

1.2.2 辛烯基琥珀酸多孔淀粉酯的制备 调制40%(质量分数)的多孔淀粉浆，用2%的氢氧化钠调节pH在弱碱性范围，缓慢滴加浓度15%的酸酐，同时维持pH在弱碱性(pH=8)，酯化反应一定时间后，用2mol/L盐酸中和至pH6.5～7.0，洗涤，在45℃下鼓风干燥，用粉碎机粉碎并过100目筛，即得多孔酯化淀粉成品。

1.2.3 大米多孔酯化淀粉取代度的测定 参考文献［4］。

1.2.4 次甲基蓝标准曲线的绘制 将次甲基蓝配成不同浓度的标准溶液(0.5 ×10－5、1.0 ×10－5、1.5 ×10－5、2.0 × 10－5、2.5 × 10－5mol/L)，用分光光度计测定其在620nm下的吸光度，并绘出浓度－吸光度标准曲线图，得次甲基蓝浓度(x)(×10－5mol/L)与吸光度(y)的关系:y=0.4072x－0.0047，回归系数R2=0.9992。

图1 次甲基蓝溶液标准曲线图

1.2.5 大米多孔淀粉对次甲基蓝最佳吸附浓度的测定 取浓度由低到高的次甲基蓝溶液分别进行吸附实验，做出浓度－吸附量的曲线图和浓度－吸附率曲线图，分析出最佳吸附浓度。即将1g多孔淀粉浸泡于30m L不同浓度的次甲基蓝溶液中，振荡，2h后在3000 r/m in的转速下离心10m in，测定上清液的吸光度，查标准曲线换算成浓度，并按下式计算淀粉对溶液中次甲基蓝的吸附量［5］和吸附率。

式中:ω－单位质量的淀粉对次甲基蓝的吸附量，mg/g;μ－被吸附的次甲基蓝的量占次甲基蓝总量的比率，%;c1－吸附前次甲基蓝溶液浓度，mol/L;c2－吸附后次甲基蓝溶液浓度，mol/L;v－次甲基蓝溶液的体积，L;m－用于吸附次甲基蓝的淀粉干重，g;373.9－次甲基蓝相对分子质量。

1.2.6 次甲基蓝饱和吸附量的测定［6］将最佳吸附浓度的次甲基蓝溶液持续流过淀粉柱，直至其浓度不再变化为止，记录消耗掉溶液的体积，测定吸附前后溶液的吸光度，根据标准曲线和吸附量计算公式即可求出淀粉对次甲基蓝的饱和吸附量。

1.2.7 大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉吸附速率曲线 称取40g大米多孔淀粉或大米多孔酯化淀粉加入到500m L锥形瓶中，再添加200m L浓度为25×10－5mol/L的次甲基蓝溶液，在40℃恒温水浴下振荡12h，每隔一段时间吸取15m L摇匀后的混合液并移入离心管中，在3000 r/m in条件下离心10m in，测定上清液的吸光度。其中大米多孔淀粉的酶解时间为9h，大米多孔酯化淀粉的酶解时间为12h，酯化时间为3h(DS=0.013)。离心沉淀的淀粉转移到铝盒中，45℃下烘干，称其质量。根据公式计算大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉对次甲基蓝溶液的吸附量。

2 结果与讨论

2.1 次甲基蓝最佳吸附浓度的确定

由图2可以看出，大米多孔淀粉的吸附能量与次甲基蓝溶液的浓度呈正比关系，即浓度越大，吸附量越大，但是吸附率却相反，当浓度大于25×10－5mol/L后，吸附率开始下降，因此最佳吸附浓度为25 ×10－5mol/L。

图2 次甲基蓝浓度对大米多孔淀粉吸附量和吸附率的影响

2.2 不同淀粉对次甲基蓝饱和吸附量的确定

由表1可知，大米多孔淀粉的饱和吸附量为4.88mg/g，大米多孔酯化淀粉的饱和吸附量为5.97mg/g，分别比原淀粉的4.83mg/g提高了27%和56%，大米多孔酯化淀粉的吸附量又比大米多孔淀粉提高了22%。说明淀粉经过变性后吸附能力增强，大米多孔酯化淀粉吸附疏水性物质的能力得到明显提升。

表1 不同淀粉对次甲基蓝的饱和吸附量

2.3 酶解时间对大米多孔淀粉吸附次甲基蓝的影响

不同酶解时间下制得的大米多孔淀粉吸附次甲基蓝2h后，测定其吸附量，其中次甲基蓝的浓度为25×10－5mol/L，结果见图3。由图3可知，随着酶解反应时间的延长，淀粉对次甲基蓝的吸附量先上升后下降。酶解9h制得的多孔淀粉的吸附量最大。

图3 酶解时间对大米多孔淀粉吸附次甲基蓝的影响

起初大米多孔淀粉的吸附量随酶解时间的延长而上升是因为酶解使淀粉颗粒表面的开孔率不断上升，比表面积增大从而提供了更多的吸附界面，同时淀粉粒内部形成的孔穴给予吸附质更多的持留空间。酶解9h后，由于开孔过大和淀粉粒崩解等原因导致次甲基蓝与多孔淀粉的结合强度大大降低。此时可牢固持留次甲基蓝的孔穴已遭到破坏，淀粉粒已很难将次甲基蓝深深地吸附于其内部，致使在离心时次甲基蓝容易与淀粉脱离，因此吸附量下降。

