薏苡仁淀粉酶改性多孔化關鍵工藝優化

呂 峰 傅新征 李宇翔

（福建農林大學食品科學學院1，福州 350002）

（武夷學院茶與食品學院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，可以廣泛用于醫藥、農藥、印刷、日用化工、化妝品和食品行業［3－4］。

薏苡仁是我國傳統的藥食同源的食物，具有較高的營養價值和獨特的藥用價值。目前國內外對薏苡仁的開發利用極為重視，特別是對其功能成分和藥理活性的研究已成為熱點［5－7］。

薏苡仁酯已被國內外醫學界成功地提取、開發成臨床上的抗腫瘤、抗癌的藥物；其加工副產物——脫脂薏苡仁的綜合利用則成為人們關注的研究對象。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，并采用糖化酶對后者進行多孔化改性修飾。基于單因素試驗，通過二次回歸旋轉組合試驗設計，分別建立糖化酶用量、酶改性時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學回歸方程，探討、優化薏苡仁淀粉多孔化的關鍵工藝參數，旨在提升薏苡仁的綜合開發利用水平，提高其經濟附加值，為促進我國多孔淀粉的產業化生產提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

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會提供），實驗室酶法自制。

糖化酶（50 000 u）：無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），國藥集團化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器設備

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

1.2 試驗方法

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，充分攪拌使淀粉顆粒均勻分散于溶液中，另將定量的糖化酶亦預先溶解在相同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時反應。結束時立即加入2 mL 4%的NaOH溶液，中止酶促反應。將反應液以3 000 r／min離心10 min，收集沉淀，反復洗滌、離心至中性，置于45℃熱風干燥至水分含量為10%左右，冷卻、粉碎，過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化

單因素試驗結果表明，在薏苡仁多孔淀粉的制備過程中，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，酶改性時間、酶解液pH等；它們的適宜參數為：糖化酶用量500 u／mL左右、酶改性時間16 h左右、酶改性溫度55～60℃、酶解液pH 4.0左右。基于單因素試驗，采用二次回歸旋轉組合設計方案實施試驗，分別建立糖化酶用量（X1）、酶改性時間（X2）、酶改性溫度（X3）與薏苡仁多孔淀粉吸水率（Y1）和吸油率（Y2）的數學回歸模型，并優化薏苡仁淀粉多孔化酶改性關鍵工藝參數。薏苡仁淀粉多孔化酶改性二次回歸旋轉組合試驗設計方案的因素與水平設計見表1。

表1 薏苡仁淀粉的多孔化酶改性二次回歸旋轉組合試驗因素水平表

1.3 指標檢測與方法

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

準確稱取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，測定離心瓶及瓶中樣品的總質量，按下列公式計算吸水率和吸油率：

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

1.4 統計分析

采用DPSv3.01系統處理數據，進行單因子方差分析，考慮多因子交互作用，并進行F顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 方程回歸及方差分析

用軟件系統對表2中兩個指標值進行處理分析，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）、酶改性時間（X2）和酶改性溫度（X3）的數學回歸方程，并剔除在α＝0.05顯著水平的不顯著系數項后，得到簡化回歸方程（1）、（2）：

表2 薏苡仁淀粉多孔化的酶改性工藝二次回歸旋轉組合設計及試驗結果

式中自變量取各代碼值，因變量取計算值，由回歸方程（1）、（2）可計算出薏苡仁多孔淀粉吸水率Y1、吸油率Y2的值，為進一步確定各因素對薏苡仁多孔淀粉吸水率Y1和吸油率Y2的影響程度，用方差分析對所得方程的顯著性和回歸擬合性進行檢驗，結果見表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對回歸方程（1）、（2）的F檢驗和失擬檢驗的結果表明：回歸項均在0.01水平上呈極顯著（P＜0.01），而失擬項均不顯著（P＞0.05），說明本試驗得到的兩個回歸方程擬合程度較好，能夠與實際情況擬合，分別可以用來反映糖化酶用量X1、酶改性時間X2及酶改性溫度X3對薏苡仁多孔淀粉的吸水率Y1與吸油率Y2的影響關系。

2.2 試驗因子對薏苡仁多孔淀粉的吸水率和吸油率的影響趨勢

2.2.1 單因子效應分析

對回歸方程（1）、（2）進行降維分析，將糖化酶用量X1、酶改性時間X2及酶改性溫度X33因素中的2個分別固定在零水平，觀察各單因素在不同水平上對薏苡仁多孔淀粉的吸水率和吸油率的影響效應，得到以其中一個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系

由圖1可看出，3因素對薏苡仁多孔淀粉吸水率的關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，其次是酶改性時間和糖化酶用量。設其他兩因素為零水平時，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，當酶改性溫度達到1水平（58℃）時，樣品的吸水率達到最大值，128.20%；之后呈平緩且略有下降趨勢。

