薏苡仁淀粉酶改性多孔化關(guān)鍵工藝優(yōu)化

呂 峰 傅新征 李宇翔

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院1，福州 350002）

（武夷學(xué)院茶與食品學(xué)院2，武夷山 354300）

多孔淀粉（Porous Starch），又稱微孔淀粉（Microporous starch），是一種新型的功能性改性淀粉，是淀粉在低于糊化溫度的條件下，受到具有生淀粉酶活力的酶作用而形成的多孔性蜂窩狀中空顆粒［1－2］，具有良好的吸附性，可以包埋各種物質(zhì)于其中，是一種高科技含量的新型微膠囊化包埋壁材，可以廣泛用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、印刷、日用化工、化妝品和食品行業(yè)［3－4］。

薏苡仁是我國(guó)傳統(tǒng)的藥食同源的食物，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和獨(dú)特的藥用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)薏苡仁的開(kāi)發(fā)利用極為重視，特別是對(duì)其功能成分和藥理活性的研究已成為熱點(diǎn)［5－7］。

薏苡仁酯已被國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)界成功地提取、開(kāi)發(fā)成臨床上的抗腫瘤、抗癌的藥物；其加工副產(chǎn)物——脫脂薏苡仁的綜合利用則成為人們關(guān)注的研究對(duì)象。淀粉作為薏苡仁中的主要碳水化合物［8］，是可利用的良好食物資源。

本研究以提取功能成分后的副產(chǎn)物——脫酯薏苡仁為原料，酶法制備薏苡仁淀粉，并采用糖化酶對(duì)后者進(jìn)行多孔化改性修飾。基于單因素試驗(yàn)，通過(guò)二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別建立糖化酶用量、酶改性時(shí)間及酶改性溫度與薏苡仁多孔淀粉的吸水率和吸油率的數(shù)學(xué)回歸方程，探討、優(yōu)化薏苡仁淀粉多孔化的關(guān)鍵工藝參數(shù)，旨在提升薏苡仁的綜合開(kāi)發(fā)利用水平，提高其經(jīng)濟(jì)附加值，為促進(jìn)我國(guó)多孔淀粉的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

薏苡仁淀粉：以脫脂后的浦城官路山薏苡仁為原料（福建省浦城縣薏苡協(xié)會(huì)提供），實(shí)驗(yàn)室酶法自制。

糖化酶（50 000 u）：無(wú)錫市雪梅酶制劑科技有限公司。

氫氧化鈉（NaOH）、檸檬酸（C6H8O7）、磷酸氫二鈉（Na2HPO4）：均為分析純（AR），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

JYL－BO11型九陽(yáng)料理機(jī)：山東九陽(yáng)股份有限公司；HH－4型數(shù)顯恒溫水浴鍋：國(guó)華電器有限公司；TE15025賽多利斯電子天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；DHG－9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SC－3612低速離心機(jī)：科大創(chuàng)新股份有限公司中佳分公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 薏苡仁多孔淀粉制備方法

稱取定量薏苡仁淀粉，按比例加入一定pH的檸檬酸－磷酸氫二鈉緩沖液，充分?jǐn)嚢枋沟矸垲w粒均勻分散于溶液中，另將定量的糖化酶亦預(yù)先溶解在相同pH的檸檬酸－磷酸氫二鈉緩沖液中活化30min左右，二者混合，于恒溫振蕩條件下計(jì)時(shí)反應(yīng)。結(jié)束時(shí)立即加入2 mL 4%的NaOH溶液，中止酶促反應(yīng)。將反應(yīng)液以3 000 r／min離心10 min，收集沉淀，反復(fù)洗滌、離心至中性，置于45℃熱風(fēng)干燥至水分含量為10%左右，冷卻、粉碎，過(guò)150目篩，得薏苡仁多孔淀粉樣品。

1.2.2 薏苡仁淀粉多孔化酶改性工藝優(yōu)化

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，在薏苡仁多孔淀粉的制備過(guò)程中，影響其吸水率和吸油率的重要因素包括：糖化酶用量、酶改性溫度，酶改性時(shí)間、酶解液pH等；它們的適宜參數(shù)為：糖化酶用量500 u／mL左右、酶改性時(shí)間16 h左右、酶改性溫度55～60℃、酶解液pH 4.0左右?；趩我蛩卦囼?yàn)，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案實(shí)施試驗(yàn)，分別建立糖化酶用量（X1）、酶改性時(shí)間（X2）、酶改性溫度（X3）與薏苡仁多孔淀粉吸水率（Y1）和吸油率（Y2）的數(shù)學(xué)回歸模型，并優(yōu)化薏苡仁淀粉多孔化酶改性關(guān)鍵工藝參數(shù)。薏苡仁淀粉多孔化酶改性二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 薏苡仁淀粉的多孔化酶改性二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)因素水平表

