豆薯多孔淀粉的制備、理化性質及吸附性能的研究

黃晶晶，施曉丹，汪少蕓

（福州大學生物科學與工程學院，福建 福州 350108）

淀粉是各種食品和工業產品的主要成分，具有價格低廉、安全無毒害、可生物降解等優勢，被廣泛應用于食品、醫藥和化妝品等領域[1]。然而，天然淀粉存在熱穩定性差、低熱分解性、低抗剪切性等問題，限制了它在工業上的應用[2-3]。為此，大量研究通過改性來提高淀粉穩定性、吸附性等性能。目前已有的改性方法主要有物理改性、化學改性和生物改性（酶改性）[4-5]。多孔淀粉是一種表面分布著相對均一孔洞結構或者孔洞結構貫穿整個淀粉顆粒的改性淀粉。近年來，越來越多的學者選擇用物理復合酶法這種綠色、環保的方法制備多孔淀粉[6]。已有研究表明，多孔淀粉的孔洞結構一般在無定形區形成。由于無定形區被部分水解，所以結晶度會略高于原淀粉，但淀粉的晶型不會發生改變。多孔淀粉顆粒結構的變化會導致其理化性質發生改變。相對原淀粉，多孔淀粉的比表面積會增大，吸附性能、溶脹能力和熱力學等性質也會發生改變[7]。在食品行業，多孔淀粉可被用于包埋和緩釋不穩定食品物質；在醫藥工業，多孔淀粉可作為藥物控釋載體和骨、軟骨組織的替代物；在環境工程方面，多孔淀粉常被用作吸附劑，吸附廢水中的重金屬等[8]。

豆薯，別名沙葛、涼薯，原產于熱帶美洲，于17世紀末傳入中國[9]。豆薯營養成分豐富，是藥食同源的食物[10]。豆薯成熟塊根淀粉含量在24%左右，是極具開發價值的淀粉資源，因此豆薯可作為一種可持續作物以緩解全球人口對淀粉需求的壓力[11-12]。本實驗室前期研究發現豆薯淀粉顆粒呈現球體或多面體等形狀，顆粒直徑為3 μm～9 μm。豆薯淀粉糊化后淀粉糊透明度低于土豆淀粉，呈現弱凝膠狀態。豆薯淀粉中慢性消化淀粉和抗消化性淀粉含量相對較高，是一種低熱量食物資源[13]。為進一步開發和利用豆薯淀粉資源，本試驗采用超聲輔助復合酶法制備多孔淀粉，然后用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和比表面積及孔隙分析儀表征淀粉顆粒孔隙的表觀形貌和孔隙參數，用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）和 X-射線衍射技術（X-ray diffraction，XRD）對多孔淀粉進行熱力學分析和晶型結構表征，以期為后續豆薯多孔淀粉的研究與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆薯淀粉：福州大學食品與海洋生物資源研究所實驗室自制[13]；葵花籽油：上海佳格食品有限公司。

α-淀粉酶（35 μ/mg）：麥克林公司；淀粉葡萄糖苷酶（70 μ/mg）：西格瑪奧德里奇貿易有限公司；NaOH、Na2HPO4、檸檬酸（均為分析純）：西隴科學股份有限公司；亞甲基藍（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

場發射掃描電子顯微鏡（Nova NanoSEM230）：捷克FEI CZECH REPUBLIC S.R.O.公司；射線多晶衍射儀（Xpert3X）：美國CEM公司；差示掃描量熱儀（DSC214）：德國耐馳公司；比表面積及孔隙度分析儀（asap2460）：美國麥克公司；恒溫水浴搖床（YC-S30）：天津市泰斯特儀器有限公司；紫外可見分光光度計（UV-1100）：上海美譜達儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱（DHG-9140A）：上海精宏實驗設備有限公司；高速冷凍離心機（XZ-21K）：長沙湘智離心機儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豆薯多孔淀粉的制備

參考Qian等[14]的方法制備多孔淀粉。稱取一定量的豆薯淀粉，加入pH5.0磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液制成淀粉乳，在一定溫度下磁力攪拌預熱15 min。250 W超聲30 min后加入一定量的復合酶（α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的質量比為1∶5），恒溫水浴反應一定時間后，加入1%NaOH溶液結束反應。然后3 800 r/min離心10 min，棄去上清液，將沉淀水洗3次，50℃烘干備用。

