施曉丹 汪少蕓

(福州大學生物科學與工程學院，福州 350108)

天然來源的淀粉材料具有安全、生物可降解等特性，但溶解性較差、易回生、黏度很高及熱不穩(wěn)定等缺點使得天然淀粉的應用受到了極大的限制[1]。對淀粉進行改性可以改善淀粉的性能，拓展淀粉的應用。多孔淀粉(Porous Starch)又稱微孔淀粉或有孔淀粉，是利用物理、化學或者生物的方法對原生淀粉進行處理后形成的一種改性淀粉[2]。多孔淀粉最早見于動物的糞便中，率先被日本學者和美國學者關注并展開深入研究[3]。相比于原淀粉，多孔淀粉具有更高的孔隙率和比表面積、較低的顆粒密度和堆積密度、良好的吸附性等優(yōu)越性能[2]。近年來，多孔淀粉的研究主要集中在工藝條件優(yōu)化、結構和理化性質的表征、應用開發(fā)等方面。本文主要介紹多孔淀粉的制備方法、結構與性能及關鍵的影響因素、應用情況等，為今后多孔淀粉的研究與應用提供參考。

1 制備方法

1.1 單一法(物理法、化學法和生物法)

表1為制備多孔淀粉的常用方法。其中物理法是指通過超聲波、微波、輻照、擠壓和機械撞擊等外界物理作用，破壞淀粉顆粒的表面結構，增加孔洞的數量和容積，形成多孔結構。物理法制備的多孔淀粉多在表面形成部分腐蝕和凹坑，不能形成縱橫貫穿的孔洞結構[4]。隨著技術的發(fā)展和研究的深入，物理法常常被用來對原淀粉做初步的處理[4]。單獨使用的物理法如溶膠-凝膠法[5]和反復濕熱處理法[6]也有報道。化學法是指通過酸(主要是鹽酸)、交聯劑、酯化劑等化學試劑的處理，使淀粉顆粒由表面向內部形成眾多小孔結構。其中，采用酸水解法主要考慮酸濃度、溫度、淀粉用量和反應時間等因素對微孔淀粉產品的影響[7]。采用交聯反應時常用的交聯試劑包括N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)[8]、三氯氧磷(POCl3)[9]、戊二醇(GA)[10]和三偏磷酸鈉[11]等。相比之下，酯化反應、醚化反應和氧化反應相關的報道相對較少。生物法主要包括酶法和發(fā)酵法，僅使用一種酶處理的制備方法稱為單一酶法[12，13]，使用多種酶處理時稱為復合酶法[14-16]。目前國內外文獻報道的可用于制備多孔淀粉的酶包括α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、糖化酶和分支酶等，其中α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶和糖化酶的復合形式較為常見。

1.2 復合法

單一法制備的多孔淀粉存在一定的缺陷，復合法將兩種或多種方法同時使用，主要包括物理法輔助酶法和化學法輔助酶法。由表2可以看出α-淀粉酶結合糖化酶(比例為1∶1～1∶6)的復合酶法是組成復合法最為常用的方法之一，因而酶處理條件如加酶量、溫度、pH、反應時間等成為主要考察的因素。酶反應溫度一般控制在40～60 ℃(多為55 ℃左右)，pH為4.6～6.0(多為5.0或5.5)，酶反應時間多為12～24 h。在研究中應根據實際情況和實驗目標對主要工藝參數進行優(yōu)化。

表1 多孔淀粉的制備方法及優(yōu)缺點

表2 復合法制備多孔淀粉的條件

2 多孔淀粉的結構特征及理化性質

2.1 結構特征

生淀粉經不同方法改性為多孔淀粉后，可采用電鏡技術(掃描電鏡、透射電鏡和原子力顯微鏡等)對多孔淀粉的形貌特征、孔徑大小等進行觀察和分析。就外觀形貌而言，多孔淀粉通常具有不同程度的蜂窩狀多孔結構，小孔由表面向中心延伸，微孔均勻或者不均勻分布于整個淀粉顆粒表面，其孔徑一般為1.0～1.5 μm[13, 14, 18, 33]。阮楊峰等[13]制備的玉米多孔淀粉的孔徑稍大，為1.58～1.79 μm，而楊慧等[34]測得的多孔淀粉孔徑為0.8～1.5 μm。

