多孔淀粉的制备与应用研究进展

施晓丹 汪少芸

(福州大学生物科学与工程学院，福州 350108)

天然来源的淀粉材料具有安全、生物可降解等特性，但溶解性较差、易回生、黏度很高及热不稳定等缺点使得天然淀粉的应用受到了极大的限制[1]。对淀粉进行改性可以改善淀粉的性能，拓展淀粉的应用。多孔淀粉(Porous Starch)又称微孔淀粉或有孔淀粉，是利用物理、化学或者生物的方法对原生淀粉进行处理后形成的一种改性淀粉[2]。多孔淀粉最早见于动物的粪便中，率先被日本学者和美国学者关注并展开深入研究[3]。相比于原淀粉，多孔淀粉具有更高的孔隙率和比表面积、较低的颗粒密度和堆积密度、良好的吸附性等优越性能[2]。近年来，多孔淀粉的研究主要集中在工艺条件优化、结构和理化性质的表征、应用开发等方面。本文主要介绍多孔淀粉的制备方法、结构与性能及关键的影响因素、应用情况等，为今后多孔淀粉的研究与应用提供参考。

1 制备方法

1.1 单一法(物理法、化学法和生物法)

表1为制备多孔淀粉的常用方法。其中物理法是指通过超声波、微波、辐照、挤压和机械撞击等外界物理作用，破坏淀粉颗粒的表面结构，增加孔洞的数量和容积，形成多孔结构。物理法制备的多孔淀粉多在表面形成部分腐蚀和凹坑，不能形成纵横贯穿的孔洞结构[4]。随着技术的发展和研究的深入，物理法常常被用来对原淀粉做初步的处理[4]。单独使用的物理法如溶胶-凝胶法[5]和反复湿热处理法[6]也有报道。化学法是指通过酸(主要是盐酸)、交联剂、酯化剂等化学试剂的处理，使淀粉颗粒由表面向内部形成众多小孔结构。其中，采用酸水解法主要考虑酸浓度、温度、淀粉用量和反应时间等因素对微孔淀粉产品的影响[7]。采用交联反应时常用的交联试剂包括N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)[8]、三氯氧磷(POCl3)[9]、戊二醇(GA)[10]和三偏磷酸钠[11]等。相比之下，酯化反应、醚化反应和氧化反应相关的报道相对较少。生物法主要包括酶法和发酵法，仅使用一种酶处理的制备方法称为单一酶法[12，13]，使用多种酶处理时称为复合酶法[14-16]。目前国内外文献报道的可用于制备多孔淀粉的酶包括α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、糖化酶和分支酶等，其中α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶和糖化酶的复合形式较为常见。

1.2 复合法

单一法制备的多孔淀粉存在一定的缺陷，复合法将两种或多种方法同时使用，主要包括物理法辅助酶法和化学法辅助酶法。由表2可以看出α-淀粉酶结合糖化酶(比例为1∶1～1∶6)的复合酶法是组成复合法最为常用的方法之一，因而酶处理条件如加酶量、温度、pH、反应时间等成为主要考察的因素。酶反应温度一般控制在40～60 ℃(多为55 ℃左右)，pH为4.6～6.0(多为5.0或5.5)，酶反应时间多为12～24 h。在研究中应根据实际情况和实验目标对主要工艺参数进行优化。

表1 多孔淀粉的制备方法及优缺点

表2 复合法制备多孔淀粉的条件

2 多孔淀粉的结构特征及理化性质

2.1 结构特征

生淀粉经不同方法改性为多孔淀粉后，可采用电镜技术(扫描电镜、透射电镜和原子力显微镜等)对多孔淀粉的形貌特征、孔径大小等进行观察和分析。就外观形貌而言，多孔淀粉通常具有不同程度的蜂窝状多孔结构，小孔由表面向中心延伸，微孔均匀或者不均匀分布于整个淀粉颗粒表面，其孔径一般为1.0～1.5 μm[13, 14, 18, 33]。阮杨峰等[13]制备的玉米多孔淀粉的孔径稍大，为1.58～1.79 μm，而杨慧等[34]测得的多孔淀粉孔径为0.8～1.5 μm。

