复配酶作用下多孔玉米淀粉的制备及性能研究

DOI：10.16601/j.cnki.issn2096-7330.2025.01.009" " "文章编号：2096-7330（2025）01-0079-07

摘 要：通过α-淀粉酶和糖化酶复配作用制备多孔玉米淀粉，并对其结构和性能进行研究，探究不同酶配比和酶处理时间对多孔玉米淀粉结构和性能的影响。研究结果表明，酶改性后的玉米淀粉，其松散密度和振实密度比原淀粉小，松散密度为（0.292±0.013）g/mL，振实密度为（0.463±0.012）g/mL，这表明形成了多孔结构。利用偏光显微镜分析发现，酶改性后的淀粉颗粒和晶体结构被破坏，十字消光现象减弱。利用扫描电子显微镜（SEM）分析发现，酶改性后的淀粉颗粒表面存在大小不一的微孔。多孔玉米淀粉起始糊化温度和熔融峰温度提高，而熔融焓降低，有序程度和双螺旋结构减少。实验结果显示：当反应时间为8 h，酶配比为1∶3时，制备的多孔淀粉吸油率最高，比原淀粉提高了318.00 %；当反应时间为12 h，酶配比为1∶4时，制备的多孔淀粉吸水率最高，比原淀粉提高了202.95 %。研究发现，反应时间12 h，酶配比1∶4时制备的多孔淀粉各项性能较好。

关键词：玉米淀粉；α-淀粉酶；糖化酶；吸附性能；热行为

中图分类号：TS235" " " nbsp; " " " " " "文献标识码：A

0" " 引言

玉米淀粉是一种天然高分子材料，含有大量羟基，因此具有高度亲水性。这些羟基会产生大量的分子间和分子内氢键，从而影响淀粉的性质，如在室温和冷水中的溶解度较低等。由于天然淀粉具有致密的颗粒、较小的表面积和孔隙体积，这些特征都严重影响了淀粉在工业中的应用［1］。通过改变淀粉颗粒的形态结构和淀粉分子结构，可以改变淀粉的天然特性，使其性能得到提升，从而拓宽其应用领域。多孔淀粉是一种新型的变性淀粉，是利用酶在低于糊化温度条件下作用于原淀粉而形成的多孔性蜂窝状产物。多孔淀粉的颗粒表面分布着许多微孔，且微孔由表面向中心深入，孔的容积占颗粒体积的50%左右。这种结构使得多孔淀粉具有较大的孔隙度和比表面积，从而赋予其较强的吸附性和良好的加工性能［2］。制备多孔淀粉的方法有物理法、化学法、微生物酶法和复合法等，其中酶法具有环境安全、能源成本低和产量高等优点［3］。淀粉水解酶主要有α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和异淀粉酶等［4］，当α-淀粉酶和糖化酶复合水解淀粉时，其水解效果要优于单一酶［5］。

多孔淀粉材料不仅安全性高、可生物降解、生物相容性好，而且吸附性能也十分显著，在食品、药物、农业和化工等领域的应用非常广泛［6］。多孔淀粉主要用于研究其对目标物质的吸附、缓释和保护效果［7-8］。目前，制备多孔淀粉最常用的方法是酶水解法，此法也存在一些不可避免的缺点。例如，淀粉颗粒密度会阻止有效的酶催化，因此需要增加酶用量和延长反应时间才能达到合理的反应速率［9］，且使用复合酶对淀粉进行水解时，不同的反应时间和酶配比也会影响多孔淀粉的结构和性能，从而导致成本提高和能源被大量消耗。因此，复合酶作用下淀粉的结构与性能变化规律以及多孔结构形成机理需要进一步研究。本文以玉米淀粉为原料，采用复合酶制备多孔玉米淀粉，研究其颗粒形貌、晶体结构和分子结构等的变化规律，分析其热行为、冷水溶解性、吸油和吸水能力，揭示多孔玉米淀粉结构与性能的关系，为多孔淀粉形成机理的完善和应用提供理论基础。

1" " 实验部分

1.1" "实验原料与试剂

玉米淀粉（食品级），辽宁益海嘉里淀粉科技有限公司；α-淀粉酶（生物试剂，酶活力3.8×104 U/g），上海易恩化学技术有限公司；糖化酶（生物试剂，酶活力1.0×105 U/g），上海源叶生物科技有限公司；柠檬酸（分析纯），萍乡市白狮化学试剂有限责任公司；磷酸氢二钠（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；氢氧化钠（分析纯），天津市鼎盛鑫化工有限公司；食用植物调和油（食品级），广东粤泰食品科技有限公司。

