中強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)α-淀粉酶水解玉米淀粉的影響

蔣黎明，陶 陽，韓永斌，李丹丹

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院全谷物食品工程研究中心, 江蘇南京 210095）

淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉[1]。直鏈淀粉是主要由α-1,4-糖苷鍵形成的線性聚合物，支鏈淀粉則由95%的α-1,4-糖苷鍵和5%的α-1,6-糖苷鍵形成的多分支結(jié)構(gòu)構(gòu)成[2]。淀粉除了作為生命體的主要供能物質(zhì)外，它還具有可食用性、可降解性、可開發(fā)性等多種特性，成為了食品、制藥、造紙、紡織和生物塑料等行業(yè)中最常用的材料之一[3]。然而，天然淀粉難溶于冷水、熱穩(wěn)定性差、淀粉糊粘度大、易回生等特性極大地限制了其加工應(yīng)用。酶促水解是一種高效的綠色方法，可以將淀粉降解為可溶于水的、低粘度的小分子物質(zhì)。其中，α-淀粉酶是應(yīng)用最為廣泛的淀粉酶，可以從淀粉分子內(nèi)部切開α-1,4-糖苷鍵，生成糊精和還原糖，在釀造、發(fā)酵、糧食加工、紡織品等工業(yè)中應(yīng)用廣泛[4-6]。但是，淀粉分子通常以顆粒堆積的方式形成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，限制了淀粉酶對(duì)其的親和力。因此，探尋一種能夠增強(qiáng)α-淀粉酶水解淀粉的技術(shù)手段具有必要性。

電場(chǎng)處理是一種新興的食品加工技術(shù)。諸多研究證實(shí)電場(chǎng)處理可改善酶的活性。例如，OHSHIMA等[7]發(fā)現(xiàn)，利用電場(chǎng)強(qiáng)度12～13 kV/cm的脈沖電場(chǎng)處理過氧化物酶、轉(zhuǎn)化酶、葡糖淀粉酶、烯醇酶、β-半乳糖苷酶和乳酸脫氫酶時(shí)，這些酶活性可提高5%～25%。LU等[8]進(jìn)行響應(yīng)面法優(yōu)化交變電場(chǎng)處理下人參皂苷Rb1的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)強(qiáng)度15 kV/cm、頻率8 Hz和酶濃度3%（w/w）時(shí)，β-葡萄糖苷酶活性達(dá)到初始酶活性的125%、人參皂苷Rb1轉(zhuǎn)化為Rd的得率達(dá)91.42%。SAMARANAYAKE等[9]利用電場(chǎng)（1 V/cm，1 Hz～1 MHz）處理α-淀粉酶發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率為1～60 Hz時(shí)，酶活性最高可提高41%。DURHAM等[10]發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)在低溫條件下可改善纖維素酶的活力，但在高溫條件下將降低其熱穩(wěn)定性。這些研究證實(shí)了電場(chǎng)技術(shù)在淀粉酶法改性中的應(yīng)用潛力。然而，關(guān)于電場(chǎng)強(qiáng)化淀粉酶法改性的報(bào)道卻極少。僅有LI等[11]和VARELLA等[12]初步證明了電場(chǎng)技術(shù)用于強(qiáng)化淀粉酶解的可能性，其作用機(jī)制尚不明確。因此，本文以玉米淀粉為原料，利用中強(qiáng)電場(chǎng)輔助α-淀粉酶水解玉米淀粉，探究不同電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、緩沖液濃度、酶添加量等處理?xiàng)l件下玉米淀粉的酶解情況，并通過掃描電子顯微鏡、X-射線衍射儀、差示掃描量熱儀和熱重分析儀對(duì)酶解淀粉的顆粒形貌、結(jié)晶性質(zhì)和熱特性等進(jìn)行分析研究，從而為新型淀粉加工方法和淀粉基材料開發(fā)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉 沈陽蕾心有限公司；高溫α-淀粉酶（產(chǎn)自地衣芽孢桿菌，酶活力20000 U/mL，最適反應(yīng)pH5.0～6.5）、DNS試劑 上海源葉生物試劑有限公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、鹽酸、氫氧化鈉 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；所有試劑均為分析純。

