大米多孔淀粉制备工艺的研究*

薛 瑞，杨良竹，王永利，李 文，宋丽苹，李 琛

(1 玉溪师范学院化学生物与环境学院，云南 玉溪 653100;2 云南民族大学化学与环境学院，云南 昆明 650000)

多孔淀粉又名微孔淀粉、有孔淀粉，是由对生淀粉具有水解活力的酶在低于糊化温度下降解淀粉得到的水解产物，这个定义是1998年日本学者长谷川信弘才首次提出的[1]。多孔淀粉，是一种新型的变性淀粉，淀粉颗粒表面呈现的是蜂窝状，与天然淀粉相比，具有较大的比表面积及良好的吸附性能[2-3]。同时，多孔淀粉还具有很好的安全性、易降解等优点，这些特性使多孔淀粉被广泛应用于多个领域，主要用在微胶囊芯材、吸附各种功能性物质等方面[4-6]。目前，日本和美国对多孔淀粉的研究较多，研究内容多为多孔淀粉的制备、应用及改性等[7]。多孔淀粉的制备方法主要有化学法、物理法、复合酶解法、溶胶-凝胶法、酸法等，其中复合酶法制备的多孔淀粉成孔效果较好[8-9]。我国是全球的水稻“王国”，稻谷产量居世界第一，大米中淀粉和蛋白质含量分别约是80%和8%，从含量上看大米是制取多孔淀粉很好的原料。本文选取大米淀粉为原料，采用复合酶法来制备多孔淀粉，期望可以制备出高吸附性能的多孔淀粉，为其在医药、食品等领域的应用提供理论依据。

1 实 验

1.1 原料、试剂

大米淀粉，Sigma-Aldrich (上海)贸易有限公司；一水合柠檬酸、氢氧化钠、磷酸氢二钠，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；糖化酶、α-淀粉酶，合肥博美生物科技有限责任公司；色拉油，上海日清油脂有限公司。

1.2 仪 器

DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器有限责任公司；TD5A-WS型离心机，广州深华生物技术有限公司；AR1140型分析天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；S-4800型场发射扫描电子显微镜，日本日立株式会社。

1.3 实验方法

1.3.1 大米多孔淀粉的制备[10]

用分析天平准确称取大米淀粉10 g，加入适量磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液调节pH，搅拌均匀，预热15 min，加入复合酶(α-淀粉酶+糖化酶)，反应完成后，用5 mL 4%浓度的氢氧化钠溶液终止反应，将沉淀过滤洗涤，烘干至恒重，即得大米多孔淀粉产物。

1.3.2 多孔淀粉吸附性能的测定[11]

准确称取多孔淀粉1 g于两个烧杯中，前者加入10 mL色拉油，后者加入10 mL蒸馏水，置于磁力搅拌器上搅拌30 min，分别将混合液倒入砂芯漏斗中抽滤，直至没有油滴或水滴滴下为止，记录砂芯漏斗前后的质量，按公式1进行吸油率、吸水率计算。

(1)

式中：m1为抽滤前砂芯漏斗的质量,g；m2为抽滤后砂芯漏斗的质量,g;m为称取多孔淀粉的质量,g。

2 结果与讨论

2.1 大米多孔淀粉的形貌

通过扫描电镜(SEM)对大米多孔淀粉的形貌进行观察，如图1所示。可以看出，采用复合酶法制备的大米多孔淀粉颗粒表面呈蜂窝状，分布着很多小孔，孔径不大，小孔由颗粒表面向中心延伸，颗粒较完整。

图1 大米多孔淀粉的扫描电镜图Fig.1 SEM image of rice porous starch

2.2 大米多孔淀粉制备工艺的单因素实验

以吸油率和吸水率为吸附性能的指标，考察pH值、酶用量、酶配比(α-淀粉酶：糖化酶)、反应时间、反应温度和淀粉浓度对大米多孔淀粉吸附性能的影响，并进一步通过正交实验得到最佳的制备工艺。

2.2.1 pH值的影响

在酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反应时间12 h，反应温度50 ℃，淀粉浓度40%的条件下，研究不同pH值对大米多孔淀粉吸附性能的影响，结果如图2所示。

图2 pH值对大米多孔淀粉吸附性能的影响Fig.2 The effect of pH value on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能随着pH值的增加先升高后降低，当pH值为5.5时，吸油率和吸水率最大，此时吸附性能最好。这可能是由于当pH值≤5.5时，随着pH值的升高，复合酶的活性逐渐增强，从而对淀粉的酶解作用加强，淀粉的吸附性能得到提高。当pH值≥6.0后，复合酶的活性降低，限制了淀粉的酶解过程，成孔减少，淀粉的吸附性能下降。因此，本反应体系的最佳pH值为5.5。

2.2.2 酶用量的影响

在pH值5.5，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反应时间12 h，反应温度50 ℃，淀粉浓度40%的条件下，研究不同酶用量对大米多孔淀粉吸附性能的影响，结果如图3所示。

图3 酶用量对大米多孔淀粉吸附性能的影响Fig.3 The effect of enzyme dosage on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能随着酶用量的增加先升高后降低，当酶用量为1.2%时，吸油率和吸水率均达到最大值，吸附性能最优。这可能是因为当酶用量≤1.2%时，随着酶用量的增加，淀粉酶解反应的速度加快，成孔较多，吸附性能得到提高。当酶用量≥1.4%时，随着酶用量的增加，淀粉酶解速度过快，破坏成孔的空间结构甚至导致淀粉颗粒结构崩解，吸附性能迅速下降。因此，本反应体系的最佳酶用量为1.2%。