1.3.2 單因素試驗優化制備工藝

以吸水率和多孔淀粉得率為制備多孔淀粉的指標，研究淀粉乳濃度、加酶量、酶解溫度和酶解時間4個因素的影響。初始試驗條件為淀粉乳濃度0.3g/mL、加酶量0.25%（質量分數）、酶解溫度50℃、酶解時間4 h。因素變化范圍分別為淀粉乳濃度0.1、0.2、0.3、0.4和 0.5 g/mL，加酶量 0.05%、0.10%、0.20%、0.25%和0.30%，酶解溫度40、45、50、55℃和60℃，酶解時間 3.0、3.5、4.0、4.5 h和5.0 h。多孔淀粉得率的計算公式如下。

式中：w1為多孔淀粉質量，g；w2為原淀粉質量，g。

參考Xu等[15]的方法測定吸水率。稱量并記錄空離心管質量（m1）。準確稱取一定質量的樣品（m）于2 mL離心管中，加入1mL蒸餾水，渦旋1min后靜置30min。在10 000 r/min離心10 min，吸出上清液，稱量沉淀及離心管總重（m2）。每個樣品做3個平行。吸水率的計算公式如下。

式中：m2為沉淀及離心管質量，g；m1為離心管質量，g；m 為樣品質量，g。

1.3.3 顆粒微觀形貌表征

原淀粉、多孔淀粉樣品于50℃烘箱干燥后，將其固定在樣品臺的導電膠上，用離子濺射儀對其進行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡于5.00 kV電壓下觀察淀粉顆粒形貌特征[16]。

1.3.4 比表面積及孔隙測定

將樣品在105℃真空脫氣脫水2 h，然后采用比表面積及孔隙度分析儀在液氮溫度（77.35 K）下進行N2-吸附脫附分析測定吸附等溫線，用BET方程計算比表面積，用BHJ法分析計算孔徑及孔徑分布[17]。

1.3.5 熱力學分析

參考Miao等[18]的方法研究淀粉的糊化行為。準確稱量0.003 0 g淀粉樣品（干基）置于鋁坩堝中，在鋁坩堝中加入純水溶液，使水與淀粉質量比達到3∶1，密封后于室溫下（25℃）平衡24 h，以空鋁坩堝為對照，并扣除基線，然后以升溫速率10℃/min，從30℃掃描升溫到100℃，測定淀粉糊化起始溫度TO，峰值溫度TP，終止糊化溫度TC以及糊化焓值ΔH。

1.3.6 結晶度分析

將淀粉樣品置于50℃烘箱干燥。X-射線衍射的特征射線是Cu-Kα，在電壓40 kV、電流40 mA、測量角度 2θ范圍為 5°～35°、步長 0.01、掃描速率 2°/min條件下測定。根據Yang等[19]的方法，使用MDI Jade6軟件計算相對結晶度。

1.3.7 吸附能力測試

1.3.7.1 吸油率測定

參考Xu等[15]的方法測定吸油率。稱量并記錄空離心管的質量（O1）。準確稱取一定質量的樣品（O）于2 mL離心管中，加入1 mL葵花籽油，渦旋1 min后靜置30 min。在10 000 r/min條件下離心10 min，吸出上清液，稱量沉淀及離心管總重（O2）。每個樣品重復測定3次。吸油率的計算公式如下。

式中：O2為沉淀及離心管質量，g；O1為離心管質量，g；O 為樣品質量，g。

1.3.7.2 吸水率測定

按照1.3.2方法測定原淀粉和多孔淀粉吸水率。

1.3.7.3 亞甲基藍吸附能力測定

亞甲基藍標準曲線的繪制：配制濃度為0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.010 mg/mL亞甲基藍標準溶液，于波長660 nm處測溶液吸光度。以亞甲基藍溶液濃度為橫坐標，溶液所測吸光度為縱坐標，繪制亞甲基藍標準曲線。

亞甲基藍吸附量的測定：準確稱取0.10g原淀粉、多孔淀粉樣品于100 mL錐形瓶中，加入10 mL 0.1 mg/mL亞甲基藍溶液，密封瓶口。然后在水浴溫度30℃、轉速130 r/min搖床中振搖2 h后，于10 000 r/min離心10 min，將上清液稀釋20倍，用分光光度計在660 nm處測其吸光度，計算亞甲基藍吸附量[20]。每個樣品重復測定3次。亞甲基藍吸附量計算公式如下。

