酸酶序解法制備高吸水性玉米多孔淀粉的研究

作為一種新型的有機(jī)吸附材料、微膠囊芯材和脂肪替代物，多孔淀粉已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品和化妝品等領(lǐng)域[1]。目前，多孔淀粉的制備方法主要有超聲、噴霧、醇變性等物理方法和酶解、酸解等化學(xué)方法[2]。由于方法本身的局限性，用物理方法所得到的多孔淀粉的性能一般較差，因此在實(shí)際工作中較少使用。 酸解法制備多孔淀粉雖然可以降低生產(chǎn)成本，但速率較慢、隨機(jī)性強(qiáng)且不易形成孔狀結(jié)構(gòu)，因此目前僅僅停留在實(shí)驗(yàn)階段[3]。酶解法是利用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解生淀粉，與其它方法相比較，該方法制備的多孔淀粉吸附性能好，適合于工業(yè)化生產(chǎn)[4]。

研究表明，在生淀粉的酸解過(guò)程中，氫離子首先會(huì)進(jìn)攻顆粒表面的無(wú)定型區(qū)域，并且以較快的速率斷裂該部分的糖苷鍵；而結(jié)晶區(qū)域具有較強(qiáng)的抗酸解能力，其水解速率較慢，因此，生淀粉經(jīng)酸解后結(jié)晶度會(huì)明顯提高[5]。而在生淀粉的酶解過(guò)程中，葡萄糖淀粉酶分子會(huì)優(yōu)先作用于淀粉無(wú)定型區(qū)域突出在表面的不規(guī)則的分子基團(tuán)，主要為支鏈淀粉分子，而直鏈淀粉分子由于與脂質(zhì)形成了難以水解的復(fù)合物，使葡萄糖淀粉酶分子難以接近；隨著水解過(guò)程的進(jìn)行和生淀粉的進(jìn)一步溶脹，α-淀粉酶分子逐漸接近淀粉的內(nèi)部，它們的內(nèi)切作用會(huì)將淀粉顆粒內(nèi)部隨機(jī)水解并暴露出新的非還原末端[6]；然后，兩種酶分子會(huì)沿著徑向逐步向顆粒中心推進(jìn)，同時(shí)會(huì)使小孔的孔徑逐漸擴(kuò)大，最后在淀粉顆粒中心附近相互融合，從而形成淀粉的多孔結(jié)構(gòu)[7]，因此，生淀粉經(jīng)酶解后結(jié)晶度變化并不明顯[5]。

由于生淀粉顆粒的酸解和酶解過(guò)程都優(yōu)先水解淀粉的無(wú)定型區(qū)域，生淀粉在經(jīng)酸解后，其部分無(wú)定型結(jié)構(gòu)和結(jié)晶缺陷被水解掉，從而使得其比表面積進(jìn)一步增大，更易于吸附酶分子而使淀粉顆粒進(jìn)一步被酶分子水解，這樣，其水解速率也會(huì)遠(yuǎn)大于未酸解的淀粉顆粒[5]，同時(shí)生淀粉表面凹坑的多少也會(huì)一定程度上影響到顆粒表面的成孔數(shù)量[4,8]。因此，作者在此采用酸酶序解的方法來(lái)水解生淀粉顆粒，首先利用酸部分水解淀粉表面的無(wú)定型區(qū)域，使生淀粉顆粒表面形成部分凹坑并增加其吸附酶分子的能力，然后在此基礎(chǔ)上，使部分酸解后的淀粉顆粒進(jìn)一步酶解，從而提高生淀粉的酶解速率和多孔淀粉的吸水率。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

玉米生淀粉，市售。

α-淀粉酶(酶活力1.0×104U·g-1)、葡萄糖淀粉酶(酶活力1.0×105U·mL-1)，西安潤(rùn)德生物技術(shù)有限公司；磷酸氫二鈉、檸檬酸、氫氧化鈉、無(wú)水碳酸鈉、鹽酸等均為分析純。

恒溫水浴鍋，北京化玻聯(lián)醫(yī)療器械有限公司；RH/BASIC型恒溫磁力攪拌器，IKA；SHB-ⅢA型循環(huán)水式真空泵，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；ZHWY-200B型恒溫振蕩器，上海智城分析儀器制造有限公司；101-2AB型恒溫烘箱，天津泰斯特儀器有限公司；BP221S型電子天平，Sartorious；微量移液器，Eppendorf；S-570型掃描電鏡(SEM)，日本日立。

1.2 方法

1.2.1 淀粉的酸處理

稱取7.0 g玉米生淀粉置于250 mL三角瓶中，加入一定質(zhì)量濃度的鹽酸，配成一定質(zhì)量濃度的淀粉乳溶液，于一定溫度的水浴中加熱攪拌一定時(shí)間，用飽和碳酸鈉溶液調(diào)pH值至7.0，抽濾、水洗3次后烘干。

