中温型α-淀粉酶水解山药淀粉制备麦芽糊精研究

2020-11-26曹允洁

化工技术与开发 2020年11期

曹允洁

（滨州学院化工与安全学院，山东滨州 256603）

麦芽糊精为DE 值（葡萄糖值）小于20 的淀粉水解产物，具有无色、无臭、溶解性能好、水溶液流动性能高、黏度适中、吸湿性低、保水性能优良、泡沫稳定性和乳化性强、成膜性和赋形性佳、甜度低、易被人体吸收、有一定的包裹性和吸附性、性能稳定等特点[1]。此外它还含有微量元素及矿物质（铁、钙）等人体不能缺少的物质，对人体正常的新陈代谢有促进作用。在食品加工行业，麦芽糊精被广泛利用[2-4]。

山药是一种药食两用的中药材，在热带和亚热带地区分布广泛，具有不同的产地特征。山药含有大量的淀粉、氨基酸、矿质元素（铁、钙等）以及高分子糖、淀粉糖化酶、维生素等生物活性成分，具备滋养脾胃、抗老化、免疫调节等疗效，可治疗脾虚腹泻、肺虚咳喘、糖尿病、慢性肠炎等疾病[5]。新鲜山药中，淀粉占总质量的百分比为16%～20%，提取山药多糖后的淀粉质量百分比为60%～85%。最近几年，从山药中提取高分子糖、蛋白质、维生素等成分的研究很多[6-9]，但提纯之后的山药淀粉却没有被充分利用。因此，提高山药淀粉的利用率，不仅可以增加淀粉的种类，还能拓展山药的应用领域，增加其附加价值。

本文以山药为原料提取山药淀粉，采用中温型α-淀粉酶酶法水解山药淀粉，制备了麦芽糊精，并对工艺条件进行了研究，期望能开发制备麦芽糊精的简易方法，为提高山药淀粉的利用率提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：山药，中温型α-淀粉酶（3700U·g-1）、NaOH、HCl、硫代硫酸钠、I2、H2SO4、KI、可溶性淀粉、酒石酸钾钠、CuSO4·5H2O、葡萄糖、Na2CO3（均为AR）。

仪器：AUY120 型分析电子天平，SSY 恒温水浴箱，XYJ-802 台式低速离心机，pH-3D 精密pH 计，JJ-1 电动搅拌机，KDM 电热套。

1.2 山药淀粉的制备

山药洗净，削皮，切成碎片，用搅拌器搅拌成浆，用85℃热水浸泡4h 以提取多糖。冷却后2000 r·min-1离心得到沉淀，主要成分为淀粉，用95%乙醇浸泡4h（纯化）。倒出乙醇，在烘箱中80 ℃烘干，研磨得到山药淀粉。

1.3 麦芽糊精的制备

山药淀粉用蒸馏水调成一定质量分数的淀粉浆液，用1mol·L-1的HCl 调pH 至6.0 左右，在恒温水浴锅中加热到一定温度，加入适量的α-淀粉酶反应一定时间，加1mol·L-1的HCl 溶液，调pH 至2.0～3.0 左右。冷却后再用1 mol·L-1的NaOH 调pH 至7.0 左右，2000 r·min-1离心20 min，取上清液测量DE 值。

1.4 麦芽糊精DE 值的测定[10-11]

1.4.1 配制溶液

A 液：称取69.3 g 的CuSO4·5H2O 溶于500mL蒸馏水中，定容至1000 mL。

B 液：称取173 g 的KNaC4H4O6·4H2O 和50 g的NaOH 溶于300 mL 蒸馏水中，定容至500 mL。1.4.2 空白样的测定

250 mL 碘量瓶中加入25 mL 蒸馏水，然后加入A、B 液各10 mL，加热至微沸并保持2min。冷却后，各加入10 mL 的KI 溶液和H2SO4溶液，再加入1%淀粉溶液2 mL。用0.1 mol·L-1的Na2S2O3溶液滴定至蓝色消失，记录消耗的Na2S2O3溶液体积V0。

