多孔玉米淀粉制备工艺研究

陈 宁，吴奇可

(海南建科药业有限公司，海南 海口 571200)

多孔淀粉又叫微孔淀粉，淀粉颗粒表面有很多小孔，大多由人工方法制得[1]。《淀粉的化学与技术》提出多孔淀粉定义：轻度酶作用于淀粉非结晶区形成多孔结构载体，颗粒表面由生淀粉酶作用形成许多粒径约1 μm小孔，多孔洞占淀粉颗粒体积约50%。多孔淀粉是新型改性淀粉，特点主要表现在：在结构上与原生淀粉不同；多孔淀粉突破了原生淀粉局限，有与天然淀粉不同的性能[2]。

多孔玉米淀粉应用介绍：多孔淀粉应用主要利用其对目标物质吸附、缓释或保护作用等[3]。多孔玉米淀粉吸附性能应用于食品、医药卫生、农业、化妆品、洗涤剂、胶黏剂、造纸、印刷行业。

1 制备方法

1.1 超声波法

超声波法用超声波照射使淀粉质点获得很高加速度，产生机械运动，淀粉共价键断裂，大分子物质发生自由基氧化还原反应[4]。

1.2 喷雾法

美国普渡大学学者混合淀粉和黏结剂喷雾干燥，制得具有多孔结构的可吸附释放食物各组分的端聚物球体。

1.3 机械方法

日本东京理工大学小石纯真教授提出固定淀粉到金属板上，高速金属粒子冲击，在淀粉表面形成凹陷，多孔结构就这样形成。

1.4 醇变性

姚魏蓉等将乙醇加入已糊化的籼米淀粉，冷冻干燥，得到籼米多孔淀粉。

1.5 盐酸水解

胡飞用6% HCL处理玉米淀粉8 h，淀粉颗粒边缘发生崩裂，表层剥落，形成许多细微孔洞，但大部分颗粒崩解形成片状或者更小的圆球状，多孔结构不明显，致孔率较低。

1.6 硫酸水解

陆雪良等用硫酸制备酸变性微孔淀粉，用回归正交实验。研究多个因素对多孔淀粉性能影响，并得出最佳反应条件。

1.7 酶水解

酶水解是目前实用价值较高的方法，酶水解法用α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解生淀粉。与其他方法相比，这酶水解法制备多孔淀粉吸附性能好，适合工业化生产[5]，实验选择对酶水解法进行研究。玉米淀粉经复合酶处理，颗粒表面形成许多小孔，内部晶体结构受到破坏。生淀粉酶作用于淀粉颗粒表面不规则区域，直链淀粉分子与脂质形成的络合物，糖化酶无法接近，水解开始阶段，淀粉颗粒未吸水溶胀，淀粉酶无法作用。淀粉颗粒溶胀后，淀粉酶接近淀粉内部，内切作用将淀粉内部水解，水解淀粉脂质复合物，生成新非还原末端，利于糖化酶进一步作用，直链淀粉含量逐渐减少。水解后期直链淀粉含量下降变慢，因为复合酶酶解生成淀粉首先降解其无定形区或结晶少、密度少的敏感区，对结晶区难水解。两种酶的复合协同作用提高了水解速度，也为水解沿着更多点逐级向淀粉分子内部推进，生淀粉天然立体结构支持这种水解行为的连续性。淀粉粒和酶特性决定酶解程度，通常直链淀粉含量较低酶解较易[6]。

2 实 验

2.1 主要检测仪器

DK-98-II电热恒温水浴锅，常州澳华仪器有限公司；JJ-1精密增力电动搅拌器，常州澳华仪器有限公司；101-2AB电热鼓风干燥箱，型天津市泰斯特仪器有限公司；TDZ5-WS离心机，湖南湘仪实验室仪器开发有限公司；JA2003N电子分析天平，上海佑科仪器仪表有限公司；筛网，新乡市先锋振动机械有限公司；FE20Plus实验室pH计，深圳新广行检测技术有限公司。

2.2 材料和试剂

玉米淀粉，东莞市葡萄糖厂有限公司；α-淀粉酶，山东龙元生物工程有限公司；糖化酶，山东龙元生物工程有限公司；醋酸钠(分析纯)，广东光华科技股份有限公司；冰醋酸(分析纯)广东光华科技股份有限公司。

2.3 计算吸水率的公式

吸水率=[(W2+W1-W3)/W1]×100%[7]