1.2" "实验仪器设备

电子天平（SQP），赛多利斯科学仪器有限公司；偏光显微镜（59XC-PC），上海光学仪器一厂；真空干燥箱（DZF-6050），上海齐欣科学仪器有限公司；差示扫描量热仪（Q20），美国TA公司；扫描电子显微镜（MIRA），捷克TESCAN公司；红外光谱仪（iS10），美国Thermo Fisher公司。

1.3" "试样的制备

在250 mL三口烧瓶中加入20.0 g玉米淀粉，边搅拌边加入磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液至pH为5.0，将烧瓶置于50 ℃的恒温水浴锅中预热5 min后，加入0.2 g糖化酶和α-淀粉酶组成的混合酶，多孔玉米淀粉配方如表1所示。搅拌反应一定时间后，加入1 mol/L氢氧化钠溶液，离心，用去离子水洗去沉淀于上层的酶后再进行抽滤和水洗，使其在恒温烘箱中干燥，粉碎后过200目（74 μm）筛，将得到的多孔玉米淀粉分别装入密封袋中密封并做好标记，置于干燥器中恒温保存备用。

1.4" "测试与表征

1.4.1" 松散密度和振实密度

精确称取1.0 g样品置于10 mL量筒中，记录其松散体积为Vp，然后在表面平整的桌面用手轻敲震荡量筒60 s，至总体积不再改变时记录振实体积为Vt。

式中：ρp和ρt分别为松散密度和振实密度，g/mL；m为淀粉质量，g；Vp和Vt分别为松散体积和振实体积，mL。

1.4.2" 偏光分析

精确称取50 mg样品，加入去离子水至2 g，用移液枪取1～2滴置于载玻片上，再用盖玻片压上，采用偏光显微镜观察原淀粉试样和多孔玉米淀粉试样，调节显微镜放大倍数为400倍观察图片。

1.4.3" 差式扫描量热（DSC）分析

称取3.0 mg待测样品置于固体坩埚中，以质量比为1∶3的比例加入9.0 mg左右的去离子水密封保存，恒温恒湿12 h，在氮气保护下（50 mL/min）以10 ℃/min的升温速率从20 ℃升至110 ℃，记录熔融焓和熔融温度。

1.4.4" 吸油和吸水能力

精确称取1.0 g待测试样，记为m，置于离心管中，再加入10 g食用植物调和油（水），常温条件下手动搅拌20 min。另外，将滤纸用食用植物调和油（水）浸润后进行抽滤，直至没有油（水）滴下，对滤纸进行称重，记为m1。将与食用植物调和油（水）搅拌均匀的样品一起经过上述滤纸抽滤，直至没有油（水）滴下，对滤纸和试样进行称重，记为m2。计算样品的吸油（水）率：

1.4.5" 冷水溶解性

精确称取0.2 g样品，记为m，置于离心管中，加入10 g去离子水搅拌30 min后，3 000 r/min离心10 min，将上清液缓慢倒入已知质量为m3的培养皿中，于105 ℃恒温干燥箱中烘干6 h直至恒重，称取培养皿与沉淀物的总质量，记为m4，计算样品在冷水中的水溶性指数：

1.4.6" "扫描电子显微镜（SEM）分析

将样品在40 ℃真空干燥箱内干燥 4 h 后喷金，用SEM拍摄样品形貌，电压为5.0 kV。

1.4.7" "红外光谱分析

将淀粉与KBr混匀研磨后压片，采用透射模式进行傅里叶红外光谱测试，扫描波数范围为400～4 000 cm -1，扫描分辨率为2 cm -1。

2" " 结果与讨论

2.1" "松散密度和振实密度

通过淀粉堆积密度可以判断淀粉形成的多孔结构情况［10］，堆积密度包括松散密度和振实密度。松散密度是指淀粉颗粒在不受外力作用时，自然堆积在单位体积内的质量，反映了淀粉颗粒在松散状态下的填充能力。振实密度是指淀粉颗粒在受到一定频率和幅度的振动后，紧密堆积在单位体积内的质量，反映了淀粉颗粒在振动作用下的填充能力和紧密程度。淀粉颗粒越大、越规则，表面越光滑，颗粒之间的摩擦力就会越小，使得颗粒更容易堆积在一起，其堆积密度就越高。

