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、反應溫度、反應時間、酶配比對多孔玉米淀粉吸附性的影響。然后運用4因素3水平的正交試驗法來尋找如何制備具有最佳吸附性的多孔玉米淀粉。試驗結果表明：在酶用量為4%、pH為6、反應時間為24 h、溫度為45 ℃ 時，淀粉最大吸水率為88.65%;在酶用量為3%、pH為6、反應時間為20 h、溫度為50 ℃ 時，最大吸油率為75.36%。通過掃描電鏡觀察了不同反應時間下淀粉顆粒表面微孔分布的變化規律。

關鍵詞 酶解法;多孔玉米淀粉;正交試驗法;掃描電鏡

中圖分類號 TS235 ?文獻標識碼 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

基金項目 安徽省高校自然科學研究項目（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]。在醫藥、食品、化工、紡織、造紙等領域得到了廣泛應用，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方面具有良好的數據，因此呈現出優越的吸水、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、反應溫度、反應時間和復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個反應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部出現很多微小的空隙以達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、循環水式真空泵。

1.2 方法

1.2.1 多孔淀粉的制備。

在500 mL反應瓶中加入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進行調漿;將其放置在一定溫度的恒溫水浴鍋中預熱10 min左右。用電子分析天平精確稱取一定量的復合酶，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。 攪拌反應一定時間后，加入4%氫氧化鈉5 mL左右中止反應。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 再轉入砂芯漏斗中，同時打開循環水真空泵進行抽濾，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（質量為m克）。根據前后的樣品質量差計算吸水率（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。

當酶配比（α-淀粉酶與糖化酶質量比）為4∶1，pH為4.5，溫度為45 ℃，反應時間為12 h時改變酶用量分別為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，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。吸油率也是這個變化趨勢，同樣在其他條件不變，酶用量為2%時，多孔玉米淀粉的吸油性最佳。這是因為當酶濃度很低時，會有部分底物沒能夠與酶相結合，這時加大酶用量，同一時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，當所有底物都與酶結合后，再增加酶用量對酶解速度的影響就不大了，此時更多的淀粉顆粒結構就會被破壞，形成更小的顆粒或是葡萄糖，這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。

當酶配比為4∶1，酶用量為2%，溫度為45 ℃，反應時間為12 h時，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，處理結果見圖2。

從圖2可以看出，pH從4.0增加到4.5時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，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時其數值是增加的，之后才減小。在其他條件不變，pH為6.0時，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，因此復合酶的最適pH 應出現在3.6～6.8。對比之下，試驗中多孔玉米淀粉的最佳吸水吸油所對應的pH都在合理范圍之內。

2.1.3 反應時間對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

當酶配比為4∶1，pH為4.5，溫度為45 ℃，酶用量為2%時，改變反應時間分別為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時間先增加后減小。反應時間為24 h時，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。反應時間為24 h時，吸油性最佳。這是因為，糖化酶從非還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構，如β-葡萄糖等。而α-淀粉酶會從淀粉分子內部任意的地方切開α-1，4-糖苷鍵，是內切型的，所以2種淀粉酶之間不僅有相互促進關系，而且有先后順序作用的原因。2種淀粉酶復合在一起水解玉米淀粉時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。但隨著復合酶水解作用的進一步加強，表面具有很多良好小孔的淀粉顆粒的空間結構就會崩潰，被進一步分解成更小的顆粒結構，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 反應溫度對多孔玉米淀粉吸水吸油率的影響。

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

試驗發現，當反應溫度增加到60 ℃或65 ℃時沒有數據，這是因為在高溫下α-淀粉酶和糖化酶都已經失活了，淀粉也已經糊化了，難以抽濾。從圖4可以看出，反應溫度從40 ℃增加到50 ℃時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，反應溫度為50 ℃時，多孔玉米淀粉的吸水性最佳。對于吸油率，從40 ℃增加到45 ℃時其數值都是增加的，之后才減小。在其他條件不變，反應溫度為45 ℃時，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。

