多孔淀粉的制備與應(yīng)用研究進(jìn)展

施曉丹 汪少蕓

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，福州 350108)

天然來源的淀粉材料具有安全、生物可降解等特性，但溶解性較差、易回生、黏度很高及熱不穩(wěn)定等缺點(diǎn)使得天然淀粉的應(yīng)用受到了極大的限制[1]。對(duì)淀粉進(jìn)行改性可以改善淀粉的性能，拓展淀粉的應(yīng)用。多孔淀粉(Porous Starch)又稱微孔淀粉或有孔淀粉，是利用物理、化學(xué)或者生物的方法對(duì)原生淀粉進(jìn)行處理后形成的一種改性淀粉[2]。多孔淀粉最早見于動(dòng)物的糞便中，率先被日本學(xué)者和美國學(xué)者關(guān)注并展開深入研究[3]。相比于原淀粉，多孔淀粉具有更高的孔隙率和比表面積、較低的顆粒密度和堆積密度、良好的吸附性等優(yōu)越性能[2]。近年來，多孔淀粉的研究主要集中在工藝條件優(yōu)化、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的表征、應(yīng)用開發(fā)等方面。本文主要介紹多孔淀粉的制備方法、結(jié)構(gòu)與性能及關(guān)鍵的影響因素、應(yīng)用情況等，為今后多孔淀粉的研究與應(yīng)用提供參考。

1 制備方法

1.1 單一法(物理法、化學(xué)法和生物法)

表1為制備多孔淀粉的常用方法。其中物理法是指通過超聲波、微波、輻照、擠壓和機(jī)械撞擊等外界物理作用，破壞淀粉顆粒的表面結(jié)構(gòu)，增加孔洞的數(shù)量和容積，形成多孔結(jié)構(gòu)。物理法制備的多孔淀粉多在表面形成部分腐蝕和凹坑，不能形成縱橫貫穿的孔洞結(jié)構(gòu)[4]。隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的深入，物理法常常被用來對(duì)原淀粉做初步的處理[4]。單獨(dú)使用的物理法如溶膠-凝膠法[5]和反復(fù)濕熱處理法[6]也有報(bào)道?；瘜W(xué)法是指通過酸(主要是鹽酸)、交聯(lián)劑、酯化劑等化學(xué)試劑的處理，使淀粉顆粒由表面向內(nèi)部形成眾多小孔結(jié)構(gòu)。其中，采用酸水解法主要考慮酸濃度、溫度、淀粉用量和反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)微孔淀粉產(chǎn)品的影響[7]。采用交聯(lián)反應(yīng)時(shí)常用的交聯(lián)試劑包括N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)[8]、三氯氧磷(POCl3)[9]、戊二醇(GA)[10]和三偏磷酸鈉[11]等。相比之下，酯化反應(yīng)、醚化反應(yīng)和氧化反應(yīng)相關(guān)的報(bào)道相對(duì)較少。生物法主要包括酶法和發(fā)酵法，僅使用一種酶處理的制備方法稱為單一酶法[12，13]，使用多種酶處理時(shí)稱為復(fù)合酶法[14-16]。目前國內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的可用于制備多孔淀粉的酶包括α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、糖化酶和分支酶等，其中α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶、α-淀粉酶和糖化酶的復(fù)合形式較為常見。

1.2 復(fù)合法

單一法制備的多孔淀粉存在一定的缺陷，復(fù)合法將兩種或多種方法同時(shí)使用，主要包括物理法輔助酶法和化學(xué)法輔助酶法。由表2可以看出α-淀粉酶結(jié)合糖化酶(比例為1∶1～1∶6)的復(fù)合酶法是組成復(fù)合法最為常用的方法之一，因而酶處理?xiàng)l件如加酶量、溫度、pH、反應(yīng)時(shí)間等成為主要考察的因素。酶反應(yīng)溫度一般控制在40～60 ℃(多為55 ℃左右)，pH為4.6～6.0(多為5.0或5.5)，酶反應(yīng)時(shí)間多為12～24 h。在研究中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對(duì)主要工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 多孔淀粉的制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)

