粳米多孔淀粉制备工艺优化及性质研究

包军鹏，吴 珊，徐 超，陈 翔，申 瑾，郭家俊，章 中*

1.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750000 2.宁夏昊王米业集团有限公司，宁夏 银川 750000

各种工业活动中的重金属进入水生态系统后，造成水污染，对人类健康产生严重威胁，必须将其从废水中除去[1-4]。在处理废水中重金属的各种方法中，吸附法处理废水具有操作简便、运行成本低、效率高、不存在二次污染威胁等优点，是一种很有前途的方法[4-5]。吸附过程中最重要的组成部分是吸附剂，常见的吸附剂有木炭、黏土、硅胶和生物吸附剂等[6-7]。

多孔淀粉是微孔丰富的改性淀粉，具有无毒性、生物降解性、安全性，它不仅广泛应用于食品和非食品领域，而且是一种可转化为高附加值产品的农业原材料[8-10]。孔从其颗粒的表面到中心,多孔淀粉增加了淀粉的比表面面积，提高了表面的吸附性能[11-13]。但是，由于淀粉中—OH在所有配体中是弱场配体，不能与大量的金属离子形成稳定的配合物，仅仅用多孔淀粉作为废水处理的吸附剂，吸附性能有限不能满足应用需要。而经过氨基将其改性以后，多孔淀粉出现很多强场配体，能够吸附大量的金属离子。本研究旨在以黄灌区宁夏粳米为原料，对制作的多孔淀粉和原淀粉进行性质比较，并对多孔淀粉进行改性后做金属离子吸附性试验，比较分析吸附性能，为宁夏粳米深加工提供了途径，为国内粳米淀粉的应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

宁夏843粳米品种淀粉：实验室制备；醋酸、醋酸钠、糖化酶：北京索莱宝科技有限公司；氢氧化钠：天津市天力化学试剂有限公司；食用色拉油：市售；α-淀粉酶：上海源叶生物技术有限公司。

1.2 仪器与设备

722可见分光光度计：上海驰唐电子有限公司；AL204型电子天平：梅特勒-托利多(上海)有限公司；HH.SY21-Ni电热恒温水浴锅：北京长源实验设备厂； TGL-108高速离心机：上海安亭科学仪器厂；1101385S真空冷冻干燥箱：兰州科近真空冻干技术有限公司；ZEISS EVO18钨灯丝扫描电镜仪：德国卡尔蔡司。

1.3 试验方法

1.3.1 粳米多孔淀粉的制备

以宁夏843大米淀粉为原料，称取一定质量的粳米淀粉，置于烧杯中，加入一定pH值的醋酸-醋酸钠缓冲液40 mL，超声波处理20 min后，置于一定温度的恒温水浴锅中预热20 min，然后取出来放到数显集热式磁力搅拌器中，以α-淀粉酶和糖化酶1∶4的比例称取酶，用缓冲液配成适量浓度的酶液，将酶液全部转移到淀粉悬浮液中并准确计时,在一定温度和pH值条件下，搅拌一定时间后,停止反应,将悬浮液在3 000 r/min下离心10 min。沉淀用蒸馏水洗涤并离心，如此重复数次后，将所得淀粉置于真空冷冻干燥箱中干燥至恒质量，粉碎后，过筛，即得多孔淀粉。

1.3.2 吸油率的测定

称取一定量的粳米原淀粉或多孔淀粉，室温下与食用色拉油混合，搅拌 30 min 后，用真空抽滤机抽滤至恒质量(没有油滴滴下)，记录前后质量差[14]。

式中：M1为吸油后的淀粉和滤纸总的质量，g;M2为淀粉质量，g;M3为滤纸质量，g。

1.3.3 制备多孔淀粉的单因素试验

分别改变 1.3.1方法中的pH值、温度、加酶量、搅拌时间中的一个因素，设定一定个数水平，固定其他因素条件，以吸油率为指标，进行单因素试验。

1.3.4 粳米淀粉比容积的测定

按照Wang 等[15]的方法测定。

1.3.5 粳米淀粉膨胀率的测定

按照Sun 等[16]的方法测定。

1.3.6 粳米淀粉透光率的测定

按照Pashkuleva等[14]的方法测定。

1.3.7 粳米氨基多孔淀粉的制备

按照周英男[17]的方法制备。

1.3.8 粳米淀粉微球的制备

按照谢新玲[18]的方法制备。

1.3.9 废水的模拟吸附试验

取250 mL锥形瓶3个，分别标号1、 2、 3号，分别加入0.1 g的粳米淀粉(原淀粉、原多孔淀粉、改性多孔淀粉)和50 mL 5 mmol/L 的CuSO4溶液，然后置于数显集热式磁力搅拌器中，在25 ℃条件下搅拌25 mim后进行吸附性能的滴定,分别测出锥形瓶中淀粉的吸附量，求出平均值为粳米淀粉(原淀粉、原多孔淀粉、改性多孔淀粉)的吸附量。

1.3.10 吸附性能试验

参照谢新玲[18]的方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 pH值对多孔淀粉吸油率的影响

由图1可知，在pH值为4.5时，粳米多孔淀粉的吸油率是最高的，pH值再升高吸油率不断下降，在pH值为3.0～3.5时，增长幅度最小。这是因为pH较低或较高都会影响酶的活性，此外，pH值较高也会促使淀粉糊化，使淀粉颗粒结构膨胀、破坏，影响淀粉的吸油率。故取pH值为4.5。

