超声波辅助α－淀粉酶制备蜡质玉米微孔淀粉的工艺和性质

张 楠 陈海华 王雨生，2 张滢滢

（青岛农业大学食品科学与工程学院1，青岛 266109）（青岛农业大学学报编辑部2，青岛 266109）

超声波辅助α－淀粉酶制备蜡质玉米微孔淀粉的工艺和性质

张 楠1陈海华1王雨生1，2张滢滢1

（青岛农业大学食品科学与工程学院1，青岛 266109）（青岛农业大学学报编辑部2，青岛 266109）

为优化超声波辅助α－淀粉酶水解蜡质玉米淀粉制备微孔淀粉的工艺，通过单因素及正交试验，以吸油率为指标，确定了制备微孔淀粉的最佳工艺。同时采用偏光显微镜和差示扫描量热分析仪研究所得微孔淀粉的显微结构及热力学特性。结果表明，在超声功率600W，超声时间30 min，淀粉乳浓度30%的辅助条件下，酶添加量100 U／g、酶解温度50℃、酶解pH值6.0、酶解时间20 h制得的蜡质玉米微孔淀粉吸油率最高，为175.41%。经超声波辅助酶解制备的蜡质玉米微孔淀粉，淀粉颗粒结构保持完整，均一性提高，糊化温度升高。与普通酶解工艺相比，超声辅助酶解工艺制备的微孔淀粉吸油率提高了19.79%。

蜡质玉米 微孔淀粉 α－淀粉酶 超声波辅助处理 吸油率

变性淀粉因具有许多优良性质被广泛应用于食品、纺织、医药、化工等各个领域。目前世界上变性淀粉生产主要集中在欧美等西方发达国家，我国仍需进口大量变性淀粉来满足众多现代工业的需要。微孔淀粉是一种变性淀粉，因其特殊的多孔结构而具有较强的吸附性能，可作为微胶囊芯材、包埋剂、吸附剂等应用在食品及医药领域［1］。目前制备微孔淀粉的原料主要有玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉等。蜡质玉米淀粉因具有良好的透明性、抗凝沉性和冻融稳定性被广泛应用于食品加工，同时也是一种生产变性淀粉的优质材料，但以蜡质玉米淀粉为原料制备微孔淀粉的研究鲜有报道。

目前制备微孔淀粉的方法主要有物理方法（超声处理、机械撞击、醇变性、喷雾）、化学方法（酸法）和生物方法（酶法）。姚卫蓉等［2］应用物理粉碎法制备多孔淀粉。周小柳等［3］应用酸解法制备小麦微孔淀粉。刘雄等［4］用淀粉糖化酶水解制备具有吸附功能的甘薯微孔淀粉。酶水解法工艺简单易行，并适用于大批量工业化生产，故具有较高的实用价值［5］。近年来，超声波技术因作用时间短、操作简单易控制被逐渐应用于淀粉领域。超声处理对淀粉的颗粒结构、分子质量等性质影响显著，成为淀粉改性的一种新型物理方法［6］。然而，关于超声波辅助α－淀粉酶制备微孔淀粉的报道较少。周坚等［7］研究表明，超声波处理可以使淀粉颗粒粒度更加均匀，更有利于糖化酶水解。杨景峰等［8］研究报道，超声波对淀粉反应活性有影响，适宜条件的超声波处理可提高其反应活性。

因此，本研究以蜡质玉米淀粉为原料，采用超声波辅助α－淀粉酶水解制备微孔淀粉，以吸油率为主要指标，确定α－淀粉酶制备蜡质玉米微孔淀粉及超声波辅助酶解的最佳工艺条件，探索一种制备蜡质玉米微孔淀粉的新型技术方法。