式中：Q為淀粉樣品的亞甲基藍吸附量，mg/g；V為亞甲基藍溶液體積，mL；C0為亞甲基藍溶液起始質量濃度，mg/mL；Ct為吸附后的亞甲基藍溶液質量濃度，mg/g；m 為樣品質量，g。

1.3.8 數據處理與統計分析

采用SPSS 26.0軟件統計分析試驗數據，用Origin 2018和WPS Office 2019軟件繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

不同因素對豆薯多孔淀粉吸水率和得率的影響見圖1。

圖1 不同因素對豆薯多孔淀粉吸水率和得率的影響Fig.1 Effect of different factors on rate of water absorption and yield of Pachyrrhizus erosus porous starch

由圖1A可知，隨著淀粉乳濃度的增加，多孔淀粉的吸水率先上升后降低。在淀粉乳濃度為0.3 g/mL時，多孔淀粉的吸水率最高，此時的多孔淀粉得率也較高，所以選定0.3 g/mL為最終淀粉乳制備濃度。由圖1B可知，隨著加酶量從0.05%增加到0.30%，多孔淀粉的吸水率出現一定程度的波動。但是，在誤差允許的范圍內，總體吸水率相差不大。在加酶量為0.10%時，多孔淀粉得率最高，最終選擇0.10%加酶量為最終加酶量。由圖1C可知，隨著酶解溫度的升高，多孔淀粉的吸水率整體先上升后降低，分析可能是當酶解溫度小于或大于50℃時，抑制了酶的活性，淀粉酶的水解速率降低，致使淀粉顆粒孔隙較小，吸水率較低[21]。多孔淀粉在50℃時吸水率最高，且得率較高，因此確定50℃為最終的酶解溫度。由圖1D可知，隨著酶解時間的延長，多孔淀粉的吸水率先上升后下降。水解前期，淀粉顆粒的孔隙隨著水解時間的延長而變大，所以吸水率上升。在水解后期，因為過度水解導致孔隙過大引起淀粉顆粒結構坍塌，吸水率下降[22]。綜合試驗效率考慮，選擇4.0 h作為最終的酶解時間。

因此制備豆薯多孔淀粉的最優條件確定為淀粉乳濃度0.3 g/mL、加酶量0.10%、酶解溫度50℃、酶解時間4.0 h。

2.2 淀粉顆粒微觀形貌分析

淀粉顆粒改性前后的微觀形貌圖見圖2。

圖2 豆薯原淀粉與多孔淀粉的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of Pachyrrhizus erosus native starch and porous starch

由圖2可知，豆薯原淀粉顆粒多數呈橢球狀，小部分是多面體且表面出現凹陷。多孔淀粉顆粒表面出現大小適中且較為均一的孔隙。同時，部分多孔淀粉顆粒表面出現了破損，這可能是因為部分淀粉的水解程度較深，使淀粉顆粒部分表面孔洞較大，孔洞相連引起結構坍塌。Jia等[23]和Keeratiburana等[24]以玉米和大米為材料制備的多孔淀粉，孔隙較大且不均勻，可用于吸附益生菌、大分子物質等。而本文中用豆薯制備的多孔淀粉孔隙較小，且遍布于整個淀粉顆粒，更適合于吸附一些香氣物質或者重金屬。

2.3 比表面積及孔隙分析

豆薯原淀粉和多孔淀粉的微粒參數見表1。

表1 豆薯原淀粉和多孔淀粉的微粒參數Table 1 Particle parameters of native and porous starch of Pachyrrhizus erosus

由表1可知，多孔淀粉顆粒的BET比表面積、孔容、孔徑、總孔面積均大于原淀粉，表明用復合酶酶解無定形區域，使淀粉顆粒的孔隙增大，即復合酶法制備豆薯多孔淀粉是可行的試驗方案。而多孔淀粉的平均粒徑小于原淀粉，可能是因為加酶量較多，淀粉的水解程度較深，使淀粉顆粒部分表面孔洞較大，孔洞相連引起結構坍塌，致使淀粉顆粒出現破損，所以粒徑變小。圖2的結果也證實了此結論。按照孔徑大小的不同，多孔材料可以分為微孔材料（孔徑小于2 nm）、介孔材料（孔徑2 nm～50 nm）、大孔材料（孔徑大于50 nm）。豆薯多孔淀粉的孔徑為11.64 nm，所以豆薯多孔淀粉是介孔材料[25]。