表2 復(fù)合法制備多孔淀粉的條件

2 多孔淀粉的結(jié)構(gòu)特征及理化性質(zhì)

2.1 結(jié)構(gòu)特征

生淀粉經(jīng)不同方法改性為多孔淀粉后，可采用電鏡技術(shù)(掃描電鏡、透射電鏡和原子力顯微鏡等)對(duì)多孔淀粉的形貌特征、孔徑大小等進(jìn)行觀察和分析。就外觀形貌而言，多孔淀粉通常具有不同程度的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，小孔由表面向中心延伸，微孔均勻或者不均勻分布于整個(gè)淀粉顆粒表面，其孔徑一般為1.0～1.5 μm[13, 14, 18, 33]。阮楊峰等[13]制備的玉米多孔淀粉的孔徑稍大，為1.58～1.79 μm，而楊慧等[34]測(cè)得的多孔淀粉孔徑為0.8～1.5 μm。

一般而言，改性后的多孔淀粉晶型結(jié)構(gòu)能夠較好地保留，但是在孔洞結(jié)構(gòu)形成于無定形區(qū)的情況下，結(jié)晶度會(huì)略高于原淀粉[9, 18, 21, 26]。如研究發(fā)現(xiàn)天然碎米淀粉的衍射圖譜中，在2θ為15°、17°、18°和23°處具有明顯的峰。經(jīng)超聲和超聲輔助酶法處理后衍射峰的位置無明顯變化，只有強(qiáng)度略有提升，因此多孔淀粉的結(jié)晶度高于原淀粉[18]。然而Keeratiburana等[35]的研究表明，采用超聲、重結(jié)晶以及酶法處理等制備的多孔淀粉的結(jié)晶度略低于原淀粉。

2.2 理化性質(zhì)

因多孔淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其理化性質(zhì)也隨之發(fā)生不同程度的變化。其中比表面積是直接反映多孔淀粉吸附能力強(qiáng)弱的一個(gè)物理性質(zhì)。Xie等[6]測(cè)定了兩種晶型(A型和B型)的小麥原淀粉和濕熱法結(jié)合酶解處理的多孔淀粉的比表面積，結(jié)果表明A型和B型淀粉比表面積分別由5.49、5.17 m2/g增加到7.13、10.75 m2/g。Keeratiburana等[16]發(fā)現(xiàn)采用酶解法獲得的大米多孔淀粉的比表面積隨著酶解時(shí)間的延長而增大，酶處理12 h和24 h的比表面積約為原淀粉的2倍。此外，其他理化性質(zhì)如溶解性、透光率、堆積密度、吸附性能和熱力學(xué)性能等也發(fā)生改變。如尹卓林等[14]通過溶解性實(shí)驗(yàn)得出原淀粉和多孔淀粉的溶解率分別為1.94%和3.02%。原玉米淀粉的堆積密度為0.802 g/mL，經(jīng)復(fù)合酶作用后，其堆積密度下降。Keeratiburana等[16, 35]發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲、重結(jié)晶和(或)酶處理后的大米淀粉和高直鏈淀粉溶解度增加而溶脹能力降低。熱力學(xué)分析表明三氯氧磷交聯(lián)微孔淀粉的糊化溫度和分解溫度均有提升[9]。吸附性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示三偏磷酸鈉交聯(lián)淀粉的吸水率、吸油率和亞甲基藍(lán)吸附能力均高于原淀粉[11]。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明酯化微孔淀粉吸附的番茄紅素在自然光照、紫外光照、高溫及氧氣存在的條件下?lián)p失率低于原淀粉[27]。其理化性質(zhì)的表征方法可參考Chen等[2]的報(bào)道。