1.3 指標(biāo)檢測(cè)與方法

吸水率和吸油率是衡量多孔淀粉吸附性能的重要指標(biāo)。薏苡仁多孔淀粉的吸水率和吸油率測(cè)定參考丁曉雯等［9］的測(cè)定方法。

準(zhǔn)確稱取5.0 g薏苡仁多孔淀粉，室溫下與25 mL水或油混合并攪拌2 h，置于已知重量的離心瓶中，3 000 r／min離心10 min，離心后倒干上層清水或澄清的油，測(cè)定離心瓶及瓶中樣品的總質(zhì)量，按下列公式計(jì)算吸水率和吸油率：

式中：m為薏苡仁多孔淀粉質(zhì)量；m1為離心瓶質(zhì)量；m2為離心后離心瓶及瓶中樣品的質(zhì)量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用DPSv3.01系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行單因子方差分析，考慮多因子交互作用，并進(jìn)行F顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 方程回歸及方差分析

用軟件系統(tǒng)對(duì)表2中兩個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行處理分析，分別得到薏苡仁多孔淀粉的吸水率（Y1）、吸油率（Y2）與糖化酶用量（X1）、酶改性時(shí)間（X2）和酶改性溫度（X3）的數(shù)學(xué)回歸方程，并剔除在α＝0.05顯著水平的不顯著系數(shù)項(xiàng)后，得到簡(jiǎn)化回歸方程（1）、（2）：

表2 薏苡仁淀粉多孔化的酶改性工藝二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

式中自變量取各代碼值，因變量取計(jì)算值，由回歸方程（1）、（2）可計(jì)算出薏苡仁多孔淀粉吸水率Y1、吸油率Y2的值，為進(jìn)一步確定各因素對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率Y1和吸油率Y2的影響程度，用方差分析對(duì)所得方程的顯著性和回歸擬合性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 薏苡仁多孔淀粉的吸水率方差分析

表4 薏苡仁多孔淀粉的吸油率方差分析

表3、表4對(duì)回歸方程（1）、（2）的F檢驗(yàn)和失擬檢驗(yàn)的結(jié)果表明：回歸項(xiàng)均在0.01水平上呈極顯著（P＜0.01），而失擬項(xiàng)均不顯著（P＞0.05），說(shuō)明本試驗(yàn)得到的兩個(gè)回歸方程擬合程度較好，能夠與實(shí)際情況擬合，分別可以用來(lái)反映糖化酶用量X1、酶改性時(shí)間X2及酶改性溫度X3對(duì)薏苡仁多孔淀粉的吸水率Y1與吸油率Y2的影響關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)因子對(duì)薏苡仁多孔淀粉的吸水率和吸油率的影響趨勢(shì)

2.2.1 單因子效應(yīng)分析

對(duì)回歸方程（1）、（2）進(jìn)行降維分析，將糖化酶用量X1、酶改性時(shí)間X2及酶改性溫度X33因素中的2個(gè)分別固定在零水平，觀察各單因素在不同水平上對(duì)薏苡仁多孔淀粉的吸水率和吸油率的影響效應(yīng)，得到以其中一個(gè)因素為決策變量的偏子回歸方程圖1和圖2。

圖1 各因素與薏苡仁多孔淀粉吸水率的關(guān)系

由圖1可看出，3因素對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的關(guān)系曲線均呈類似拋物線狀，其影響顯著性為：酶改性溫度的影響最顯著，其次是酶改性時(shí)間和糖化酶用量。設(shè)其他兩因素為零水平時(shí)，隨酶改性溫度的升高，薏苡仁多孔淀粉樣品的吸水率呈明顯上升趨勢(shì)，當(dāng)酶改性溫度達(dá)到1水平（58℃）時(shí)，樣品的吸水率達(dá)到最大值，128.20%；之后呈平緩且略有下降趨勢(shì)。

由酶改性時(shí)間、糖化酶用量與薏苡仁多孔淀粉吸水率的兩關(guān)系曲線可知，當(dāng)糖化酶用量與酶改性時(shí)間均為0水平（500 u／mL、16 h）時(shí)，薏苡仁多孔淀粉樣品吸水率均為最高，126.00%；但隨兩因素逐漸偏離0水平，薏苡仁多孔淀粉樣品的吸水率均呈下降趨勢(shì)。