一般而言，改性后的多孔淀粉晶型结构能够较好地保留，但是在孔洞结构形成于无定形区的情况下，结晶度会略高于原淀粉[9, 18, 21, 26]。如研究发现天然碎米淀粉的衍射图谱中，在2θ为15°、17°、18°和23°处具有明显的峰。经超声和超声辅助酶法处理后衍射峰的位置无明显变化，只有强度略有提升，因此多孔淀粉的结晶度高于原淀粉[18]。然而Keeratiburana等[35]的研究表明，采用超声、重结晶以及酶法处理等制备的多孔淀粉的结晶度略低于原淀粉。

2.2 理化性质

因多孔淀粉的颗粒结构发生改变，其理化性质也随之发生不同程度的变化。其中比表面积是直接反映多孔淀粉吸附能力强弱的一个物理性质。Xie等[6]测定了两种晶型(A型和B型)的小麦原淀粉和湿热法结合酶解处理的多孔淀粉的比表面积，结果表明A型和B型淀粉比表面积分别由5.49、5.17 m2/g增加到7.13、10.75 m2/g。Keeratiburana等[16]发现采用酶解法获得的大米多孔淀粉的比表面积随着酶解时间的延长而增大，酶处理12 h和24 h的比表面积约为原淀粉的2倍。此外，其他理化性质如溶解性、透光率、堆积密度、吸附性能和热力学性能等也发生改变。如尹卓林等[14]通过溶解性实验得出原淀粉和多孔淀粉的溶解率分别为1.94%和3.02%。原玉米淀粉的堆积密度为0.802 g/mL，经复合酶作用后，其堆积密度下降。Keeratiburana等[16, 35]发现经超声、重结晶和(或)酶处理后的大米淀粉和高直链淀粉溶解度增加而溶胀能力降低。热力学分析表明三氯氧磷交联微孔淀粉的糊化温度和分解温度均有提升[9]。吸附性实验结果显示三偏磷酸钠交联淀粉的吸水率、吸油率和亚甲基蓝吸附能力均高于原淀粉[11]。稳定性实验表明酯化微孔淀粉吸附的番茄红素在自然光照、紫外光照、高温及氧气存在的条件下损失率低于原淀粉[27]。其理化性质的表征方法可参考Chen等[2]的报道。

3 多孔淀粉结构和理化性质的影响因素

3.1 淀粉的来源和特性

淀粉的结构和理化性质与其来源密切相关。谷物淀粉和块茎类淀粉被相同酶处理后，表观结构和理化性质表现不同[36]。常见的多孔淀粉制备原料包括马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、大麦淀粉、小麦淀粉和绿豆淀粉等[2, 37]。玉米、高粱、小麦及大麦等淀粉表面存在天然的小孔，有利于酶发挥作用，而稻米、燕麦、马铃薯和木薯等淀粉表面没有小孔，酶作用后形成的孔洞数量少、孔径小[38]。此外，有些淀粉如香蕉、百合、莲子等来源的淀粉只能在颗粒表面形成鳞片状结构，不适宜制备多孔淀粉[3]。因此，在制备多孔淀粉时需要选择合适的淀粉材料，或者根据原淀粉的特点选择合适的方法。

淀粉的结构如直链淀粉含量和晶体结构是影响多孔淀粉形成的另一个因素。姚卫蓉和姚惠源[3]总结文献发现，玉米淀粉中直链淀粉含量越低，越易被酶水解，而红薯淀粉的直链淀粉含量越高，被水解的程度越高。Lacerda等[39]发现直连淀粉的含量对于多孔淀粉的糊化温度和相对结晶度有显著影响。Xie等[6]采用湿热处理A型(AS)和B型(BS)2种晶型结构的淀粉，所获得的A型多孔淀粉(2-HAS)表面的小孔比B型多孔淀粉(2-HBS)的多。2-HAS的溶解性略低于AS而2-HBS的溶解度高于BS。此外，淀粉的颗粒粒度、蛋白质和脂质含量等也对酶解效果有一定的影响[3]。

