多孔淀粉的成孔技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

李　顯,范小平,蔣　卓,向　紅,張欽發(fā)

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642)

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多孔淀粉的成孔技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

李顯,范小平*,蔣卓,向紅,張欽發(fā)

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642)

在分析多孔淀粉成孔機(jī)理的基礎(chǔ)上,對(duì)目前多孔淀粉的通用成孔方法、改進(jìn)成孔方法及多孔淀粉的性質(zhì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述和分析,并對(duì)多孔淀粉的應(yīng)用原理與技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行歸納和總結(jié)。最后,對(duì)多孔淀粉的制備和應(yīng)用研究作出了展望。

多孔淀粉,成孔,制備,應(yīng)用,綜述

多孔淀粉是一種新型變性淀粉,是通過(guò)物理、化學(xué)或生物的方法改變生淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)而形成的新型多孔性材料[1],目前已成功應(yīng)用于食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、工業(yè)化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。多孔淀粉作為一種環(huán)境友好型材料,較原淀粉具有許多優(yōu)點(diǎn):較大的比孔容和比表面積,較低的堆積密度和顆粒密度,良好的吸水吸油能力,在干燥狀態(tài)下有良好的機(jī)械強(qiáng)度,分散在水及其他溶劑中能保持明顯的結(jié)構(gòu)完整性,加工過(guò)程不使用任何化學(xué)試劑,因而深受國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注[2]。

目前,關(guān)于多孔淀粉的研究大部分集中在制備方法、工藝流程及應(yīng)用等方面,也有部分研究人員采用一定的技術(shù)手段對(duì)多孔淀粉進(jìn)行改性,以便更有效的應(yīng)用。

1　多孔淀粉成孔機(jī)理

1.1多孔淀粉原料的來(lái)源

淀粉一般來(lái)自于植物的果實(shí)中,如一些谷類和根莖類的果實(shí)。研究發(fā)現(xiàn),同一原料或不同原料在不同或相同的加工條件下都會(huì)影響多孔淀粉的制備,因此選擇最佳的原料非常重要[3]。目前,能夠制備多孔淀粉的原料主要有谷類(玉米、秈米、小麥)淀粉和根莖類(木薯、紅薯、甘薯、土豆)淀粉。研究人員利用上述淀粉原料制備多孔淀粉的研究表明,不同淀粉種類的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)和成分含量各不相同,制備出的多孔淀粉性能也有所不同,其中玉米淀粉和小麥淀粉制備出的多孔淀粉具有優(yōu)良的特性。

1.2成孔機(jī)理

通過(guò)電鏡掃描觀測(cè)發(fā)現(xiàn),大多數(shù)生淀粉顆粒表面是光滑的,而僅有部分生淀粉顆粒表面存在一些凹坑或者細(xì)小的孔隙。一般認(rèn)為多孔淀粉的成孔機(jī)理是由淀粉顆粒表面向中心深入的過(guò)程[4],但有些方法在形成空腔的時(shí)候是由中心向外部成孔。

實(shí)際生產(chǎn)中,通過(guò)一些技術(shù)手段對(duì)生淀粉顆粒的表面進(jìn)行破壞,如撞擊、擠壓、水解等,使淀粉的表面形成具有很多凹坑的結(jié)構(gòu)面,再經(jīng)過(guò)一定的處理使淀粉顆粒表面的小孔增多,孔隙加深甚至達(dá)到中空狀態(tài),從而使淀粉的比表面積更大,表現(xiàn)出一些特殊的性能[5],但依然可以保持淀粉顆粒的外形規(guī)則。研究發(fā)現(xiàn),不同的方法對(duì)淀粉顆粒成孔的形狀大小都不一樣,相同方法在不同條件下成孔的過(guò)程也有所不同。例如,圖1所示為玉米淀粉的成孔過(guò)程[4],其顆粒表面在糖化酶的酶解作用下形成孔隙,隨著酶解過(guò)程的持續(xù),孔隙逐漸加深,最終形成多孔結(jié)構(gòu)淀粉。

