超聲波輔助α－淀粉酶制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的工藝和性質(zhì)

張 楠 陳海華 王雨生，2 張瀅瀅

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，青島 266109）（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部2，青島 266109）

超聲波輔助α－淀粉酶制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的工藝和性質(zhì)

張 楠1陳海華1王雨生1，2張瀅瀅1

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，青島 266109）（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部2，青島 266109）

為優(yōu)化超聲波輔助α－淀粉酶水解蠟質(zhì)玉米淀粉制備微孔淀粉的工藝，通過單因素及正交試驗(yàn)，以吸油率為指標(biāo)，確定了制備微孔淀粉的最佳工藝。同時(shí)采用偏光顯微鏡和差示掃描量熱分析儀研究所得微孔淀粉的顯微結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)特性。結(jié)果表明，在超聲功率600W，超聲時(shí)間30 min，淀粉乳濃度30%的輔助條件下，酶添加量100 U／g、酶解溫度50℃、酶解pH值6.0、酶解時(shí)間20 h制得的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率最高，為175.41%。經(jīng)超聲波輔助酶解制備的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)保持完整，均一性提高，糊化溫度升高。與普通酶解工藝相比，超聲輔助酶解工藝制備的微孔淀粉吸油率提高了19.79%。

蠟質(zhì)玉米 微孔淀粉 α－淀粉酶 超聲波輔助處理 吸油率

變性淀粉因具有許多優(yōu)良性質(zhì)被廣泛應(yīng)用于食品、紡織、醫(yī)藥、化工等各個(gè)領(lǐng)域。目前世界上變性淀粉生產(chǎn)主要集中在歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)仍需進(jìn)口大量變性淀粉來滿足眾多現(xiàn)代工業(yè)的需要。微孔淀粉是一種變性淀粉，因其特殊的多孔結(jié)構(gòu)而具有較強(qiáng)的吸附性能，可作為微膠囊芯材、包埋劑、吸附劑等應(yīng)用在食品及醫(yī)藥領(lǐng)域［1］。目前制備微孔淀粉的原料主要有玉米淀粉、木薯淀粉、馬鈴薯淀粉等。蠟質(zhì)玉米淀粉因具有良好的透明性、抗凝沉性和凍融穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于食品加工，同時(shí)也是一種生產(chǎn)變性淀粉的優(yōu)質(zhì)材料，但以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料制備微孔淀粉的研究鮮有報(bào)道。

目前制備微孔淀粉的方法主要有物理方法（超聲處理、機(jī)械撞擊、醇變性、噴霧）、化學(xué)方法（酸法）和生物方法（酶法）。姚衛(wèi)蓉等［2］應(yīng)用物理粉碎法制備多孔淀粉。周小柳等［3］應(yīng)用酸解法制備小麥微孔淀粉。劉雄等［4］用淀粉糖化酶水解制備具有吸附功能的甘薯微孔淀粉。酶水解法工藝簡(jiǎn)單易行，并適用于大批量工業(yè)化生產(chǎn)，故具有較高的實(shí)用價(jià)值［5］。近年來，超聲波技術(shù)因作用時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單易控制被逐漸應(yīng)用于淀粉領(lǐng)域。超聲處理對(duì)淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)、分子質(zhì)量等性質(zhì)影響顯著，成為淀粉改性的一種新型物理方法［6］。然而，關(guān)于超聲波輔助α－淀粉酶制備微孔淀粉的報(bào)道較少。周堅(jiān)等［7］研究表明，超聲波處理可以使淀粉顆粒粒度更加均勻，更有利于糖化酶水解。楊景峰等［8］研究報(bào)道，超聲波對(duì)淀粉反應(yīng)活性有影響，適宜條件的超聲波處理可提高其反應(yīng)活性。

因此，本研究以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，采用超聲波輔助α－淀粉酶水解制備微孔淀粉，以吸油率為主要指標(biāo)，確定α－淀粉酶制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉及超聲波輔助酶解的最佳工藝條件，探索一種制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的新型技術(shù)方法。

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

蠟質(zhì)玉米淀粉：德州大成食品有限公司；α－淀粉酶（1×104U／g）：康地恩生物科技有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 主要儀器

LXJ－IIB低速離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；DSC1型差示掃描量熱分析儀、DELTA320酸度計(jì)：瑞士Mettler－Toledo集團(tuán)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 普通酶解制備微孔淀粉工藝流程：

制備方法參照參考文獻(xiàn)［4］，工藝流程：

稱取適量淀粉→調(diào)漿→α－淀粉酶酶解→離心→烘干→粉碎→過篩→成品。

2.2 普通酶解制備微孔淀粉單因素試驗(yàn)

