周 昊，王成章*，葉建中，陳虹霞

(1.中國林業(yè)科學研究院 林產化學工業(yè)研究所；生物質化學利用國家工程實驗室；國家林業(yè)局 林產化學工程重點開放性實驗室；江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術研究所，北京 100091)

微孔淀粉(microporous starch)是一種新型的變性淀粉，它是將天然淀粉在低于淀粉糊化溫度下經過水解處理以后，在其顆粒表面形成蜂窩狀多孔性的淀粉顆粒,其表面小孔直徑1 μm 左右，孔的容積占顆粒體積的 50%左右。與天然淀粉相比，微孔淀粉具有較大的比表面積以及良好的吸水、吸油等吸附能力，且安全無毒，被用作微膠囊芯材、功能性物質( 如藥劑、色素、香料、保健物質等)的吸附載體和包埋劑等，廣泛應用于食品、醫(yī)藥、農藥和化妝品行業(yè)[1-2]。國內外已在玉米、馬鈴薯、小麥、大米淀粉制備微孔淀粉及其性能分析方面做了大量工作，而對白果微孔淀粉的研究還未見報道[3-7]。銀杏是我國重要的經濟林樹種，年產白果3萬噸，目前白果產品的加工還是處于初級加工水平，從而導致白果產品的附加值極低[8]。白果中淀粉含量極高，約含有60%～70%的淀粉，本研究以白果淀粉為原料開發(fā)高吸附性白果微孔淀粉，不僅可以提高白果產品的附加值，而且可以為白果淀粉的深加工提供技術參考[9]。

1 實 驗

1.1 儀器與材料

S-3400N型掃描電子顯微鏡：日本日立公司；Pyris-6型差示掃描量熱儀(DSC)：美國PE公司。白果淀粉：按參考文獻[10]的方法自制,吸水率為102%；葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶和普魯藍酶，購自上海新華酶制劑廠。

1.2 白果微孔淀粉的制備

稱取20 g白果淀粉，置于500 mL燒杯中，加入一定pH值的醋酸鈉緩沖液200 mL于一定溫度的水浴鍋中預熱20 min，同時攪拌。分別精確稱取一定量的酶，用醋酸鈉緩沖液配成一定濃度的酶液，按一定比例將酶液全部轉移到淀粉懸浮液中并準確計時，攪拌反應一定時間后，加入4%的氫氧化鈉5 mL終止反應。將懸浮液在3 000 r/min轉速下離心5 min， 沉淀物用蒸餾水洗滌、離心，將所得淀粉置于真空干燥箱中于40 ℃干燥至質量恒定，粉碎，即得白果微孔淀粉[11]。

1.3 制備白果微孔淀粉工藝參數(shù)的優(yōu)化

1.3.1 單因素考察 以白果微孔淀粉的吸水率為考察指標，分別考察酶種類、酶用量、pH值、酶解溫度、酶解時間等因素對酶解制備白果微孔淀粉的影響。

1.3.2 正交試驗 在單因素試驗基礎上，選擇酶用量、pH值、酶解溫度和酶解時間4個因素按照L9(34)進行正交試驗，以獲得酶解制備白果微孔淀粉的優(yōu)化工藝。

1.4 白果微孔淀粉吸水率的測定

精確稱取制備好的白果微孔淀粉3 g，置于離心管中，加入蒸餾水30 mL，搖勻后靜置30 min，在3 000 r/min下離心15 min，取出倒掉上清液后稱質量。根據(jù)前后的管質量差計算出吸水率。

1.5 掃描電鏡觀察白果微孔淀粉結構

將白果微孔淀粉樣品用導電雙面膠固定到金屬載物臺上，使用真空鍍膜儀噴鍍鈀金，然后在5 kV電子束條件下對樣品進行電鏡觀察[12]。

1.6 白果微孔淀粉的熱特性測定

稱取5 mg淀粉樣品于杜邦液體坩堝中，按質量比1 ∶2的比例加入去離子水，密封后隔夜放置平衡，進行掃描[13]。設置差示掃描量熱儀的參數(shù)為：30 ℃保持1 min,以10 ℃/min的速率升至120 ℃,到達120 ℃后，再持續(xù)1 min,利用儀器自帶軟件分析圖譜，得到淀粉的起始糊化溫度(T0)、峰值溫度(TP)、終了溫度(TC)和吸熱焓(ΔH)。