2.4 X-射線衍射分析

豆薯原淀粉和多孔淀粉的X射線衍射圖譜見圖3。

圖3 豆薯原淀粉和多孔淀粉的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction spectrum of Pachyrrhizus erosus native starch and porous starch

淀粉的晶型可以根據X射線衍射圖譜的尖峰衍射特征峰分為A-型、B-型和C-型。豆薯原淀粉在15°、17°、23°附近有強的尖峰衍射特征峰，并且 17°和18°的衍射峰為相連的雙峰，在20°附近有很弱的衍射峰，這是典型的A-型淀粉晶型的X-射線衍射特征波譜，說明豆薯淀粉的晶型為A-型[26]。多孔淀粉與原淀粉相比，沒有出現新的衍射特征峰，并且峰值變化很小。說明用淀粉酶對豆薯淀粉進行處理并沒有改變淀粉的晶型，仍保持A-型。此結果與Jiang等[27]的報道結果一致。但是，多孔淀粉的尖峰衍射特征峰明顯比原淀粉陡峭，這表明淀粉水解作用點是在無定形區域，使得無定形區的比例下降，結晶區比例相應升高[21]。如圖3所示，多孔淀粉的相對結晶度為35.57%，比原淀粉29.52%的相對結晶度高，符合上述結論。

2.5 淀粉熱力學分析

豆薯原淀粉和多孔淀粉的熱性質參數結果見表2。

表2 豆薯原淀粉與多孔淀粉的熱性質參數Table 2 Thermal property parameters of native and porous starch of Pachyrrhizus erosus

豆薯原淀粉和多孔淀粉的DSC熱分析圖見圖4。

圖4 豆薯原淀粉和多孔淀粉的差示掃描量熱圖譜Fig.4 Differential scanning calorimetry spectra of Pachyrrhizus erosus native starch and porous starch

由圖4可知，多孔淀粉的初始糊化溫度TO、峰值糊化溫度TP、終止糊化溫度TC和糊化焓值ΔH均高于原淀粉，即多孔淀粉的熱吸收峰出現后移，此結果表明酶解處理提高了淀粉的熱穩定性。這是因為淀粉酶水解了無定形區域，無定形區域減少，結晶區比例增大，結晶度也因此變高。淀粉的結晶區域比例與糊化溫度成正比，所以說淀粉的熱穩定性得到提升[28]。

2.6 吸附能力分析

2.6.1 吸水率和吸油率分析

吸水率和吸油率分析見圖5。

圖5 豆薯原淀粉與多孔淀粉的吸水率和吸油率Fig.5 Rate of oil absorption and rate of water absorption of native and porous starch of Pachyrrhizus erosus

由圖5可知，豆薯多孔淀粉的吸水率和吸油率均大于原淀粉。多孔淀粉與原淀粉相比，多孔淀粉吸水率和吸油率分別提高了41.9%和24.1%。Nadaf等[29]制備的綠豆多孔淀粉，其吸水率和吸油率分別為126%、113%。相比原淀粉，吸水率和吸油率分別提高了21%和29%，與本試驗結果相近。

2.6.2 亞甲基藍吸附量

以亞甲基藍濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，得到亞甲基藍的標準曲線y=134.050 0+0.057 5x，R2=0.998 9。原淀粉和多孔淀粉的亞甲基藍吸附量分別是2.26 mg/g和4.38 mg/g，改性后提高了93.8%。張甲奇等[30]制備的大米多孔淀粉亞甲基藍吸附量為4.88 mg/g，改性后的酯化大米多孔淀粉吸附量為5.97 mg/g。淀粉經過酯化改性后，吸附能力會有所提高。因此可以考慮對豆薯淀粉酯化改性再用酶解處理。

3 結論

本文采用超聲輔助復合酶法制備豆薯多孔淀粉，并測定其理化性質、熱力學性能和吸附性能。單因素試驗結果表明，最佳制備條件為淀粉乳濃度0.3 g/mL、加酶量0.10%（α-淀粉酶與淀粉葡萄糖苷酶質量比為1∶5），酶解溫度50℃、酶解時間4.0 h。豆薯淀粉表面出現較為均一且適中的孔隙，少部分表面出現破損。豆薯淀粉的BET比表面積、孔容、孔徑、總孔面積增加。酶解處理后淀粉的晶型仍為A-型，但是相對結晶度有所提升。相對比原淀粉，多孔淀粉糊化溫度提高，結晶區域變大，熱穩定性上升。同時，多孔淀粉吸水率、吸油率和亞甲基藍吸附量均有所提高。