1.2.2 多孔淀粉的制備

稱取5.0 g經(jīng)過(guò)鹽酸處理后的玉米淀粉置于150 mL三角瓶中，加入一定pH值的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液50 mL，于一定溫度下預(yù)熱30 min。精確取一定量的α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶(酶配比為1∶5)，用少量磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液稀釋后加入到淀粉乳中，攪拌一段時(shí)間后加入4% NaOH 5.0 mL終止反應(yīng)，抽濾、水洗3次后烘干，粉碎。

1.3 分析與檢測(cè)

1.3.1 吸水率的測(cè)定

精確稱取烘至恒重的多孔淀粉樣品1.00 g，記為W1。室溫下與去離子水混合攪拌30 min后用砂芯漏斗抽濾直至沒(méi)有水滴下，精確稱取吸附了水的多孔淀粉質(zhì)量，記為W2。按下式計(jì)算吸水率。

1.3.2 淀粉表面形貌的測(cè)定

將淀粉樣品充分混合隨機(jī)取樣，均勻地撒在貼有雙面膠的樣品臺(tái)上，用離子濺射儀噴金固定后用掃描電鏡觀測(cè)生淀粉及多孔淀粉的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸處理工藝條件的優(yōu)化

參考相關(guān)文獻(xiàn)[9～11], 在玉米淀粉的酸解過(guò)程中，反應(yīng)溫度一般控制在20～55℃、酸質(zhì)量濃度一般控制在0.5%～10%、淀粉乳質(zhì)量濃度一般控制在36%～40%。由于本實(shí)驗(yàn)并非用酸解法制備多孔淀粉，而是作為預(yù)處理過(guò)程來(lái)部分水解淀粉表面的無(wú)定型區(qū)域，因此處理時(shí)間不宜過(guò)久，一般控制在2 h 以內(nèi)；然后在酸解的基礎(chǔ)上，參照文獻(xiàn)方法用酶解法對(duì)酸處理后的淀粉顆粒進(jìn)一步酶解后，測(cè)定其吸水率。酶解條件為：酶加量50%、酶解時(shí)間24 h、酶解溫度50℃、pH值4.8。

2.1.1 酸處理工藝單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1.1 處理溫度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

固定鹽酸質(zhì)量濃度為3.0%、淀粉乳質(zhì)量濃度為40%、處理時(shí)間為50 min，考察處理溫度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 處理溫度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

由圖1可看出，當(dāng)反應(yīng)溫度從30℃ 升高到40℃ 時(shí)，多孔淀粉的吸水率相應(yīng)增大；在反應(yīng)溫度約為40℃ 時(shí)，多孔淀粉的吸水率達(dá)到最大；而當(dāng)反應(yīng)溫度從40℃ 繼續(xù)升高到60℃ 時(shí)，多孔淀粉的吸水率反而減小。

2.1.1.2 淀粉乳質(zhì)量濃度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

固定鹽酸質(zhì)量濃度為3.0%、處理溫度為40℃、處理時(shí)間為50 min，考察淀粉乳質(zhì)量濃度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 淀粉乳質(zhì)量濃度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

由圖2可知，當(dāng)?shù)矸廴橘|(zhì)量濃度從30% 增加到40% 時(shí)，多孔淀粉的吸水率相應(yīng)增大；在淀粉乳質(zhì)量濃度約為40%時(shí)，多孔淀粉的吸水率達(dá)到最大；而當(dāng)?shù)矸廴橘|(zhì)量濃度從40% 繼續(xù)增大到60% 時(shí)，多孔淀粉的吸水率反而減小。

2.1.1.3 鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

固定淀粉乳質(zhì)量濃度為40%、處理溫度為40℃、處理時(shí)間為50 min，考察鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鹽酸質(zhì)量濃度對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

低濃度鹽酸處理能在一定程度上提高多孔淀粉的吸水率，這是由于鹽酸能部分水解掉生淀粉表面的無(wú)定型區(qū)域和結(jié)晶缺陷而導(dǎo)致其比表面積增大，更易于酶分子的吸附；而高濃度的鹽酸會(huì)破壞淀粉表面的天然結(jié)構(gòu)甚至使淀粉顆粒發(fā)生崩解。

由圖3可看出，當(dāng)鹽酸質(zhì)量濃度從2.0% 增加到3.0% 時(shí)，多孔淀粉的吸水率迅速增大；當(dāng)鹽酸質(zhì)量濃度約為3.0%時(shí)，多孔淀粉的吸水率達(dá)到最大；當(dāng)鹽酸質(zhì)量濃度從3.0% 繼續(xù)增加到4.0% 時(shí)，多孔淀粉的吸水率迅速減小；而當(dāng)鹽酸質(zhì)量濃度從4.0% 繼續(xù)增加到6.0% 時(shí)，多孔淀粉的吸水率變化不大；之后，當(dāng)鹽酸質(zhì)量濃度從6.0% 繼續(xù)增加到7.0% 時(shí)，多孔淀粉的吸水率再次迅速減小。