圖1　玉米淀粉顆粒表面成孔過(guò)程[4]Fig.1　Pore-forming process of corn-starch granule surface[4]注:a-0 h;b-4 h;c-12 h。

2　多孔淀粉的通用成孔方法

目前,多孔淀粉的孔隙結(jié)構(gòu)主要可通過(guò)物理成孔法、化學(xué)成孔法、生物成孔法等三種通用方法實(shí)現(xiàn)[6]。

2.1物理成孔法

物理成孔法主要包括微波法、超聲波處理、噴霧干燥、機(jī)械撞擊(球磨法)、擠壓等。在利用物理技術(shù)成孔之前,通常采用研磨和加熱[7]對(duì)淀粉原料進(jìn)行預(yù)處理,使其更易于形成小孔結(jié)構(gòu)。上述物理成孔法中,超聲波照射技術(shù)在生產(chǎn)中成本較高,很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn);噴霧成孔法制備出的多孔淀粉吸附能力有限,應(yīng)用受到很大的限制[6];機(jī)械撞擊成孔法是將淀粉顆粒固定在金屬板上通過(guò)高速的金屬離子撞擊使其表面成孔,成本較高[6];擠壓成孔法是通過(guò)高剪切力和一定的溫度對(duì)淀粉顆粒進(jìn)行機(jī)械擠壓,制得的多孔淀粉均勻性差,且受多方因素的影響較大[5]。

一般認(rèn)為,目前物理成孔法制備的多孔淀粉的孔隙結(jié)構(gòu)不能達(dá)到最優(yōu),其表面未形成貫穿淀粉顆粒的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致吸附功能有限,應(yīng)用前景受到限制[8]。但是,這種方法可以用作淀粉的預(yù)處理,并作為酶解成孔法等其他成孔技術(shù)的輔助手段[9]。

2.2化學(xué)成孔法

化學(xué)成孔法目前主要有酸水解、溶劑交換、乳液交聯(lián)、醇變性等方法。其中,醇變性成孔法制備的多孔淀粉對(duì)物質(zhì)的吸附能力有限,應(yīng)用范圍較少[6]。

酸水解成孔法:在制備之前通常先將生淀粉進(jìn)行堿浸泡或交聯(lián)變性處理,再用酸(以鹽酸為主)對(duì)淀粉顆粒進(jìn)行部分水解,并在淀粉顆粒表面產(chǎn)生小孔,以利于水解過(guò)程[10]。該方法的關(guān)鍵在于控制酸的濃度、溫度、反應(yīng)時(shí)間、攪拌速度[11]。周小柳等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,影響小麥淀粉酸水解成孔的主次因素順序依次為鹽酸溶液濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、攪拌速度,并得出了最佳工藝條件。劉雄等[13]研究發(fā)現(xiàn),用鹽酸水解玉米淀粉得到的多孔淀粉與原淀粉相比具有良好的吸附能力。但是,利用酸水解成孔法制備多孔淀粉,存在孔隙很難形成、淀粉顆粒的結(jié)晶度增加、孔較脆弱、孔徑大小不等、顆粒密度不均的問(wèn)題,因此酸水解目前尚處于實(shí)驗(yàn)階段[14]。

溶劑交換成孔法是利用淀粉在熱水中的溶解性和凝膠性,經(jīng)形成凝膠、冷凍、溶劑交換等過(guò)程形成多孔結(jié)構(gòu)淀粉。其交換劑可以有多種選擇,如無(wú)水乙醇、乙醇和水的混合液等。Qian等[15-16]實(shí)驗(yàn)表明,利用無(wú)水乙醇作交換劑時(shí),制備的多孔淀粉的吸附性能較好,且孔隙均勻,在操作過(guò)程中可以通過(guò)調(diào)節(jié)淀粉乳液的濃度來(lái)調(diào)節(jié)多孔淀粉孔隙的大小。溶劑交換過(guò)程的關(guān)鍵是去除水分,目前主要利用真空冷凍干燥法和超臨界CO2干燥法實(shí)現(xiàn),段江波等[17-18]利用超臨界CO2干燥得到了一種三維納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多孔淀粉,其相對(duì)于真空冷凍干燥法制得的多孔淀粉具有更好的吸附性能。