1 材料与仪器

1.1 材料与试剂

蜡质玉米淀粉：德州大成食品有限公司；α－淀粉酶（1×104U／g）：康地恩生物科技有限公司；其余试剂均为分析纯。

1.2 主要仪器

LXJ－IIB低速离心机：上海安亭科学仪器厂；DSC1型差示扫描量热分析仪、DELTA320酸度计：瑞士Mettler－Toledo集团。

2 试验方法

2.1 普通酶解制备微孔淀粉工艺流程：

制备方法参照参考文献［4］，工艺流程：

称取适量淀粉→调浆→α－淀粉酶酶解→离心→烘干→粉碎→过筛→成品。

2.2 普通酶解制备微孔淀粉单因素试验

酶添加量、酶解温度、酶解pH及酶解时间的作用条件如表1所示，固定其中3个因素，改变1个因素进行酶解单因素试验，探讨不同反应条件对微孔淀粉水解率和吸油率的影响。

表1 普通酶解制备蜡质玉米微孔淀粉的单因素试验设计方案

2.3 普通酶解制备微孔淀粉正交试验

选取酶添加量、酶解温度、酶解pH、酶解时间等因素，采用四因素三水平L9（34）正交表进行正交试验，试验方案如表2所示。

表2 普通酶解制备蜡质玉米微孔淀粉的正交试验因子水平表

2.4 超声波辅助酶解制备微孔淀粉

将玉米淀粉配成不同质量浓度的淀粉乳，以不同功率的超声波和不同处理时间进行超声处理，超声处理后的淀粉经过离心沉淀、干燥、过筛，再按照2.1的方法进行酶解制备微孔淀粉。

2.5 超声辅助酶解制备微孔淀粉单因素试验

超声功率、超声时间及淀粉乳浓度的作用条件如表3所示，固定其中2个因素，改变1个因素进行超声辅助酶解单因素试验，探讨不同反应条件对淀粉水解率和吸油率的影响。

表3 超声辅助酶解制备蜡质玉米微孔淀粉的单因素试验设计方案

2.6 超声辅助酶解制备微孔淀粉正交试验

选取超声功率、超声时间、淀粉乳浓度等因素，采用三因素三水平L9（33）正交表进行正交试验，试验方案如表4所示。

表4 超声辅助酶解制备蜡质玉米微孔淀粉的正交试验因子水平表

2.7 测定方法

2.7.1 水解度的测定

测定方法参照参考文献［9］。

2.7.2 吸油率的测定

吸油率是指微孔淀粉所吸收的大豆油占多孔淀粉的质量比。测定方法参照参考文献［10］，精确称取烘干后的样品m1，一定温度下与大豆油混合震荡一定时间后进行离心（3 000 r／min，20 min），弃去上层液，将底层微孔淀粉进行称重（m2）。计算吸油率（S），计算公式：

2.7.3 微孔淀粉颗粒形态的测定

采用偏光显微镜测定，参照参考文献［11］。

2.7.4 DSC测定

参照参考文献［12］，采用DSC测定微孔淀粉的热性质。称取一定质量的蜡质玉米原淀粉或微孔淀粉，配制成质量分数为35%的悬浊液，称取30 mg样品于铝坩埚中，压盖后静置24 h，待测。将差示扫描量热分析仪用铟标准品进行校正后，用于样品测定。测试条件：扫描温度范围为40～100℃，升温速率10℃／min，记录糊化起始温度（To）、糊化峰值温度（Tp）、糊化终止温度（Tc）和糊化焓值（ΔH）4个特征参数。

3 结果与分析

3.1 普通酶解制备蜡质玉米微孔淀粉

水解率表示淀粉的水解程度，吸油率可作为客观反应微孔淀粉成孔好坏的重要指标。由图1可知，随着加酶量的提高，水解率逐渐上升，当酶添加量超过120 U／g时，水解率增幅变缓。随着酶添加量的增加，吸油率呈先上升后下降的趋势，当酶添加量为100 U／g时，吸油率最高。这可能是由于随着酶添加量的增加，水解率增大，当酶解达到一定程度后，淀粉颗粒微孔的半径过大甚至会坍塌，因此吸油率降低［13］。综合水解率和吸油率的结果，确定最佳酶添加量为80～120 U／g。

图1 酶处理条件对淀粉水解率和吸油率的影响

随着酶解温度的升高，淀粉水解率和吸油率均呈先上升后下降的趋势，且在温度为45℃时，水解率和吸油率达到最大值。原因可能是温度低于酶的最适作用点时，淀粉酶的活性随温度升高而增强，因此水解率和吸油率也相应地提高。继续升温至高于淀粉酶的最适作用温度时，酶的活力下降使淀粉的水解程度降低，微孔淀粉的孔洞变小，吸油能力也随之减弱［13］。综合水解率和吸油率的结果，确定最佳酶解温度为40～50℃。