3.2 酶的种类和性质

酶的种类和性质是影响酶解法产生多孔淀粉的结构和理化性质的重要因素。目前淀粉酶主要有来源于曲霉、细菌、酵母、动物体内的消化液、植物和发芽种子等的α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶、脱支酶、普鲁蓝酶和磷酸化酶等[3]。不同种类的酶对特定的淀粉具有不同的作用效果。Benavent-Gil等[40]探讨了α-淀粉酶(AM)、葡萄糖淀粉酶(AMG)、环糊精葡萄糖转移酶(GGTase)和分支酶(BE)四种酶制备的玉米多孔淀粉的性质，发现AMG处理的产品孔洞最大，吸附能力最强。AMG主要作用于结晶区，AM和GGTase主要对无定形区进行水解。进一步研究发现，AMG、AM和GGTase对于小麦、大米、马铃薯和木薯淀粉的作用效果类似，并且不同种酶处理的淀粉产物吸油率和直链淀粉的含量有所差别[36]。

3.3 工艺条件

工艺条件的优化可以获得具有理想效果的多孔淀粉产品，节约能源。为制得成孔较好的多孔淀粉，需要选择合适的淀粉乳质量浓度，并且考虑酶添加量、反应温度、pH和反应时间等反应条件。如采用复合酶法制备木薯多孔淀粉时，随着葡萄糖淀粉酶添加量的增加，多孔淀粉的吸油率呈现比较大的增长趋势，当葡萄糖淀粉酶与α-淀粉酶的配比达到3:1时吸油率最大。同时淀粉的水解随着水解时间的增加而逐渐增大，淀粉颗粒上产生的小孔数量增多，吸油率也随之增加。酶解16 h的吸油率达到了31.84%。而当酶解时间延长到24 h时，多孔淀粉的吸油率却有所下降[41]。

4 多孔淀粉的应用

天然来源的淀粉安全无毒，可生物降解，改性成多孔淀粉后又具有良好的吸附性能，因此被广泛应用于食品、医药、化工和农业等各个领域。目前，多孔淀粉的应用主要利用其对目标物质的吸附、缓释或保护作用等。

4.1 吸附剂

利用多孔淀粉的吸附性能可以将食品中很多水溶性较差的天然活性物质进行吸附，提高其生物利用率。根据目标物质理化性质的不同，如当目标物质为液体或可溶于液体时，可将溶液直接喷于多孔淀粉表面，或将多孔淀粉加入其中充分混合，再过滤或离心，然后干燥即可。而当被吸附物质难溶于水时，可将其直接与多孔淀粉高速混合，并通过机械力作用(如球磨、锤磨等方式)将其挤入多孔淀粉中[42]。目前已有文献报道多孔淀粉对于薄荷香精[43]、番茄红素[27]、茶多酚[44]、刺梨浓汁[45]等物质的吸附。此外，多孔淀粉还可吸附卷烟中的挥发性醛类[46]、2, 4-二硝基苯酚[34]等有毒有害物质，降低产品对人体的伤害。如将醚化改性的多孔淀粉添加到卷烟过滤嘴中，烟支中的巴豆醛质量分数明显降低[46]。多孔淀粉也可直接用作止血材料。边文海等[47]采用无菌实验、内毒素检测、兔耳创面止血实验、兔肝脏创面止血效果检测、组织相容性实验等评价玉米微孔淀粉的止血效果。结果表明微孔淀粉的吸水率为156.98%，无病原微生物和内毒素。兔耳创面和兔肝脏创面完全止血时间分别在140 s和80 s之内，止血迅速，优于云南白药。多孔淀粉还可与甲壳素和介孔硅酸钙材料复合制成安全无毒、凝血功能很高的止血材料[11, 48]。

4.2 包埋剂

多孔淀粉作为包埋剂可用于包埋褪黑色素[49]、岩藻黄素[50]、紫杉醇[51]、青蒿素[52]、维生素E[53]等生物活性物质，还可以包埋益生菌[54]等。如采用多孔淀粉负载褪黑素是将多孔淀粉加入到丙酮溶解的褪黑素溶液中，搅拌后将褪黑素溶液填充到小孔中，离心干燥后丙酮挥发，获得负载褪黑素的多孔淀粉。上述褪黑素主要是与淀粉的葡萄糖分子的羟基之间形成氢键作用，固定在小孔结构中[49]。类似地，紫杉醇分子及其纳米颗粒也是通过氢键作用被吸附到多孔淀粉的孔洞内壁中[51]。