圖2 各因素與薏苡仁多孔淀粉吸油率的關(guān)系

由圖2可知，各因素對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響順序從大到小為：糖化酶用量＞酶改性溫度＞酶改性時(shí)間。糖化酶用量對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響趨勢(shì)是先升高后降低，當(dāng)糖化酶用量在0水平（500 u／mL）時(shí)，樣品的吸油率為最高（78.14%）。酶改性溫度在 －1.628水平（50℃）至1水平（58℃）范圍內(nèi)，薏苡仁多孔淀粉的吸油率逐漸增至最高（79.30%）后，樣品的吸油率趨平緩。隨酶改性時(shí)間的延長(zhǎng)，薏苡仁多孔淀粉吸油率逐漸增大，當(dāng)酶改性時(shí)間為0水平（16 h）時(shí)樣品的吸油率達(dá)到峰值，為78.14%，0水平后則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.2.2 因素間相互效應(yīng)分析

圖3a響應(yīng)面顯示，當(dāng)兩因素在 －1.682（400 u／mL、50℃）至 0（500 u／mL、55℃）水平范圍內(nèi)，對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響有明顯的正相關(guān)關(guān)系，而在0至1.682（600 u／mL、60℃）水平范圍，對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)兩因素均處于0水平時(shí)，薏苡仁多孔淀粉的吸水率達(dá)到最大值126.00%；由圖3b可知，等高線呈橢圓形，表明糖化酶用量（X1）和酶改性時(shí)間（X2）的交互作用對(duì)薏苡仁多孔淀粉的吸水率Y1有顯著的影響（P＜0.05）。

圖3 糖化酶用量和酶改性時(shí)間對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響

圖4 糖化酶用量和酶改性溫度對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響

由圖4可知，糖化酶用量（X1）和酶改性時(shí)間（X3）對(duì)薏苡仁多孔淀粉的吸水率（Y1）有顯著的交互影響作用（P＜0.05）；由4b圖可知，等高線呈先密后疏的變化趨勢(shì)，結(jié)合圖4a響應(yīng)面圖表明，當(dāng)糖化酶用量在小于0水平（500 u／mL）及酶改性溫度為1水平（58℃）的范圍內(nèi)，兩因素對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響具有較強(qiáng)的正相關(guān)交互關(guān)系，而當(dāng)兩因素分別大于上述兩水平時(shí)，則對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響具有微弱的負(fù)相關(guān)交互關(guān)系。

圖5 糖化酶用量和酶改性時(shí)間對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響

回歸方程（2）及圖5表明，糖化酶用量（X1）和酶改性時(shí)間（X2）之間的交互作用對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率Y2有極顯著的影響（P＜0．01）。在 －1.682（400 u／mL、12 h）至0（500 u／mL、16 h）水平范圍內(nèi)，兩因素對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響呈現(xiàn)極顯著的正交互作用；而高于0水平后，兩因子則對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響具有極顯著的負(fù)交互作用，提示糖化酶用量和酶改性時(shí)間過(guò)低或過(guò)高時(shí)，都將導(dǎo)致薏苡仁多孔淀粉吸油率的顯著降低。

圖6顯示，糖化酶用量（X1）和酶改性溫度（X3）的交互項(xiàng)對(duì)薏苡仁多孔淀粉的吸油率（Y2）亦影響顯著（P＜0．05）。在糖化酶用量和酶改性溫度都為－1.628水平（400 u／mL和50℃）時(shí)，薏苡仁多孔淀粉的吸油率最低，僅為62.92%；隨著糖化酶用量的增加和酶改性溫度的升高，薏苡仁多孔淀粉的吸油率逐漸提高，當(dāng)糖化酶用量為0水平（500u／mL）、酶改性溫度為1水平（58℃）時(shí)，薏苡仁多孔淀粉的吸油率達(dá)到最大，79.30%；隨后樣品的吸油率緩慢降低，提示糖化酶用量和酶改性溫度分別處于0水平與1水平范圍內(nèi)，二者對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響呈顯著正交互作用；反之則呈負(fù)交互作用。