由酶改性時間、糖化酶用量與薏苡仁多孔淀粉吸水率的兩關系曲線可知，當糖化酶用量與酶改性時間均為0水平（500 u／mL、16 h）時，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。

圖2 各因素與薏苡仁多孔淀粉吸油率的關系

由圖2可知，各因素對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＞酶改性時間。糖化酶用量對薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響趨勢是先升高后降低，當糖化酶用量在0水平（500 u／mL）時，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，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。隨酶改性時間的延長，薏苡仁多孔淀粉吸油率逐漸增大，當酶改性時間為0水平（16 h）時樣品的吸油率達到峰值，為78.14%，0水平后則呈現下降趨勢。

2.2.2 因素間相互效應分析

圖3a響應面顯示，當兩因素在 －1.682（400 u／mL、50℃）至 0（500 u／mL、55℃）水平范圍內，對薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響有明顯的正相關關系，而在0至1.682（600 u／mL、60℃）水平范圍，對薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響則呈負相關關系；當兩因素均處于0水平時，薏苡仁多孔淀粉的吸水率達到最大值126.00%；由圖3b可知，等高線呈橢圓形，表明糖化酶用量（X1）和酶改性時間（X2）的交互作用對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間對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）和酶改性時間（X3）對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，結合圖4a響應面圖表明，當糖化酶用量在小于0水平（500 u／mL）及酶改性溫度為1水平（58℃）的范圍內，兩因素對薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響具有較強的正相關交互關系，而當兩因素分別大于上述兩水平時，則對薏苡仁多孔淀粉吸水率的影響具有微弱的負相關交互關系。

圖5 糖化酶用量和酶改性時間對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）和酶改性時間（X2）之間的交互作用對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，兩因素對薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響呈現極顯著的正交互作用；而高于0水平后，兩因子則對薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響具有極顯著的負交互作用，提示糖化酶用量和酶改性時間過低或過高時，都將導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）的交互項對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，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，當糖化酶用量為0水平（500u／mL）、酶改性溫度為1水平（58℃）時，薏苡仁多孔淀粉的吸油率達到最大，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，二者對薏苡仁多孔淀粉吸油率的影響呈顯著正交互作用；反之則呈負交互作用。

圖6 糖化酶用量和酶改性溫度對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的優化

經DPS v3.01計算，在本試驗條件下，獲得薏苡仁多孔淀粉樣品的吸水率（Y1）和吸油率（Y2）最大值的優化工藝參數組合均為：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 驗證試驗

以優化的薏苡仁淀粉多孔化酶改性關鍵工藝參數組合為條件（即糖化酶用量為500 u／mL、酶改性時間為16 h、酶改性溫度為58℃），進行擴大性驗證試驗，試驗重復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值誤差分別為0.81%、0.57%，其差異均無統計學意義（P＞0.05）。

3 討論與結論

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內容。

本研究認為，糖化酶是實現薏苡仁淀粉微孔修飾的物質基礎，其量不足或過多，均可導致薏苡仁多孔淀粉吸水率和吸油率的降低。產生這種變化趨勢的原因主要是當薏苡仁淀粉的質量固定后，隨著糖化酶用量的增加，反應液中的酶濃度逐漸增大，相應被改性修飾的薏苡仁淀粉顆粒數和各顆粒被酶結合的位點都增多，故薏苡仁多孔淀粉的吸附性能逐漸提高；當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合的位點數增加到適量時，薏苡仁多孔淀粉的吸附性能達到最佳；若此時再繼續增加酶的使用量，薏苡仁淀粉顆粒被酶結合的位點過多，即微孔數過多，則導致臨近的微孔相通而結構破損，無法鎖住水分或油，吸附性能下降。

作研究酶促反應，酶解溫度與糖化酶的活性密切相關，只有當酶解溫度與糖化酶的最適溫度相吻合時，薏苡仁淀粉的微孔修飾才能順利進行；而高于或低于糖化酶的最適溫度，均可因為糖化酶的活力受到抑制，而影響薏苡仁淀粉的微孔修飾。

酶改性時間直接決定薏苡仁淀粉微孔的修飾程度。這是因為在一定酶改性時間范圍內，薏苡仁淀粉被糖化酶適當地改性修飾，形成具有許多微孔疏松結構的淀粉顆粒，使吸附性能明顯提高；但如果酶改性時間過長，薏苡仁淀粉被水解修飾過度，其顆粒內部空間的孔洞結構遭到破壞而無法較好的將水分或油鎖住，將導致其樣品的吸水率和吸油率下降。

本試驗以實驗室酶法自制的薏苡仁淀粉為原料，采用糖化酶對薏苡仁淀粉進行多孔化酶改性修飾，并通過二次回歸旋轉組合試驗設計，分別建立了糖化酶用量（X1）、酶改性時間（X2）和酶改性溫度（X3）與薏苡仁多孔淀粉吸水率（Y1）、吸油率（Y2）的數學回歸方程：

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

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