多孔玉米淀粉的松散密度和振实密度如图1所示。原淀粉经过α-淀粉酶和糖化酶的共同作用，酶解后所得样品的松散密度和振实密度存在显著性差异，这说明酶解后样品的颗粒大小和堆积状态发生了改变。其中酶配比为1∶4，酶解时间为12 h所制备的多孔淀粉，其松散密度和振实密度下降程度最大，分别为（0.292±0.013）g/mL和（0.463±0.012）g/mL，表明淀粉颗粒形成的孔洞结构更多，淀粉表面粗糙。由于α-淀粉酶是内切酶，形成的孔洞小而深，易形成中空结构，而糖化酶在此基础上继续酶解，在表面形成小孔，故α-淀粉酶含量多时，形成的中空结构较多，松散密度较小，而糖化酶含量多时，形成的孔洞数量增加，振实密度更小。

2.2" "偏光分析

在偏光条件下，淀粉颗粒会显示出独特的双折射现象，形成所谓的偏光十字图案。这一图案是淀粉颗粒在偏光条件下的典型特征，其形成与淀粉分子的结构特性密切相关。当淀粉颗粒表面较为光滑时，偏光十字图案往往较为清晰、明亮；而当淀粉颗粒经酶处理后在内部形成孔洞且表面变得粗糙时，偏光十字图案的清晰度可能会受到影响，变得模糊或暗淡。这是因为孔洞形成时会破坏颗粒内部的结晶结构，而表面粗糙度的增加会改变光线在颗粒表面的散射和折射行为，这些都会影响偏光十字的形成。

不同酶配比和反应时间下多孔玉米淀粉的偏光情况如图2所示。

原淀粉在自然光条件下的颗粒形状为圆形和多边形，淀粉颗粒表面光滑且存在一些比较小的孔洞，这些孔洞有利于酶与淀粉发生水解反应。在经过酶改性得到的多孔玉米淀粉中，部分淀粉颗粒被破坏严重，表面粗糙、孔洞较多。经过酶处理后的淀粉颗粒偏光十字减弱或者消失，是因为在酶处理过程中，淀粉的球晶结构被破坏，甚至淀粉颗粒破碎。随着酶解时间的延长，多孔淀粉颗粒的孔径会因过度水解而变大，甚至发生淀粉颗粒破裂。在相同的酶解时间内，糖化酶的比重越大，十字消光现象越弱甚至消失，这可能是因为糖化酶可以在α-淀粉酶形成的中空结构上继续水解，使淀粉内部形成更多的空腔裂纹，且裂纹向外散发的路径与偏光十字出现的位置基本重合，进而使十字消光现象减弱甚至消失［11］。

2.3" "差式扫描量热（DSC）分析

酶作用前后玉米淀粉的DSC曲线如图3所示，DSC数据如表2所示。与原淀粉相比，经过酶处理后玉米淀粉的吸热过渡峰转移到更高温度，糊化温度范围变得更窄，熔融焓减小。玉米淀粉起始糊化温度和熔融峰温度的升高，表明酶水解处理提高了淀粉链的热稳定性；熔融焓比原淀粉低，表明复合酶在水解淀粉的同时破坏了有序和无定形结构，从而降低了淀粉的熔融焓。由表2可知，酶解时间为12 h的多孔淀粉，其熔融焓比酶解时间为8 h的多孔淀粉大，这可能是由于酶处理时间增加，形成更多的短支链侧链，使支链淀粉侧链之间的距离变小，从而容易聚集形成双螺旋结构。双螺旋结构增多就需要更多的能量来解旋，因此熔融焓会有所提高。α-淀粉酶优先作用于大部分直链淀粉所在的无定形区，导致支链淀粉的含量增加［12］；糖化酶对淀粉直链和淀粉支链都发生水解反应。因此，糖化酶含量高时，淀粉支链中的双螺旋结构被破坏得更严重，糊化时破坏双螺旋结构所需的能量也更少，因此熔融焓较低。

2.4" "吸油和吸水能力

原淀粉和多孔玉米淀粉的吸油、吸水能力如图4所示。原淀粉的吸油、吸水能力较差，吸油率和吸水率分别为8.28%和32.59%；通过复合酶法制备的多孔淀粉，其吸油率较原淀粉提高了289.86%～318.00%，吸水率提高了161.74%～202.95%。当酶配比为1∶4，反应时间为12 h时，多孔玉米淀粉的吸油率和吸水率分别达到32.94%和98.73%。在酶解过程中，玉米淀粉表面形成致密的孔隙，提高了其吸附能力［13］。由于2种淀粉酶的协同作用对多孔玉米淀粉吸附能力的影响较大，α-淀粉酶水解后产生的孔洞可以让糖化酶进一步水解，从而产生更多孔洞，因此糖化酶含量多时，可在淀粉颗粒表面形成更多空隙，使吸油率和吸水率提高［14］。