随着酶解pH的升高，淀粉水解率和吸油率都呈先升高后降低的趋势，且均在pH值为6.0时达到最大值。这是因为在此pH值下，淀粉酶达到最大活性，对底物作用效果最好，水解效率最高，吸油率也最高。过高或过低的pH会降低酶活力，影响水解反应的进行，从而无法形成结构较好的微孔颗粒，导致吸油率下降［16］。综合水解率和吸油率的结果，酶作用的最适pH值为5.5～6.5。

随着酶解时间的延长，水解率逐渐增大，而吸油率呈先增加后减小的趋势，在20 h达到最大值。这可能是由于水解初期淀粉酶活力较高，淀粉颗粒表面的孔洞扩大速度快［14］，故水解率持续上升，吸油率也随之升高。随着时间的延长，酶解程度加深，淀粉颗粒可能破裂坍塌，导致吸油率反而降低。综合水解率和吸油率的结果，确定最佳酶解时间为16～24 h。

3.2 普通酶解制备蜡质玉米微孔淀粉正交试验

从表3可以看出，对玉米微孔淀粉吸油率影响的4个因素的主次排序为B＞D＞A＞C，即酶解温度对玉米微孔淀粉吸油率的影响最大，其次为酶解时间，酶添加量和酶解pH值，最优组合为A2B3C2D2，即酶添加量为100 U／g，酶解温度为50℃，酶解pH值为6.0，酶解时间为20 h。在此工艺条件下，所得微孔淀粉的吸油率为155.61%。

表5 普通酶解制备蜡质玉米微孔淀粉的正交试验结果

3.3 超声波辅助酶解制备蜡质玉米微孔淀粉

由图2可知，随着超声功率的增加，水解率逐渐增大，吸油率呈先增大后减小的趋势，在300 W时达到最大值。这可能是由于超声作用可在一定程度上破坏淀粉颗粒表面的水束层，使水分子渗入淀粉颗粒，从而有利于淀粉酶对淀粉的水解［15－16］。当超声功率超过300 W时，淀粉酶水解淀粉过度，使淀粉颗粒表面孔洞过多，吸附性能受到影响，故吸油率下降。综合水解率和吸油率的结果，确定最佳超声功率为250～350 W。

随着超声时间的延长，淀粉水解率逐渐增大，吸油率呈先增加后降低的趋势，在20 min时达到最大值。这可能是由于在一定的超声时间内，淀粉颗粒分散均匀，有利于酶的活性位点和底物充分接触，故水解率和吸油率会逐渐增大［17］。超声时间过长，淀粉颗粒的破坏程度加大，在进一步酶解时，部分淀粉颗粒结构会发生崩解，甚至完全被分解成葡萄糖，失去了淀粉的微孔吸附性能［18］。综合水解率和吸油率的结果，确定最佳超声时间为10～30 min。

图2 超声辅助条件对淀粉水解率和吸油率的影响

随着淀粉乳浓度的增加，水解率逐渐增大，吸油率先增大后减小，并在淀粉乳浓度为50%时达到最大值。这可能是因为随着淀粉乳浓度升高，淀粉颗粒表面的作用位点过多，导致淀粉过度水解而出现瓦解现象，使淀粉吸油率受到了明显的影响。综合水解率和吸油率的结果，确定最佳淀粉乳浓度为30%～70%。

3.4 超声波辅助酶解制备蜡质玉米微孔淀粉正交试验

从表6可以看出，对玉米微孔淀粉吸油率影响的3个因素的主次排序为A＞B＞C，即超声功率对玉米微孔淀粉吸油率的影响最大，其次为超声时间，超声淀粉乳浓度。最优组合为A2B3C1，即超声功率300W，超声时间为30 min，淀粉乳浓度为30%。在此工艺条件下，所得微孔淀粉的吸油率为175.41%。