一般而言，改性后的多孔淀粉晶型結構能夠較好地保留，但是在孔洞結構形成于無定形區(qū)的情況下，結晶度會略高于原淀粉[9, 18, 21, 26]。如研究發(fā)現天然碎米淀粉的衍射圖譜中，在2θ為15°、17°、18°和23°處具有明顯的峰。經超聲和超聲輔助酶法處理后衍射峰的位置無明顯變化，只有強度略有提升，因此多孔淀粉的結晶度高于原淀粉[18]。然而Keeratiburana等[35]的研究表明，采用超聲、重結晶以及酶法處理等制備的多孔淀粉的結晶度略低于原淀粉。

2.2 理化性質

因多孔淀粉的顆粒結構發(fā)生改變，其理化性質也隨之發(fā)生不同程度的變化。其中比表面積是直接反映多孔淀粉吸附能力強弱的一個物理性質。Xie等[6]測定了兩種晶型(A型和B型)的小麥原淀粉和濕熱法結合酶解處理的多孔淀粉的比表面積，結果表明A型和B型淀粉比表面積分別由5.49、5.17 m2/g增加到7.13、10.75 m2/g。Keeratiburana等[16]發(fā)現采用酶解法獲得的大米多孔淀粉的比表面積隨著酶解時間的延長而增大，酶處理12 h和24 h的比表面積約為原淀粉的2倍。此外，其他理化性質如溶解性、透光率、堆積密度、吸附性能和熱力學性能等也發(fā)生改變。如尹卓林等[14]通過溶解性實驗得出原淀粉和多孔淀粉的溶解率分別為1.94%和3.02%。原玉米淀粉的堆積密度為0.802 g/mL，經復合酶作用后，其堆積密度下降。Keeratiburana等[16, 35]發(fā)現經超聲、重結晶和(或)酶處理后的大米淀粉和高直鏈淀粉溶解度增加而溶脹能力降低。熱力學分析表明三氯氧磷交聯微孔淀粉的糊化溫度和分解溫度均有提升[9]。吸附性實驗結果顯示三偏磷酸鈉交聯淀粉的吸水率、吸油率和亞甲基藍吸附能力均高于原淀粉[11]。穩(wěn)定性實驗表明酯化微孔淀粉吸附的番茄紅素在自然光照、紫外光照、高溫及氧氣存在的條件下損失率低于原淀粉[27]。其理化性質的表征方法可參考Chen等[2]的報道。

3 多孔淀粉結構和理化性質的影響因素

3.1 淀粉的來源和特性

淀粉的結構和理化性質與其來源密切相關。谷物淀粉和塊莖類淀粉被相同酶處理后，表觀結構和理化性質表現不同[36]。常見的多孔淀粉制備原料包括馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、大麥淀粉、小麥淀粉和綠豆淀粉等[2, 37]。玉米、高粱、小麥及大麥等淀粉表面存在天然的小孔，有利于酶發(fā)揮作用，而稻米、燕麥、馬鈴薯和木薯等淀粉表面沒有小孔，酶作用后形成的孔洞數量少、孔徑小[38]。此外，有些淀粉如香蕉、百合、蓮子等來源的淀粉只能在顆粒表面形成鱗片狀結構，不適宜制備多孔淀粉[3]。因此，在制備多孔淀粉時需要選擇合適的淀粉材料，或者根據原淀粉的特點選擇合適的方法。

淀粉的結構如直鏈淀粉含量和晶體結構是影響多孔淀粉形成的另一個因素。姚衛(wèi)蓉和姚惠源[3]總結文獻發(fā)現，玉米淀粉中直鏈淀粉含量越低，越易被酶水解，而紅薯淀粉的直鏈淀粉含量越高，被水解的程度越高。Lacerda等[39]發(fā)現直連淀粉的含量對于多孔淀粉的糊化溫度和相對結晶度有顯著影響。Xie等[6]采用濕熱處理A型(AS)和B型(BS)2種晶型結構的淀粉，所獲得的A型多孔淀粉(2-HAS)表面的小孔比B型多孔淀粉(2-HBS)的多。2-HAS的溶解性略低于AS而2-HBS的溶解度高于BS。此外，淀粉的顆粒粒度、蛋白質和脂質含量等也對酶解效果有一定的影響[3]。

