李 瑩，王澤南*，鄧 偉，姜 雨，劉 鵬，張秋子，吳紅引

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

酶法、酸法制備碎米多孔淀粉工藝研究及其比較

李 瑩，王澤南*，鄧 偉，姜 雨，劉 鵬，張秋子，吳紅引

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

以碎米為原料，分別采用酶法、酸法制備多孔淀粉，通過單因素和正交試驗(yàn)，得到兩種方法制備碎米多孔淀粉的最佳工藝條件，酶法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1(mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解溫度60℃、酶解時(shí)間7h；酸法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1(mL/g)、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解溫度35℃、酸解時(shí)間6h。經(jīng)比較酶法比酸法制得的多孔淀粉吸油率高13.3%。運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)多孔淀粉的顆粒形態(tài)進(jìn)行比較，結(jié)果表明酶法比酸法制得的多孔淀粉出孔率高、孔徑大、孔穴深。

多孔淀粉；碎米；酶解；酸解；吸油率

碎米為大米加工過程中的副產(chǎn)品，其主要成分與整米大體相同，含有7 5%左右的淀粉[1]。多孔淀粉(microporous starch)又稱微孔淀粉，是由天然淀粉經(jīng)酶或酸處理后形成的一種具有蜂窩狀小孔的多孔性淀粉。其表面所具有的多個(gè)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、美國，涉及研究?jī)?nèi)容為多孔淀粉制備、應(yīng)用及改性等，在我國生產(chǎn)與應(yīng)用尚處于起步階段[3]。目前，多孔淀粉的生產(chǎn)多以玉米淀粉、木薯淀粉為主，以碎米為原料的研究報(bào)道較少。本實(shí)驗(yàn)對(duì)酶解、酸解兩種不同方法制備碎米多孔淀粉的加工工藝進(jìn)行研究，并通過掃描電子顯微鏡觀察多孔淀粉的顆粒形態(tài)，從而獲取最佳的加工方法和工藝條件，為碎米資源綜合利用提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚大豆油；雜交稻碎米 蕪湖市東源新農(nóng)村開發(fā)股份有限公司；中性蛋白酶(酶活力20萬U/g)、α-淀粉酶(酶活力4600U/g) 北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；鹽酸、乙酸、無水乙酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉(均為分析純)。

1.2 儀器與設(shè)備

PHS-25B型數(shù)字酸度計(jì) 上海大譜儀器有限公司；CT15RT型冷凍離心機(jī) 上海天美科學(xué)儀器有限公司；JSM-6700F掃描電子顯微鏡 日本電子公司。

1.3 方法

1.3.1 碎米多孔淀粉生產(chǎn)工藝流程

碎米→碎米淀粉→過篩→酶(酸)解→水浴加熱→終止反應(yīng)→離心→洗滌→烘干→粉碎→多孔淀粉

1.3.2 操作要點(diǎn)

碎米淀粉的制備：將碎米粉碎，過8 0目篩，以液料比4:1(mL/g)、加酶量800U/g、pH7.0于50℃反應(yīng)5h，加入1mol/L的NaOH溶液終止反應(yīng)，反應(yīng)液以5000r/ min離心10min，去除上層黑黃色雜質(zhì)及上清液，重復(fù)3遍，直至無暗色上層，沉淀于45℃烘干即得碎米淀粉[4]，所制淀粉純度為97.6%。

酶法制備多孔淀粉：稱取25g碎米淀粉于錐形瓶中，加入HAc-NaAc緩沖液和α-淀粉酶，pH值調(diào)至中性，置于水浴鍋中加熱，反應(yīng)一定時(shí)間后，加入1mol/L的NaOH溶液0.5mL終止反應(yīng)，反應(yīng)液以5000r/ min離心10min，沉淀用蒸餾水充分洗滌， 45℃烘干[5-7]。

酸法制備多孔淀粉：稱取25g碎米淀粉于錐形瓶中，加入HCl溶液，置于水浴鍋中加熱，反應(yīng)一定時(shí)間后，用飽和碳酸鈉溶液中和HCl，反應(yīng)液以5000r/min離心10min，沉淀用蒸餾水充分洗滌，45℃烘干[8-10]。1.3.3酶法制備多孔淀粉的優(yōu)化

