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酶法制备马铃薯微孔淀粉的工艺优化
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微孔淀粉是具有生淀粉酶活力的酶在低于糊化温度下作用于生淀粉而形成的多孔性蜂窝状产物。与天然淀粉相比，其具有较大的比孔容、比表面积，低的堆积密度、颗粒密度及良好的吸水、吸油、分散等优良性能，这是因为其表面布满直径为1μm左右小孔，小孔由表面向中心深入。可作为微胶囊芯材、吸附剂、包埋剂及脂肪替代物等[1,2]。 一般认为微孔淀粉可应用于以下领域：在医药上作为片剂的基体材料，将药剂吸附在淀粉孔中，可徐缓释放药剂和防止药剂散失，提高其使用效果；在农业上可用作杀虫剂、除草剂载体，延长农药有效期；在食品工业上可作为油脂、脂溶性维生素、保健物质和色素等包埋剂，减少其在食品储藏期损失，还可作为粉末油脂、脂肪替代物原料。因此，研究微孔淀粉，不仅能推动我国变性淀粉行业的发展，更能为医药、食品、化妆品等行业提供廉价工业原料[3,4]。 考虑到制备微孔淀粉的方法通常为酶水解法，且国内目前只有单一酶制备微孔淀粉，对于复合酶制备微孔淀粉较少报道[5]，而对于马铃薯淀粉为原料的微孔淀粉制备工艺尚未见报道。基于此，本课题通过考察水解率指标，研究不同生淀粉酶复合、酶的用量、反应时间、pH值、反应温度等酶解条件对马铃薯微孔淀粉形成的影响，研究结果可为微孔淀粉的生产和实际工业化应用提供理论依据。 1实验材料与方法 1.1实验材料和设备 1.1.1实验材料 马铃薯淀粉：河南东方淀粉开发公司提供；糖化酶，α－淀粉酶：购自上海新华酶制剂厂；大豆色拉油：河南郑州油脂有限责任公司。 1.1.2实验试剂 磷酸氢二钠、柠檬酸、氢氧化钠、苯酚、硫酸等均为分析纯。 1.2.3实验仪器（略） 1.2实验方法 1.2.1微孔淀粉制备的工艺流程及方法 淀粉→酶解→灭酶→抽滤→洗涤→干燥→粉碎→微孔淀粉 称取15g淀粉(干基)置于500mL反应瓶中，加入一定pH值的磷酸氢二钠一柠檬酸缓冲液100mL调浆，置于一定温度的恒温水浴锅中预热10min。精确称取一定量的淀粉酶，用缓冲液配成酶液，将酶液全部转移到淀粉悬浮液中并准确计时。搅拌反应一定时间后，加入4%的氢氧化钠5mL中止反应，经G2砂芯漏斗抽滤，再用蒸馏水洗涤、抽干3次，置40℃真空干燥箱中干燥至恒重，粉碎，过筛，即得微孔淀粉制品。 1.2.1水解率的测定 水解生成的还原糖占原淀粉的质量比，还原糖量用苯酚－硫酸法测定。 1.2.3生淀粉酶活力测定 3, 5－二硝基水杨酸(DNS)法。 1.2.4吸水、吸油率的测定 微孔淀粉所吸收的水或色拉油占微孔淀粉的质量比。将微孔淀粉与水或色拉油混合搅拌30min，转入G2砂芯漏斗中，用循环水真空泵抽滤，直至无水或油滴滴下。根据前后的样品质量差计算吸水、吸油率。 2结果与讨论 2.1生淀粉酶的活力测定 淀粉酶、糖化酶按照1.2.3右的方法测定了生淀粉酶活力，结果见表1。 2.2生淀粉酶配比的影晌[6] 由于α－淀粉酶是内切α－1,4糖苷键，糖化酶是从非还原端外切α－1,4糖苷键和α－1,6糖苷键，前者可将外露的淀粉糖链内切，内切后糖链出现一个非还原端，有利于葡萄糖淀粉酶水解淀粉。因此上述结果选用α－淀粉酶和糖化酶来复合处理制备微孔淀粉。两者按一定的比例加入，并为水解率指标三确定复合酶的最佳配比，结果如表2所示。 由表2可知α－淀粉酶和糖化酶的配比为1：3时，两者协同作用制备的微孔淀粉的效果较好，因此就选用1：3来作为复合酶的配比。 2.3酶用量的影响 图01 酶用量对微孔淀粉制备的形响 由图1可知，酶浓度对酶解反应有明显的影响，即当酶浓度很低时，并不是所有的底物与酶结合，此时随着酶用量的加大，同一时刻被水解的淀粉增多，酶解速度加快，当所有的底物与酶结合后，增加酶用量对酶解速度影响不大。所以综合考虑生产成本等各方面因素初步确定单因素最佳酶用量为2%。 2.4时间的影晌 图2反映水解率与反应时间大致成正比关系，这是由于搪化酶是外切型淀粉酶，从非还原末端开始，它可以外切淀粉的α－1，4糖苷键和α－1,6糖苷键，α－淀粉酶是内切型淀粉酶，从淀粉分子内部任意切开α－1,4糖苷键，使淀粉分子降解并能更好被糖化酶作用。两种酶复合作用水解淀粉先从颗粒表面开始，在颗粒表面形成很多小孔，还原糖的量就会升高[7]。但是随着水解的进一步加深，表面具有良好小孔的淀粉颗粒就会崩溃，被分解成更小的颗粒，或者是完全水解成为葡萄糖，故可确定最佳时间为 24h。 