酶法、酸法制备碎米多孔淀粉工艺研究及其比较

李 莹，王泽南*，邓 伟，姜 雨，刘 鹏，张秋子，吴红引

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽 合肥 230009)

酶法、酸法制备碎米多孔淀粉工艺研究及其比较

李 莹，王泽南*，邓 伟，姜 雨，刘 鹏，张秋子，吴红引

(合肥工业大学生物与食品工程学院，安徽 合肥 230009)

以碎米为原料，分别采用酶法、酸法制备多孔淀粉，通过单因素和正交试验，得到两种方法制备碎米多孔淀粉的最佳工艺条件，酶法制备碎米多孔淀粉最佳工艺条件为液料比4:1(mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解温度60℃、酶解时间7h；酸法制备碎米多孔淀粉最佳工艺条件为液料比4:1(mL/g)、盐酸浓度0.4mol/L、酸解温度35℃、酸解时间6h。经比较酶法比酸法制得的多孔淀粉吸油率高13.3%。运用扫描电子显微镜对多孔淀粉的颗粒形态进行比较，结果表明酶法比酸法制得的多孔淀粉出孔率高、孔径大、孔穴深。

多孔淀粉；碎米；酶解；酸解；吸油率

碎米为大米加工过程中的副产品，其主要成分与整米大体相同，含有7 5%左右的淀粉[1]。多孔淀粉(microporous starch)又称微孔淀粉，是由天然淀粉经酶或酸处理后形成的一种具有蜂窝状小孔的多孔性淀粉。其表面所具有的多个向中心延伸的微孔，使淀粉材料具有特殊的吸附性能[2]。多孔淀粉的研究主要集中在日本、美国，涉及研究内容为多孔淀粉制备、应用及改性等，在我国生产与应用尚处于起步阶段[3]。目前，多孔淀粉的生产多以玉米淀粉、木薯淀粉为主，以碎米为原料的研究报道较少。本实验对酶解、酸解两种不同方法制备碎米多孔淀粉的加工工艺进行研究，并通过扫描电子显微镜观察多孔淀粉的颗粒形态，从而获取最佳的加工方法和工艺条件，为碎米资源综合利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金龙鱼大豆油；杂交稻碎米 芜湖市东源新农村开发股份有限公司；中性蛋白酶(酶活力20万U/g)、α-淀粉酶(酶活力4600U/g) 北京奥博星生物技术有限责任公司；盐酸、乙酸、无水乙酸钠、氢氧化钠、碳酸钠(均为分析纯)。

1.2 仪器与设备

PHS-25B型数字酸度计 上海大谱仪器有限公司；CT15RT型冷冻离心机 上海天美科学仪器有限公司；JSM-6700F扫描电子显微镜 日本电子公司。

1.3 方法

1.3.1 碎米多孔淀粉生产工艺流程

碎米→碎米淀粉→过筛→酶(酸)解→水浴加热→终止反应→离心→洗涤→烘干→粉碎→多孔淀粉

1.3.2 操作要点

碎米淀粉的制备：将碎米粉碎，过8 0目筛，以液料比4:1(mL/g)、加酶量800U/g、pH7.0于50℃反应5h，加入1mol/L的NaOH溶液终止反应，反应液以5000r/ min离心10min，去除上层黑黄色杂质及上清液，重复3遍，直至无暗色上层，沉淀于45℃烘干即得碎米淀粉[4]，所制淀粉纯度为97.6%。

酶法制备多孔淀粉：称取25g碎米淀粉于锥形瓶中，加入HAc-NaAc缓冲液和α-淀粉酶，pH值调至中性，置于水浴锅中加热，反应一定时间后，加入1mol/L的NaOH溶液0.5mL终止反应，反应液以5000r/ min离心10min，沉淀用蒸馏水充分洗涤， 45℃烘干[5-7]。

酸法制备多孔淀粉：称取25g碎米淀粉于锥形瓶中，加入HCl溶液，置于水浴锅中加热，反应一定时间后，用饱和碳酸钠溶液中和HCl，反应液以5000r/min离心10min，沉淀用蒸馏水充分洗涤，45℃烘干[8-10]。1.3.3酶法制备多孔淀粉的优化

以吸油率作为多孔淀粉制备效果的评价指标，分别选取液料比、加酶量、p H值、酶解温度、酶解时间5个因素进行单因素试验，在此基础上进行正交试验，确定最佳工艺条件。每个实验重复3次，取平均值。初始实验条件为液料比4:1(mL/g)、加酶量13.8U/g、pH6.0、酶解温度50℃、酶解时间5h。后续实验依次将前因素的优化值代入。

