多孔玉米淀粉的制備與吸附性研究

摘要 選用α-淀粉酶和糖化酶2種淀粉水解酶來制備多孔玉米淀粉，采用控制變量法研究酶用量、pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、酶配比對多孔玉米淀粉吸附性的影響。然后運(yùn)用4因素3水平的正交試驗(yàn)法來尋找如何制備具有最佳吸附性的多孔玉米淀粉。試驗(yàn)結(jié)果表明：在酶用量為4%、pH為6、反應(yīng)時(shí)間為24 h、溫度為45 ℃ 時(shí)，淀粉最大吸水率為88.65%;在酶用量為3%、pH為6、反應(yīng)時(shí)間為20 h、溫度為50 ℃ 時(shí)，最大吸油率為75.36%。通過掃描電鏡觀察了不同反應(yīng)時(shí)間下淀粉顆粒表面微孔分布的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞 酶解法;多孔玉米淀粉;正交試驗(yàn)法;掃描電鏡

中圖分類號 TS235 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2020）19-0173-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.045

Abstract In this study， the preparation of porous corn starch was prepared by two kinds of amylase， alphaamylase and glucoamylase. The effects of enzyme dosage， pH， reaction temperature， reaction time and enzyme ratio on the absorption of porous corn starch were studied by using the control variable method.Then，we used the orthogonal experiment of four factors and three levels to find out how to prepare the porous corn starch with the best absorption properties.The results showed that the water absorption rate was 88.65% when the enzyme dosage was 4%， the pH was 6， the reaction time was 24 h， the temperature was 45 ℃， the oil absorption rate was 75.36% when the enzyme dosage was 3%， the pH was 6， the reaction time was 20 h， the temperature was 50 ℃. The distribution of microporous on the surface of the starch granules was observed by scanning electron microscope.

Key words Enzymatic method;Porous corn starch;Orthogonal experimental method;Scanning electron microscope

基金項(xiàng)目 安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJHS2019B03）。

作者簡介 江蓉（1982—），女，安徽黃山人，講師，碩士，從事高分子材料研究。

收稿日期 2020-03-17

多孔淀粉又叫微孔淀粉，其淀粉顆粒的表面有很多微小的孔洞，大多是由一些人工方法處理制得[1-3]。在醫(yī)藥、食品、化工、紡織、造紙等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是一種新型的變性淀粉[4-6]。與天然的淀粉相比，多孔淀粉在比表面積、比孔容等具體物理性質(zhì)方面具有良好的數(shù)據(jù)，因此呈現(xiàn)出優(yōu)越的吸水、吸油性能，并且成本較低，沒有毒害，可自然降解[7-10]。

多孔淀粉制備過程中，酶的用量、pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和復(fù)合酶的配比等條件對多孔淀粉的吸附性能起著決定性的影響[11-13]。該研究選用玉米淀粉為原料，采用一定配比的α-淀粉酶和糖化酶水解多孔玉米淀粉，擬分析5個(gè)反應(yīng)因素對多孔玉米淀粉吸附性能的影響，并且采用雙酶法讓其表面及內(nèi)部出現(xiàn)很多微小的空隙以達(dá)到對水分子或油分子良好的吸附能力。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

1.1.1 材料。

玉米淀粉、菜籽油、α-淀粉酶、糖化酶、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉、檸檬酸。

1.1.2 儀器。

集熱式恒溫磁力攪拌器、真空干燥箱、掃描電鏡、pH計(jì)、循環(huán)水式真空泵。

1.2 方法

1.2.1 多孔淀粉的制備。

在500 mL反應(yīng)瓶中加入15 g天然淀粉，以及由磷酸氫二鈉和檸檬酸所配制的緩沖液 200 mL進(jìn)行調(diào)漿;將其放置在一定溫度的恒溫水浴鍋中預(yù)熱10 min左右。用電子分析天平精確稱取一定量的復(fù)合酶，并加入緩沖液配成酶液50 mL，再將淀粉懸浮液和酶液混合均勻。 攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后，加入4%氫氧化鈉5 mL左右中止反應(yīng)。減壓抽濾，并洗滌3次、干燥后開始粉碎，過篩，最后得多孔玉米淀粉制品。

1.2.2 吸水吸油率的檢測。

首先取質(zhì)量為5 g的多孔玉米淀粉與100 mL的水混合后用玻璃棒攪拌30 min 再轉(zhuǎn)入砂芯漏斗中，同時(shí)打開循環(huán)水真空泵進(jìn)行抽濾，直至沒有水滴下為止。然后用去離子水清洗3次，最后取出濾紙上的多孔玉米淀粉放入真空干燥箱干燥24 h并稱重（質(zhì)量為m克）。根據(jù)前后的樣品質(zhì)量差計(jì)算吸水率（Y）。