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

從圖5可以看出，當α-淀粉酶和糖化酶的配比從1增加到3時，多孔淀粉的吸水率一直在增加，并在酶配比為3時達到最大值，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種淀粉酶的協同作用有關，其中α-淀粉酶發揮作用后能為糖化酶提供反應底物，而糖化酶則會對α-淀粉酶水解產物進一步再水解，從而減小α-淀粉酶水解產物對其自身活性的抑制作用。

2.2 多孔淀粉的正交試驗結果

在以上單因素試驗所得結果基礎上，確定了酶用量、時間、pH、溫度4個指標對多孔淀粉吸附性的影響最大，采用4因素3水平，依L9（34）設計了正交試驗（表1）。

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

2.3 不同反應時間處理后多孔淀粉的電鏡掃描結果

利用掃描電鏡對經過不同反應時間處理后的多孔淀粉進行掃描，結果如圖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，表面會漸漸變得粗糙，有部分顆粒開始分離，其中一兩個淀粉顆粒表面無定型區域會被分解成一些很小的較淺的孔，隨著時間的推移，到12 h時所有淀粉顆粒已完全分開，且有小孔的淀粉顆粒數量開始變多，時間再一點點增加，淀粉顆粒表面的小孔會變得越來越大和越來越深，而且幾乎所有的淀粉顆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崩解和蝕刻的現象，淀粉顆粒的空間結構遭到破壞。

3 結論

（1）當酶用量為2%時，多孔玉米淀粉的吸水性和吸油性最佳。

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

（3）當反應時間為24 h時，多孔玉米淀粉的吸水性和吸油性最佳。

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

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

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

（7）酶解處理后，玉米淀粉表面產生了孔洞，時間越長，孔洞越密，但時間過長，淀粉顆粒表面開始出現崩解和蝕刻的現象，內部空間結構遭到了破壞。

參考文獻

[1] 陶利，渠廣民，李兆明，等.多孔淀粉在食品藥品中的應用進展[J].食品與藥品，2018，20（6）：480-483.

[2] 李顯，范小平，蔣卓，等.多孔淀粉的成孔技術及應用研究進展[J].食品工業科技，2016，37（12）：354-360.

[3] 陸冬梅.木薯淀粉水解率與微孔形成的關聯性研究[J].化學工程與裝備，2018（12）：10-12，23.

[4] 劉成程，邊六交，陳超.酸酶序解法制備高吸水性玉米多孔淀粉的研究[J].化學與生物工程，2010，27（2）：57-61.

[5] 張國權，張蘭月，羅勤貴，等.雙酶法制備小麥微孔淀粉的工藝條件優化[J].食品研究與開發，2013，34（12）：1-5，9.

[6] 吳磊，張二娟，張淑芬，等.氧化玉米多孔淀粉的制備及其性質研究[J].河南化工，2019，36（12）：22-27.

[7] 吳季勤，張澤英，嚴奉偉.大米多孔淀粉的制備及其吸附性能研究[J].安徽農業科學，2013，41（10）：4626-4628.

[8] 馬可，李貝珍，郭鳳麗，等.玉米多孔淀粉的制備及其吸附性能研究[J].農產品加工（學刊），2012（6）：56-59.

[9] 張立.改性玉米多孔淀粉的制備及其吸附性能的研究[D].廣州：華南理工大學，2017.

[10] 于源海.多孔納米材料制備及其吸附性能研究[D].青島：青島大學，2019.

[11] 董芝宏.酶水解方式對多孔淀粉結構、性質的影響及其應用研究[D].廣州：華南理工大學，2019.

[12] 張歡歡，郅琦.雙酶法制備板栗微孔淀粉的工藝研究[J].食品工業，2017，38（2）：81-84.

[13] 阮楊峰，周裔彬，宋岑，等.酶量和酶解時間對玉米多孔淀粉制備效果的影響[J].農產品加工（學刊），2012（6）：19-22.