1.3.4 酸法制备多孔淀粉的优化

以吸油率作为多孔淀粉制备效果的评价指标，分别选取液料比、盐酸浓度、酸解温度、酸解时间4个因素进行单因素试验，在此基础上进行正交试验，确定最佳工艺条件。每个试验重复3次，取平均值。初始实验条件为液料比4:1(mL/g)、盐酸浓度0.4mol/L、酸解温度40℃、酸解时间6h。后续实验依次将前因素的优化值代入。

1.3.5 检测方法

1.3.5.1 吸油率的测定

精确称取多孔淀粉1.000g，记为m1，恒温下与5mL的大豆油混合搅拌30min，置于已知质量m0的砂芯漏斗中抽滤，直至没有油滴滴下，准确称取吸附了油的多孔淀粉及砂芯漏斗质量，记为m2。根据砂芯漏斗前后质量差，计算吸油率。

1.3.5.2 多孔淀粉颗粒形态测定

采用扫描电子显微镜观测[11]。

将双面胶贴于扫描电子显微镜的载物台上，沾取少量干燥后的多孔淀粉样品在双面胶上涂抹均匀。将载物台放入镀金仪器中，用离子溅射镀膜仪将样品喷碳镀金，2h后将载物台取出放入扫描电镜中观察即可，电子枪加速电压5.0kV，不同放大倍数下观察淀粉的颗粒形态。

2 结果与分析

2.1 酶法制备多孔淀粉单因素及正交试验

2.1.1 液料比对吸油率的影响

图1 液料比对吸油率的影响Fig.1 Effect of liquid to solid ratio in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图1可知，吸油率呈先增后减趋势，当液料比为4:1时，吸油率最高。但是液料比对吸油率的影响并不显著，因此不将这一因素代入正交试验。

2.1.2 加酶量对吸油率的影响

图2 加酶量对吸油率的影响Fig.2 Effect of enzyme in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图2可知，吸油率呈先增后减趋势，当加酶量为18.4U/g时，吸油率最高，故选择18.4U/g为最佳，代入正交试验。

2.1.3 pH值对吸油率的影响

由图3可知，吸油率呈先增后减趋势，当pH值为6.5时，吸油率最高，因此，选择pH值6.5左右为最佳，代入正交试验。

图3 pH值对吸油率的影响Fig.3 Effect of pH in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

2.1.4 酶解时间对吸油率的影响

图4 酶解时间对吸油率的影响Fig.4 Effect of reaction time in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图4可知，吸油率呈先增后减趋势，当反应时间为6h时，吸油率最高，因此，选择6h左右为最佳，代入正交试验。

2.1.5 酶解温度对吸油率的影响

图5 酶解温度对吸油率的影响Fig.5 Effect of reaction temperature in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图5可知，吸油率呈先增后减趋势，当酶解温度为60℃的时候，吸油率最高，故选择60℃左右为最佳，代入正交试验。

2.1.6 正交试验

在单因素试验的基础上，选用L9(34)正交试验考察加酶量、p H值、酶解时间、酶解温度4个因素对吸油率的影响。酶法制备多孔淀粉正交试验设计及结果见表1。

表1 酶法制备多孔淀粉正交试验设计及结果Table1 Experimental design and results of orthogonal experiment for enzymatic hydrolysis

由表1极差分析可知，4个因素对吸油率影响的主次顺序为D(酶解温度)＞A(加酶量)＞B(pH值)＞C(酶解时间)；最佳组合为D2A3B3C2。而评价指标显示7号组D2A3B3C1的吸油率为71.4%。通过验证试验，测得D2A3B3C2的吸油率为75.8%，高于D2A3B3C1，故确定D2A3B3C2为最佳组合。综上，酶法制备碎米多孔淀粉最佳工艺条件为液料比4:1(mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解温度60℃、酶解时间7h。

2.2 酸法制备多孔淀粉单因素及正交试验结果

2.2.1 液料比对吸油率的影响

图6 液料比对吸油率的影响Fig.6 Effect of liquid to solid ratio in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图6可知，吸油率呈先增后减趋势，当液料比为4:1的时候吸油率达到最大。但是液料比对吸油率的影响并不显著，因此不将这一因素代入正交试验。

