酶法、酸法制備碎米多孔淀粉工藝研究及其比較

李 瑩，王澤南*，鄧 偉，姜 雨，劉 鵬，張秋子，吳紅引

(合肥工業(yè)大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009)

酶法、酸法制備碎米多孔淀粉工藝研究及其比較

李 瑩，王澤南*，鄧 偉，姜 雨，劉 鵬，張秋子，吳紅引

(合肥工業(yè)大學生物與食品工程學院，安徽 合肥 230009)

以碎米為原料，分別采用酶法、酸法制備多孔淀粉，通過單因素和正交試驗，得到兩種方法制備碎米多孔淀粉的最佳工藝條件，酶法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1(mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解溫度60℃、酶解時間7h；酸法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1(mL/g)、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解溫度35℃、酸解時間6h。經(jīng)比較酶法比酸法制得的多孔淀粉吸油率高13.3%。運用掃描電子顯微鏡對多孔淀粉的顆粒形態(tài)進行比較，結(jié)果表明酶法比酸法制得的多孔淀粉出孔率高、孔徑大、孔穴深。

多孔淀粉；碎米；酶解；酸解；吸油率

碎米為大米加工過程中的副產(chǎn)品，其主要成分與整米大體相同，含有7 5%左右的淀粉[1]。多孔淀粉(microporous starch)又稱微孔淀粉，是由天然淀粉經(jīng)酶或酸處理后形成的一種具有蜂窩狀小孔的多孔性淀粉。其表面所具有的多個向中心延伸的微孔，使淀粉材料具有特殊的吸附性能[2]。多孔淀粉的研究主要集中在日本、美國，涉及研究內(nèi)容為多孔淀粉制備、應用及改性等，在我國生產(chǎn)與應用尚處于起步階段[3]。目前，多孔淀粉的生產(chǎn)多以玉米淀粉、木薯淀粉為主，以碎米為原料的研究報道較少。本實驗對酶解、酸解兩種不同方法制備碎米多孔淀粉的加工工藝進行研究，并通過掃描電子顯微鏡觀察多孔淀粉的顆粒形態(tài)，從而獲取最佳的加工方法和工藝條件，為碎米資源綜合利用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

金龍魚大豆油；雜交稻碎米 蕪湖市東源新農(nóng)村開發(fā)股份有限公司；中性蛋白酶(酶活力20萬U/g)、α-淀粉酶(酶活力4600U/g) 北京奧博星生物技術有限責任公司；鹽酸、乙酸、無水乙酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉(均為分析純)。

1.2 儀器與設備

PHS-25B型數(shù)字酸度計 上海大譜儀器有限公司；CT15RT型冷凍離心機 上海天美科學儀器有限公司；JSM-6700F掃描電子顯微鏡 日本電子公司。

1.3 方法

1.3.1 碎米多孔淀粉生產(chǎn)工藝流程

碎米→碎米淀粉→過篩→酶(酸)解→水浴加熱→終止反應→離心→洗滌→烘干→粉碎→多孔淀粉

1.3.2 操作要點

碎米淀粉的制備：將碎米粉碎，過8 0目篩，以液料比4:1(mL/g)、加酶量800U/g、pH7.0于50℃反應5h，加入1mol/L的NaOH溶液終止反應，反應液以5000r/ min離心10min，去除上層黑黃色雜質(zhì)及上清液，重復3遍，直至無暗色上層，沉淀于45℃烘干即得碎米淀粉[4]，所制淀粉純度為97.6%。

酶法制備多孔淀粉：稱取25g碎米淀粉于錐形瓶中，加入HAc-NaAc緩沖液和α-淀粉酶，pH值調(diào)至中性，置于水浴鍋中加熱，反應一定時間后，加入1mol/L的NaOH溶液0.5mL終止反應，反應液以5000r/ min離心10min，沉淀用蒸餾水充分洗滌， 45℃烘干[5-7]。

酸法制備多孔淀粉：稱取25g碎米淀粉于錐形瓶中，加入HCl溶液，置于水浴鍋中加熱，反應一定時間后，用飽和碳酸鈉溶液中和HCl，反應液以5000r/min離心10min，沉淀用蒸餾水充分洗滌，45℃烘干[8-10]。1.3.3酶法制備多孔淀粉的優(yōu)化

以吸油率作為多孔淀粉制備效果的評價指標，分別選取液料比、加酶量、p H值、酶解溫度、酶解時間5個因素進行單因素試驗，在此基礎上進行正交試驗，確定最佳工藝條件。每個實驗重復3次，取平均值。初始實驗條件為液料比4:1(mL/g)、加酶量13.8U/g、pH6.0、酶解溫度50℃、酶解時間5h。后續(xù)實驗依次將前因素的優(yōu)化值代入。