乳液交聯(lián)法是近年制備多孔淀粉的一種新方法,其原理是打破淀粉顆粒對(duì)淀粉分子的束縛,降低了分子間的作用力,不需要酶的參與。制備過(guò)程中,以可溶淀粉為原料,用環(huán)己烷為油相的油包水乳液,經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)制得多孔淀粉,制備工藝簡(jiǎn)單、加工條件容易控制、不需使用價(jià)格昂貴的酶,有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[19]。采用乳液交聯(lián)成孔法制備的多孔淀粉,其孔隙結(jié)構(gòu)豐富,結(jié)晶度相比酶解法較低,比表面積較大,吸附能力更強(qiáng)[19]。王海峰等[20]采用反相乳液聚合法制備淀粉聚合物微球進(jìn)行了研究,制備的微球表面多孔,具有很好的吸附特性;徐忠等[21]對(duì)反相微乳法制備玉米淀粉微球的工藝進(jìn)行了研究,最終得出了平均粒徑為15.51 μm的玉米淀粉微球。

2.3生物成孔法

生物成孔法(即酶解成孔法)是通過(guò)酶解使淀粉顆粒表面成孔,主要利用酶對(duì)淀粉的水解作用,在淀粉表面產(chǎn)生小孔,是目前制備多孔淀粉最常用的一種方法。利用該法制備出的多孔淀粉孔結(jié)構(gòu)較好,吸附能力強(qiáng),制作工藝簡(jiǎn)單,適合工業(yè)化生產(chǎn)[9]。

影響酶解成孔法制備多孔淀粉的關(guān)鍵因素是淀粉酶的選擇(包括酶的種類和用量),其他影響因素(如酶解溫度、時(shí)間)則是間接影響淀粉酶的作用。目前制備多孔淀粉的酶主要有α-淀粉酶、β-淀粉酶、普魯蘭酶、葡萄糖糖化酶等。Shariffa等[22]和Aggarwal等[23]研究表明,α-淀粉酶和葡萄糖糖化酶具有較強(qiáng)的活力,其中α-淀粉酶主要是任意切斷淀粉鏈的1,4-糖苷鍵,糖化酶主要是水解葡萄糖殘基及直鏈淀粉的1,6-糖苷鍵,兩者的協(xié)同作用制備的多孔淀粉性能較優(yōu),并且有較好的水解效果。因此,采用復(fù)合酶制備多孔淀粉遠(yuǎn)比用單種酶的水解效果好。此外,當(dāng)水解條件相同時(shí),淀粉顆粒越細(xì),比表面積越大,與酶作用點(diǎn)也越多,水解的速度也越大[24],更易形成多孔淀粉。

表1　常見(jiàn)微孔淀粉原料的基本特征[23,25-26]

直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量也會(huì)影響酶解成孔法的效果。Sreenath等[24]研究表明,淀粉中的支鏈淀粉有助于維持淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,所以其含量越高使淀粉的抗性越強(qiáng),而直鏈淀粉的含量越高則越有助于被酶水解。另外,淀粉顆粒的粒徑會(huì)影響淀粉對(duì)酶的吸附量,不同種類淀粉的粒徑各不相同。因此,淀粉原料不同,酶解成孔的效果也不同,常用微孔淀粉原料的顆粒形狀、顆粒直徑、直鏈淀粉含量如表1所示。