3 多孔淀粉結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響因素

3.1 淀粉的來源和特性

淀粉的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)與其來源密切相關(guān)。谷物淀粉和塊莖類淀粉被相同酶處理后，表觀結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)表現(xiàn)不同[36]。常見的多孔淀粉制備原料包括馬鈴薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、大麥淀粉、小麥淀粉和綠豆淀粉等[2, 37]。玉米、高粱、小麥及大麥等淀粉表面存在天然的小孔，有利于酶發(fā)揮作用，而稻米、燕麥、馬鈴薯和木薯等淀粉表面沒有小孔，酶作用后形成的孔洞數(shù)量少、孔徑小[38]。此外，有些淀粉如香蕉、百合、蓮子等來源的淀粉只能在顆粒表面形成鱗片狀結(jié)構(gòu)，不適宜制備多孔淀粉[3]。因此，在制備多孔淀粉時(shí)需要選擇合適的淀粉材料，或者根據(jù)原淀粉的特點(diǎn)選擇合適的方法。

淀粉的結(jié)構(gòu)如直鏈淀粉含量和晶體結(jié)構(gòu)是影響多孔淀粉形成的另一個(gè)因素。姚衛(wèi)蓉和姚惠源[3]總結(jié)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉中直鏈淀粉含量越低，越易被酶水解，而紅薯淀粉的直鏈淀粉含量越高，被水解的程度越高。Lacerda等[39]發(fā)現(xiàn)直連淀粉的含量對(duì)于多孔淀粉的糊化溫度和相對(duì)結(jié)晶度有顯著影響。Xie等[6]采用濕熱處理A型(AS)和B型(BS)2種晶型結(jié)構(gòu)的淀粉，所獲得的A型多孔淀粉(2-HAS)表面的小孔比B型多孔淀粉(2-HBS)的多。2-HAS的溶解性略低于AS而2-HBS的溶解度高于BS。此外，淀粉的顆粒粒度、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)含量等也對(duì)酶解效果有一定的影響[3]。

3.2 酶的種類和性質(zhì)

酶的種類和性質(zhì)是影響酶解法產(chǎn)生多孔淀粉的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的重要因素。目前淀粉酶主要有來源于曲霉、細(xì)菌、酵母、動(dòng)物體內(nèi)的消化液、植物和發(fā)芽種子等的α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、異淀粉酶、脫支酶、普魯藍(lán)酶和磷酸化酶等[3]。不同種類的酶對(duì)特定的淀粉具有不同的作用效果。Benavent-Gil等[40]探討了α-淀粉酶(AM)、葡萄糖淀粉酶(AMG)、環(huán)糊精葡萄糖轉(zhuǎn)移酶(GGTase)和分支酶(BE)四種酶制備的玉米多孔淀粉的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)AMG處理的產(chǎn)品孔洞最大，吸附能力最強(qiáng)。AMG主要作用于結(jié)晶區(qū)，AM和GGTase主要對(duì)無定形區(qū)進(jìn)行水解。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，AMG、AM和GGTase對(duì)于小麥、大米、馬鈴薯和木薯淀粉的作用效果類似，并且不同種酶處理的淀粉產(chǎn)物吸油率和直鏈淀粉的含量有所差別[36]。

3.3 工藝條件

工藝條件的優(yōu)化可以獲得具有理想效果的多孔淀粉產(chǎn)品，節(jié)約能源。為制得成孔較好的多孔淀粉，需要選擇合適的淀粉乳質(zhì)量濃度，并且考慮酶添加量、反應(yīng)溫度、pH和反應(yīng)時(shí)間等反應(yīng)條件。如采用復(fù)合酶法制備木薯多孔淀粉時(shí)，隨著葡萄糖淀粉酶添加量的增加，多孔淀粉的吸油率呈現(xiàn)比較大的增長趨勢(shì)，當(dāng)葡萄糖淀粉酶與α-淀粉酶的配比達(dá)到3:1時(shí)吸油率最大。同時(shí)淀粉的水解隨著水解時(shí)間的增加而逐漸增大，淀粉顆粒上產(chǎn)生的小孔數(shù)量增多，吸油率也隨之增加。酶解16 h的吸油率達(dá)到了31.84%。而當(dāng)酶解時(shí)間延長到24 h時(shí)，多孔淀粉的吸油率卻有所下降[41]。

4 多孔淀粉的應(yīng)用

天然來源的淀粉安全無毒，可生物降解，改性成多孔淀粉后又具有良好的吸附性能，因此被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工和農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。目前，多孔淀粉的應(yīng)用主要利用其對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的吸附、緩釋或保護(hù)作用等。