1.3.4 酸法制備多孔淀粉的優(yōu)化

以吸油率作為多孔淀粉制備效果的評價指標，分別選取液料比、鹽酸濃度、酸解溫度、酸解時間4個因素進行單因素試驗，在此基礎上進行正交試驗，確定最佳工藝條件。每個試驗重復3次，取平均值。初始實驗條件為液料比4:1(mL/g)、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解溫度40℃、酸解時間6h。后續(xù)實驗依次將前因素的優(yōu)化值代入。

1.3.5 檢測方法

1.3.5.1 吸油率的測定

精確稱取多孔淀粉1.000g，記為m1，恒溫下與5mL的大豆油混合攪拌30min，置于已知質(zhì)量m0的砂芯漏斗中抽濾，直至沒有油滴滴下，準確稱取吸附了油的多孔淀粉及砂芯漏斗質(zhì)量，記為m2。根據(jù)砂芯漏斗前后質(zhì)量差，計算吸油率。

1.3.5.2 多孔淀粉顆粒形態(tài)測定

采用掃描電子顯微鏡觀測[11]。

將雙面膠貼于掃描電子顯微鏡的載物臺上，沾取少量干燥后的多孔淀粉樣品在雙面膠上涂抹均勻。將載物臺放入鍍金儀器中，用離子濺射鍍膜儀將樣品噴碳鍍金，2h后將載物臺取出放入掃描電鏡中觀察即可，電子槍加速電壓5.0kV，不同放大倍數(shù)下觀察淀粉的顆粒形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 酶法制備多孔淀粉單因素及正交試驗

2.1.1 液料比對吸油率的影響

圖1 液料比對吸油率的影響Fig.1 Effect of liquid to solid ratio in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖1可知，吸油率呈先增后減趨勢，當液料比為4:1時，吸油率最高。但是液料比對吸油率的影響并不顯著，因此不將這一因素代入正交試驗。

2.1.2 加酶量對吸油率的影響

圖2 加酶量對吸油率的影響Fig.2 Effect of enzyme in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖2可知，吸油率呈先增后減趨勢，當加酶量為18.4U/g時，吸油率最高，故選擇18.4U/g為最佳，代入正交試驗。

2.1.3 pH值對吸油率的影響

由圖3可知，吸油率呈先增后減趨勢，當pH值為6.5時，吸油率最高，因此，選擇pH值6.5左右為最佳，代入正交試驗。

圖3 pH值對吸油率的影響Fig.3 Effect of pH in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

2.1.4 酶解時間對吸油率的影響

圖4 酶解時間對吸油率的影響Fig.4 Effect of reaction time in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖4可知，吸油率呈先增后減趨勢，當反應時間為6h時，吸油率最高，因此，選擇6h左右為最佳，代入正交試驗。

2.1.5 酶解溫度對吸油率的影響

圖5 酶解溫度對吸油率的影響Fig.5 Effect of reaction temperature in enzymatic hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖5可知，吸油率呈先增后減趨勢，當酶解溫度為60℃的時候，吸油率最高，故選擇60℃左右為最佳，代入正交試驗。

2.1.6 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，選用L9(34)正交試驗考察加酶量、p H值、酶解時間、酶解溫度4個因素對吸油率的影響。酶法制備多孔淀粉正交試驗設計及結(jié)果見表1。

表1 酶法制備多孔淀粉正交試驗設計及結(jié)果Table1 Experimental design and results of orthogonal experiment for enzymatic hydrolysis

由表1極差分析可知，4個因素對吸油率影響的主次順序為D(酶解溫度)＞A(加酶量)＞B(pH值)＞C(酶解時間)；最佳組合為D2A3B3C2。而評價指標顯示7號組D2A3B3C1的吸油率為71.4%。通過驗證試驗，測得D2A3B3C2的吸油率為75.8%，高于D2A3B3C1，故確定D2A3B3C2為最佳組合。綜上，酶法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1(mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解溫度60℃、酶解時間7h。

2.2 酸法制備多孔淀粉單因素及正交試驗結(jié)果

2.2.1 液料比對吸油率的影響

圖6 液料比對吸油率的影響Fig.6 Effect of liquid to solid ratio in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖6可知，吸油率呈先增后減趨勢，當液料比為4:1的時候吸油率達到最大。但是液料比對吸油率的影響并不顯著，因此不將這一因素代入正交試驗。