由表1可知,選用谷物類的玉米淀粉、小麥淀粉和根莖類的木薯淀粉更易制得多孔淀粉,其中玉米淀粉最為常用[27]。一些天然谷物類淀粉如小麥淀粉、玉米淀粉的顆粒表面本身就存在凹陷結(jié)構(gòu),可增大與淀粉酶的接觸面積,有利于水解,還可作為淀粉酶水解的最初位點(diǎn)[28],而馬鈴薯淀粉表面不存在這些凹陷結(jié)構(gòu)。因此,目前制備多孔淀粉最多的原料是小麥淀粉和玉米淀粉,其中玉米淀粉的粒徑均勻且較小,比表面積較大,因此利用玉米淀粉制備的多孔淀粉效果更佳[9]。

然而,目前采用的酶解成孔法成本普遍較高,反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),形成的中空孔不均勻,制備過(guò)程中受多種因素的影響,在選擇最優(yōu)制備工藝的同時(shí)還要考慮到淀粉的種類、酶的選擇等諸多因素,否則會(huì)使制備的多孔淀粉的性能受到很大影響,并且酶解后的淀粉結(jié)晶度提高,使淀粉顆粒變得易碎,使用時(shí)容易塌陷,影響使用效果和應(yīng)用范圍[29]。

3　改進(jìn)的多孔淀粉成孔方法

使用單一的成孔方法制備的多孔淀粉性能具有一定的局限性。因此,許多研究人員致力于對(duì)多孔淀粉成孔方法進(jìn)行改進(jìn)研究,以改善多孔淀粉的性能。

3.1交聯(lián)、酯化、醚化改性法

交聯(lián)改性法是交聯(lián)劑上的某些基團(tuán)與多孔淀粉上的羥基通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)形成交聯(lián)健[30],增強(qiáng)了多孔淀粉結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,在一定程度上改善了多孔淀粉的孔隙結(jié)構(gòu)及流變學(xué)特性,提高了吸附性能,使其應(yīng)用范圍更廣泛。

近些年來(lái),研究人員利用交聯(lián)改性法制備了具有不同特性的多孔淀粉,Rizzi[31]研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)交聯(lián)、酯化、醚化制備的多孔淀粉,其性能比單一成孔法制備的多孔淀粉具有較好的吸附性。王凱[32]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出對(duì)多孔淀粉進(jìn)行酯化處理,提高了多孔淀粉的吸油率,并且增加了多孔淀粉的比表面積。于夢(mèng)等[33]研究了薄荷油乳液的多孔淀粉固化及其在卷煙中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)乳液的多孔淀粉提高了對(duì)薄荷油的包封品質(zhì),更利于應(yīng)用到卷煙中。徐忠等[34]研究了不同交聯(lián)處理對(duì)玉米淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明交聯(lián)后的多孔淀粉的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化,主要表現(xiàn)為結(jié)晶度下降、粒徑分布均一性提高、平均孔徑增大、比孔容在增大。常貴娟等[19]采用乳液交聯(lián)法制備多孔淀粉并研究其吸附性能,通過(guò)與常用的成孔法比較發(fā)現(xiàn),該方法制備的多孔淀粉孔結(jié)構(gòu)豐富,比表面積更大,吸附效率大大提高;另外,顆粒的結(jié)晶度降低,增加了淀粉顆?？箼C(jī)械破碎的能力。張燕萍[35]研究發(fā)現(xiàn)多孔淀粉經(jīng)交聯(lián)后,可使淀粉分子具有多維空間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。周瓊等[36]研究發(fā)現(xiàn)在制備交聯(lián)淀粉時(shí),先交聯(lián)再用酶水解能夠得到流變學(xué)性質(zhì)較好的多孔淀粉,同時(shí)能夠提高多孔淀粉顆粒的機(jī)械強(qiáng)度和吸附性能[37]。徐忠等[38]研究表明三氯氧磷交聯(lián)的改性多孔淀粉吸水(油)率、結(jié)構(gòu)性能和流變性能都有不同程度的改善。楊永美[39]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)交聯(lián)酯化的多孔淀粉流變學(xué)性質(zhì)發(fā)生了較大的變化,比如透明度較原淀粉降低、熱穩(wěn)定性增強(qiáng)、溶解度和膨脹度有所提高。

