半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉工藝條件的優(yōu)化

周秀麗 李欣欣 馬浩元 崔 爽 張曉晨

(吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春 130000)

半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉工藝條件的優(yōu)化

周秀麗 李欣欣 馬浩元 崔 爽 張曉晨

(吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院，長春 130000)

研究半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的工藝條件。以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，淀粉吸油率為評價指標，考察反應溫度、加酶量、加水量和反應時間4個因素對蠟質(zhì)玉米微孔化的影響。結果表明蠟質(zhì)玉米微孔淀粉半干法制備的最佳工藝條件為反應溫度51 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量32%，反應時間11.75 h，在該條件下制得的微孔淀粉的吸油率為13.54%。研究得出了半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的最佳工藝參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考數(shù)據(jù)。

半干法 蠟質(zhì)玉米 微孔淀粉 吸油率 制備工藝

微孔淀粉(microporous starch)是一種新型的變性淀粉，是將天然淀粉在水解處理以后形成蜂窩狀多孔性的淀粉顆粒[1]。其表面小孔直徑為1μm 左右，孔的容積占顆粒體積的 50%左右[2,3]。與天然淀粉相比有較大的比表面積以及良好的吸附能力[4]，與其他吸附劑相比具有來源廣泛、價格低廉，安全無毒，可生物降解等諸多優(yōu)點[5-9]，可被用作微膠囊芯材[10]、吸附載體[11-13]、包埋劑[14-16]、脂肪替代物[17]等，被廣泛應用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、化妝品和食品工業(yè)[18-20]。

蠟質(zhì)玉米發(fā)源于我國，后被引入美國，進而走向世界。蠟質(zhì)玉米淀粉是一個特殊種類的淀粉，其支鏈淀粉含量占總淀粉含量的95%以上。由于其特殊性能，在國際市場上占據(jù)越來越大的份額，我國蠟質(zhì)玉米雖然資源豐富，但相關研究卻剛剛起步[21-23]。微孔淀粉的工業(yè)生產(chǎn)以濕法為主，濕法生產(chǎn)設備簡單、反應均勻，但會造成水資源的嚴重浪費，污染后的處理費用也不可小覷，且僅適用于制備低取代度產(chǎn)品；干法生產(chǎn)雖然工藝簡單，無需后處理，但對設備要求極高，且僅適用于制備高取代度產(chǎn)品；本研究所用的半干法生產(chǎn)不僅兼具濕法與干法的優(yōu)點，而且高、低取代度的產(chǎn)品均適宜用此法制備。以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，選取反應溫度、加酶量、加水量和反應時間4個影響因素作為研究對象，以蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率做為評價指標進行了研究，以確定半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的最佳工藝參數(shù)，旨在為半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉提供理論依據(jù)，推動蠟質(zhì)玉米微孔淀粉工業(yè)的發(fā)展，同時改善水資源的污染浪費現(xiàn)象。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蠟質(zhì)玉米淀粉:山西冠臻淀粉制品有限公司；α-淀粉酶(活力單位≥3 700 U/g):北京奧博星生物科技有限責任公司；糖化酶(活力單位≥10萬U/g):上海源葉生物科技有限公司；花生油:青島品品好糧油有限公司。

1.2 儀器與設備

MB-KLX 型生物光學顯微鏡：重慶光電儀器有限公司；EVO18 鎢燈絲掃描電子顯微鏡:德國卡爾蔡司公司。

1.3 方法

1.3.1 蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的制備

稱取5 g蠟質(zhì)玉米淀粉于燒杯中，加入1mL 2%的鹽酸溶液和一定量的水，混合均勻，50 ℃恒溫預熱約20 min，同時進行攪拌。用飽和的碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)pH，精確稱取定量糖化酶、α-淀粉酶復合酶并加入緩沖液(醋酸—醋酸鈉緩沖液)制為酶液，取一定量制得的酶液加入預處理后的淀粉中并進行適當?shù)臄嚢?。反應一段時間后，用5%的NaOH溶液調(diào)至pH 9.0，10 min后用2%的鹽酸調(diào)至pH 7.0。將反應物在4 000 r/min下離心10 min，上清除去，底物用蒸餾水洗滌并離心，重復操作3次。將底物置于恒溫干燥箱中干燥至恒重，粉碎，即得到蠟質(zhì)玉米微孔淀粉。

1.3.2 吸油率的測定

稱取1 g制得的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉，加入10 mL花生油并用磁力攪拌器攪拌混合30 min，然后用布氏漏斗真空抽濾，直至無油滴滴下為止。最后稱量抽濾后的微孔淀粉的質(zhì)量，根據(jù)吸油前后微孔淀粉質(zhì)量之差與吸油前微孔淀粉質(zhì)量之比即可計算出吸油率[24]。

