郭戰(zhàn)英，付 艷，路常平，郭雅妮，梅若晨

（1.陜西省現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

玉米淀粉（corn starch）又稱玉蜀黍淀粉，俗名六谷粉，是人類食用淀粉中重要的一種能量物質(zhì)。我國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米淀粉產(chǎn)量大、生產(chǎn)成本較低，但天然玉米淀粉和未改性的玉米淀粉除食用外，實(shí)用價(jià)值較低[1]。為了賦予玉米淀粉更多的功能，就需要進(jìn)一步探討玉米淀粉的改性方法，這對(duì)于提高其使用價(jià)值、擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，將具有十分重要的意義[2]。

多孔淀粉也經(jīng)常被稱為有孔淀粉或微孔淀粉，一般是通過(guò)改性原淀粉而制得，其表面布滿直徑為1μm 左右的小孔，總孔洞容積約為淀粉顆粒體積的50%[3]。原淀粉一般為外形光滑的球形顆粒，多孔淀粉外形不變?nèi)詾榍蛐危鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中空，具有蜂窩狀的多孔。多孔淀粉由于比表面積較大，能夠有效吸附不同物質(zhì)，因此，提高了自身使用價(jià)值，擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域[4]。多孔淀粉具有較高的吸水性，其結(jié)構(gòu)中孔徑分布與孔隙的特征，取決于所選酶的類型和水平[5]。目前，人們已將多孔淀粉的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展至非食品領(lǐng)域，例如，醫(yī)藥行業(yè)用作止血材料、衛(wèi)生行業(yè)用于吸水材料、環(huán)保領(lǐng)域用作吸附劑等等[6]。

本研究以玉米淀粉為原料，采用α-耐高溫淀粉酶酶解法制備多孔玉米淀粉吸油材料，優(yōu)化酶解條件，以期改善玉米淀粉的多種性能指標(biāo)，提高多孔玉米淀粉的實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑和儀器

玉米淀粉（食品級(jí) 泰國(guó)東鴻有限公司）；食用油（食品級(jí)山東魯花大豆油）；α-耐高溫淀粉酶（2000IU北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司）、檸檬酸（天津博迪化工股份有限公司）、Na2HPO4（天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司）、NaOH（天津市富宇精細(xì)化工有限公司）、無(wú)水Na2SO4（天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司）、98% 濃H2SO4（天津市福晨化學(xué)試劑廠），以上試劑均為分析純。

ESJ120-4 型電子天平（沈陽(yáng)龍騰電子有限公司）；DF-101S 型集熱式恒溫磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；SHA-C 型水浴恒溫振蕩器（金壇市天竟實(shí)驗(yàn)儀器廠）；智能型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（?，槴\實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）；UV-1800 型紫外可見(jiàn)光譜儀（上海美譜達(dá)儀器有限公司）；UPD-1-201 型優(yōu)普系列超純水機(jī)（成都超純科技有限公司）；Quanta-450-FEG 型掃描電鏡（美國(guó)FEI 公司）；Nicolet 5700 型紅外光譜儀（美國(guó)Thermo Electron公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 酶解法制備多孔玉米淀粉 在250mL 錐形瓶中放入精確稱量的20g 玉米淀粉（干基），加入pH值為6.0 的Na2HPO4（0.2mol·L-1）-檸檬酸（0.1mol·L-1）緩沖溶液40mL[7]、α-耐高溫淀粉酶0.8mL，50℃恒溫振蕩16h，取出后再加去離子水直至250mL，抽濾后50℃干燥、粉碎、過(guò)篩，獲得的多孔玉米淀粉樣品收集備用。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以吸油率為衡量指標(biāo)，針對(duì)制備過(guò)程中涉及酶解溫度、體系pH 值、酶添加量、酶解時(shí)間、底物濃度5 個(gè)變化因素，每組試驗(yàn)改變其中的一個(gè)因素，其他條件固定不變，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)。獲得的最佳條件進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)平行驗(yàn)證。

1.3 分析方法

1.3.1 吸油率的測(cè)定 精確稱量玉米淀粉1g 放入15mL 離心管（m0）中，加入10mL 食用油混合，恒溫?cái)嚢?0min，4000r·min-1離心10min，傾去上層油至沒(méi)有油滴滴下，此時(shí)離心管總質(zhì)量記為m2[8]。計(jì)算吸油率ω：

式中 m0：離心管質(zhì)量，g；m1：玉米淀粉質(zhì)量，g；m2：淀粉、油和離心管的總質(zhì)量，g。

1.3.2 比容積的測(cè)定 精確稱量2g 玉米淀粉，使淀粉自由落入10mL 量筒，輕微晃動(dòng)使量筒內(nèi)淀粉表面保持水平，記錄體積數(shù)，計(jì)算玉米淀粉的比容積（g·cm-3）[9]。