3.2溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是先將淀粉在一定條件下形成凝膠,研磨后進(jìn)行溶劑置換、抽濾、干燥,最終得到粉末狀的多孔淀粉。利用此方法制備的多孔淀粉具有較大的比表面積,吸附性能增強(qiáng)。

侯曉蘋(píng)等[40]通過(guò)對(duì)多孔淀粉吸附動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),向多孔淀粉中添加一定濃度的溶膠,能夠顯著提高多孔淀粉的吸附性能;汪瓊芳等[41]采用溶膠-凝膠成孔法制備多孔淀粉來(lái)提高多孔淀粉的比表面積,并觀察了制備出的多孔淀粉對(duì)Pb2+的吸附能力,發(fā)現(xiàn)與用普通制備方法相比,該方法制備的多孔淀粉具有更大的比表面積和吸附能力。利用溶膠-凝膠成孔法制備多孔淀粉時(shí),干燥方式對(duì)多孔淀粉的結(jié)構(gòu)形成具有一定的影響[42],其中汪瓊芳[41]認(rèn)為采用真空冷凍干燥得到的多孔淀粉的孔結(jié)構(gòu)較好。

3.3擠壓-復(fù)合酶法

擠壓-復(fù)合酶法先對(duì)淀粉進(jìn)行擠壓加工,使淀粉糊化,然后利用復(fù)合酶進(jìn)行酶解形成多孔淀粉。該方法是酶解成孔法的改進(jìn)方法,更利于淀粉酶對(duì)淀粉進(jìn)行水解,得到的多孔淀粉孔隙結(jié)構(gòu)較好,且減少了酶的使用量。周堅(jiān)等[43]對(duì)微孔淀粉的預(yù)處理工藝進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),擠壓加工預(yù)處理更有利于酶的水解和孔的形成。劉宇欣等[44-45]通過(guò)對(duì)擠壓-復(fù)合酶成孔法制備玉米多孔淀粉工藝參數(shù)的優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn),制備出的多孔淀粉的孔結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀,吸水率、吸油率、透光率、溶解率、膨脹能力等性質(zhì)都有所提高,比表面積和比容積也相對(duì)增加,吸附性能增強(qiáng)。

4　多孔淀粉的性質(zhì)研究

4.1理化性質(zhì)

生淀粉經(jīng)改性制備成多孔淀粉后,保留了生淀粉的無(wú)毒、可降解性以及良好的生物相容性[46],但因顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,與生淀粉相比具有不同的理化性質(zhì)。目前,研究人員對(duì)多孔淀粉的吸水(油)性、結(jié)晶度、透光度、堆積密度等理化性能進(jìn)行了一系列研究,得出了許多有意義的結(jié)論。

尹卓林[9]對(duì)多孔淀粉的物理性質(zhì)進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn),與原淀粉相比,多孔淀粉的吸水(油)性顯著提高,并且得出多孔淀粉的吸油性在一定范圍內(nèi)隨著pH的增大而升高,在pH為6.0的時(shí)候,如果繼續(xù)增大pH，則吸油率下降;李瑩[47]通過(guò)對(duì)酶水解和交聯(lián)改性制備玉米多孔淀粉進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),由于多孔淀粉顆粒表面小孔的形成,使顆粒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度下降,變得易碎;有的多孔淀粉形成中空,并且顆粒變得更小,使得多孔淀粉的透光率比原淀粉增強(qiáng)。徐忠等[48]發(fā)現(xiàn)由于淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)遭到破壞,使多孔淀粉的結(jié)晶度提高。

4.2吸附性質(zhì)