2.4 实验方法

2.4.1 缓冲液的制备

醋酸-醋酸钠缓冲液(pH 4.5)，取一干净50 mL烧杯，在电子天平校准后放上电子天平，去皮，加入醋酸钠4.5 g，用2.5 mL的量筒量取冰醋酸2.45 mL，将醋酸钠和冰醋酸加入500 mL容量瓶，再加水稀释至500 mL，振摇容量瓶一段时间，将pH计校准后测试缓冲液的pH值，调节溶液的pH值直到pH值到4.5。

2.4.2 酶液配制

用电子天平称取α-淀粉酶0.309 g，糖化酶1.327 g，加缓冲液100 mL，配成酶液(糖化酶为胶状液体所以在滴加时最后几滴需用胶头滴管缓慢滴加)。

2.4.3 酶反应

称取10 g玉米淀粉于三颈烧瓶中，加醋酸-醋酸钠缓冲液40 mL，酶液20 mL，打开水浴锅，在45 ℃左右用电动搅拌机缓慢搅拌，记下时间。第二天相同时间，关掉搅拌机和水浴锅。稍冷后，将溶液加入离心管中2 500 r/min离心5 min，将离心所得上清液装入棕色试剂瓶。将白色沉淀加水离心，离心后倒掉上清液，加纯化水后继续离心，重复离心的步骤，共离心6次。

2.4.4 干燥

将第六次离心所得的沉淀带液体倒入坩埚中，再放入60 ℃保温箱，4 h后取出，得3.203 g多孔玉米淀粉粗品，在玻璃棒的辅助下倒入塑料密封袋中备用。

2.4.5 吸水率测定

用电子天平称取制得的样品0.102 g(记为W1)于50 mL小烧杯中，加纯化水10.020 g(记为W2)，溶胀5 min，取一个干燥的蒸发皿测得蒸发皿重48.091 g，用30 μm筛网过滤溶胀好的淀粉水溶液，用蒸发皿收集滴下的水分，3 min内无水滴滴下，收集完毕，称得蒸发皿和水共重57.249 g(减去蒸发皿重量后记为W3)。计算吸水率=(W2+W1-W3)/W1×100%=[(10.020+0.102)-(57.249-48.091)]/0.102×100%=945.098%。再次用相同方法测吸水率得778.431%取两次平均值为861.765%(在收集水滴时，有时水不透过筛网，水滴无法落下，或者淀粉透过了筛网使实验所测得的结果偏低，这时应洗干净筛网烘干后再次实验。实验所得的吸水率在800%到 1 200%时为合格品)。

2.4.6 相同步骤重复实验

控制反应条件编号，将玉米淀粉、α-淀粉酶、反应温度分别编为A、B、C、D，并分为1，2，3组设置正交实验，选取不通实验条件测试吸水率，条件的选择以及结果如表1所示。

表1 反应条件Table 1 Reaction conditions

表2 正交试验结果与极差分析Table 2 Orthogonal test results and range analysis

续表2

2.4.7 不同因素对吸水率的影响的平均值如图1～图4所示。

图1 玉米淀粉投料量对吸水率影响Fig.1 Effect of corn starch feed amount on water absorption

图2 α-淀粉酶投料量对吸水率影响Fig.2 Effect of α -amylase feed amount on water absorption

图3 反应温度对吸水率影响Fig.3 Effect of reaction temperature on water absorption

图4 糖化酶投料量对吸水率影响Fig.4 Effect of saccharification enzyme feed amount on water absorption

3 结果与讨论

实验所用的α-淀粉酶为芽孢杆菌α-淀粉酶，其活性最强时pH为3.0而实验所用缓冲剂pH为4.5。糖化酶的最适温度为60～62 ℃而实验时所用的温度为50 ℃左右。这也就表明在制备多孔玉米淀粉的最佳条件不是酶活性最强的条件。

本实验所发生的反应类型为水解反应，淀粉属于多糖，其水解温度为110 ℃，而本实验加了酶之后，水解温度降到了50 ℃左右，因此，α-淀粉酶和糖化酶有显著降低反应所需活化能的作用。

实验中水解反应的时间不宜过长或过短，过长会使淀粉转变为葡萄糖过多，过短会使反应的部分过少。

淀粉本身具有吸水性，最高可达30%左右，而本次实验制得的多孔玉米淀粉吸水率在800%～1 200%之间，因此，多孔玉米淀粉的吸水率显著大于普通淀粉，多孔淀粉吸水率提高的根本原因是淀粉颗粒表面形成微孔使之与水的接触面积增大。

4 结 论

本次实验得出的多孔玉米淀粉的最佳水解条件是：玉米淀粉含量为33%、α-淀粉酶含量0.003%、反应温度50 ℃、糖化酶含量为0.004%。