2.2.2 鹽酸濃度對吸油率的影響

由圖7可知，吸油率呈先增后減趨勢，當鹽酸濃度為0.4mol/L的時候，吸油率達到最高值，因此選取0.4mol/L左右為最佳，代入正交試驗。

圖7 鹽酸濃度對吸油率的影響Fig.7 Effect of acid in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

2.2.3 酸解溫度對吸油率的影響

圖8 酸解溫度對吸油率的影響Fig.8 Effect of reaction temperature in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖8可知，吸油率呈先增后減趨勢，當酸解溫度為的時候，吸油率達到最高值，因此可選擇40℃左右為最佳，代入正交試驗。

2.2.4 酸解時間對吸油率的影響

圖9 酸解時間對吸油率的影響Fig.9 Effect of reaction time in acid hydrolysis on oil absorption ratio of the microporous starch

由圖9可知，吸油率呈先增后減趨勢，吸油率達到最高值，因此選擇6h左右為最佳，代入正交試驗。

2.2.5 正交試驗

在單因素試驗的基礎上，選用L9(34)正交試驗考察鹽酸濃度、酸解時間、酸解溫度3個因素對吸油率的影響。酸法制備多孔淀粉正交試驗設計及結(jié)果見表2。

表2 酸法制備多孔淀粉正交試驗設計及結(jié)果Table2 Experimental design and results of orthogonal experiment for acid hydrolysis

從表2極差分析可知，3個因素對吸油率影響的主次順序為D(酸解時間)＞B(酸解溫度)＞A(鹽酸濃度)，最佳組合為A2B1C2D3。A2B1C2D3恰為評價指標中的最優(yōu)組合4號組，其吸油率為62.5%，因此無需進行驗證實驗。綜上，酸法制備碎米多孔淀粉的最佳工藝條件為液料比4:1、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解時間6h、酸解溫度35℃。

2.3 掃描電子顯微鏡檢測

圖10 掃描電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.10 SEM image of the microporous starch granule surface from enzymatic and acid hydrolysis

由圖10可見，在放大倍數(shù)均為50000倍的條件下，原淀粉表面無孔，酶法、酸法制備的多孔淀粉均出現(xiàn)微孔結(jié)構；酶法和酸法制得的多孔淀粉均保持了原淀粉的顆粒形態(tài)；前者比后者出孔率高、微孔半徑大且孔穴結(jié)構深。

3 結(jié) 論

3.1 酶法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1 (mL/g)、加酶量23.0U/g、pH7.0、酶解溫度60℃、酶解時間7h，此條件下制備的多孔淀粉吸油率為75.8%。3.2酸法制備碎米多孔淀粉最佳工藝條件為液料比4:1 (mL/g)、鹽酸濃度0.4mol/L、酸解溫度35℃、酸解時間6h，此條件下制備的多孔淀粉吸油率為62.5%。酶法碎米多孔淀粉比酸法多孔淀粉的吸油率高。

3.3 掃描電子顯微鏡觀測結(jié)果顯示：酶法和酸法制得的多孔淀粉均保持了原淀粉的顆粒形態(tài)；前者比后者出孔率高、孔徑大、孔穴深。

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Use of Enzymatic or Acid Hydrolysis for Preparation of Microporous Starch from Broken Rice

LI Ying，WANG Ze-nan*，DENG Wei，JIANG Yu，LIU Peng，ZHANG Qiu-zi，WU Hong-yin
(School of Biotechnology and Food Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Micorporous starch was prepared from broken rice by using enzymatic or acid hydrolysis. The optimum technological conditions were obtained by single factor test and the following orthogonal experiment. The optimum conditions for enzymatic hydrolysis method were as follows: liquid to solid ratio 4:1, enzyme dosage 23.0 U/g, pH 7.0, temperature 60 ℃, time 7 h. The optimum conditions for acid hydrolysis were as follows: liquid to solid ratio 4:1, the concentration of hydrochloric acid 4 mol/L, temperature 35 ℃, time 6 h. Granule surface of 2 microporous starch was studied by scanning electronic microscope and compared, and microporous starch produced by enzymatic hydrolysis had higher porosity, lager and deeper porous structure, than those from acid hydrolysis.

microporous starch；broken rice；enzymatic hydrolysis；acid hydrolysis；oil absorption ratio

TS236.9

A

1002-6630(2010)22-0064-05

2010-07-15

安徽省教育廳重點項目(Kj2010A276)

李瑩(1985—)，女，碩士研究生，研究方向為生物資源綜合利用。E-mail：vivian000ly@gmail.com

*通信作者：王澤南(1947—)，男，教授，本科，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：wznan@ah163.com