吸附性質(zhì)是多孔淀粉的最主要性能之一,也是多孔淀粉應(yīng)用研究最多的一種特性。目前常用的吸附劑如氧化鋁、硅膠、分子篩、活性炭等存在價(jià)格較高、生物降解性差等問(wèn)題,一些替代吸附劑如木材、殼聚糖、淀粉、藻類等的吸附量有限,而多孔淀粉的孔隙多、孔隙率高,具有較大的比表面積、較低的堆積密度,吸附能力強(qiáng)[2]。多孔淀粉可通過(guò)表面孔隙對(duì)物質(zhì)進(jìn)行吸附,能吸附除膏狀物以外的任何物質(zhì)[49],與常規(guī)的吸附劑相比,多孔淀粉還具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、原料來(lái)源廣、安全無(wú)毒、劑量范圍寬、可生物降解、適應(yīng)性強(qiáng)、可根據(jù)吸附物改進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)[46]。因此,研究多孔淀粉的吸附性對(duì)多孔淀粉的應(yīng)用具有重要意義。

姚衛(wèi)蓉等[50-52]對(duì)雙歧桿菌活菌粉的制備及應(yīng)用微孔淀粉吸附粉末咖啡香精進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)多孔淀粉對(duì)被吸物有很好的保護(hù)作用,可以緩解易氧化物質(zhì)的氧化,減少有效物質(zhì)的損失。王慧等[53]對(duì)多孔淀粉吸附特性的應(yīng)用進(jìn)行了研究表明,多孔淀粉吸附某種物質(zhì)后,可以采用物理或化學(xué)的方法釋放這種吸附物,也起到一定的緩釋作用。因多孔淀粉本身的吸附性能有限,現(xiàn)在很多研究人員開(kāi)始致力于對(duì)多孔淀粉進(jìn)行改性處理來(lái)提高其吸附能力。侯曉蘋(píng)等[40]對(duì)維生素C、茶堿和BSA在微孔淀粉上的吸附/釋放動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究表明,多孔淀粉的吸附性是純物理過(guò)程,向多孔淀粉中添加一定濃度的膠,能顯著提高多孔淀粉的吸附性能及緩釋作用。胡霞[54]在研究粳米多孔淀粉和變性淀粉時(shí)發(fā)現(xiàn),經(jīng)交聯(lián)引入新的化學(xué)基團(tuán),可在很大程度上增強(qiáng)多孔淀粉的吸附能力,并且能夠提高其吸附的選擇性。吳第祥等[55]對(duì)多孔淀粉進(jìn)行酯化改性研究,通過(guò)對(duì)改性的多孔淀粉的吸油率進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性的多孔淀粉吸附能力增強(qiáng)。

4.3其他性質(zhì)

生淀粉通過(guò)一定的技術(shù)手段加工成多孔淀粉,淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的改變,其流變學(xué)特性也發(fā)生了變化。許麗娜[56]研究發(fā)現(xiàn)多孔淀粉的抗溶脹、抗溶解、粘度、糊化溫度以及穩(wěn)定性等指標(biāo)都比生淀粉稍差,使得多孔淀粉顆粒易碎,回生較困難,限制了多孔淀粉的應(yīng)用。

5　多孔淀粉的應(yīng)用

5.1多孔淀粉的直接應(yīng)用

由于多孔淀粉較生淀粉具有很多性能優(yōu)點(diǎn),研究多孔淀粉的應(yīng)用方法對(duì)提高該材料的應(yīng)用效果具有重要意義。目前,研究人員已將多孔淀粉作為包埋緩釋基材、吸附劑和替代物應(yīng)用到食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、化工工業(yè)等領(lǐng)域。