图1 反应体系pH值对吸油率的影响

2.2 体系缓冲液温度对多孔淀粉吸油率的影响

由图2可知，在35～37 ℃、37～39 ℃时，吸油率的增长与下降都较大，说明在此温度范围内，温度对体系反应的影响最大。在温度为37 ℃时，吸油率达到最高点，随着温度升高，酶的活性越来越低，反应速率越来越低，吸油率也越来越低。所以，37 ℃是该反应体系的最适反应温度。

图2 反应体系温度对吸油率的影响

图3 反应体系加酶量对吸油率的影响

2.3 不同加酶量对多孔淀粉吸油率的影响

由图3可知，当加酶量为35%时，制备出的多孔淀粉吸油率最高，当酶量小于35%时，多孔淀粉的吸油率随加酶量的升高而增加，当酶量大于35%时，多孔淀粉的吸油率随加酶量的增加而减小。加酶量太多会因水解速率太快而破坏多孔淀粉的结构，导致吸油率下降。故取加酶量为35%。

2.4 搅拌时间对多孔淀粉吸油率的影响

由图4可知，搅拌时间小于14 h时，多孔淀粉吸油率随搅拌时间的延长而增加，搅拌时间大于14 h时，多孔淀粉吸油率随搅拌时间的延长而减小。这是因为搅拌时间不足，不利于多孔淀粉的反应，搅拌时间过长，副反应增加，影响多孔淀粉的形成，从而影响吸油率。因此，取搅拌时间为14 h。

图4 反应体系搅拌时间对吸油率的影响

2.5 正交试验结果与讨论

正交试验因素与水平见表1，结果见表2。根据表2中极差可知: 各因素对多孔淀粉的吸油率影响程度依次是B>D>C>A，即影响多孔淀粉吸油率的单因素中，搅拌时间对多孔淀粉的成孔影响最大，然后依次是体系pH值、加酶量、温度，得到的最佳工艺条件组合为A3B2C2D2，即反应温度为37 ℃，反应时间为14 h，加酶量为35%，体系 pH 值为 4.5。经验证此条件，多孔淀粉的吸油率达到最高，为99.8%。

表1 酶水解正交试验因素与水平

2.6 粳米原淀粉和多孔淀粉的SEM观察比较

图5为宁夏粳米原淀粉和多孔淀粉的SEM图，其中5A图为宁夏粳米品种原淀粉，从图5A可以看出，粳米原淀粉为多边形结构，有很多棱角，表面很光滑。5B图为宁夏粳米多孔淀粉，从图5B可以看出，粳米多孔淀粉仍然为多边形结构，但棱和棱角比起原淀粉要弱，很多淀粉出现很多大小基本均一的孔洞，表面不光滑，可能是淀粉水解过程中将淀粉表面部分水解，致使棱和棱角不突出，并不是所有的淀粉都能形成多孔淀粉，因为有的淀粉颗粒可能全是抗性淀粉，导致酶基本不能水解。

表2 正交试验结果

图5 粳米淀粉SEM图

2.7 粳米原淀粉与其多孔淀粉的性质比较

粳米多孔淀粉与原淀粉性质分析见表3。由表3可知，粳米多孔淀粉的比容积较原淀粉增加了19.7%，这是因为多孔淀粉是中空的，所以每颗淀粉较原来的淀粉质量有所下降，即相同质量条件下，多孔淀粉较原淀粉体积大，颗粒数量增加，比容积也就提高。粳米多孔淀粉膨胀率较原淀粉提高了34.5%，多孔淀粉有孔使水分子很容易结合氢键进入淀粉孔洞，所以膨胀率增大。多孔淀粉透光率比原淀粉增加了12.9%，这是因为多孔淀粉有中空结构更容易使光透过。吸油率是增加最明显的，多孔淀粉的吸油率比大米原淀粉增加了45.3%，因此多孔淀粉吸附能力远远大于原淀粉。

表3 粳米多孔淀粉与原淀粉性质分析

2.8 粳米多孔淀粉和原淀粉吸附金属离子比较

粳米多孔淀粉和原淀粉吸附金属离子应用比较见表4。由表4可知，粳米原多孔淀粉对铜离子的吸附量较原淀粉提高了51.9%，氨基多孔淀粉较原淀粉和原多孔淀粉分别提高了120.5%和45.2%。因为原多孔淀粉经改性以后，多孔淀

表4 粳米淀粉对铜离子的吸附应用

粉孔道和淀粉表面布满氨基，—NH2很容易在配体中形成内轨型配合物，而淀粉中—OH很容易形成外轨型配合物，—NH2和—OH与金属离子形成较稳定的配合物，使得多孔淀粉更易吸附金属离子。 所以粳米原多孔淀粉吸附重金属离子的能力大于粳米原淀粉，而改性以后的多孔淀粉的吸附能力远远大于原淀粉和原多孔淀粉。

3 结论

制备多孔淀粉最优工艺条件：温度 37 ℃，反应时间 14 h，加酶量35%，体系 pH 4.5，在此反应条件制备的宁夏粳米多孔淀粉的比容积、膨胀率、透光率、吸油率较大米原淀粉都有所增加，说明多孔淀粉孔径对粳米原淀粉比容积、膨胀率、透光率、吸油率影响较大。粳米原多孔淀粉吸附硫酸铜溶液中Cu2+的吸附量为0.676 1 mmol/g，较原淀粉增加了51.9%，氨基多孔淀粉较原淀粉和原多孔淀粉分别提高了120.5%和45.2%。表明粳米多孔淀粉可以吸附金属离子，吸附性能较原淀粉强，改性以后的多孔淀粉吸附性更强，可以用于处理净化污水。