大米多孔淀粉制備工藝的研究*

薛 瑞，楊良竹，王永利，李 文，宋麗蘋，李 琛

(1 玉溪師范學院化學生物與環境學院，云南 玉溪 653100;2 云南民族大學化學與環境學院，云南 昆明 650000)

多孔淀粉又名微孔淀粉、有孔淀粉，是由對生淀粉具有水解活力的酶在低于糊化溫度下降解淀粉得到的水解產物，這個定義是1998年日本學者長谷川信弘才首次提出的[1]。多孔淀粉，是一種新型的變性淀粉，淀粉顆粒表面呈現的是蜂窩狀，與天然淀粉相比，具有較大的比表面積及良好的吸附性能[2-3]。同時，多孔淀粉還具有很好的安全性、易降解等優點，這些特性使多孔淀粉被廣泛應用于多個領域，主要用在微膠囊芯材、吸附各種功能性物質等方面[4-6]。目前，日本和美國對多孔淀粉的研究較多，研究內容多為多孔淀粉的制備、應用及改性等[7]。多孔淀粉的制備方法主要有化學法、物理法、復合酶解法、溶膠-凝膠法、酸法等，其中復合酶法制備的多孔淀粉成孔效果較好[8-9]。我國是全球的水稻“王國”，稻谷產量居世界第一，大米中淀粉和蛋白質含量分別約是80%和8%，從含量上看大米是制取多孔淀粉很好的原料。本文選取大米淀粉為原料，采用復合酶法來制備多孔淀粉，期望可以制備出高吸附性能的多孔淀粉，為其在醫藥、食品等領域的應用提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原料、試劑

大米淀粉，Sigma-Aldrich (上海)貿易有限公司；一水合檸檬酸、氫氧化鈉、磷酸氫二鈉，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；糖化酶、α-淀粉酶，合肥博美生物科技有限責任公司；色拉油，上海日清油脂有限公司。

1.2 儀 器

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；TD5A-WS型離心機，廣州深華生物技術有限公司；AR1140型分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；S-4800型場發射掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社。

1.3 實驗方法

1.3.1 大米多孔淀粉的制備[10]

用分析天平準確稱取大米淀粉10 g，加入適量磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液調節pH，攪拌均勻，預熱15 min，加入復合酶(α-淀粉酶+糖化酶)，反應完成后，用5 mL 4%濃度的氫氧化鈉溶液終止反應，將沉淀過濾洗滌，烘干至恒重，即得大米多孔淀粉產物。

1.3.2 多孔淀粉吸附性能的測定[11]

準確稱取多孔淀粉1 g于兩個燒杯中，前者加入10 mL色拉油，后者加入10 mL蒸餾水，置于磁力攪拌器上攪拌30 min，分別將混合液倒入砂芯漏斗中抽濾，直至沒有油滴或水滴滴下為止，記錄砂芯漏斗前后的質量，按公式1進行吸油率、吸水率計算。

(1)

式中：m1為抽濾前砂芯漏斗的質量,g；m2為抽濾后砂芯漏斗的質量,g;m為稱取多孔淀粉的質量,g。

2 結果與討論

2.1 大米多孔淀粉的形貌

通過掃描電鏡(SEM)對大米多孔淀粉的形貌進行觀察，如圖1所示。可以看出，采用復合酶法制備的大米多孔淀粉顆粒表面呈蜂窩狀，分布著很多小孔，孔徑不大，小孔由顆粒表面向中心延伸，顆粒較完整。

圖1 大米多孔淀粉的掃描電鏡圖Fig.1 SEM image of rice porous starch

2.2 大米多孔淀粉制備工藝的單因素實驗

以吸油率和吸水率為吸附性能的指標，考察pH值、酶用量、酶配比(α-淀粉酶：糖化酶)、反應時間、反應溫度和淀粉濃度對大米多孔淀粉吸附性能的影響，并進一步通過正交實驗得到最佳的制備工藝。