2.1.1.4 處理時(shí)間對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

固定鹽酸質(zhì)量濃度為3.0%、淀粉乳質(zhì)量濃度為40%、處理溫度為40℃，考察處理時(shí)間對(duì)多孔淀粉吸水率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 處理時(shí)間對(duì)多孔淀粉吸水率的影響

酸處理時(shí)間過(guò)短不能有效地水解淀粉表面的無(wú)定型區(qū)域從而形成細(xì)密的凹坑，但酸處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)破壞淀粉的天然結(jié)構(gòu)。

由圖4可看出，當(dāng)酸處理時(shí)間從10 min 延長(zhǎng)到50 min 時(shí)，多孔淀粉的吸水率不斷增大；在酸處理時(shí)間約為50 min時(shí)，多孔淀粉的吸水率達(dá)到最大；而當(dāng)酸處理時(shí)間從50 min 繼續(xù)延長(zhǎng)到90 min 時(shí)，多孔淀粉的吸水率反而減小。

2.1.2 酸處理正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)酸處理單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依L9(34)設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)，后續(xù)的酶解條件不變。正交實(shí)驗(yàn)的因素與水平見(jiàn)表1，結(jié)果與分析見(jiàn)表2。

表1 酸處理正交實(shí)驗(yàn)因素和水平

表2 酸處理正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2可知，各因素對(duì)多孔淀粉吸水率影響的大小依次為：處理溫度>處理時(shí)間>淀粉乳質(zhì)量濃度>鹽酸質(zhì)量濃度，最佳酸處理?xiàng)l件為：A2B2C3D3，即鹽酸質(zhì)量濃度為3.0%、淀粉乳質(zhì)量濃度為40%、處理時(shí)間為70 min、處理溫度為50℃。

2.2 復(fù)合酶解工藝條件的優(yōu)化

采用上述最佳工藝參數(shù)進(jìn)行鹽酸處理，對(duì)經(jīng)過(guò)酸處理所得淀粉的復(fù)合酶解過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)復(fù)合酶解單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)，因素和水平見(jiàn)表3，結(jié)果和分析見(jiàn)表4。

表3 復(fù)合酶解正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

表4 酶解正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4可知，各因素對(duì)多孔淀粉吸水率影響的大小依次為：酶解時(shí)間>酶加量>pH值>酶解溫度。最佳復(fù)合酶解條件為：A2B2C1D1，即酶加量為理論水解量的40%、酶解時(shí)間為18 h、酶解溫度為40℃、pH值為4.0。

2.3 吸水率的測(cè)定

對(duì)由不同方法得到的多孔淀粉的吸水率進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，單用復(fù)合酶解法制備玉米多孔淀粉時(shí)，所得多孔淀粉的吸水率為132.04%，而用酸酶序解法制備玉米多孔淀粉時(shí)，所得多孔淀粉的吸水率為156.98%，絕對(duì)吸水率提高了24.94%，相對(duì)吸水率提高了近20%。

2.4 掃描電鏡分析

玉米生淀粉、經(jīng)不同質(zhì)量濃度鹽酸處理和經(jīng)酸酶序解法得到的玉米多孔淀粉的掃描電鏡照片見(jiàn)圖5。由圖5可看出，未經(jīng)過(guò)任何處理的玉米生淀粉顆粒的表面是光滑無(wú)孔的；經(jīng)3% 鹽酸處理后的玉米淀粉表面比較粗糙，鹽酸分子部分水解掉淀粉表面的無(wú)定型區(qū)域后使淀粉表面布滿孔徑較小、孔深較淺的凹坑；而用7% 鹽酸處理后的玉米淀粉表面凹坑消失，淀粉顆粒的邊緣發(fā)生崩解和蝕刻，表層結(jié)構(gòu)剝落，淀粉的天然結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞；經(jīng)過(guò)酸酶序解后的玉米多孔淀粉表面布滿了高密度的小孔，孔深更深且孔徑更大更均勻，同時(shí)多孔淀粉顆粒仍然保持了生淀粉顆粒的天然結(jié)構(gòu)。

圖5 玉米生淀粉(a)、經(jīng)3%鹽酸處理后淀粉(b)、經(jīng)7%鹽酸處理后淀粉(c)、酸酶序解后多孔淀粉(d)的SEM圖

3 結(jié)論

采用酸酶序解法制備了高吸水性玉米多孔淀粉。最佳酸處理?xiàng)l件為：鹽酸質(zhì)量濃度3.0%、淀粉乳質(zhì)量濃度40%、處理時(shí)間70 min、處理溫度50℃；最佳酶解條件為：復(fù)合酶加量為理論水解量的40%、酶解時(shí)間18 h、酶解溫度40℃、pH值4.0。采用這種方法制備的玉米多孔淀粉的吸水率為156.98%，比單用復(fù)合酶解法提高近20%。

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