1.3.3 透光率的測(cè)定 精確稱量配制1%的玉米淀粉乳，利用沸水浴加熱攪拌30min，冷卻至室溫；在分光光度計(jì)λ=650nm 處、蒸餾水作為空白測(cè)定樣品的透光率[10]。

1.3.4 膨脹率和溶解率的測(cè)定 精確配制2%的玉米淀粉乳，放入60℃水浴攪拌30min，3000r·min-1離心20min，取上清液傾入蒸發(fā)皿，利用沸水浴將其蒸干，在105℃恒溫干燥箱中烘干至恒重[11]。分別計(jì)算膨脹率B 和溶解率S：

式中 P：離心后沉淀質(zhì)量，g；W：玉米淀粉干重，g；A：上清液烘干后質(zhì)量，g。

1.3.5 性能表征 紅外光譜（FTIR）分析采用溴化鉀壓片法對(duì)樣品的官能團(tuán)變化進(jìn)行定性定量分析；通過(guò)掃描電鏡（SEM）對(duì)樣品結(jié)構(gòu)與表面形貌的變化進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 多孔玉米淀粉吸油性能的影響因素

2.1.1 酶解溫度對(duì)吸油性能的影響

圖1 為酶解溫度對(duì)玉米淀粉吸油性能的影響。

圖1 酶解溫度對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響Fig.1 Effect of enzymolysis temperature on oil absorption rate

由圖1可以看出，多孔玉米淀粉的吸油率隨酶解溫度的上升先上升后下降，50℃時(shí)吸油率達(dá)到最佳。眾所周知，在有效范圍內(nèi)酶活性隨溫度升高而增大，故初期吸油率出現(xiàn)上升趨勢(shì)；溫度較高時(shí)，玉米淀粉顆粒會(huì)快速吸水膨脹，越接近糊化溫度（玉米淀粉糊化溫度為70℃左右[12]）淀粉束越松散，酶解迅速，特別容易發(fā)生過(guò)度水解使淀粉顆粒坍塌，從而導(dǎo)致接近糊化溫度時(shí)吸油率下降。因此，酶解溫度為50℃時(shí)多孔玉米淀粉的吸油性能最佳。

2.1.2 酶解體系pH 值對(duì)吸油性能的影響

圖2 為酶解體系pH 值對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響。

圖2 酶解體系pH 值對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響Fig.2 Effect of pH value on oil absorption rate

由圖2 可以看出，體系pH 值在4.0～6.0 之間，吸油率呈現(xiàn)先上升后下降，酶解體系pH 值為5.0時(shí)，多孔玉米淀粉的吸油率最大。說(shuō)明體系pH 值為5.0 時(shí)，酶的活性最高，作用效果最好。這是由于任何酶一般都有最佳pH 值作用范圍，而α-淀粉酶的最適pH 值范圍為4.5～6.5[13]，因此，酶解體系pH 值為5.0 時(shí)多孔玉米淀粉的吸油性能最佳。

2.1.3 酶添加量對(duì)吸油性能的影響

圖3 為酶添加量對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響。

圖3 酶添加量對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響Fig.3 Effect of enzyme addition on oil absorption rate

由圖3 可以看出，酶添加量為3.0%時(shí)吸油率最大。初期酶量的增加有利于多孔玉米淀粉吸油率的增大，這符合酶能夠加速化學(xué)反應(yīng)速度的特性，因?yàn)槊噶枯^少，大部分淀粉顆粒不能被充分酶解；而酶量過(guò)大，淀粉顆粒會(huì)被酶解過(guò)度引起結(jié)構(gòu)坍塌破壞，顆粒的中空多孔結(jié)構(gòu)則無(wú)法形成，從而導(dǎo)致淀粉吸油率大大降低。因此，酶添加量最佳為3.0%。

2.1.4 酶解時(shí)間對(duì)吸油性能的影響

圖4 為酶解時(shí)間對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響。

圖4 酶解時(shí)間對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響Fig.4 Effect of enzymolysis time on oil absorption rate

由圖4 可以看出，酶解時(shí)間為12h 時(shí)吸油率最大。酶解初期時(shí)間越長(zhǎng)，酶解越充分，越有利于多孔結(jié)構(gòu)形成；但酶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，淀粉顆粒會(huì)被酶解過(guò)度而引起結(jié)構(gòu)坍塌破壞，顆粒的中空多孔結(jié)構(gòu)無(wú)法形成，從而導(dǎo)致吸油率降低。因此，最佳酶解時(shí)間為12h。

2.1.5 底物濃度對(duì)多孔淀粉吸油率的影響

圖5 為底物濃度對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響。

圖5 底物濃度對(duì)多孔玉米淀粉吸油性能的影響Fig.5 Effect of substrate concentration on oil absorption rate