5.1.1作為包埋緩釋基材多孔淀粉將某些物質(zhì)包埋起來(lái)后,可以延緩該物質(zhì)的釋放時(shí)間,從而達(dá)到緩釋的效果。李文君等[57]研究發(fā)現(xiàn)多孔淀粉作為微膠囊芯材可以應(yīng)用在食品、藥品等領(lǐng)域中。在食品方面,多孔淀粉可以作為香味劑、甜味劑等調(diào)味品的包埋材料。姚衛(wèi)蓉等[51]發(fā)現(xiàn)吸附了咖啡香精的多孔淀粉用在口香糖中可以延長(zhǎng)咖啡香精的釋放時(shí)間,從而增加咖啡香精在口中的保留時(shí)間。多孔淀粉還可以吸附易氧化的物質(zhì)(如維生素A、大豆磷脂、含有DHA的魚(yú)油等),而且在放置一定時(shí)間后,發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)的殘留率依然很高。吳克剛等[58]用微膠囊技術(shù)包埋吸附微藻油的多孔淀粉,可使得到的微膠囊粉末顆粒大小分布均勻,提高微膠囊化效率。Belingheri等[59]通過(guò)對(duì)多孔淀粉的性能測(cè)試發(fā)現(xiàn),多孔淀粉能夠吸附有氣味的液體物質(zhì),且液體物質(zhì)的極性決定該物質(zhì)在多孔淀粉中的風(fēng)味保存時(shí)間。Xing等[60]還發(fā)現(xiàn)一定的多孔淀粉濃度能夠提高嗜酸乳桿菌微膠囊的穩(wěn)定性。在醫(yī)藥方面,提巖[61]研究表明多孔淀粉可作為包囊藥劑緩釋基材,可以對(duì)藥物的釋放進(jìn)行控制,例如將萘普生[62]、薄荷油[63]、雙歧桿菌活菌[64]、難溶性BCS II 型藥物[65]等包埋在多孔淀粉中,運(yùn)用一定的物理或化學(xué)方法控制多孔淀粉對(duì)包埋物的釋放時(shí)間,提高了藥物的利用率。在農(nóng)業(yè)方面,吳延麗[66]對(duì)淀粉基農(nóng)藥釋放基材進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)多孔淀粉可以作為具有生物降解性能的基材,多孔淀粉可以作為殺蟲(chóng)劑和除草劑的載體,通過(guò)控制農(nóng)藥的揮發(fā)和分解速度,延長(zhǎng)農(nóng)藥的釋放時(shí)間,從而提高了農(nóng)藥的利用效率。

5.1.2作為吸附劑利用多孔淀粉多孔、高孔隙率的優(yōu)點(diǎn),可以作為吸附材料應(yīng)用到很多領(lǐng)域中,例如可以用來(lái)處理燃料廢水[67]、吸附重金屬離子[68]、吸附卷煙煙氣氣相物[69]等。蔣夢(mèng)蘭等[70]通過(guò)對(duì)馬鈴薯多孔淀粉的研究發(fā)現(xiàn),多孔淀粉作為吸水劑和吸濕劑可用于內(nèi)墻涂料中。Zhang等[71]、Ge等[72]、Karaipekli等[73]將多孔淀粉應(yīng)用到化妝品中,化妝品中的各種成分被吸附到多孔淀粉中,有效降低了化妝品對(duì)皮膚的刺激性。在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域,劉成程[74]對(duì)高吸水性玉米多孔淀粉的止血效果進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)多孔淀粉較強(qiáng)的吸附能力,可以通過(guò)誘導(dǎo)血小板凝聚,加快血栓形成并激活凝血系統(tǒng),起到止血作用,并且安全無(wú)毒。另外,多孔淀粉還可以用做一些活性物質(zhì)的載體和難聞氣味的封閉劑。

5.1.3作為替代物利用多孔淀粉的多孔性,可以代替食品的某種成分或者某些物質(zhì)的封裝器。Yao等[75]、張?chǎng)蔚萚76]、Xianwei等[77]、朱仁宏等[78-79]研究了用多孔淀粉替換貢丸中的部分脂肪,發(fā)現(xiàn)制作的成品貢丸能夠滿足貢丸的口感和質(zhì)地,不僅節(jié)約了成本,而且能減少人們對(duì)脂肪的攝入;Belingheri等[80]研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)將吸附葵花籽油的多孔淀粉包封,從而防止油脂的氧化,結(jié)果表明,其可以代替噴霧干燥來(lái)對(duì)油的風(fēng)味進(jìn)行封裝。