以吸油率作為多孔淀粉制備效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別選取液料比、加酶量、p H值、酶解溫度、酶解時(shí)間5個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定最佳工藝條件。每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。初始實(shí)驗(yàn)條件為液料比4:1(mL/g)、加酶量13.8U/g、pH6.0、酶解溫度50℃、酶解時(shí)間5h。后續(xù)實(shí)驗(yàn)依次將前因素的優(yōu)化值代入。

1.3.4 酸法制備多孔淀粉的優(yōu)化

以吸油率作為多孔淀粉制備效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別選取液料比、鹽酸濃度、酸解溫度、酸解時(shí)間4個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定最佳工藝條件。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。初始實(shí)驗(yàn)條件為液料比4:1(mL/g)、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解溫度40℃、酸解時(shí)間6h。后續(xù)實(shí)驗(yàn)依次將前因素的優(yōu)化值代入。

1.3.5 檢測(cè)方法

1.3.5.1 吸油率的測(cè)定

精確稱取多孔淀粉1.000g，記為m1，恒溫下與5mL的大豆油混合攪拌30min，置于已知質(zhì)量m0的砂芯漏斗中抽濾，直至沒有油滴滴下，準(zhǔn)確稱取吸附了油的多孔淀粉及砂芯漏斗質(zhì)量，記為m2。根據(jù)砂芯漏斗前后質(zhì)量差，計(jì)算吸油率。

1.3.5.2 多孔淀粉顆粒形態(tài)測(cè)定

采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)[11]。

將雙面膠貼于掃描電子顯微鏡的載物臺(tái)上，沾取少量干燥后的多孔淀粉樣品在雙面膠上涂抹均勻。將載物臺(tái)放入鍍金儀器中，用離子濺射鍍膜儀將樣品噴碳鍍金，2h后將載物臺(tái)取出放入掃描電鏡中觀察即可，電子槍加速電壓5.0kV，不同放大倍數(shù)下觀察淀粉的顆粒形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶法制備多孔淀粉單因素及正交試驗(yàn)

2.1.1 液料比對(duì)吸油率的影響

圖1 液料比對(duì)吸油率的影響Fig.1 Effect of liquid to solid ratio in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖1可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)液料比為4:1時(shí)，吸油率最高。但是液料比對(duì)吸油率的影響并不顯著，因此不將這一因素代入正交試驗(yàn)。

2.1.2 加酶量對(duì)吸油率的影響

圖2 加酶量對(duì)吸油率的影響Fig.2 Effect of enzyme in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖2可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)加酶量為18.4U/g時(shí)，吸油率最高，故選擇18.4U/g為最佳，代入正交試驗(yàn)。

2.1.3 pH值對(duì)吸油率的影響

由圖3可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)pH值為6.5時(shí)，吸油率最高，因此，選擇pH值6.5左右為最佳，代入正交試驗(yàn)。

圖3 pH值對(duì)吸油率的影響Fig.3 Effect of pH in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

2.1.4 酶解時(shí)間對(duì)吸油率的影響

圖4 酶解時(shí)間對(duì)吸油率的影響Fig.4 Effect of reaction time in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖4可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為6h時(shí)，吸油率最高，因此，選擇6h左右為最佳，代入正交試驗(yàn)。

2.1.5 酶解溫度對(duì)吸油率的影響

圖5 酶解溫度對(duì)吸油率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖5可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)酶解溫度為60℃的時(shí)候，吸油率最高，故選擇60℃左右為最佳，代入正交試驗(yàn)。

2.1.6 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用L9(34)正交試驗(yàn)考察加酶量、p H值、酶解時(shí)間、酶解溫度4個(gè)因素對(duì)吸油率的影響。酶法制備多孔淀粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

表1 酶法制備多孔淀粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table1 Experimental design and results of orthogonal experiment for enzymatic hydrolysis