圖6 糖化酶用量和酶改性溫度對(duì)薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響

2.3 酶改性制備薏苡仁多孔淀粉工藝參數(shù)的優(yōu)化

經(jīng)DPS v3.01計(jì)算，在本試驗(yàn)條件下，獲得薏苡仁多孔淀粉樣品的吸水率（Y1）和吸油率（Y2）最大值的優(yōu)化工藝參數(shù)組合均為：X1＝0.000、X2＝0.000、X3＝1.000，即糖化酶用量為 500 u／mL、酶改性時(shí)間為16 h、酶改性溫度為58℃，所得薏苡仁多孔淀粉樣品的吸水率最大值為128.20%、吸油率最大值為79.30%。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

以優(yōu)化的薏苡仁淀粉多孔化酶改性關(guān)鍵工藝參數(shù)組合為條件（即糖化酶用量為500 u／mL、酶改性時(shí)間為16 h、酶改性溫度為58℃），進(jìn)行擴(kuò)大性驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，得到的薏苡仁多孔淀粉樣品的平均吸水率為129.01%、平均吸油率為79.87%，與理想條件下的試驗(yàn)值誤差分別為0.81%、0.57%，其差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

3 討論與結(jié)論

影響酶改性制備多孔淀粉的因素主要有酶解溫度、酶用量、酶改性時(shí)間、酶解液pH等［14］，它們常成為酶法制備多孔淀粉的主要研究?jī)?nèi)容。

本研究認(rèn)為，糖化酶是實(shí)現(xiàn)薏苡仁淀粉微孔修飾的物質(zhì)基礎(chǔ)，其量不足或過(guò)多，均可導(dǎo)致薏苡仁多孔淀粉吸水率和吸油率的降低。產(chǎn)生這種變化趨勢(shì)的原因主要是當(dāng)薏苡仁淀粉的質(zhì)量固定后，隨著糖化酶用量的增加，反應(yīng)液中的酶濃度逐漸增大，相應(yīng)被改性修飾的薏苡仁淀粉顆粒數(shù)和各顆粒被酶結(jié)合的位點(diǎn)都增多，故薏苡仁多孔淀粉的吸附性能逐漸提高；當(dāng)幾乎全部的薏苡仁淀粉顆粒均被改性修飾且各顆粒被酶結(jié)合的位點(diǎn)數(shù)增加到適量時(shí)，薏苡仁多孔淀粉的吸附性能達(dá)到最佳；若此時(shí)再繼續(xù)增加酶的使用量，薏苡仁淀粉顆粒被酶結(jié)合的位點(diǎn)過(guò)多，即微孔數(shù)過(guò)多，則導(dǎo)致臨近的微孔相通而結(jié)構(gòu)破損，無(wú)法鎖住水分或油，吸附性能下降。

作研究酶促反應(yīng)，酶解溫度與糖化酶的活性密切相關(guān)，只有當(dāng)酶解溫度與糖化酶的最適溫度相吻合時(shí)，薏苡仁淀粉的微孔修飾才能順利進(jìn)行；而高于或低于糖化酶的最適溫度，均可因?yàn)樘腔傅幕盍κ艿揭种疲绊戅曹尤实矸鄣奈⒖仔揎棥?/p>

酶改性時(shí)間直接決定薏苡仁淀粉微孔的修飾程度。這是因?yàn)樵谝欢父男詴r(shí)間范圍內(nèi)，薏苡仁淀粉被糖化酶適當(dāng)?shù)馗男孕揎棧纬删哂性S多微孔疏松結(jié)構(gòu)的淀粉顆粒，使吸附性能明顯提高；但如果酶改性時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，薏苡仁淀粉被水解修飾過(guò)度，其顆粒內(nèi)部空間的孔洞結(jié)構(gòu)遭到破壞而無(wú)法較好的將水分或油鎖住，將導(dǎo)致其樣品的吸水率和吸油率下降。

本試驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)室酶法自制的薏苡仁淀粉為原料，采用糖化酶對(duì)薏苡仁淀粉進(jìn)行多孔化酶改性修飾，并通過(guò)二次回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別建立了糖化酶用量（X1）、酶改性時(shí)間（X2）和酶改性溫度（X3）與薏苡仁多孔淀粉吸水率（Y1）、吸油率（Y2）的數(shù)學(xué)回歸方程：

經(jīng)DPSv3.01系統(tǒng)處理，優(yōu)化得到薏苡仁淀粉多孔化酶改性的關(guān)鍵工藝參數(shù)組合為：糖化酶用量為500 u／mL、酶改性時(shí)間為16 h、酶改性溫度為58℃，以此條件并結(jié)合單因素試驗(yàn)所得其他影響因素的適宜參數(shù)制備薏苡仁多孔淀粉，得到樣品其吸水率129.01%、吸油率79.87%，吸附包埋性能優(yōu)良。

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