KHD-1100單相輸出500VA變頻電源 寧波凱華德電子科技有限公司；HP33120A紫外可見分光光度計(jì) 南京菲勒儀器有限公司；DT-810紅外測(cè)溫儀 深圳華盛昌科技實(shí)業(yè)股份有限公司；ST300C便攜式電導(dǎo)率儀 奧豪斯儀器（常州）有限公司；EVOLS10掃描電子顯微鏡 德國卡爾·蔡司股份有限公司；D2PHASER X射線衍射儀 美國Bruker儀器公司；Q20差氏掃描量熱儀 美國TA儀器公司；TG/DTA7200熱重分析儀 日本日立公司；FreeZone 6L冷凍干燥機(jī) 美國LANCONCO公司；GL-20GH高速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 電場(chǎng)處理 電場(chǎng)處理方法參考LI等[11]的報(bào)道，略有修改。準(zhǔn)確稱量5.00 g玉米淀粉于三角瓶中，與一定濃度的50 mL磷酸緩沖液（pH6）混合均勻后，向其中加入一定量的α-淀粉酶，插入電極片進(jìn)行電場(chǎng)處理。電極片材料：鉑；電極片尺寸：20 mm×20 mm×2 mm；電極片間距離：20 mm。電場(chǎng)處理過程中，利用DT-810紅外測(cè)溫儀在線監(jiān)測(cè)反應(yīng)體系的溫度變化曲線，每min記錄一次。

1.2.2 電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)還原糖含量的影響 5.00 g玉米淀粉與50 mL磷酸緩沖溶液（0.2 mol/L，pH6）、5%α-淀粉酶混合均勻后，在電場(chǎng)強(qiáng)度0、1、2.5、5、7.5、10、15 V/cm和電場(chǎng)頻率50 Hz條件下處理30 min。電場(chǎng)處理結(jié)束，用0.2 mol/L NaOH將混合液pH調(diào)節(jié)至10進(jìn)行滅酶處理后，用0.2 mol/L HCl將混合液pH調(diào)節(jié)至6～8，在轉(zhuǎn)速5000 r/min條件下離心10 min。取離心后的上清液進(jìn)行還原糖的測(cè)定。離心得到的沉淀物經(jīng)純水洗滌三次后，凍干，貯藏于干燥器中備用。

1.2.3 電場(chǎng)頻率對(duì)還原糖含量的影響 固定電場(chǎng)強(qiáng)度5 V/cm（1.2.2的優(yōu)化條件），調(diào)控電場(chǎng)頻率50、60、100、200、400 Hz，其他條件同1.2.2。

1.2.4 緩沖液濃度對(duì)還原糖含量的影響 固定電場(chǎng)強(qiáng)度5 V/cm（1.2.2的優(yōu)化條件）、電場(chǎng)頻率50 Hz（結(jié)合1.2.3結(jié)果和國內(nèi)交流電常用頻率），調(diào)控緩沖液濃度0.02、0.05、0.1和0.2 mol/L，其他條件同1.2.2。

1.2.5 酶液比對(duì)還原糖含量的影響 固定電場(chǎng)強(qiáng)度5 V/cm（1.2.2的優(yōu)化條件）、電場(chǎng)頻率50 Hz（結(jié)合1.2.3結(jié)果和國內(nèi)交流電常用頻率）、緩沖液濃度0.1 mol/L（1.2.4的優(yōu)化條件），調(diào)控酶液比1%、2%、3%、4%和5%，其他條件同1.2.2。

1.2.6 電導(dǎo)率的測(cè)定 利用電導(dǎo)率儀在25 ℃時(shí)測(cè)定濃度為0.02、0.05、0.1和0.2 mol/L的磷酸緩沖液的電導(dǎo)率，溫度補(bǔ)償值設(shè)定為2%[13]。

1.2.7 還原糖含量的測(cè)定 采用DNS法測(cè)定水解產(chǎn)生的還原糖濃度[14-15]。移取2 mL上清液于25 mL試管中，加入2 mL DNS試劑，于沸水浴中加熱5 min后，迅速置于冰水浴中冷卻至室溫，用蒸餾水定容至25 mL，搖勻，在540 nm波長(zhǎng)下檢測(cè)吸光值。還原糖含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線y=0.9774x-0.014（R2=0.9981）進(jìn)行計(jì)算。