2.5pH值的影晌 图3 pH值对微孔淀粉制备的影响 由于α－淀粉酶作用的最适pH值为5.0-5.5,葡萄糖淀粉酶作用最适pH值为4.0-4.5之间。在此pH范围内，单酶与底物结合效果好，水解效率较高。由图3可知，反应pH值在4.5，水解率最大，pH值高于或低于4.5水解率均降低，复合酶的适宜pH值为4.5。 2.6温度的影晌 图4温度对微孔淀粉的形响 由图4可知，低温时酶反应速率较低，随着温度的升高(低于淀粉糊化温度)，酶的活性增强和淀粉颗粒吸水溶胀后易被酶作用使反应速率加快，在40℃时，淀粉的水解率较高，温度继续升高，淀粉易糊化和酶失活。所以酶解的最适温度范围在40℃左右。 2.7最佳酶解条件的确定 根据上述各酶解条件影响因素的所得结果基础上，确定了酶用量、时间、pH值、温度作为对酶解制备微孔淀粉的影响最大，采用四因素三水平L9(34)的正交实验，以水解率为指标确定最佳酶解条件，见表3。 表3 正交实验结果及分析表 实验号 用量/% 时间/ h pH 温度/℃ 水解率/％ 1 1（1.8） 1（20） 1（4.2） 1（38） 2 1 2（24） 2（4.5） 2（40） 3 1 3（28） 3（4.8） 3（42） 4 2（2.0） 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3（2.2） 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 Ｋ K1 K2 K3 R 146.8 159.15 83.49 75.66 164.28 129.01 138.55 35.27 152.34 142.85 136.65 15.69 144.31 135.73 151.80 16.07 由表3可知，根各因素影响极差大小的主次顺序为A>B>D>C，即酶用量对产品制备影响最大，时间其次，pH值和温度对产品制备影响较小。同时得到酶解条件最优组合为A2B1 D3C1，即酶用量2.0%，时间20h，温度42℃,pH值4.2。 2.8吸水率和吸油率的测定 表4不同淀粉吸水率和吸油率的测定结果 名称 马铃薯原淀粉 马铃薯微孔淀粉 吸水率/% 51.23 108.56 吸油率/ 37.47 96.04 由表4可以得出，马铃薯微孔淀粉的吸水率和吸油率均远大于原马铃薯淀粉，这是原淀粉酶解后形成微孔状结构后，有一定的孔容，同时比表面积增大，因此吸水率和吸油率能直接反映微孔性能。 3结论 制备微孔淀粉的生淀粉酶选用α－淀粉酶和糖化酶复合(配比为3：1)，通过试验优化确定酶解工艺条件：酶用量2.0%，时间20h,温度42℃, pH值4.2。由吸水吸油率测试表明：微孔淀粉颗粒吸水吸油能力明显大于原淀粉。 参考文献 [1]张力田.变性淀粉[M].广州:华南理工大学版社,1992,13-18，199-209. [2]刘亚伟.淀粉生产及其深加工技术[M].北京:中国轻工业出版社,2001.163-164. [3]张友松.变性淀粉生产与应用手册[M].北京,中国轻工业出版社,2001.352-355. [4] Jingan Zhao, Michael A, Madson, et al. Cavities in Porous Corn Starch Provide a large Storage Space[J]. Cereal Chemistry, 1996, 73(3)：379-380. [5]Tetsuya Yamada, Makoto Hisamatsu, Katsunori Teranishi, et al.Components of the Porous Maize Starch Granule Prepared by Amylase Treatment, starch/Starke, 1995,47(9)： 358-361. [6]姚卫蓉，姚惠源.微孔淀粉的研究I：酶和原料粒度对形成微孔淀粉的影响[J].中国粮油学报，2001, 16(1)：36-38. [7]Niemena C. Mechanical modification of native and porous starches by milling for utilization as fat mimics. Part I：properties of native starches after dry milling[J].Starch,1996, (10)：358-369. |
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