表6 超声辅助酶解制备蜡质玉米微孔淀粉正交试验结果

3.5 淀粉颗粒吸附性能对比

由图3可以看出，普通玉米淀粉酶解后的吸油率高于原淀粉的吸油率，且经过超声辅助酶解后淀粉的吸油率更高，这与武赟等［10］研究的超声波辅助酶解制备普通玉米微孔淀粉的结果一致。蜡质玉米淀粉的吸油率普遍高于普通玉米淀粉，且经过超声辅助酶解后蜡质玉米淀粉的吸油率达到最高。这说明一定强度的超声波辅助酶解效果明显好于普通酶解效果，蜡质玉米淀粉酶解效果明显好于普通玉米淀粉。

图3 淀粉颗粒吸油率对比

3.6 淀粉颗粒的偏光结果分析

图4 蜡质玉米微孔淀粉颗粒显微结构及偏光十字照片（×60）

从图4a～图4c可以看出，蜡质玉米淀粉经酶解后，颗粒表面出现孔洞，且经超声酶解的淀粉颗粒孔洞较多。这是因为超声处理使淀粉体系更加均匀，有利于酶从淀粉颗粒表面向内部侵蚀，使颗粒表面小孔的孔密度、孔径、孔深均有所增加，淀粉颗粒的比表面积增大，从而对各类液体物质的吸附能力增强。从图4d～图4 f可以看出，酶解后部分淀粉颗粒的偏光十字仍然存在，这是因为酶水解主要发生在颗粒的无定形区或是结晶少、密度小的敏感区域，不破坏淀粉颗粒的晶体结构［19］。随着水解率的增加，偏光消失的颗粒也有所增加。偏光十字消失的颗粒主要包括酶水解后产生的空心颗粒、淀粉颗粒破裂后剩余的半球形空穴以及一些水解残片［11］。

3.7 蜡质玉米淀粉热特性结果分析

由表7可知，经普通酶解及超声酶解制备的蜡质玉米微孔淀粉与原淀粉相比糊化温度升高，糊化温度范围（Tc～To）变窄，吸热焓变化不大。糊化温度升高的原因可能是由于残留物是对α－淀粉酶抗性较强的淀粉结晶结构的残片，因此不易糊化。糊化温度的范围反映了淀粉结晶大小的均一性，淀粉晶体大小越一致，终止糊化温度（Tc）与起始糊化温度（To）之间差别越小［20］。超声酶解淀粉的糊化温度范围较原淀粉和普通酶解淀粉窄，说明超声酶解淀粉颗粒的均一性优于原淀粉和普通酶解淀粉颗粒。

表7 蜡质玉米原淀粉及微孔淀粉的热特性

4 结论

超声波辅助α－淀粉酶水解蜡质玉米淀粉制备微孔淀粉的最佳工艺为：超声功率600 W，超声时间30 min，淀粉乳浓度30%的辅助条件下，酶添加量100 U／g、酶解温度50℃、酶解pH值6.0、酶解时间20 h。此时制得的蜡质玉米微孔淀粉吸油率最高，为175.41%。经超声波辅助酶解制备的蜡质玉米微孔淀粉，淀粉颗粒结构保持完整，均一性提高，糊化温度升高。与普通酶解工艺相比，超声辅助酶解工艺制备的微孔淀粉吸油率得到明显提高。

［1］安洪欣.多孔淀粉的研究和应用［J］.佳木斯大学学报，2010，28（2）：262－264

［2］姚卫蓉，姚惠源.淀粉性质及预处理对多孔淀粉形成的影响［J］.中国粮油学报，2005，20（5）：51－55

［3］周小柳，唐忠锋，陈晓伟.盐酸制备小麦微孔淀粉的性能及结构研究［J］.食品工业科技，2009（3）：237－239

［4］刘雄，阚建全，马嫄，等.甘薯微孔淀粉的制备技术及吸附性能的研究［J］.西南农业大学学报，2003，25（2）：127－130

［5］Lorenz K，Kulp K.Sprouting of cerealgrains－effects on starch characteristics［J］.Starch，1981，33（6）：183－184