Y=m-55×100%

吸油率的測定法方法和吸水率一樣。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響

2.1.1 酶用量對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

當(dāng)酶配比（α-淀粉酶與糖化酶質(zhì)量比）為4∶1，pH為4.5，溫度為45 ℃，反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)改變酶用量分別為0、1%、2%、3%、4%、5%，測量多孔淀粉吸水率和吸油率值，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，多孔玉米淀粉的吸水率先增大后減小，酶用量為2%時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。吸油率也是這個(gè)變化趨勢，同樣在其他條件不變，酶用量為2%時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。這是因?yàn)楫?dāng)酶濃度很低時(shí)，會有部分底物沒能夠與酶相結(jié)合，這時(shí)加大酶用量，同一時(shí)刻被水解的天然淀粉量就會增多，酶解速度也會加快。隨著酶用量的再次加大，當(dāng)所有底物都與酶結(jié)合后，再增加酶用量對酶解速度的影響就不大了，此時(shí)更多的淀粉顆粒結(jié)構(gòu)就會被破壞，形成更小的顆?；蚴瞧咸烟牵@樣對吸附性反而有所損傷，自然吸水率和吸油率就會下降。

2.1.2 pH對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

當(dāng)酶配比為4∶1，酶用量為2%，溫度為45 ℃，反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，改變pH分別為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5，測量多孔淀粉吸水率和吸油率，處理結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，pH從4.0增加到4.5時(shí)多孔淀粉的吸水率增加，之后減小。由此可知，在其他條件不變，pH為4.5時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。對于吸油率，pH從4.0增加到6.0時(shí)其數(shù)值是增加的，之后才減小。在其他條件不變，pH為6.0時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。其中糖化酶的最適pH為3.6～4.8，α-淀粉酶的最適 pH為5.8～6.8，因此復(fù)合酶的最適pH 應(yīng)出現(xiàn)在3.6～6.8。對比之下，試驗(yàn)中多孔玉米淀粉的最佳吸水吸油所對應(yīng)的pH都在合理范圍之內(nèi)。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

當(dāng)酶配比為4∶1，pH為4.5，溫度為45 ℃，酶用量為2%時(shí)，改變反應(yīng)時(shí)間分別為8、12、16、20、24、28 h，測量多孔淀粉吸水率和吸油率值，處理結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，多孔玉米淀粉的吸水率和吸油率都是隨著反應(yīng)時(shí)間先增加后減小。反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí)，吸油性最佳。這是因?yàn)椋腔笍姆沁€原性的末端開始是外切型的，外切玉米淀粉的α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵，形成很多更小的單元結(jié)構(gòu)，如β-葡萄糖等。而α-淀粉酶會從淀粉分子內(nèi)部任意的地方切開α-1，4-糖苷鍵，是內(nèi)切型的，所以2種淀粉酶之間不僅有相互促進(jìn)關(guān)系，而且有先后順序作用的原因。2種淀粉酶復(fù)合在一起水解玉米淀粉時(shí)先會從淀粉顆粒的表面開始，在顆粒表面形成許多微孔，開始吸附更多的水分和油分。但隨著復(fù)合酶水解作用的進(jìn)一步加強(qiáng)，表面具有很多良好小孔的淀粉顆粒的空間結(jié)構(gòu)就會崩潰，被進(jìn)一步分解成更小的顆粒結(jié)構(gòu)，或者是被完全水解成為最基本的單元葡萄糖分子，所以吸水率或吸油率反而會下降。

2.1.4 反應(yīng)溫度對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

當(dāng)酶配比為4∶1，pH為4.5，酶用量為2%，反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，改變反應(yīng)溫度分別為40、45、50、55、60、65 ℃，測量多孔淀粉吸水率和吸油率值，處理結(jié)果見圖4。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)溫度增加到60 ℃或65 ℃時(shí)沒有數(shù)據(jù)，這是因?yàn)樵诟邷叵娄?淀粉酶和糖化酶都已經(jīng)失活了，淀粉也已經(jīng)糊化了，難以抽濾。從圖4可以看出，反應(yīng)溫度從40 ℃增加到50 ℃時(shí)多孔淀粉的吸水率是增加的，之后開始減小。由此可知，在其他條件不變，反應(yīng)溫度為50 ℃時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。對于吸油率，從40 ℃增加到45 ℃時(shí)其數(shù)值都是增加的，之后才減小。在其他條件不變，反應(yīng)溫度為45 ℃時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。