2.2.2 盐酸浓度对吸油率的影响

由图7可知，吸油率呈先增后减趋势，当盐酸浓度为0.4mol/L的时候，吸油率达到最高值，因此选取0.4mol/L左右为最佳，代入正交试验。

图7 盐酸浓度对吸油率的影响Fig.7 Effect of acid in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

2.2.3 酸解温度对吸油率的影响

图8 酸解温度对吸油率的影响Fig.8 Effect of reaction temperature in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图8可知，吸油率呈先增后减趋势，当酸解温度为的时候，吸油率达到最高值，因此可选择40℃左右为最佳，代入正交试验。

2.2.4 酸解时间对吸油率的影响

图9 酸解时间对吸油率的影响Fig.9 Effect of reaction time in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由图9可知，吸油率呈先增后减趋势，吸油率达到最高值，因此选择6h左右为最佳，代入正交试验。

2.2.5 正交试验

在单因素试验的基础上，选用L9(34)正交试验考察盐酸浓度、酸解时间、酸解温度3个因素对吸油率的影响。酸法制备多孔淀粉正交试验设计及结果见表2。

表2 酸法制备多孔淀粉正交试验设计及结果Table2 Experimental design and results of orthogonal experiment for acid hydrolysis

从表2极差分析可知，3个因素对吸油率影响的主次顺序为D(酸解时间)＞B(酸解温度)＞A(盐酸浓度)，最佳组合为A2B1C2D3。A2B1C2D3恰为评价指标中的最优组合4号组，其吸油率为62.5%，因此无需进行验证实验。综上，酸法制备碎米多孔淀粉的最佳工艺条件为液料比4:1、盐酸浓度0.4mol/L、酸解时间6h、酸解温度35℃。

2.3 扫描电子显微镜检测

图10 扫描电子显微镜照片Fig.10 SEM image of the microporous starch granule surface from enzymatic and acid hydrolysis

由图10可见，在放大倍数均为50000倍的条件下，原淀粉表面无孔，酶法、酸法制备的多孔淀粉均出现微孔结构；酶法和酸法制得的多孔淀粉均保持了原淀粉的颗粒形态；前者比后者出孔率高、微孔半径大且孔穴结构深。

3 结 论

3.1 酶法制备碎米多孔淀粉最佳工艺条件为液料比4:1 (mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解温度60℃、酶解时间7h，此条件下制备的多孔淀粉吸油率为75.8%。3.2酸法制备碎米多孔淀粉最佳工艺条件为液料比4:1 (mL/g)、盐酸浓度0.4mol/L、酸解温度35℃、酸解时间6h，此条件下制备的多孔淀粉吸油率为62.5%。酶法碎米多孔淀粉比酸法多孔淀粉的吸油率高。

3.3 扫描电子显微镜观测结果显示：酶法和酸法制得的多孔淀粉均保持了原淀粉的颗粒形态；前者比后者出孔率高、孔径大、孔穴深。

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Use of Enzymatic or Acid Hydrolysis for Preparation of Microporous Starch from Broken Rice

LI Ying，WANG Ze-nan*，DENG Wei，JIANG Yu，LIU Peng，ZHANG Qiu-zi，WU Hong-yin
(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Micorporous starch was prepared from broken rice by using enzymatic or acid hydrolysis. The optimum technological conditions were obtained by single factor test and the following orthogonal experiment. The optimum conditions for enzymatic hydrolysis method were as follows: liquid to solid ratio 4:1, enzyme dosage 23.0 U/g, pH 7.0, temperature 60 ℃, time 7 h. The optimum conditions for acid hydrolysis were as follows: liquid to solid ratio 4:1, the concentration of hydrochloric acid 4 mol/L, temperature 35 ℃, time 6 h. Granule surface of 2 microporous starch was studied by scanning electronic microscope and compared, and microporous starch produced by enzymatic hydrolysis had higher porosity, lager and deeper porous structure, than those from acid hydrolysis.

microporous starch；broken rice；enzymatic hydrolysis；acid hydrolysis；oil absorption ratio

TS236.9

A

1002-6630(2010)22-0064-05

2010-07-15

安徽省教育厅重点项目(Kj2010A276)

李莹(1985—)，女，硕士研究生，研究方向为生物资源综合利用。E-mail：vivian000ly@gmail.com

*通信作者：王泽南(1947—)，男，教授，本科，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail：wznan@ah163.com