5.2多孔淀粉的改性應(yīng)用

多孔淀粉本身的應(yīng)用具有一定的局限性,通過(guò)物理、化學(xué)或生物的方法對(duì)其進(jìn)行改性,能夠改善多孔淀粉的特性,拓寬其應(yīng)用范圍。

Rizzi[31]在多孔淀粉顆粒上接上疏水性基團(tuán),提高了多孔淀粉從水相或者氣相吸附疏水性物質(zhì)的能力。將硅氧烷基團(tuán)接到多孔淀粉的表面,可使多孔淀粉的應(yīng)用更加廣泛。蘇東民等[81]對(duì)多孔淀粉的表面用表面活性物質(zhì)處理發(fā)現(xiàn),經(jīng)處理的多孔淀粉可吸附更多的脂溶性物質(zhì)(吡哆素)。吳第祥[55]、Xiaofei等[82]研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)黃原酸酯化的多孔淀粉和多孔淀粉檸檬酸鹽可作為更有效的吸附劑,用于處理受污染液體中的重金屬。

王霞[83]用S-乙酰琉基丁二酸酐改性多孔淀粉,增強(qiáng)了多孔淀粉的生物粘附性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,可以用在鼻腔藥物中,延長(zhǎng)藥物在鼻腔內(nèi)的停留時(shí)間。Whistler[84]將酯化劑或醚化劑通過(guò)共價(jià)鍵連接到多孔淀粉上,得到了可以代替脂肪的改性多孔淀粉,能夠添加到食品中,減少人們對(duì)熱量的攝入。

6　多孔淀粉的制備與應(yīng)用研究展望

目前研究人員在制備多孔淀粉時(shí)都是采用單一的原料淀粉,所制備的多孔淀粉材料性能較為單一,因此,研究采用多種淀粉的復(fù)合原料來(lái)制備多孔淀粉,可研發(fā)更多具有多種綜合性能的多孔淀粉,進(jìn)一步拓展其應(yīng)用。多孔淀粉的成孔方法雖較多,但大部分仍處實(shí)驗(yàn)階段,工業(yè)應(yīng)用尚較少(工業(yè)上常采用生物成孔法)。因此,今后仍需對(duì)目前的成孔方法在成孔質(zhì)量、效率、孔隙穩(wěn)定性及成本等方面加強(qiáng)研究,使之逐步成為成熟的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù),擴(kuò)大多孔淀粉材料的市場(chǎng)供應(yīng)規(guī)模。多孔淀粉雖可直接應(yīng)用到食品、醫(yī)藥衛(wèi)生、化工工業(yè)等領(lǐng)域,但由于材料的性能有限,為了提高應(yīng)用效果,在結(jié)合應(yīng)用對(duì)象的特性基礎(chǔ)上,對(duì)所制備的多孔淀粉進(jìn)行進(jìn)一步改性,開(kāi)發(fā)更有效的應(yīng)用技術(shù)也將成為今后的研究重點(diǎn)。

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Review and prospect on pore-forming technology and application of porous starch

LI Xian,FAN Xiao-ping*,JIANG Zhuo,XIANG Hong,ZHANG Qin-fa

(College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Pore-forming mechanisms of porous starch were analyzed at the beginning. On that basis,both general and improved pore-forming methods,as well as the characterization of porous starch were reviewed and analyzed. The advances of application technologies of porous starch were also summarized,and the preparation and application research prospects were discussed in the end.

porous starch;pore-forming;preparation;application;review

2015-11-30

李顯(1991-)，男，碩士研究生，研究方向:農(nóng)產(chǎn)品深加工原理與技術(shù),E-mail：leescau@163.com。

范小平(1981-)，男，博士，副教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品深加工原理與技術(shù)，E-mail:fanscau@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31201401)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014A030313452)；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(YQ2015025)。

TS236.9

A

1002-0306(2016)12-0354-07

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.059