2.2.1 pH值的影響

在酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反應時間12 h，反應溫度50 ℃，淀粉濃度40%的條件下，研究不同pH值對大米多孔淀粉吸附性能的影響，結果如圖2所示。

圖2 pH值對大米多孔淀粉吸附性能的影響Fig.2 The effect of pH value on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能隨著pH值的增加先升高后降低，當pH值為5.5時，吸油率和吸水率最大，此時吸附性能最好。這可能是由于當pH值≤5.5時，隨著pH值的升高，復合酶的活性逐漸增強，從而對淀粉的酶解作用加強，淀粉的吸附性能得到提高。當pH值≥6.0后，復合酶的活性降低，限制了淀粉的酶解過程，成孔減少，淀粉的吸附性能下降。因此，本反應體系的最佳pH值為5.5。

2.2.2 酶用量的影響

在pH值5.5，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反應時間12 h，反應溫度50 ℃，淀粉濃度40%的條件下，研究不同酶用量對大米多孔淀粉吸附性能的影響，結果如圖3所示。

圖3 酶用量對大米多孔淀粉吸附性能的影響Fig.3 The effect of enzyme dosage on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能隨著酶用量的增加先升高后降低，當酶用量為1.2%時，吸油率和吸水率均達到最大值，吸附性能最優。這可能是因為當酶用量≤1.2%時，隨著酶用量的增加，淀粉酶解反應的速度加快，成孔較多，吸附性能得到提高。當酶用量≥1.4%時，隨著酶用量的增加，淀粉酶解速度過快，破壞成孔的空間結構甚至導致淀粉顆粒結構崩解，吸附性能迅速下降。因此，本反應體系的最佳酶用量為1.2%。

2.2.3 酶配比的影響

在pH值5.5，酶用量1.2%，反應時間12 h，反應溫度50 ℃，淀粉濃度40%的條件下，研究復合酶不同的酶配比對大米多孔淀粉吸附性能的影響，結果如圖4所示。

圖4 酶配比對大米多孔淀粉吸附性能的影響Fig.4 The effect of enzyme ratio on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能隨著α-淀粉酶：糖化酶比值的降低先升高后降低，在酶配比為1:2時，吸附性能最優。這可能是因為多孔淀粉的形成過程首先是由糖化酶(外切型淀粉酶)作用于淀粉的非還原性末端，隨機切開淀粉的α-1,4和α-1,6等糖苷鍵，將淀粉顆粒表面容易水解的無定形區酶解形成小孔。隨后，α-淀粉酶(內切型淀粉酶)通過溶脹作用進入淀粉顆粒內部，隨機水解淀粉的α-1,4糖苷鍵，為糖化酶的水解提供新的非還原性末端。總的來說，α-淀粉酶和糖化酶是協同水解向淀粉顆粒內部推進，從而形成淀粉的多孔結構。因此，只有當α-淀粉酶和糖化酶在一定配比時，成孔效果最好，多孔淀粉的吸附性能最佳，本反應體系的最佳酶配比為1:2。

2.2.4 反應時間的影響

在pH值5.5，酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反應溫度50 ℃，淀粉濃度40%的條件下，研究不同反應時間對大米多孔淀粉吸附性能的影響，結果如圖5所示。

圖5 反應時間對大米多孔淀粉吸附性能的影響Fig.5 The effect of reaction time on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能隨著反應時間的增加先升高后降低，當反應時間為12 h時，吸附性能最佳。這可能是由于剛反應時，淀粉顆粒隨著時間的增加而吸水溶脹，復合酶更容易與淀粉結合發生水解反應，達到一定時間后，淀粉顆粒的水解作用充分，成孔數量多，孔徑大且深，此時吸附性能優異。但是，當反應時間繼續延長，淀粉顆粒進一步被水解，可能會造成孔洞結構的破壞甚至崩解，導致吸附性能迅速下降。因此，本反應體系的最佳反應時間為12 h。