生物活性物质经多孔淀粉包埋后其活性有一定的提高。研究表明多孔淀粉负载青蒿素形成的微球对人肝癌细胞的增殖有明显的抑制作用，效果优于青蒿素原药，对正常肝细胞的毒副作用非常低[52]。将姜黄素包埋于多孔淀粉中形成微胶囊后，其大部分抗氧化能力能够得到保留，但是在模拟胃肠道消化时发现释放效率不够理想(< 30%)[55]。Li等[49]发现在模拟胃液和小肠液实验中，多孔淀粉负载褪黑素相比于褪黑素单体具有更强的溶解性和更高的累积释放速率，其细胞抗氧化活性也明显增强。将多孔淀粉与埃洛石纳米管对岩藻黄素进行包埋，包埋率为(94.05±0.29)%，岩藻黄素对光和热的稳定性得到了提高[50]。紫薯淀粉经复合酶法改性后，对橄榄油的负载率比较高，且抗氧化活性增强[56]。

4.3 其他应用情况

在食品工业中，多孔淀粉可部分或完全替代食品中的脂肪[4]。如朱仁宏等[57]用多孔淀粉替代贡丸中部分脂肪，有效地降低了贡丸的脂肪含量，同时降低了产品成本，基本达到了原高脂贡丸所具有的口感和质构。此外，多孔淀粉经微胶囊化处理可以封闭苦味、臭味等不良风味，提高食物的品质[37]。如富含二十二碳六烯酸(DHA)的微藻油有异味，采用微孔淀粉进行微胶囊化包埋率达到92.08%，含水量为3.78%[58]。将多孔淀粉与肉桂挥发油混合制成固体粉末，固化效果很好，桂皮醛收率高，固化粉末桂皮醛的溶出速率较快，热稳定性良好[33]。

多孔淀粉在农业领域可以制成杀虫剂和除草剂，有效控制农药和除草剂的挥发、分解与释放的时间，提高其使用效率[59]。多孔淀粉也可用来生产生物可降解膜和超吸水剂，提高沙质土堤的保水性和农作物的存活率。在化妆品行业，可将多孔淀粉添加到化妆品中，降低化妆品对皮肤刺激的同时可以提高产品的性能[42]。多孔淀粉也可应用到涂料行业，如蒋梦兰等[60]将马铃薯多孔淀粉作为填料与苯丙乳液制备了多孔淀粉复合调湿涂料(SMP-C)，结果表明SMP-C符合内墙涂料的基本要求，且涂层内部富含孔道和空隙，其吸水率可达 150%，具有较强的吸水性和吸放湿性能。在电化学方面，谢秋生等[61]将酶法改性的多孔淀粉在惰性气体的保护下炭化，形成硬炭材料。对其电化学性能评价结果为多孔淀粉硬炭材料具有较高的首次可逆放电容量、首次库伦效率、优异的倍率充放电及循环性能。另外，多孔淀粉还可用来吸附污水中的重金属[62]。

5 结论与展望

多孔淀粉的制备工艺较为简单，复合法制备的多孔淀粉成孔效果好，性能优越。改性后，多孔淀粉在结构和理化性质方面会发生一定程度的变化。影响多孔淀粉结构和性能的因素主要包括淀粉、酶和工艺条件等。多孔淀粉具有相对较大的比表面积和比孔容积、较低的堆积密度和颗粒密度、吸附性能高且安全无毒，具有广阔的应用前景。今后可进一步加强对多孔淀粉的研究：为获得结构均匀、性能稳定的产品并实现工业化生产，可系统研究加工工艺对多孔淀粉的孔径大小、孔洞形状及分布特点等的影响，研制出精确控制产品质量的加工条件；多孔淀粉分子中存在大量的羟基，可以对多孔淀粉进行再次改性以提高其品质和应用价值；对多孔淀粉产品展开安全性评价、生物活性和作用机理的研究，结合纳米技术或微胶囊技术等新技术拓展多孔淀粉的应用。