2.4 酶解时间对大米多孔酯化淀粉的取代度和吸附量的影响

取酶解时间不同的大米多孔淀粉进行酯化反应，酯化反应时间均为3h。然后测定大米多孔酯化淀粉的取代度和对次甲基蓝的吸附量，其中吸附时间是2h，次甲基蓝的浓度是25×10－5mol/L，结果见图4。

图4 酶解时间对大米多孔酯化淀粉的取代度和吸附量的影响

由图4可知，随着酶解时间的延长，大米多孔酯化淀粉的取代度和对次甲基蓝的吸附量的变化趋势一致，都是先逐渐增大，后略有降低。其中酶解12h制得的酯化淀粉的取代度和吸附量都达到最大值。酶解时间越长，大米多孔酯化淀粉的取代度越高，说明开孔率增大更易于酯化，使得辛烯基琥珀酸链的接入量变大，由于辛烯基琥珀酸具有疏水性，因此多孔酯化淀粉对次甲基蓝的吸附能力得到提升，吸附量增大。

2.5 多孔淀粉和多孔酯化淀粉吸附速率曲线

大米多孔淀粉在浓度为25×10－5mo/L的次甲基蓝溶液中的动态吸附曲线如图5所示。当吸附时间为6h时，大米多孔淀粉对次甲基蓝的吸附已经达到饱和，此时，吸附速率和解吸速率是恒定的，吸附速率不随时间变化而变化。所以，取0～6h作为计算吸附速率的时间范围。

将Lagergren吸附速度公式应用于固－液体系，在时间t内的吸附量以q表示，在一定的浓度条件下，其吸附速度可用以下公式表示［9－10］:

图5 大米多孔淀粉对次甲基蓝的动态吸附

经积分可得

对大米多孔淀粉的动态吸附曲线，以lgq为纵坐标，lgt为横坐标作图，得一直线(图6)，根据所得直线计算斜率1/m=0.0189，截距 lgk=0.6592，即 k=4.5625，m=52.91，得到大米多孔淀粉吸附次甲基蓝的吸附速率方程如下:

图6 大米多孔淀粉lgq与lgt的关系

同样，对大米多孔酯化淀粉的动态吸附曲线(图7)，以lgq为纵坐标，lgt为横坐标作图，得一直线(图8)，根据所得直线计算斜率1/m=0.003，截距lgk=0.7454，即 k=5.568，m=333.33，得到大米多孔酯化淀粉吸附次甲基蓝的吸附速率方程如下:

图7 大米多孔酯化淀粉对次甲基蓝的动态吸附

大米多孔淀粉吸附速率方程的斜率K1=0.0189，大米多孔酯化淀粉吸附速率方程的斜率K2=0.003。由K1＞K2可知，大米多孔酯化淀粉吸附速率的上升速度比未酯化的大米多孔淀粉要小得多。吸附1h后，大米多孔淀粉的吸附量是4.56mg/g，大米多孔酯化淀粉的吸附量是5.57mg/g，分别是最大吸附量的96.6%和99.4%。说明这两种淀粉对次甲基蓝的吸附量在很短的时间内就趋于饱和，其中大米多孔酯化淀粉的吸附能力更强。用此方法可以在短时间内评价出大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附性能。

图8 大米多孔酯化淀粉lgq与lgt的关系

3 结论

3.1 大米多孔淀粉吸附次甲基蓝的最佳浓度为25×10－5mol/L。淀粉经过酶解开孔和酯化反应后，吸附能力得到明显提升，其中大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的饱和吸附量分别比原淀粉提高了27%和56%。

3.2 酶解时间延长，开孔率增大，酯化反应更易进行，从而使大米多孔酯化淀粉的取代度变大，对次甲基蓝的吸附量也变大。

3.4 大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉吸附次甲基蓝时都能够在比较短的时间内趋于饱和，因此用此方法可以在短时间内评价出大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附性能。

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Adsorption characteristics of porous rice starch and the esterified porous rice starch

ZHANG Jia－qi，ZHANG Yan－ping*

(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi214122，China)

The properties of porous rice starch and the esterified porous rice starch on the adsorption of methylene blue were studied.And the influence of the enzymatic hydrolysis time and substituting degree on the starch adsorption of methylene blue were analysed，the adsorptive speed equation of the porous starch and the esterified porous starch were also established.The results showed that the best adsorption concentration of methylene blue was 25 × 10－5mol/L，and the adsorption capacity were 4.88mg/g and 5.97mg/g for the porous starch and the esterified porous starch，respectively.The adsorption quantity of the porous starch and the esterified porous starch increased compared with the native starch，and the esterified porous starch adsorbed more methylene blue than the porous starch.

porous rice starch;esterified starch;adsorption;methylene blue

TS210.1

A

1002－0306(2011)08－0108－04

2010－08－23 *通讯联系人

张甲奇(1985－)，男，在读硕士，研究方向:淀粉资源的开发与利用。