2.2.5 反應溫度的影響

在pH值5.5，酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反應時間12 h，淀粉濃度40%的條件下，研究不同反應溫度對大米多孔淀粉吸附性能的影響，結果如圖6所示。

圖6 反應溫度對大米多孔淀粉吸附性能的影響Fig.6 The effect of reaction temperature on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能隨著反應溫度的增加先升高后降低，當反應溫度為55 ℃時，吸附性能最好。這可能是因為剛開始隨著反應溫度的升高，復合酶達到了適宜溫度，活性增強。同時，淀粉顆粒的溶脹性隨著溫度的升高而增加，進一步促進了復合酶的水解作用，提高了淀粉顆粒的成孔率。而當溫度繼續升高，復合酶的活性降低，淀粉顆粒增加的溶脹性抵不過前者的損失，酶解速率下降，限制了淀粉多孔結構的形成。因此，本反應體系的最佳反應溫度為55 ℃。

2.2.6 淀粉濃度的影響

在pH值5.5，酶用量1.2%，酶配比(α-淀粉酶:糖化酶)1:2，反應時間12 h，反應溫度55 ℃的條件下，研究不同淀粉濃度對大米多孔淀粉吸附性能的影響，結果如圖7所示。

圖7 淀粉濃度對大米多孔淀粉吸附性能的影響Fig.7 The effect of starch concentration on adsorption properties of rice porous starch

可以看出，大米多孔淀粉的吸附性能隨著淀粉濃度的增加先升高后降低，當淀粉濃度為30%時，吸附性能達到最大值。這可能是由于當淀粉濃度較低時，復合酶和淀粉在溶液中較為分散，復合酶不容易吸附到淀粉顆粒表面進行水解作用，吸附性能較低。當濃度繼續增加，復合酶和淀粉能充分接觸并發生反應，吸附性能增強。但是，當淀粉濃度較高時，體系黏度增加，很難形成均一體系，復合酶可能只與部分淀粉反應，酶解不充分，吸附性能降低。因此，本反應體系的最佳淀粉濃度為30%。

2.3 大米多孔淀粉制備工藝的正交實驗

通過單因素實驗可得對大米多孔淀粉吸附性能的影響為：酶用量>反應時間>pH值>酶配比>反應溫度>淀粉濃度。因此，在反應溫度55 ℃，淀粉濃度30%的條件下，以大米多孔淀粉的吸附性能(吸油率)為指標，采用正交實驗的方法，考察影響最大的四種單因素，優化大米多孔淀粉的制備工藝。

表1 正交實驗四因素三水平表Table 1 Four factors and three levels of orthogonal test

表2為四種單因素中，對大米多孔淀粉吸附性能影響。由表2可以看出，最大的是反應時間，其次是酶用量和酶配比，pH值的影響最小。同時，得到大米多孔淀粉制備工藝的最佳條件為：pH值5.0，酶用量1.2%，酶配比1:2，反應時間16 h，反應溫度55 ℃，淀粉濃度30%。在此實驗條件下制備大米多孔淀粉，測得吸油率為51.38%，吸水率為178.65%。同時，測得大米原淀粉的吸油率為17.89%，吸水率為98.21%，不難發現，大米多孔淀粉的吸附性能有了極大的提高。

表2 正交實驗設計與結果Table 2 The design and results of orthogonal test

3 結 論

通過復合酶法制備的大米多孔淀粉顆粒表面分布著很多小孔，呈蜂窩狀。通過單因素實驗分析，得到各因素對大米多孔淀粉吸附性能的影響因素為：酶用量>反應時間>pH值>酶配比>反應溫度>淀粉濃度。采用正交實驗對大米多孔淀粉的制備工藝進行優化，得到最佳的制備工藝為：pH值5.0，酶用量1.2%，酶配比1:2，反應時間16 h，反應溫度55 ℃，淀粉濃度30%，此時制得的大米多孔淀粉吸油率為51.38%，吸水率為178.65%。