由圖5 可以看出，底物濃度為25%時(shí)吸油率達(dá)到最大。酶解初期底物濃度增加，也就是淀粉顆粒越多，參與酶解的淀粉的幾率就越大，所以吸油率逐漸增大；但當(dāng)?shù)孜餄舛冗^(guò)高，淀粉顆粒溶解效果差，幾乎呈懸浮液，形成非均一體系，導(dǎo)致酶與淀粉顆粒不能充分接觸，酶解反應(yīng)不能充分進(jìn)行，有限的酶量甚至使部分淀粉根本沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)生酶解，從而顯示出吸油率下降[14]。因此，底物濃度最佳為25%。

通過(guò)3 次酶解平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定最佳酶解條件為酶解溫度50℃、酶解pH 值為5.0、酶添加量3%、酶解時(shí)間12h、底物濃度25%，該條件下吸油率最高可達(dá)112.04%。

2.2 性能表征與分析

2.2.1 FTIR 分析

圖6 為玉米淀粉和多孔玉米淀粉的紅外光譜圖。

圖6 玉米淀粉和多孔玉米淀粉的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of corn starch and porous starch

由圖6 可見(jiàn)，玉米淀粉在3280cm-1處有O-H 基團(tuán)伸縮振動(dòng)的特征吸收峰，在2932cm-1處有C-H 基團(tuán)的伸縮振動(dòng)特征吸收峰，在1649cm-1處有C=O 基團(tuán)伸縮振動(dòng)的特征吸收峰。多孔玉米淀粉同時(shí)具有玉米淀粉的特征吸收峰，但比起玉米淀粉來(lái)說(shuō)，O-H基團(tuán)的特征吸收峰略微變小，其數(shù)量相對(duì)減少；C=O基團(tuán)的特征峰增強(qiáng)，其數(shù)量相對(duì)增加。說(shuō)明酶解使得玉米淀粉只是特征吸收峰有略微變化，酶解作用并沒(méi)有使玉米淀粉的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。

2.2.2 SEM 分析

圖7 為玉米淀粉和多孔玉米淀粉的SEM 圖。

圖7 玉米淀粉和多孔玉米淀粉的SEM 圖Fig.7 SEM of corn starch and porous starch

由圖7 可以看出，玉米原淀粉呈圓形或多角形結(jié)構(gòu)，顆粒表面光滑，而最佳酶解條件下制得的多孔玉米淀粉，顆粒成孔效果較好，表面布滿明顯的蜂窩狀小孔，孔徑大小和孔密度適中，有一定深度，蜂窩小孔使淀粉顆粒形成空腔，有利于增大其比表面積，提高淀粉顆粒的吸附能力。說(shuō)明采用酶解法可以獲得成孔效果較好、吸油率性能佳的多孔玉米淀粉。

2.3 性能表征與比較

表1 為多孔玉米淀粉與玉米淀粉的不同性能指標(biāo)的比較。

表1 多孔玉米淀粉與玉米淀粉的性能比較Tab.1 Comparison of properties between porous corn starch and original starch

由表1 可以看出，多孔玉米淀粉的吸油率比玉米淀粉提高了82.30%，結(jié)合SEM 分析結(jié)果，由于玉米淀粉表面光滑，主要依靠表面吸附，而多孔玉米淀粉顆粒表面布滿明顯的蜂窩狀小孔，內(nèi)部形成有一定深度的中空多孔結(jié)構(gòu)，所以吸油率大大提高[15]。和酶解前相比，多孔玉米淀粉的比容積提高了21.94%，膨脹率提高了38.29%，這都是由于多孔玉米淀粉內(nèi)部中空多孔，和同質(zhì)量的玉米淀粉相比，多孔玉米淀粉體積增大，顆粒數(shù)量增加，因此，多孔玉米淀粉比容積提高，膨脹率增大。同時(shí)，多孔玉米淀粉的透光率比酶解前提高了7.39%，原因是多孔玉米淀粉內(nèi)部的中空多孔結(jié)構(gòu)，有利于光更好地透過(guò)。多孔玉米淀粉的溶解率比酶解前增加了69.83%，這是由于其中空多孔結(jié)構(gòu)使水分子進(jìn)入孔洞速度加快，從而使多孔玉米淀粉溶解率增加[16]。

3 結(jié)論

（1）多孔玉米淀粉最佳酶解條件為酶解溫度50℃、酶解pH 值為5.0、酶添加量3%、酶解時(shí)間12h、底物濃度25%，該條件下吸油率可達(dá)112.04%，對(duì)油脂吸附效果良好。

（2）紅外光譜分析表明，酶解作用使玉米淀粉只是特征吸收峰有略微變化，并沒(méi)有使玉米淀粉的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變；SEM 分析顯示，多孔玉米淀粉顆粒完整，孔洞明顯，有利于增大比表面積，表明該優(yōu)化酶解法制備多孔玉米淀粉方法可行，并且成孔效果理想。

（3）性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果表明，多孔玉米淀粉的吸油率、比容積、膨脹率、透光率及溶解率較原淀粉分別提高了82.30%、21.94%、38.29%、7.39%、69.83%，表明制得的多孔玉米淀粉各方面性能均優(yōu)于玉米淀粉。