4.1 吸附劑

利用多孔淀粉的吸附性能可以將食品中很多水溶性較差的天然活性物質(zhì)進(jìn)行吸附，提高其生物利用率。根據(jù)目標(biāo)物質(zhì)理化性質(zhì)的不同，如當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)為液體或可溶于液體時(shí)，可將溶液直接噴于多孔淀粉表面，或?qū)⒍嗫椎矸奂尤肫渲谐浞只旌希龠^濾或離心，然后干燥即可。而當(dāng)被吸附物質(zhì)難溶于水時(shí)，可將其直接與多孔淀粉高速混合，并通過機(jī)械力作用(如球磨、錘磨等方式)將其擠入多孔淀粉中[42]。目前已有文獻(xiàn)報(bào)道多孔淀粉對(duì)于薄荷香精[43]、番茄紅素[27]、茶多酚[44]、刺梨濃汁[45]等物質(zhì)的吸附。此外，多孔淀粉還可吸附卷煙中的揮發(fā)性醛類[46]、2, 4-二硝基苯酚[34]等有毒有害物質(zhì)，降低產(chǎn)品對(duì)人體的傷害。如將醚化改性的多孔淀粉添加到卷煙過濾嘴中，煙支中的巴豆醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低[46]。多孔淀粉也可直接用作止血材料。邊文海等[47]采用無菌實(shí)驗(yàn)、內(nèi)毒素檢測(cè)、兔耳創(chuàng)面止血實(shí)驗(yàn)、兔肝臟創(chuàng)面止血效果檢測(cè)、組織相容性實(shí)驗(yàn)等評(píng)價(jià)玉米微孔淀粉的止血效果。結(jié)果表明微孔淀粉的吸水率為156.98%，無病原微生物和內(nèi)毒素。兔耳創(chuàng)面和兔肝臟創(chuàng)面完全止血時(shí)間分別在140 s和80 s之內(nèi)，止血迅速，優(yōu)于云南白藥。多孔淀粉還可與甲殼素和介孔硅酸鈣材料復(fù)合制成安全無毒、凝血功能很高的止血材料[11, 48]。

4.2 包埋劑

多孔淀粉作為包埋劑可用于包埋褪黑色素[49]、巖藻黃素[50]、紫杉醇[51]、青蒿素[52]、維生素E[53]等生物活性物質(zhì)，還可以包埋益生菌[54]等。如采用多孔淀粉負(fù)載褪黑素是將多孔淀粉加入到丙酮溶解的褪黑素溶液中，攪拌后將褪黑素溶液填充到小孔中，離心干燥后丙酮揮發(fā)，獲得負(fù)載褪黑素的多孔淀粉。上述褪黑素主要是與淀粉的葡萄糖分子的羥基之間形成氫鍵作用，固定在小孔結(jié)構(gòu)中[49]。類似地，紫杉醇分子及其納米顆粒也是通過氫鍵作用被吸附到多孔淀粉的孔洞內(nèi)壁中[51]。

生物活性物質(zhì)經(jīng)多孔淀粉包埋后其活性有一定的提高。研究表明多孔淀粉負(fù)載青蒿素形成的微球?qū)θ烁伟┘?xì)胞的增殖有明顯的抑制作用，效果優(yōu)于青蒿素原藥，對(duì)正常肝細(xì)胞的毒副作用非常低[52]。將姜黃素包埋于多孔淀粉中形成微膠囊后，其大部分抗氧化能力能夠得到保留，但是在模擬胃腸道消化時(shí)發(fā)現(xiàn)釋放效率不夠理想(< 30%)[55]。Li等[49]發(fā)現(xiàn)在模擬胃液和小腸液實(shí)驗(yàn)中，多孔淀粉負(fù)載褪黑素相比于褪黑素單體具有更強(qiáng)的溶解性和更高的累積釋放速率，其細(xì)胞抗氧化活性也明顯增強(qiáng)。將多孔淀粉與埃洛石納米管對(duì)巖藻黃素進(jìn)行包埋，包埋率為(94.05±0.29)%，巖藻黃素對(duì)光和熱的穩(wěn)定性得到了提高[50]。紫薯淀粉經(jīng)復(fù)合酶法改性后，對(duì)橄欖油的負(fù)載率比較高，且抗氧化活性增強(qiáng)[56]。