酶添加量、酶解溫度、酶解pH及酶解時(shí)間的作用條件如表1所示，固定其中3個(gè)因素，改變1個(gè)因素進(jìn)行酶解單因素試驗(yàn)，探討不同反應(yīng)條件對(duì)微孔淀粉水解率和吸油率的影響。

表1 普通酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.3 普通酶解制備微孔淀粉正交試驗(yàn)

選取酶添加量、酶解溫度、酶解pH、酶解時(shí)間等因素，采用四因素三水平L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 普通酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的正交試驗(yàn)因子水平表

2.4 超聲波輔助酶解制備微孔淀粉

將玉米淀粉配成不同質(zhì)量濃度的淀粉乳，以不同功率的超聲波和不同處理時(shí)間進(jìn)行超聲處理，超聲處理后的淀粉經(jīng)過離心沉淀、干燥、過篩，再按照2.1的方法進(jìn)行酶解制備微孔淀粉。

2.5 超聲輔助酶解制備微孔淀粉單因素試驗(yàn)

超聲功率、超聲時(shí)間及淀粉乳濃度的作用條件如表3所示，固定其中2個(gè)因素，改變1個(gè)因素進(jìn)行超聲輔助酶解單因素試驗(yàn)，探討不同反應(yīng)條件對(duì)淀粉水解率和吸油率的影響。

表3 超聲輔助酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2.6 超聲輔助酶解制備微孔淀粉正交試驗(yàn)

選取超聲功率、超聲時(shí)間、淀粉乳濃度等因素，采用三因素三水平L9（33）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 超聲輔助酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的正交試驗(yàn)因子水平表

2.7 測(cè)定方法

2.7.1 水解度的測(cè)定

測(cè)定方法參照參考文獻(xiàn)［9］。

2.7.2 吸油率的測(cè)定

吸油率是指微孔淀粉所吸收的大豆油占多孔淀粉的質(zhì)量比。測(cè)定方法參照參考文獻(xiàn)［10］，精確稱取烘干后的樣品m1，一定溫度下與大豆油混合震蕩一定時(shí)間后進(jìn)行離心（3 000 r／min，20 min），棄去上層液，將底層微孔淀粉進(jìn)行稱重（m2）。計(jì)算吸油率（S），計(jì)算公式：

2.7.3 微孔淀粉顆粒形態(tài)的測(cè)定

采用偏光顯微鏡測(cè)定，參照參考文獻(xiàn)［11］。

2.7.4 DSC測(cè)定

參照參考文獻(xiàn)［12］，采用DSC測(cè)定微孔淀粉的熱性質(zhì)。稱取一定質(zhì)量的蠟質(zhì)玉米原淀粉或微孔淀粉，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的懸濁液，稱取30 mg樣品于鋁坩堝中，壓蓋后靜置24 h，待測(cè)。將差示掃描量熱分析儀用銦標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行校正后，用于樣品測(cè)定。測(cè)試條件：掃描溫度范圍為40～100℃，升溫速率10℃／min，記錄糊化起始溫度（To）、糊化峰值溫度（Tp）、糊化終止溫度（Tc）和糊化焓值（ΔH）4個(gè)特征參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 普通酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉

水解率表示淀粉的水解程度，吸油率可作為客觀反應(yīng)微孔淀粉成孔好壞的重要指標(biāo)。由圖1可知，隨著加酶量的提高，水解率逐漸上升，當(dāng)酶添加量超過120 U／g時(shí)，水解率增幅變緩。隨著酶添加量的增加，吸油率呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)酶添加量為100 U／g時(shí)，吸油率最高。這可能是由于隨著酶添加量的增加，水解率增大，當(dāng)酶解達(dá)到一定程度后，淀粉顆粒微孔的半徑過大甚至?xí)?，因此吸油率降低?3］。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，確定最佳酶添加量為80～120 U／g。

圖1 酶處理?xiàng)l件對(duì)淀粉水解率和吸油率的影響

隨著酶解溫度的升高，淀粉水解率和吸油率均呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在溫度為45℃時(shí)，水解率和吸油率達(dá)到最大值。原因可能是溫度低于酶的最適作用點(diǎn)時(shí)，淀粉酶的活性隨溫度升高而增強(qiáng)，因此水解率和吸油率也相應(yīng)地提高。繼續(xù)升溫至高于淀粉酶的最適作用溫度時(shí)，酶的活力下降使淀粉的水解程度降低，微孔淀粉的孔洞變小，吸油能力也隨之減弱［13］。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，確定最佳酶解溫度為40～50℃。

隨著酶解pH的升高，淀粉水解率和吸油率都呈先升高后降低的趨勢(shì)，且均在pH值為6.0時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)樵诖藀H值下，淀粉酶達(dá)到最大活性，對(duì)底物作用效果最好，水解效率最高，吸油率也最高。過高或過低的pH會(huì)降低酶活力，影響水解反應(yīng)的進(jìn)行，從而無法形成結(jié)構(gòu)較好的微孔顆粒，導(dǎo)致吸油率下降［16］。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，酶作用的最適pH值為5.5～6.5。

隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，水解率逐漸增大，而吸油率呈先增加后減小的趨勢(shì)，在20 h達(dá)到最大值。這可能是由于水解初期淀粉酶活力較高，淀粉顆粒表面的孔洞擴(kuò)大速度快［14］，故水解率持續(xù)上升，吸油率也隨之升高。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，酶解程度加深，淀粉顆粒可能破裂坍塌，導(dǎo)致吸油率反而降低。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，確定最佳酶解時(shí)間為16～24 h。

3.2 普通酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉正交試驗(yàn)

從表3可以看出，對(duì)玉米微孔淀粉吸油率影響的4個(gè)因素的主次排序?yàn)锽＞D＞A＞C，即酶解溫度對(duì)玉米微孔淀粉吸油率的影響最大，其次為酶解時(shí)間，酶添加量和酶解pH值，最優(yōu)組合為A2B3C2D2，即酶添加量為100 U／g，酶解溫度為50℃，酶解pH值為6.0，酶解時(shí)間為20 h。在此工藝條件下，所得微孔淀粉的吸油率為155.61%。

表5 普通酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的正交試驗(yàn)結(jié)果

3.3 超聲波輔助酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉

由圖2可知，隨著超聲功率的增加，水解率逐漸增大，吸油率呈先增大后減小的趨勢(shì)，在300 W時(shí)達(dá)到最大值。這可能是由于超聲作用可在一定程度上破壞淀粉顆粒表面的水束層，使水分子滲入淀粉顆粒，從而有利于淀粉酶對(duì)淀粉的水解［15－16］。當(dāng)超聲功率超過300 W時(shí)，淀粉酶水解淀粉過度，使淀粉顆粒表面孔洞過多，吸附性能受到影響，故吸油率下降。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，確定最佳超聲功率為250～350 W。

隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉水解率逐漸增大，吸油率呈先增加后降低的趨勢(shì)，在20 min時(shí)達(dá)到最大值。這可能是由于在一定的超聲時(shí)間內(nèi)，淀粉顆粒分散均勻，有利于酶的活性位點(diǎn)和底物充分接觸，故水解率和吸油率會(huì)逐漸增大［17］。超聲時(shí)間過長(zhǎng)，淀粉顆粒的破壞程度加大，在進(jìn)一步酶解時(shí)，部分淀粉顆粒結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生崩解，甚至完全被分解成葡萄糖，失去了淀粉的微孔吸附性能［18］。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，確定最佳超聲時(shí)間為10～30 min。

圖2 超聲輔助條件對(duì)淀粉水解率和吸油率的影響

隨著淀粉乳濃度的增加，水解率逐漸增大，吸油率先增大后減小，并在淀粉乳濃度為50%時(shí)達(dá)到最大值。這可能是因?yàn)殡S著淀粉乳濃度升高，淀粉顆粒表面的作用位點(diǎn)過多，導(dǎo)致淀粉過度水解而出現(xiàn)瓦解現(xiàn)象，使淀粉吸油率受到了明顯的影響。綜合水解率和吸油率的結(jié)果，確定最佳淀粉乳濃度為30%～70%。

3.4 超聲波輔助酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉正交試驗(yàn)

從表6可以看出，對(duì)玉米微孔淀粉吸油率影響的3個(gè)因素的主次排序?yàn)锳＞B＞C，即超聲功率對(duì)玉米微孔淀粉吸油率的影響最大，其次為超聲時(shí)間，超聲淀粉乳濃度。最優(yōu)組合為A2B3C1，即超聲功率300W，超聲時(shí)間為30 min，淀粉乳濃度為30%。在此工藝條件下，所得微孔淀粉的吸油率為175.41%。

表6 超聲輔助酶解制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉正交試驗(yàn)結(jié)果

3.5 淀粉顆粒吸附性能對(duì)比

由圖3可以看出，普通玉米淀粉酶解后的吸油率高于原淀粉的吸油率，且經(jīng)過超聲輔助酶解后淀粉的吸油率更高，這與武赟等［10］研究的超聲波輔助酶解制備普通玉米微孔淀粉的結(jié)果一致。蠟質(zhì)玉米淀粉的吸油率普遍高于普通玉米淀粉，且經(jīng)過超聲輔助酶解后蠟質(zhì)玉米淀粉的吸油率達(dá)到最高。這說明一定強(qiáng)度的超聲波輔助酶解效果明顯好于普通酶解效果，蠟質(zhì)玉米淀粉酶解效果明顯好于普通玉米淀粉。