3.2 酶的種類和性質

酶的種類和性質是影響酶解法產生多孔淀粉的結構和理化性質的重要因素。目前淀粉酶主要有來源于曲霉、細菌、酵母、動物體內的消化液、植物和發(fā)芽種子等的α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、異淀粉酶、脫支酶、普魯藍酶和磷酸化酶等[3]。不同種類的酶對特定的淀粉具有不同的作用效果。Benavent-Gil等[40]探討了α-淀粉酶(AM)、葡萄糖淀粉酶(AMG)、環(huán)糊精葡萄糖轉移酶(GGTase)和分支酶(BE)四種酶制備的玉米多孔淀粉的性質，發(fā)現AMG處理的產品孔洞最大，吸附能力最強。AMG主要作用于結晶區(qū)，AM和GGTase主要對無定形區(qū)進行水解。進一步研究發(fā)現，AMG、AM和GGTase對于小麥、大米、馬鈴薯和木薯淀粉的作用效果類似，并且不同種酶處理的淀粉產物吸油率和直鏈淀粉的含量有所差別[36]。

3.3 工藝條件

工藝條件的優(yōu)化可以獲得具有理想效果的多孔淀粉產品，節(jié)約能源。為制得成孔較好的多孔淀粉，需要選擇合適的淀粉乳質量濃度，并且考慮酶添加量、反應溫度、pH和反應時間等反應條件。如采用復合酶法制備木薯多孔淀粉時，隨著葡萄糖淀粉酶添加量的增加，多孔淀粉的吸油率呈現比較大的增長趨勢，當葡萄糖淀粉酶與α-淀粉酶的配比達到3:1時吸油率最大。同時淀粉的水解隨著水解時間的增加而逐漸增大，淀粉顆粒上產生的小孔數量增多，吸油率也隨之增加。酶解16 h的吸油率達到了31.84%。而當酶解時間延長到24 h時，多孔淀粉的吸油率卻有所下降[41]。

4 多孔淀粉的應用

天然來源的淀粉安全無毒，可生物降解，改性成多孔淀粉后又具有良好的吸附性能，因此被廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化工和農業(yè)等各個領域。目前，多孔淀粉的應用主要利用其對目標物質的吸附、緩釋或保護作用等。

4.1 吸附劑

利用多孔淀粉的吸附性能可以將食品中很多水溶性較差的天然活性物質進行吸附，提高其生物利用率。根據目標物質理化性質的不同，如當目標物質為液體或可溶于液體時，可將溶液直接噴于多孔淀粉表面，或將多孔淀粉加入其中充分混合，再過濾或離心，然后干燥即可。而當被吸附物質難溶于水時，可將其直接與多孔淀粉高速混合，并通過機械力作用(如球磨、錘磨等方式)將其擠入多孔淀粉中[42]。目前已有文獻報道多孔淀粉對于薄荷香精[43]、番茄紅素[27]、茶多酚[44]、刺梨濃汁[45]等物質的吸附。此外，多孔淀粉還可吸附卷煙中的揮發(fā)性醛類[46]、2, 4-二硝基苯酚[34]等有毒有害物質，降低產品對人體的傷害。如將醚化改性的多孔淀粉添加到卷煙過濾嘴中，煙支中的巴豆醛質量分數明顯降低[46]。多孔淀粉也可直接用作止血材料。邊文海等[47]采用無菌實驗、內毒素檢測、兔耳創(chuàng)面止血實驗、兔肝臟創(chuàng)面止血效果檢測、組織相容性實驗等評價玉米微孔淀粉的止血效果。結果表明微孔淀粉的吸水率為156.98%，無病原微生物和內毒素。兔耳創(chuàng)面和兔肝臟創(chuàng)面完全止血時間分別在140 s和80 s之內，止血迅速，優(yōu)于云南白藥。多孔淀粉還可與甲殼素和介孔硅酸鈣材料復合制成安全無毒、凝血功能很高的止血材料[11, 48]。

4.2 包埋劑

多孔淀粉作為包埋劑可用于包埋褪黑色素[49]、巖藻黃素[50]、紫杉醇[51]、青蒿素[52]、維生素E[53]等生物活性物質，還可以包埋益生菌[54]等。如采用多孔淀粉負載褪黑素是將多孔淀粉加入到丙酮溶解的褪黑素溶液中，攪拌后將褪黑素溶液填充到小孔中，離心干燥后丙酮揮發(fā)，獲得負載褪黑素的多孔淀粉。上述褪黑素主要是與淀粉的葡萄糖分子的羥基之間形成氫鍵作用，固定在小孔結構中[49]。類似地，紫杉醇分子及其納米顆粒也是通過氫鍵作用被吸附到多孔淀粉的孔洞內壁中[51]。

