生物酶法制備白果微孔淀粉及其特性研究

周 昊，王成章*，葉建中，陳虹霞

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實(shí)驗(yàn)室；國家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)新技術(shù)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(jīng)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(zhì)( 如藥劑、色素、香料、保健物質(zhì)等)的吸附載體和包埋劑等，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥和化妝品行業(yè)[1-2]。國內(nèi)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(duì)白果微孔淀粉的研究還未見報(bào)道[3-7]。銀杏是我國重要的經(jīng)濟(jì)林樹種，年產(chǎn)白果3萬噸，目前白果產(chǎn)品的加工還是處于初級(jí)加工水平，從而導(dǎo)致白果產(chǎn)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(chǎn)品的附加值，而且可以為白果淀粉的深加工提供技術(shù)參考[9]。

1 實(shí) 驗(yàn)

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(xiàn)[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(lán)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(yù)熱20 min，同時(shí)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(zhuǎn)移到淀粉懸浮液中并準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，攪拌反應(yīng)一定時(shí)間后，加入4%的氫氧化鈉5 mL終止反應(yīng)。將懸浮液在3 000 r/min轉(zhuǎn)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(zhì)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(biāo)，分別考察酶種類、酶用量、pH值、酶解溫度、酶解時(shí)間等因素對(duì)酶解制備白果微孔淀粉的影響。

1.3.2 正交試驗(yàn) 在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇酶用量、pH值、酶解溫度和酶解時(shí)間4個(gè)因素按照L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)，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(zhì)量。根據(jù)前后的管質(zhì)量差計(jì)算出吸水率。

1.5 掃描電鏡觀察白果微孔淀粉結(jié)構(gòu)

將白果微孔淀粉樣品用導(dǎo)電雙面膠固定到金屬載物臺(tái)上，使用真空鍍膜儀噴鍍鈀金，然后在5 kV電子束條件下對(duì)樣品進(jìn)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(zhì)量比1 ∶2的比例加入去離子水，密封后隔夜放置平衡，進(jìn)行掃描[13]。設(shè)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(dá)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(jié)果與討論

2.1 酶解制備白果微孔淀粉的單因素試驗(yàn)

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(lán)酶3種酶，將酶解時(shí)間設(shè)為18 h，酶用量2%，溫度為40 ℃， pH值為5.5，考察不同酶種類對(duì)制備的微孔淀粉的吸附性能影響，結(jié)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(lán)酶對(duì)白果淀粉的水解作用不明顯。這是由于α-淀粉酶屬于內(nèi)切酶，能從淀粉分子的內(nèi)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(nèi)部產(chǎn)生較大的洞。

2.1.2 酶用量的影響 選擇α-淀粉酶，將酶解時(shí)間設(shè)為18 h，溫度為40 ℃，pH值為5.5，考察酶用量對(duì)制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結(jié)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(qiáng)，當(dāng)酶用量為2%時(shí)，白果微孔淀粉的吸水率最高，酶用量大于2%時(shí)，其吸水率呈下降趨勢(shì)。

表1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 pH值的影響 選擇α-淀粉酶，將酶解時(shí)間設(shè)為18 h，酶用量2%,溫度為40 ℃，考察不同pH值對(duì)制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結(jié)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(jié)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(shí)間設(shè)為18 h，酶用量2%， pH值為5.5，考察不同酶解溫度對(duì)制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結(jié)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(qiáng)，當(dāng)酶解溫度為40 ℃時(shí)，白果微孔淀粉的吸水率最高，溫度大于40 ℃時(shí)，其吸水率呈下降趨勢(shì)。原因在于低溫時(shí)酶反應(yīng)速率較低, 隨著反應(yīng)溫度的升高，酶的活性增強(qiáng)和淀粉顆粒吸水溶脹后易被酶作用使酶解速率加快, 當(dāng)酶解溫度大于40 ℃時(shí)，淀粉易糊化, 并且酶易失活。所以酶解的最適反應(yīng)溫度范圍為40 ℃。

2.1.5 酶解時(shí)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(shí)間對(duì)制備的白果微孔淀粉的吸附性能影響，結(jié)果見表1。由表1可以看出隨著酶作用的時(shí)間延長,水解率增大，生成的玉米微孔淀粉的吸水率也增強(qiáng)，當(dāng)酶解時(shí)間為18 h，微孔淀粉的吸水率最大，再增加酶解時(shí)間，生成的微孔淀粉的吸水率反而降低，這是因?yàn)榈矸圻^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(shí)間以18 h為宜。

2.2 正交試驗(yàn)

采用正交試驗(yàn)L9(34)對(duì)酶法制備白果微孔淀粉的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析見表2。方差分析見表3。

結(jié)果表明，4因素中酶用量和酶解時(shí)間對(duì)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(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合產(chǎn)品的吸水率和正交試驗(yàn)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(shí)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(jié)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(nèi))逐步向顆粒中心推進(jìn),同時(shí)小孔孔徑逐漸擴(kuò)大。這是因?yàn)棣?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(dāng)酶解時(shí)間為10 h時(shí)，淀粉表面有淺表性、小孔徑的微孔,分布不均；酶解時(shí)間為18 h時(shí),孔洞延伸至顆粒中心,整個(gè)淀粉顆粒就會(huì)形成具有空腔結(jié)構(gòu)的微孔淀粉，再增大酶解時(shí)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(jié)構(gòu)的坍塌。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)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(rèn)為糊化溫度范圍反映了淀粉結(jié)晶大小的均一性，淀粉晶體大小越一致，糊化的結(jié)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(jié)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(jié) 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(yàn)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(shí)間18 h，pH值5.5，反應(yīng)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(yīng)是沿著徑向(由外向內(nèi))逐步向淀粉顆粒中心推進(jìn)，同時(shí)小孔孔徑逐漸擴(kuò)大。反應(yīng)進(jìn)行到顆粒中心后，整個(gè)淀粉顆粒就會(huì)形成具有空腔結(jié)構(gòu)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(jié)晶度較高。

參考文獻(xiàn):

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

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

[3]徐忠，繆銘，劉明麗，等.玉米多孔淀粉顆粒結(jié)構(gòu)及性質(zhì)研究[J].食品科學(xué)，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(dòng)力學(xué)研究[J].高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，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(shù)研究[J].食品科學(xué)，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(jié)構(gòu)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(zhì)比較[J].林產(chǎn)化學(xué)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(chǎn)化學(xué)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(zhì)化學(xué)工程，2009，43(6)：27-30.

[10]敖自華，王璋，許時(shí)嬰.銀杏淀粉的分離和純化[J].食品科學(xué)，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(jié)構(gòu)研究[J].食品科學(xué)，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(xué)報(bào)，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(zhì)研究[J].食品科學(xué)，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.