2.1.5 酶配比對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

當(dāng)溫度為45 ℃，pH為4.5，酶用量為2%，反應(yīng)時(shí)間為12 h時(shí)，改變α-淀粉酶和糖化酶的質(zhì)量比分別為1、2、3、4、5時(shí)，測量多孔淀粉吸水吸油率值，處理結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，當(dāng)α-淀粉酶和糖化酶的配比從1增加到3時(shí)，多孔淀粉的吸水率一直在增加，并在酶配比為3時(shí)達(dá)到最大值，此后吸水率呈下降趨勢。吸油率有著類似的變化趨勢，最佳酶配比為4。酶配比對多孔玉米淀粉吸附性能的影響作用主要與2種淀粉酶的協(xié)同作用有關(guān)，其中α-淀粉酶發(fā)揮作用后能為糖化酶提供反應(yīng)底物，而糖化酶則會對α-淀粉酶水解產(chǎn)物進(jìn)一步再水解，從而減小α-淀粉酶水解產(chǎn)物對其自身活性的抑制作用。

2.2 多孔淀粉的正交試驗(yàn)結(jié)果

在以上單因素試驗(yàn)所得結(jié)果基礎(chǔ)上，確定了酶用量、時(shí)間、pH、溫度4個(gè)指標(biāo)對多孔淀粉吸附性的影響最大，采用4因素3水平，依L9（34）設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)（表1）。

正交試驗(yàn)中極差R能夠反映不同因素對結(jié)果的重要性，具體來說R越大對結(jié)果的影響越大。結(jié)合表2、3可以看出，各因素對多孔淀粉吸水率影響大小順序?yàn)槊赣昧?、溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間;對吸油率影響大小順序?yàn)槊赣昧?、pH、溫度、反應(yīng)時(shí)間，綜合考慮各因素對吸附性的影響大小順序?yàn)槊赣昧?、溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間。復(fù)合酶最佳吸水條件為A3B3C2D1，即在酶用量為4%、pH為6、反應(yīng)時(shí)間為24 h、溫度為45 ℃ 時(shí)，淀粉吸水率為88.65%;復(fù)合酶最佳吸油條件為A2B3C1D2，即在酶用量為3%、pH為6、反應(yīng)時(shí)間為20 h、溫度為50 ℃時(shí)，吸油率為75.36%。

2.3 不同反應(yīng)時(shí)間處理后多孔淀粉的電鏡掃描結(jié)果

利用掃描電鏡對經(jīng)過不同反應(yīng)時(shí)間處理后的多孔淀粉進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖6。

從圖6可以看出，原淀粉的表面非常光滑，并沒有任何孔洞，但是都黏在了一起，酶解8 h時(shí)，表面會漸漸變得粗糙，有部分顆粒開始分離，其中一兩個(gè)淀粉顆粒表面無定型區(qū)域會被分解成一些很小的較淺的孔，隨著時(shí)間的推移，到12 h時(shí)所有淀粉顆粒已完全分開，且有小孔的淀粉顆粒數(shù)量開始變多，時(shí)間再一點(diǎn)點(diǎn)增加，淀粉顆粒表面的小孔會變得越來越大和越來越深，而且?guī)缀跛械牡矸垲w粒表面都會有很多微小的孔洞，但是到了28、32 h后淀粉顆粒表面開始出現(xiàn)崩解和蝕刻的現(xiàn)象，淀粉顆粒的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)酶用量為2%時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性和吸油性最佳。

（2）當(dāng)pH為4.5時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳;當(dāng)pH為6時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。

（3）當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性和吸油性最佳。

（4）當(dāng)反應(yīng)溫度為50 ℃時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳;當(dāng)反應(yīng)溫度為45 ℃時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。

（5）當(dāng)α-淀粉酶和糖化酶的配比為3時(shí)，多孔玉米淀粉的吸水性最佳;當(dāng)α-淀粉酶和糖化酶的配比為4時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。

（6）在酶用量為4%、pH為6、反應(yīng)時(shí)間為24 h、溫度為45 ℃ 時(shí)，淀粉最大吸水率為88.65%;在酶用量為3%、pH為6、反應(yīng)時(shí)間為20 h、溫度為50 ℃ 時(shí)，最大吸油率為75.36%。

（7）酶解處理后，玉米淀粉表面產(chǎn)生了孔洞，時(shí)間越長，孔洞越密，但時(shí)間過長，淀粉顆粒表面開始出現(xiàn)崩解和蝕刻的現(xiàn)象，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)遭到了破壞。

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