由表1極差分析可知，4個(gè)因素對(duì)吸油率影響的主次順序?yàn)镈(酶解溫度)＞A(加酶量)＞B(pH值)＞C(酶解時(shí)間)；最佳組合為D2A3B3C2。而評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示7號(hào)組D2A3B3C1的吸油率為71.4%。通過驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)得D2A3B3C2的吸油率為75.8%，高于D2A3B3C1，故確定D2A3B3C2為最佳組合。綜上，酶法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1(mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解溫度60℃、酶解時(shí)間7h。

2.2 酸法制備多孔淀粉單因素及正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 液料比對(duì)吸油率的影響

圖6 液料比對(duì)吸油率的影響Fig.6 Effect of liquid to solid ratio in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖6可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)液料比為4:1的時(shí)候吸油率達(dá)到最大。但是液料比對(duì)吸油率的影響并不顯著，因此不將這一因素代入正交試驗(yàn)。

2.2.2 鹽酸濃度對(duì)吸油率的影響

由圖7可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)鹽酸濃度為0.4mol/L的時(shí)候，吸油率達(dá)到最高值，因此選取0.4mol/L左右為最佳，代入正交試驗(yàn)。

圖7 鹽酸濃度對(duì)吸油率的影響Fig.7 Effect of acid in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

2.2.3 酸解溫度對(duì)吸油率的影響

圖8 酸解溫度對(duì)吸油率的影響Fig.8 Effect of reaction temperature in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖8可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，當(dāng)酸解溫度為的時(shí)候，吸油率達(dá)到最高值，因此可選擇40℃左右為最佳，代入正交試驗(yàn)。

2.2.4 酸解時(shí)間對(duì)吸油率的影響

圖9 酸解時(shí)間對(duì)吸油率的影響Fig.9 Effect of reaction time in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖9可知，吸油率呈先增后減趨勢(shì)，吸油率達(dá)到最高值，因此選擇6h左右為最佳，代入正交試驗(yàn)。

2.2.5 正交試驗(yàn)

在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用L9(34)正交試驗(yàn)考察鹽酸濃度、酸解時(shí)間、酸解溫度3個(gè)因素對(duì)吸油率的影響。酸法制備多孔淀粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表2 酸法制備多孔淀粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table2 Experimental design and results of orthogonal experiment for acid hydrolysis

從表2極差分析可知，3個(gè)因素對(duì)吸油率影響的主次順序?yàn)镈(酸解時(shí)間)＞B(酸解溫度)＞A(鹽酸濃度)，最佳組合為A2B1C2D3。A2B1C2D3恰為評(píng)價(jià)指標(biāo)中的最優(yōu)組合4號(hào)組，其吸油率為62.5%，因此無需進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。綜上，酸法制備碎米多孔淀粉的最佳工藝條件為液料比4:1、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解時(shí)間6h、酸解溫度35℃。

2.3 掃描電子顯微鏡檢測(cè)

圖10 掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM image of the microporous starch granule surface from enzymatic and acid hydrolysis

由圖10可見，在放大倍數(shù)均為50000倍的條件下，原淀粉表面無孔，酶法、酸法制備的多孔淀粉均出現(xiàn)微孔結(jié)構(gòu)；酶法和酸法制得的多孔淀粉均保持了原淀粉的顆粒形態(tài)；前者比后者出孔率高、微孔半徑大且孔穴結(jié)構(gòu)深。

3 結(jié) 論

3.1 酶法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1 (mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解溫度60℃、酶解時(shí)間7h，此條件下制備的多孔淀粉吸油率為75.8%。3.2酸法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1 (mL/g)、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解溫度35℃、酸解時(shí)間6h，此條件下制備的多孔淀粉吸油率為62.5%。酶法碎米多孔淀粉比酸法多孔淀粉的吸油率高。

3.3 掃描電子顯微鏡觀測(cè)結(jié)果顯示：酶法和酸法制得的多孔淀粉均保持了原淀粉的顆粒形態(tài)；前者比后者出孔率高、孔徑大、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

安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(Kj2010A276)

李瑩(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔Y源綜合利用。E-mail：vivian000ly@gmail.com

*通信作者：王澤南(1947—)，男，教授，本科，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：wznan@ah163.com