生物活性物質經多孔淀粉包埋后其活性有一定的提高。研究表明多孔淀粉負載青蒿素形成的微球對人肝癌細胞的增殖有明顯的抑制作用，效果優(yōu)于青蒿素原藥，對正常肝細胞的毒副作用非常低[52]。將姜黃素包埋于多孔淀粉中形成微膠囊后，其大部分抗氧化能力能夠得到保留，但是在模擬胃腸道消化時發(fā)現釋放效率不夠理想(< 30%)[55]。Li等[49]發(fā)現在模擬胃液和小腸液實驗中，多孔淀粉負載褪黑素相比于褪黑素單體具有更強的溶解性和更高的累積釋放速率，其細胞抗氧化活性也明顯增強。將多孔淀粉與埃洛石納米管對巖藻黃素進行包埋，包埋率為(94.05±0.29)%，巖藻黃素對光和熱的穩(wěn)定性得到了提高[50]。紫薯淀粉經復合酶法改性后，對橄欖油的負載率比較高，且抗氧化活性增強[56]。

4.3 其他應用情況

在食品工業(yè)中，多孔淀粉可部分或完全替代食品中的脂肪[4]。如朱仁宏等[57]用多孔淀粉替代貢丸中部分脂肪，有效地降低了貢丸的脂肪含量，同時降低了產品成本，基本達到了原高脂貢丸所具有的口感和質構。此外，多孔淀粉經微膠囊化處理可以封閉苦味、臭味等不良風味，提高食物的品質[37]。如富含二十二碳六烯酸(DHA)的微藻油有異味，采用微孔淀粉進行微膠囊化包埋率達到92.08%，含水量為3.78%[58]。將多孔淀粉與肉桂揮發(fā)油混合制成固體粉末，固化效果很好，桂皮醛收率高，固化粉末桂皮醛的溶出速率較快，熱穩(wěn)定性良好[33]。

多孔淀粉在農業(yè)領域可以制成殺蟲劑和除草劑，有效控制農藥和除草劑的揮發(fā)、分解與釋放的時間，提高其使用效率[59]。多孔淀粉也可用來生產生物可降解膜和超吸水劑，提高沙質土堤的保水性和農作物的存活率。在化妝品行業(yè)，可將多孔淀粉添加到化妝品中，降低化妝品對皮膚刺激的同時可以提高產品的性能[42]。多孔淀粉也可應用到涂料行業(yè)，如蔣夢蘭等[60]將馬鈴薯多孔淀粉作為填料與苯丙乳液制備了多孔淀粉復合調濕涂料(SMP-C)，結果表明SMP-C符合內墻涂料的基本要求，且涂層內部富含孔道和空隙，其吸水率可達 150%，具有較強的吸水性和吸放濕性能。在電化學方面，謝秋生等[61]將酶法改性的多孔淀粉在惰性氣體的保護下炭化，形成硬炭材料。對其電化學性能評價結果為多孔淀粉硬炭材料具有較高的首次可逆放電容量、首次庫倫效率、優(yōu)異的倍率充放電及循環(huán)性能。另外，多孔淀粉還可用來吸附污水中的重金屬[62]。

5 結論與展望

多孔淀粉的制備工藝較為簡單，復合法制備的多孔淀粉成孔效果好，性能優(yōu)越。改性后，多孔淀粉在結構和理化性質方面會發(fā)生一定程度的變化。影響多孔淀粉結構和性能的因素主要包括淀粉、酶和工藝條件等。多孔淀粉具有相對較大的比表面積和比孔容積、較低的堆積密度和顆粒密度、吸附性能高且安全無毒，具有廣闊的應用前景。今后可進一步加強對多孔淀粉的研究：為獲得結構均勻、性能穩(wěn)定的產品并實現工業(yè)化生產，可系統(tǒng)研究加工工藝對多孔淀粉的孔徑大小、孔洞形狀及分布特點等的影響，研制出精確控制產品質量的加工條件；多孔淀粉分子中存在大量的羥基，可以對多孔淀粉進行再次改性以提高其品質和應用價值；對多孔淀粉產品展開安全性評價、生物活性和作用機理的研究，結合納米技術或微膠囊技術等新技術拓展多孔淀粉的應用。