2 結果與討論

2.1 酶解制備白果微孔淀粉的單因素試驗

2.1.1 酶種類的選擇 選擇葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶和普魯藍酶3種酶，將酶解時間設為18 h，酶用量2%，溫度為40 ℃， pH值為5.5，考察不同酶種類對制備的微孔淀粉的吸附性能影響，結果見表1。由表1可以看出，α-淀粉酶酶解所得的白果微孔淀粉吸水率最高，其次是葡萄糖淀粉酶，而普魯藍酶對白果淀粉的水解作用不明顯。這是由于α-淀粉酶屬于內切酶，能從淀粉分子的內部水解α-1,4糖苷鍵，并能跨越α-1,6糖苷鍵，很容易使淀粉水解成多孔狀，使淀粉內部產生較大的洞。

2.1.2 酶用量的影響 選擇α-淀粉酶，將酶解時間設為18 h，溫度為40 ℃，pH值為5.5，考察酶用量對制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結果見表1。由表1可以看出隨著酶用量的增加,微孔淀粉的吸附性能也增強，當酶用量為2%時，白果微孔淀粉的吸水率最高，酶用量大于2%時，其吸水率呈下降趨勢。

表1 單因素試驗結果

2.1.3 pH值的影響 選擇α-淀粉酶，將酶解時間設為18 h，酶用量2%,溫度為40 ℃，考察不同pH值對制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結果見表1。由表1可以看出α-淀粉酶作用的最適pH值為5.5，說明在此pH值酶和底物結合效果最好，水解率較高。

2.1.4 酶解溫度的影響 選擇α-淀粉酶，將酶解時間設為18 h，酶用量2%， pH值為5.5，考察不同酶解溫度對制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結果見表1。由表1可以看出隨著酶解溫度的升高，微孔淀粉的吸水率也增強，當酶解溫度為40 ℃時，白果微孔淀粉的吸水率最高，溫度大于40 ℃時，其吸水率呈下降趨勢。原因在于低溫時酶反應速率較低, 隨著反應溫度的升高，酶的活性增強和淀粉顆粒吸水溶脹后易被酶作用使酶解速率加快, 當酶解溫度大于40 ℃時，淀粉易糊化, 并且酶易失活。所以酶解的最適反應溫度范圍為40 ℃。

2.1.5 酶解時間的影響 選擇α-淀粉酶，酶解溫度40 ℃, 酶用量2%，pH值為5.5，考察不同酶解時間對制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結果見表1。由表1可以看出隨著酶作用的時間延長,水解率增大，生成的玉米微孔淀粉的吸水率也增強，當酶解時間為18 h，微孔淀粉的吸水率最大，再增加酶解時間，生成的微孔淀粉的吸水率反而降低，這是因為淀粉過度水解而使微孔發(fā)生崩解，從而喪失吸附性能。因此，酶作用的時間以18 h為宜。

2.2 正交試驗

采用正交試驗L9(34)對酶法制備白果微孔淀粉的工藝條件進行優(yōu)化，試驗設計及結果分析見表2。方差分析見表3。

結果表明，4因素中酶用量和酶解時間對微孔淀粉吸水率的影響顯著，酶解溫度和pH值的影響不顯著，優(yōu)化組合為A2B2C3D2，在單因素試驗的基礎上,結合產品的吸水率和正交試驗極差分析,得出酶法制備白果微孔淀粉的最優(yōu)工藝條件為：酶用量2%，酶解時間18 h，pH值5.5，溫度40 ℃，吸水率由102%提高到162%，白果微孔淀粉得率為92.5%。

2.3 白果微孔淀粉的掃描電鏡觀察

采用掃描電子顯微鏡，觀察在上述最優(yōu)條件下酶解制備的白果微孔淀粉，結果見圖1。由圖可以看出，在α-淀粉酶的作用下,白果淀粉沿著徑向(由外向內)逐步向顆粒中心推進,同時小孔孔徑逐漸擴大。這是因為α-淀粉酶首先作用于淀粉的無定形區(qū),因而在原淀粉顆粒表面形成微孔化空洞。當酶解時間為10 h時，淀粉表面有淺表性、小孔徑的微孔,分布不均；酶解時間為18 h時,孔洞延伸至顆粒中心,整個淀粉顆粒就會形成具有空腔結構的微孔淀粉，再增大酶解時間(24 h)，淀粉顆粒表面的微孔孔徑加大，孔深加深，從而造成淀粉結構的坍塌。