1.3.3 單因素試驗

以吸油率作為多孔淀粉吸附性能指標，考察了影響多孔淀粉吸附性能的多個因素，包括反應溫度、酶用量、加水量、pH 以及反應時間5個因素。

在加酶量為加酶量1 685 U/g，加水量35%，反應pH 5.0，反應時間為12 h的條件下，分別測定38、42、46、50、54 ℃下制備的微孔淀粉吸油率，研究反應溫度對微孔淀粉吸油率的影響，確定最佳反應溫度；在反應溫度為50 ℃，加水量35%，反應pH 5.0，反應時間為12 h的條件下，分別測定加酶量為1 011、1 348、1 685、2 022、2 359 U/g制備的微孔淀粉吸油率，研究加酶量對微孔淀粉吸油率的影響，確定最佳加酶量；在反應溫度為50 ℃，加酶量1 685 U/g，反應pH 5.0，反應時間為12 h的條件下，分別測定加水量為27%、29%、31%、33%、35%、37%、39%制備的微孔淀粉吸油率，研究加水量對微孔淀粉吸油率的影響，確定最佳加水量；在反應溫度為50 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量35%，反應時間為12 h的條件下，分別測定加pH為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0時制備的微孔淀粉吸油率，研究pH對微孔淀粉吸油率的影響，確定最佳pH；在反應溫度為50 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量35%，反應pH 5.0，的條件下，分別測定反應10、11、12、13、14 h時制備的微孔淀粉吸油率，研究反應時間對微孔淀粉吸油率的影響，確定最合適的反應時間。

2 結果與分析

2.1 反應條件對吸附性能的影響

2.1.1 反應溫度對吸油率的影響

在加酶量、加水量、反應pH、反應時間一定的條件下，反應溫度對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響見圖1。

圖1 反應溫度對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響

由圖1可知，隨著反應溫度的升高，微孔淀粉吸油率呈先上升后下降的趨勢。其中50 ℃時，吸油率最高，而50 ℃后，吸油率呈現(xiàn)出隨著溫度的升高而下降的趨勢，其原因是反應溫度超過了酶活性的最適溫度，導致酶的活力降低。因此，確定反應的最適溫度為50 ℃。

2.1.2 加酶量對吸油率的影響

在反應溫度、加水量、反應pH、反應時間一定的條件下，加酶量對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響見圖2。

圖2 加酶量對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響

由圖2可知，隨著加酶量的提高，微孔淀粉吸油率先上升，隨后緩慢增加，當達到一定程度后開始下降，最后急劇下降。其原因是由于隨著淀粉的水解微孔逐漸增多，當孔徑和孔深達到一定程度后，如繼續(xù)水解，已形成的微孔就會坍塌，導致淀粉的吸附能力逐漸降低。因此，確定最佳的加酶量為1 348 U/g。

2.1.3 加水量對吸油率的影響

在反應溫度、加酶量、反應pH、反應時間一定的條件下，加水量對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響見圖3。

由圖3可知，隨著加水量的增加，微孔淀粉吸油率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但下降的相當緩慢。當加水量為31%時，吸油率達到最大。其原因可能是當加水量低時，底物量濃度較大，溶劑的量不足，超出酶的最適底物濃度，導致淀粉水解不完全，吸油率低；隨著加水量的增加，底物濃度的逐漸降低，酶與底物的接觸機會就越來越大，水解率提高，吸油率提高；但加水量繼續(xù)增加，底物濃度降低，淀粉與酶接觸的機會減少，不利于淀粉的水解，使得吸油率降低。因此，最佳的加水量為31%。

圖3 加水量對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響

2.1.4 pH對吸油率的影響

在反應溫度、加水量、加酶量、反應時間一定的條件下，反應pH對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響見圖4。

圖4 pH對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響

由圖4可知，隨著pH的增大，微孔淀粉吸油率呈先上升后下降的趨勢。其中，在pH為5時，微孔淀粉吸油率達到最大，酶活性最高，因此，2種酶的最適反應pH為5。

2.1.5 反應時間對吸油率的影響

在反應溫度、加水量、加酶量、反應pH一定的條件下，反應時間對蠟質(zhì)玉米微孔淀粉吸油率的影響見圖5。

由圖5可知，隨著反應時間的延長，微孔淀粉的吸油率逐漸上升，之后出現(xiàn)下降的趨勢，其中13 h時吸油率最大。但通過普通光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察(見圖6)，超過12 h后出現(xiàn)嚴重坍塌現(xiàn)象。其原因可能是在0～12 h內(nèi)，隨著水解的進行，淀粉顆粒表面逐漸形成微孔，孔徑和孔深也逐漸增大，吸油率逐漸上升；當超過12 h后，隨著水解的繼續(xù)，淀粉的微孔結構被破壞，吸附能力降低，最后微孔結構發(fā)生坍塌。因此，雖然13 h時吸油率最大，為保證淀粉結構完整，確定最佳的反應時間為12 h。

2.2 蠟質(zhì)玉米微孔淀粉制備工藝的正交試驗設計

根據(jù)單因素試驗，由于pH主要影響酶的活性，故確定pH為5.0，選取加水量、反應溫度、反應時間、加酶量為考察因素，吸油率作為評價指標，采用四因素五水平L36(45)正交表進行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，因素水平編碼如表1。