［6］徐正康，罗发兴，罗志刚.超声波在淀粉制品中的应用［J］.粮油加工与食品机械，2004（12）：60－62

［7］周坚，沈汪洋，万楚筠.微孔淀粉制备的预处理工艺研究［J］.食品科学，2006，26（11）：154－156

［8］杨景峰，罗志刚，罗发兴.淀粉预处理方法对多孔淀粉的影响［J］.食品科技，2007（7）：50－53

［9］李军，陈存社.酶法制备微孔淀粉的工艺研究［J］.北京工商大学学报，2005，23（2）：9－11

［10］武赟，吕真，杜先锋.超声波辅助酶解制备多孔淀粉的研究［J］.食品与发酵工业，2008，34（4）：25－30

［11］聂丽红，罗志刚，王颖，等.酶法制备多孔玉米淀粉及其显微结构的研究［J］.现代食品科技，2009，25（12）：1427－1430

［12］徐忠，缪铭，刘明丽，等.玉米多孔淀粉颗粒结构及性质的研究［J］.食品科学，2006，27（10）：128－131

［13］杨圣岽，李兵，张琳.复合酶法制备马铃薯微孔淀粉的工艺研究［J］.安徽农业科学，2012，40（9）：5352－5354

［14］江慧娟，黄赣辉.复合酶法制备葛根多孔淀粉［J］.食品科学，2011，32（18）：91－94

［15］Hayashida S，Nakahara K，KanlayakritW.Characteristics and function of raw－starch－affinity site on aspergillus awamorivar［J］.Agricultural and Biological Chemistry，1989，53（1）：143－149

［16］Flint E B，Suilick K S.The temperture of cavitation［J］.Science，1991，253：1397－1399

［17］Barton S，Bullock C，Weir D.The effects of ultrasound on the activities of some glycosidase enzymes of industrial importance［J］.Enzyme and Microbial Technology，1996，18：190－194

［18］张洪微，李娟，魏文毅.超声波预处理制备多孔马铃薯淀粉工艺的研究［J］.食品科技，2010，35（7）：253－256

［19］Sreenath，H K.Studies on starch granules digestion by aamylase［J］.Starch，1992，44（12）：61－63

［20］Vasanthan T，Bhatty R S.Physicochemical properties of small and large－granule starches ofwaxy，regular，and high－amylose barleys［J］.Cereal Chemistry，1996，73（2）：199－207.

Processing Technology and Properties of Microporous Waxy Maize Starch Produced by Ultrasonic－Assisted Α－Amylase Enzymolysis

Zhang Nan1Chen Haihua1Wang Yusheng1，2Zhang Yingying1
（College of Food Science and Engineering，Qingdao Agricultural University1，Qingdao 266109）（Editorial Department of Journal of Qingdao Agricultural University2，Qingdao 266109）

The processing technology ofmicroporous waxy maize starch with ultrasonic－assistedα－amylase enzymolysis has been researched according to the oil absorption ratio determined by single factormethod and orthogonal test in the paper.Meanwhile，themicrostructure and thermal property ofmicroporousmaize starch have also been studied by polarized lightmicroscopy aswell as differential scanning calorimetry.The results showed that the optimal conditions of ultrasonic treatmentwere as follows：power of 600 W，time of 30 min，the concentration of 30%；the optimal enzymolysis conditionswas as follows：enzymatic dosage of 100 U／g，temperature of 50℃，pH of6.0，and time of20 h.On the above conditions，themicroporouswaxymaize starch could obtain the highestoil absorption ratio as 175.41%.After ultrasonic－assistedα－amylase enzymolysis，the granule structure ofmicroporous waxy maize remained relatively complete；its uniformity and gelatinization temperature was increased.Compared with that of the common enzymolysis technology，the oil absorption ratio ofmicroporous waxy maize starch by ultrasonic－assistedα－amylase enzymolysis increased 19.79%.

waxymaize，microporous starch，α－amylase，ultrasonic－assisted treatment，oil absorption ratio

TS201.2

A

1003－0174（2015）11－0115－06

山东省高等学校优秀中青年骨干教师国际合作培养项目 （SD－20130825）

2014－07－01

张楠，女，1989年出生，硕士，食品化学

陈海华，女，1973年出生，教授，食品化学