2.2.3 酶配比的影响

在pH值5.5，酶用量1.2%，反应时间12 h，反应温度50 ℃，淀粉浓度40%的条件下，研究复合酶不同的酶配比对大米多孔淀粉吸附性能的影响，结果如图4所示。

图4 酶配比对大米多孔淀粉吸附性能的影响Fig.4 The effect of enzyme ratio on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能随着α-淀粉酶：糖化酶比值的降低先升高后降低，在酶配比为1:2时，吸附性能最优。这可能是因为多孔淀粉的形成过程首先是由糖化酶(外切型淀粉酶)作用于淀粉的非还原性末端，随机切开淀粉的α-1,4和α-1,6等糖苷键，将淀粉颗粒表面容易水解的无定形区酶解形成小孔。随后，α-淀粉酶(内切型淀粉酶)通过溶胀作用进入淀粉颗粒内部，随机水解淀粉的α-1,4糖苷键，为糖化酶的水解提供新的非还原性末端。总的来说，α-淀粉酶和糖化酶是协同水解向淀粉颗粒内部推进，从而形成淀粉的多孔结构。因此，只有当α-淀粉酶和糖化酶在一定配比时，成孔效果最好，多孔淀粉的吸附性能最佳，本反应体系的最佳酶配比为1:2。

2.2.4 反应时间的影响

在pH值5.5，酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反应温度50 ℃，淀粉浓度40%的条件下，研究不同反应时间对大米多孔淀粉吸附性能的影响，结果如图5所示。

图5 反应时间对大米多孔淀粉吸附性能的影响Fig.5 The effect of reaction time on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能随着反应时间的增加先升高后降低，当反应时间为12 h时，吸附性能最佳。这可能是由于刚反应时，淀粉颗粒随着时间的增加而吸水溶胀，复合酶更容易与淀粉结合发生水解反应，达到一定时间后，淀粉颗粒的水解作用充分，成孔数量多，孔径大且深，此时吸附性能优异。但是，当反应时间继续延长，淀粉颗粒进一步被水解，可能会造成孔洞结构的破坏甚至崩解，导致吸附性能迅速下降。因此，本反应体系的最佳反应时间为12 h。

2.2.5 反应温度的影响

在pH值5.5，酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反应时间12 h，淀粉浓度40%的条件下，研究不同反应温度对大米多孔淀粉吸附性能的影响，结果如图6所示。

图6 反应温度对大米多孔淀粉吸附性能的影响Fig.6 The effect of reaction temperature on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能随着反应温度的增加先升高后降低，当反应温度为55 ℃时，吸附性能最好。这可能是因为刚开始随着反应温度的升高，复合酶达到了适宜温度，活性增强。同时，淀粉颗粒的溶胀性随着温度的升高而增加，进一步促进了复合酶的水解作用，提高了淀粉颗粒的成孔率。而当温度继续升高，复合酶的活性降低，淀粉颗粒增加的溶胀性抵不过前者的损失，酶解速率下降，限制了淀粉多孔结构的形成。因此，本反应体系的最佳反应温度为55 ℃。

2.2.6 淀粉浓度的影响

在pH值5.5，酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反应时间12 h，反应温度55 ℃的条件下，研究不同淀粉浓度对大米多孔淀粉吸附性能的影响，结果如图7所示。

图7 淀粉浓度对大米多孔淀粉吸附性能的影响Fig.7 The effect of starch concentration on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能随着淀粉浓度的增加先升高后降低，当淀粉浓度为30%时，吸附性能达到最大值。这可能是由于当淀粉浓度较低时，复合酶和淀粉在溶液中较为分散，复合酶不容易吸附到淀粉颗粒表面进行水解作用，吸附性能较低。当浓度继续增加，复合酶和淀粉能充分接触并发生反应，吸附性能增强。但是，当淀粉浓度较高时，体系黏度增加，很难形成均一体系，复合酶可能只与部分淀粉反应，酶解不充分，吸附性能降低。因此，本反应体系的最佳淀粉浓度为30%。

2.3 大米多孔淀粉制备工艺的正交实验

通过单因素实验可得对大米多孔淀粉吸附性能的影响为：酶用量>反应时间>pH值>酶配比>反应温度>淀粉浓度。因此，在反应温度55 ℃，淀粉浓度30%的条件下，以大米多孔淀粉的吸附性能(吸油率)为指标，采用正交实验的方法，考察影响最大的四种单因素，优化大米多孔淀粉的制备工艺。

表1 正交实验四因素三水平表Table 1 Four factors and three levels of orthogonal test

表2为四种单因素中，对大米多孔淀粉吸附性能影响。由表2可以看出，最大的是反应时间，其次是酶用量和酶配比，pH值的影响最小。同时，得到大米多孔淀粉制备工艺的最佳条件为：pH值5.0，酶用量1.2%，酶配比1:2，反应时间16 h，反应温度55 ℃，淀粉浓度30%。在此实验条件下制备大米多孔淀粉，测得吸油率为51.38%，吸水率为178.65%。同时，测得大米原淀粉的吸油率为17.89%，吸水率为98.21%，不难发现，大米多孔淀粉的吸附性能有了极大的提高。

表2 正交实验设计与结果Table 2 The design and results of orthogonal test

3 结 论

通过复合酶法制备的大米多孔淀粉颗粒表面分布着很多小孔，呈蜂窝状。通过单因素实验分析，得到各因素对大米多孔淀粉吸附性能的影响因素为：酶用量>反应时间>pH值>酶配比>反应温度>淀粉浓度。采用正交实验对大米多孔淀粉的制备工艺进行优化，得到最佳的制备工艺为：pH值5.0，酶用量1.2%，酶配比1:2，反应时间16 h，反应温度55 ℃，淀粉浓度30%，此时制得的大米多孔淀粉吸油率为51.38%，吸水率为178.65%。