表1 正交試驗因素水平編碼表

表2 正交試驗結果

表3 試驗結果方差分析表

注：**為高度顯著，P< 0.001；*為顯著，P< 0.01；[*]為有影響，P< 0.10。

運用DPS(Data Processing System)數(shù)據(jù)處理軟件對這36個試驗點的指標值進行回歸分析，得到以吸水率為目標函數(shù)的二次回歸方程為：Y= 12.918 33+0.411 67X1+ 0.465 00X2+0.443 33X3+0.165 83X4-0.39104X12-0.291 04X22-0.136 04X32-0.184 79X42+0.032 50X1X2-0.005 00X1X3-0.012 50X1X4-0.070 00X2X3+ 0.162 50X2X4-0.220 00X3X4

為了檢驗方程的有效性，對回歸方程模型進行方差分析，結果見表3。

可以看出，回歸方程失擬檢驗不顯著(F1=2.150 52，P>0.05) ，說明未知因素對試驗結果的干擾很小，即回歸方程對試驗點擬合較好?；貧w模型顯著(F2=9.284 21，P<0.01)，模型擬合程度較好，試驗誤差較小，可用該回歸方程代替試驗真實點對半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的吸油率進行分析和預測。通過對回歸系數(shù)的檢驗可知，各因素對半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的吸油率影響的大小順序為：溫度>加酶量>加水量>pH。

α=0.10顯著水平剔除不顯著項后,簡化后的回歸方程:

Y=12.92 + 0.41X1+ 0.46X2+ 0.44X3+ 0.17X4- 0.39X12- 0.29X22- 0.14X32- 0.18X42- 0.22X3X4

根據(jù)回歸模型分析結果，半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉優(yōu)化工藝條件：反應溫度51 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量32%，反應時間11.75 h，在該條件下制得的微孔淀粉的吸油率為13.54%。為了證實預測結果，在此工藝條件下制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉。重復試驗3次，平均吸油率為13.49%，與理論預測值得相對誤差為0.37%，說明該方程與實際情況可以很好的擬合，充分驗證了該模型的可靠性，說明二次旋轉(zhuǎn)組合正交試驗法優(yōu)化得到的半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的工藝參數(shù)準確可靠，具有實用價值。

3 結論

3.1 半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉工藝參數(shù)的回歸方程為：Y=12.92 + 0.41X1+ 0.46X2+ 0.44X3+ 0.17X4- 0.39X12- 0.29X22- 0.14X32- 0.18X42- 0.22X3X4?；貧w方程失擬檢驗并不顯著，說明未知試驗因素對試驗結果的干擾非常小。而回歸模型顯著，說明模型擬合程度較好，試驗誤差較小，可以用該方程代替試驗真實點對半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的吸油率進行預測和分析。通過對回歸系數(shù)的檢驗可知，各因素對半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的吸油率影響的大小順序為：溫度>加酶量>加水量>pH。

3.2 根據(jù)對回歸模型的分析，半干法制備蠟質(zhì)玉米微孔淀粉工藝條件：反應溫度51 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量32%，反應時間11.75 h，在該條件下制得的微孔淀粉的吸油率為13.54%。

3.3 原蠟質(zhì)玉米淀粉的吸油率為1.18%，在此工藝條件下制得的蠟質(zhì)玉米微孔淀粉的吸油率為13.54%，是原蠟質(zhì)玉米淀粉吸油率的11.432 2 倍。由于半干法含水量少，反應體系可能分布不均勻。因此，通過超聲、微波等方法對淀粉進行預處理及利用水溫超聲處理的方法制備微孔淀粉，以縮短水解時間、提高微孔淀粉的吸油率，是下一步的研究目標。

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Optimization of Half-Dry Preparation of Microporous Waxy Corn Starch

Zhou Xiuli Li Xinxin Ma Haoyuan Cui Shuang Zhang Xiaochen

(School of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130000)

The process of using Half-dry to prepare microporous waxy corn starch has been studied in this paper. Waxy corn starch has been utilized as raw materials, as well as the oil absorption as a measure of index, the effects of the reaction temperature, quantity of enzyme, quantity of water and reaction time of microporous waxy corn starch have been investigated. The experimental results showed that the optimal technological conditions were as follows: reaction temperature 51 ℃, the quantity of enzyme 1 685 U/g, the quantity of water 32%, the reaction time 11.75 h. On the optimized process conditions, the oil adsorption rate of microporous waxy corn starch could be 13.54%.The optimum technological parameters for preparing microporous waxy corn starch by Half-dry method were established finally to provide a basic reference data for commercial process of industrial production

half-dry method, waxy corn starch, microporous starch, oil absorption rate, preparation craft

TS235.1

A

1003-0174(2016)03-0037-06

吉林大學大學生創(chuàng)新性試驗計劃(2013B45156)

2014-07-14

周秀麗，女，1992年出生，本科，食品質(zhì)量與安全

李欣欣，女，1964年出生，副教授，食品加工保藏與新技術、生物降解材料、食品質(zhì)量和安全