表2 正交試驗設計及結果

表3 方差分析表

酶解 enzymatic hydrolysis： a.0 h； b.10 h; c.18 h; d.24 h

圖2 白果淀粉(a)和白果微孔淀粉(b)的DSC圖譜

2.4 白果微孔淀粉的熱特性研究

白果淀粉和白果微孔淀粉的差示量熱掃描圖譜見圖2。根據(jù)圖2可以知道淀粉的起始糊化溫度(T0)、 峰值溫度(TP)、 終了溫度(TC)和吸熱焓(ΔH)，見表4。

由表4可以看出,T0、TP、TC和ΔH在白果淀粉被酶解前后無明顯變化，白果微孔淀粉的糊化性能與白果淀粉基本一致。但白果微孔淀粉的糊化溫度范圍(T0～TC)較窄，Vasanthan等[14]認為糊化溫度范圍反映了淀粉結晶大小的均一性，淀粉晶體大小越一致，糊化的結束溫度TC與起始溫度T0之間差別越小。白果微孔淀粉的糊化溫度范圍較白果淀粉的窄，說明白果微孔淀粉的結晶大小均一性優(yōu)于白果淀粉。

表4 淀粉成孔前后的糊化溫度(T0、 TP、 TC)和吸熱焓(ΔH)

3 結 論

3.1 用白果淀粉制備白果微孔淀粉的生淀粉酶選用α-淀粉酶，通過試驗優(yōu)化確定酶解工藝條件： 20 g白果淀粉，酶用量2.0%，酶解時間18 h，pH值5.5，反應溫度40 ℃，白果微孔淀粉的得率為92.5%。由吸水率測試表明：微孔淀粉顆粒(吸水率為162%)吸水能力明顯大于原淀粉(吸水率為102%)。

3.2 酶解反應是沿著徑向(由外向內)逐步向淀粉顆粒中心推進，同時小孔孔徑逐漸擴大。反應進行到顆粒中心后，整個淀粉顆粒就會形成具有空腔結構的微孔淀粉。

3.3 白果微孔淀粉的糊化性能與原淀粉基本一致，糊化溫度和吸熱焓在酶解前后無明顯變化，但白果微孔淀粉的糊化溫度范圍(溫差7.69 ℃)較原淀粉(溫差8.27 ℃)窄，結晶度較高。

參考文獻:

[1]唐忠鋒，梁興泉，楊思廣，等.微孔淀粉制備及性能研究進展[J].遼寧化工，2004，33(7)：403-405.

[2]周堅，沈汪洋，萬楚筠.微孔淀粉的應用研究[J].中國糧油學報，2005，20(3)：18-21.

[3]徐忠，繆銘，劉明麗，等.玉米多孔淀粉顆粒結構及性質研究[J].食品科學，2006，27(10)：128-131.

[4]王華，韓金玉，鐘惠生，等.雙酶一步法水解馬鈴薯淀粉的動力學研究[J].高?；瘜W工程學報，2001，15(5)：446-452.

[5]劉雄，闞建全，陳宗道，等.酸法制備微孔淀粉的技術研究[J].食品科學，2003，24(10)：81-83.

[6]周小柳，唐忠鋒，陳曉偉.鹽酸制備小麥微孔淀粉的性能及結構研究[J].食品工業(yè)科技，2009，30(3)：237-239.

[7]程荷芳，衛(wèi)民，蔣劍春，等.橡子與玉米、木薯的淀粉成分物理性質比較[J].林產化學與工業(yè)，2009，29(增刊)：183-186.

[8]張彩虹，黃立新，MUJUMDAR A S.白果漿噴霧干燥工藝研究[J].林產化學與工業(yè)，2010，30(2)：17-22.

[9]張彩虹，黃立新，劉偉，等.不同干燥方式制備白果粉的性能比較[J].生物質化學工程，2009，43(6)：27-30.

[10]敖自華，王璋，許時嬰.銀杏淀粉的分離和純化[J].食品科學，2001，22(1)：23-26.

[11]顧香玉，張曉云，劉景順.玉米微孔淀粉的制備及顯微結構研究[J].食品科學，2006，27(12)：241-245.

[12]吳非，李永平，印方平.玉米微孔淀粉酸法制備及其特性研究[J].中國糧油學報，2008，23(6)：89-92.

[13]劉文宏，袁懷波，王宇.木薯微孔淀粉的制備及性質研究[J].食品科學，2006，27(10)：265-268.

[14]VASANTHAN T，BHATTY R S.Physicochemical properties of small- and large-granule starches of waxy，regular，and high-amylose barleys[J].Cereal Chemistry，1996，73(2)：199-206.