2.5" "冷水溶解性

原淀粉和多孔玉米淀粉的冷水溶解性如图5所示。原淀粉基本上不溶于冷水，水溶性指数为0 ，而经酶处理后所得多孔淀粉的水溶性指数可达13.97%。这是由于酶破坏了淀粉颗粒的结构，使水分子进出淀粉颗粒内部更容易，进而使溶解性提高。当酶配比相同时，随着酶解时间的延长，淀粉颗粒被过度水解，晶体结构坍塌，故多孔淀粉的溶解性提高；当反应时间相同，酶配比为1∶3时，淀粉颗粒被水解成中空结构的比例较高，与此同时，糖化酶的再作用可致淀粉颗粒出现中空裂纹并在表面出现较多小孔洞，甚至使淀粉颗粒破碎，因而酶配比为1∶3比酶配比为1∶4所制备的多孔淀粉在冷水中的溶解性高。

2.6" "扫描电子显微镜（SEM）分析

通过对比实验数据发现，酶配比为1∶4，反应时间为12 h所制备的多孔淀粉性能较好，达到预期效果。为进一步研究多孔淀粉的结构，对其进行SEM测试，如图6所示。大多数淀粉颗粒表面有很多直径大小不同且深浅不一的孔洞，且淀粉颗粒具有片层结构，这是因为淀粉颗粒是由结晶区和无定形区交替排列而成［15］。在酶解过程中，糖化酶从淀粉链非还原端开始水解，外切淀粉α-1，4-糖苷键和α-1，6-糖苷键，使淀粉颗粒表面产生大而浅的孔洞，为α-淀粉酶提供进入淀粉内部的通道。α-淀粉酶可以内切淀粉的α-1，4-糖苷键，产生的孔洞小而深，为糖化酶提供新的作用点，2种酶的复合作用使得淀粉颗粒表面形成更多孔洞。

2.7" "红外光谱分析

由DSC数据分析可知，延长反应时间对多孔淀粉热性能的影响较酶配比更大。为探究延长反应时间是否会影响多孔淀粉的结构，对酶配比为1∶4，不同反应时间的样品进行红外光谱测试，如图7所示。淀粉样品的红外光谱图相似，没有增加或减少峰，表明酶处理和延长反应时间并不会使淀粉的官能团发生改变。

对淀粉样品800～1 200 cm-1处的红外光谱经傅里叶自去卷积处理后，得到的红外光谱如图8所示，红外峰强度比值如表3所示。由图8可以得到淀粉在1 047 cm-1、1 022 cm-1和995 cm-1处的峰强度。1 047 cm-1/1 022 cm-1和995 cm-1/1 022 cm-1峰强度比值反映了淀粉的有序结构和双螺旋结构，其比值越大，有序度和双螺旋度越高［16-17］。由表3可知，酶解后淀粉的1 047 cm-1/1 022 cm-1和995 cm-1/1 022 cm-1峰强度比值均低于原淀粉，表明酶处理后淀粉的有序结构和双螺旋结构被破坏，这与DSC结果相一致。

3" "结论

通过堆积密度测试、偏光分析、SEM分析和红外光谱分析研究经酶处理后淀粉的结构，并利用DSC分析、冷水溶解性测试和吸油、吸水测试研究酶处理后淀粉的热性能、溶解性和吸油、吸水能力。结果表明，在酶作用下，淀粉的颗粒结构和晶体结构被破坏，形成微孔结构，酶改性后淀粉的松散密度和振实密度降低，热吸收峰升高、熔融焓降低。红外光谱分析表明，酶处理不会改变淀粉的化学结构，有序度和双螺旋度降低。酶配比为1∶4，反应时间为12 h制备的多孔淀粉，其各项性能较好且吸水率较原淀粉提高了202.95%。

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［责任编辑：许春慧］

收稿日期：2024-06-28

基金项目：广西自然科学基金项目“载荷作用下剑麻纤维增强丁苯热塑性弹性体复合材料的疲劳机理研究及应用”（2020GXNSFAA159113）

通信作者：刘钰馨，博士，南宁师范大学教授，电子邮箱为liuyuxin889@126.com。