4.3 其他應(yīng)用情況

在食品工業(yè)中，多孔淀粉可部分或完全替代食品中的脂肪[4]。如朱仁宏等[57]用多孔淀粉替代貢丸中部分脂肪，有效地降低了貢丸的脂肪含量，同時(shí)降低了產(chǎn)品成本，基本達(dá)到了原高脂貢丸所具有的口感和質(zhì)構(gòu)。此外，多孔淀粉經(jīng)微膠囊化處理可以封閉苦味、臭味等不良風(fēng)味，提高食物的品質(zhì)[37]。如富含二十二碳六烯酸(DHA)的微藻油有異味，采用微孔淀粉進(jìn)行微膠囊化包埋率達(dá)到92.08%，含水量為3.78%[58]。將多孔淀粉與肉桂揮發(fā)油混合制成固體粉末，固化效果很好，桂皮醛收率高，固化粉末桂皮醛的溶出速率較快，熱穩(wěn)定性良好[33]。

多孔淀粉在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可以制成殺蟲劑和除草劑，有效控制農(nóng)藥和除草劑的揮發(fā)、分解與釋放的時(shí)間，提高其使用效率[59]。多孔淀粉也可用來生產(chǎn)生物可降解膜和超吸水劑，提高沙質(zhì)土堤的保水性和農(nóng)作物的存活率。在化妝品行業(yè)，可將多孔淀粉添加到化妝品中，降低化妝品對(duì)皮膚刺激的同時(shí)可以提高產(chǎn)品的性能[42]。多孔淀粉也可應(yīng)用到涂料行業(yè)，如蔣夢(mèng)蘭等[60]將馬鈴薯多孔淀粉作為填料與苯丙乳液制備了多孔淀粉復(fù)合調(diào)濕涂料(SMP-C)，結(jié)果表明SMP-C符合內(nèi)墻涂料的基本要求，且涂層內(nèi)部富含孔道和空隙，其吸水率可達(dá) 150%，具有較強(qiáng)的吸水性和吸放濕性能。在電化學(xué)方面，謝秋生等[61]將酶法改性的多孔淀粉在惰性氣體的保護(hù)下炭化，形成硬炭材料。對(duì)其電化學(xué)性能評(píng)價(jià)結(jié)果為多孔淀粉硬炭材料具有較高的首次可逆放電容量、首次庫倫效率、優(yōu)異的倍率充放電及循環(huán)性能。另外，多孔淀粉還可用來吸附污水中的重金屬[62]。

5 結(jié)論與展望

多孔淀粉的制備工藝較為簡單，復(fù)合法制備的多孔淀粉成孔效果好，性能優(yōu)越。改性后，多孔淀粉在結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)方面會(huì)發(fā)生一定程度的變化。影響多孔淀粉結(jié)構(gòu)和性能的因素主要包括淀粉、酶和工藝條件等。多孔淀粉具有相對(duì)較大的比表面積和比孔容積、較低的堆積密度和顆粒密度、吸附性能高且安全無毒，具有廣闊的應(yīng)用前景。今后可進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)多孔淀粉的研究：為獲得結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定的產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，可系統(tǒng)研究加工工藝對(duì)多孔淀粉的孔徑大小、孔洞形狀及分布特點(diǎn)等的影響，研制出精確控制產(chǎn)品質(zhì)量的加工條件；多孔淀粉分子中存在大量的羥基，可以對(duì)多孔淀粉進(jìn)行再次改性以提高其品質(zhì)和應(yīng)用價(jià)值；對(duì)多孔淀粉產(chǎn)品展開安全性評(píng)價(jià)、生物活性和作用機(jī)理的研究，結(jié)合納米技術(shù)或微膠囊技術(shù)等新技術(shù)拓展多孔淀粉的應(yīng)用。