圖3 淀粉顆粒吸油率對(duì)比

3.6 淀粉顆粒的偏光結(jié)果分析

圖4 蠟質(zhì)玉米微孔淀粉顆粒顯微結(jié)構(gòu)及偏光十字照片（×60）

從圖4a～圖4c可以看出，蠟質(zhì)玉米淀粉經(jīng)酶解后，顆粒表面出現(xiàn)孔洞，且經(jīng)超聲酶解的淀粉顆粒孔洞較多。這是因?yàn)槌曁幚硎沟矸垠w系更加均勻，有利于酶從淀粉顆粒表面向內(nèi)部侵蝕，使顆粒表面小孔的孔密度、孔徑、孔深均有所增加，淀粉顆粒的比表面積增大，從而對(duì)各類液體物質(zhì)的吸附能力增強(qiáng)。從圖4d～圖4 f可以看出，酶解后部分淀粉顆粒的偏光十字仍然存在，這是因?yàn)槊杆庵饕l(fā)生在顆粒的無定形區(qū)或是結(jié)晶少、密度小的敏感區(qū)域，不破壞淀粉顆粒的晶體結(jié)構(gòu)［19］。隨著水解率的增加，偏光消失的顆粒也有所增加。偏光十字消失的顆粒主要包括酶水解后產(chǎn)生的空心顆粒、淀粉顆粒破裂后剩余的半球形空穴以及一些水解殘片［11］。

3.7 蠟質(zhì)玉米淀粉熱特性結(jié)果分析

由表7可知，經(jīng)普通酶解及超聲酶解制備的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉與原淀粉相比糊化溫度升高，糊化溫度范圍（Tc～To）變窄，吸熱焓變化不大。糊化溫度升高的原因可能是由于殘留物是對(duì)α－淀粉酶抗性較強(qiáng)的淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的殘片，因此不易糊化。糊化溫度的范圍反映了淀粉結(jié)晶大小的均一性，淀粉晶體大小越一致，終止糊化溫度（Tc）與起始糊化溫度（To）之間差別越?。?0］。超聲酶解淀粉的糊化溫度范圍較原淀粉和普通酶解淀粉窄，說明超聲酶解淀粉顆粒的均一性優(yōu)于原淀粉和普通酶解淀粉顆粒。

表7 蠟質(zhì)玉米原淀粉及微孔淀粉的熱特性

4 結(jié)論

超聲波輔助α－淀粉酶水解蠟質(zhì)玉米淀粉制備微孔淀粉的最佳工藝為：超聲功率600 W，超聲時(shí)間30 min，淀粉乳濃度30%的輔助條件下，酶添加量100 U／g、酶解溫度50℃、酶解pH值6.0、酶解時(shí)間20 h。此時(shí)制得的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率最高，為175.41%。經(jīng)超聲波輔助酶解制備的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉，淀粉顆粒結(jié)構(gòu)保持完整，均一性提高，糊化溫度升高。與普通酶解工藝相比，超聲輔助酶解工藝制備的微孔淀粉吸油率得到明顯提高。

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Processing Technology and Properties of Microporous Waxy Maize Starch Produced by Ultrasonic－Assisted ?。瑼mylase Enzymolysis

Zhang Nan1Chen Haihua1Wang Yusheng1，2Zhang Yingying1
（College of Food Science and Engineering，Qingdao Agricultural University1，Qingdao 266109）（Editorial Department of Journal of Qingdao Agricultural University2，Qingdao 266109）

The processing technology ofmicroporous waxy maize starch with ultrasonic－assistedα－amylase enzymolysis has been researched according to the oil absorption ratio determined by single factormethod and orthogonal test in the paper.Meanwhile，themicrostructure and thermal property ofmicroporousmaize starch have also been studied by polarized lightmicroscopy aswell as differential scanning calorimetry.The results showed that the optimal conditions of ultrasonic treatmentwere as follows：power of 600 W，time of 30 min，the concentration of 30%；the optimal enzymolysis conditionswas as follows：enzymatic dosage of 100 U／g，temperature of 50℃，pH of6.0，and time of20 h.On the above conditions，themicroporouswaxymaize starch could obtain the highestoil absorption ratio as 175.41%.After ultrasonic－assistedα－amylase enzymolysis，the granule structure ofmicroporous waxy maize remained relatively complete；its uniformity and gelatinization temperature was increased.Compared with that of the common enzymolysis technology，the oil absorption ratio ofmicroporous waxy maize starch by ultrasonic－assistedα－amylase enzymolysis increased 19.79%.

waxymaize，microporous starch，α－amylase，ultrasonic－assisted treatment，oil absorption ratio

TS201.2

A

1003－0174（2015）11－0115－06

山東省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年骨干教師國(guó)際合作培養(yǎng)項(xiàng)目 （SD－20130825）

2014－07－01

張楠，女，1989年出生，碩士，食品化學(xué)

陳海華，女，1973年出生，教授，食品化學(xué)