1.4.3 标准样的测定

5 mL 的1%葡萄糖溶液和20 mL 蒸馏水加入250 mL 碘量瓶中，然后加入A、B 液各10 mL，加热至微沸，保持2min。冷却后加入KI 溶液和H2SO4各10mL，再加入1%的淀粉溶液2mL。用0.1 mol·L-1的Na2S2O3溶液滴定至蓝色消失，记录消耗的Na2S2O3溶液体积V1。

1.4.4 样品的测定

1 mL 样品溶液和24 mL 蒸馏水加入250 mL 碘量瓶中，然后加入A、B 液各10 mL，加热至微沸，保持2min。冷却后加入KI 溶液和H2SO4各10 mL，再加入1%的淀粉溶液2 mL。用0.1 mol·L-1的Na2S2O3溶液滴定至蓝色消失，记录消耗的Na2S2O3溶液体积V2。

DE 值的计算公式为：

2 结果与讨论

2.1 水解温度对DE 值的影响

固定底物（山药淀粉）的质量分数为10%，中温型α-淀粉酶的添加量为0.15g，水解时间20min，分别在50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃下进行水解，研究水解温度对DE 值的影响，结果见图1。由充分糊化，反应单一[12]，酶的活性随温度升高而增大，超过65℃后酶活性降低。因此酶的最适温度是65℃。

图1 水解温度与DE 值关系曲线

2.2 酶添加量对DE 值的影响

固定底物质量分数为10%，水解时间20min，水解温度65 ℃，分别加入0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g 的中温型α-淀粉酶，探讨酶添加量对DE 值的影响，结果见图2。由图2 可看出，在相同的温度、时间和底物质量分数下，DE 值随酶添加量的增多而增大，酶添加量在0.05～0.1 g 时，DE 值的变化速度小于0.1～0.15 g 的变化速度，而0.15～0.3 g时，DE 值的变化速度又小于0.05～0.1 g 的速度。这是因为酶量的增加使得淀粉与酶的接触更完全，所以淀粉水解得更加彻底；但随着酶量增加，淀粉的分布也会不均匀，使得酶的催化效率降低。因此添加0.15g 的淀粉酶，淀粉的水解效果较好。

图2 酶添加量与DE 值关系曲线

2.3 水解时间对DE 值的影响

固定底物质量分数为10%，中温型α-淀粉酶添加量为0.15g，水解温度65℃，分别水解反应5min、10min、15min、20min、25min、30min，冷却后中和取样，离心测定DE 值。水解时间与产物DE 值的关系见图3。由图3 可看出，在相同的温度、酶量和底物质量分数下，随水解时间的延长，麦芽糊精的DE 值变化呈现抛物线趋势。5～20 min 时呈上升趋势，20～30 min 时呈下降趋势，20 min 时达到最大值。这是因为随着时间延长，分子间的热运动增加，更多的酶与淀粉发生接触，使得DE 值增大。随着时间的延长，反应底物的直链淀粉基本被水解[13]，加上山药淀粉中含有的蛋白质及矿质元素有褐变发生，阻碍了水解反应，达到一定时间后DE 值下降。因此水解时间20 min 时，淀粉的水解效率更好。

图3 水解时间与DE 值关系曲线

2.4 底物质量分数对DE 值的影响

固定中温型α-淀粉酶添加量为0.15g，水解温度65℃，水解时间20min，称取山药淀粉，分别调成质量分数为4%、6%、8%、10%、12%、14%的浆液，研究底物质量分数对DE 值的影响，关系曲线见图4。由图4 可知，在相同的温度、酶量和时间下，随着底物质量分数增加，DE 值的变化为先增大后减小。浓度为4%～6%时，DE 值的变化较缓，6%～10%时增长较快，10%～14%时则出现下降。这是由于随着底物质量分数增加，淀粉与酶的接触更充分，反应效率更高，DE 值也逐渐增加；但底物的质量分数增大到一定程度后，淀粉糊化不彻底，反应中的水分子相对减少，阻碍了水解反应，导致DE 值下降。因此，根据水解效率，质量分数为10%的淀粉浆液较好。