1.2.8 掃描電鏡觀測(cè)（SEM） 測(cè)定方法參考文獻(xiàn)報(bào)道，略有修改[13]。首先在載物盤上粘上雙面膠帶，取少量酶解淀粉粉末放在膠帶中心部位，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢的粉末，真空噴金后，用掃描電鏡對(duì)粉末表面形態(tài)進(jìn)行觀察（加速電壓為5000 V；放大倍數(shù)3000×和200×）。

1.2.9 X-射線衍射分析（XRD） 測(cè)定方法參考文獻(xiàn)報(bào)道，略有修改[13]。將玉米淀粉置于盛有飽和食鹽水的干燥器中7 d，平衡水分。之后，利用XRD分析淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，測(cè)定條件為：Cu Kα輻射，管壓40 kV，管流40 mA，掃描速度4 °/min，掃描范圍（2θ）4～40 °，步長(zhǎng)0.028，接受狹縫0.2 mm。通過軟件MDI Jade 5.0分析譜圖，計(jì)算結(jié)晶度。

1.2.10 差氏掃描量熱分析（DSC） 測(cè)定方法參考文獻(xiàn)報(bào)道，略有修改[13]。淀粉與蒸餾水以質(zhì)量比1:2的比例混合均勻后，取樣5 mg于鋁坩堝中，壓片后置于4 ℃冰箱中平衡12 h，以空皿為參比，以5 ℃/min的速率升溫，從25 ℃加熱至100 ℃，記錄T0（起始溫度）、Tp（峰值溫度）、Tc（終止溫度）及焓值（ΔH）的變化情況。

1.2.11 熱重分析（TGA） 測(cè)定方法參考文獻(xiàn)報(bào)道，略有修改[16]。將淀粉顆粒（約5 mg）放入TGA專用的氧化鋁坩堝中，采用熱重分析儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置氮?dú)饬髁繛?0 mL/min，溫度范圍為30～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，結(jié)果取平均值。采用Origin8.6進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理和制圖。使用軟件SPSS 21.0進(jìn)行顯著性分析，以標(biāo)準(zhǔn)偏差表征數(shù)據(jù)誤差，P＜0.05代表差異性顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 電場(chǎng)處理對(duì)α-淀粉酶水解玉米淀粉的影響

2.1.1 電場(chǎng)強(qiáng)度的影響 圖1a為電場(chǎng)處理過程中電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)還原糖含量的影響。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)，反應(yīng)液中還原糖含量為1.60 g/mL。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，淀粉水解產(chǎn)生的還原糖含量逐漸增加。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為15 V/cm時(shí)，淀粉水解后產(chǎn)生的還原糖達(dá)到最大值2.79 g/mL，比電場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)提高了74.37%。電場(chǎng)可驅(qū)動(dòng)帶電粒子定向遷移產(chǎn)生電流，該電流通過液體樣品時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。高溫條件下，淀粉發(fā)生糊化，與酶分子間的親和力大大增加。根據(jù)焦耳定律，焦耳熱效應(yīng)的強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比[17]。由圖2a可知，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，升溫速率逐漸加快，淀粉顆粒被破壞的速率加快，從而淀粉酶解速率增加。但值得注意的是，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從10 V/cm增加到15 V/cm時(shí)，還原糖含量增加不顯著(P＞0.05)。這可能是由于電場(chǎng)強(qiáng)度超過10 V/cm后，電場(chǎng)處理產(chǎn)生的溫度超過了淀粉的糊化溫度，完全破壞了淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)。除了熱效應(yīng)外，電場(chǎng)亦可誘導(dǎo)蛋白分子極化，改變酶的構(gòu)象和活性。低強(qiáng)度電場(chǎng)作用下，酶分子發(fā)生輕微極化，活性基團(tuán)外露，與淀粉間的親和力增加；高強(qiáng)度電場(chǎng)則導(dǎo)致酶分子的強(qiáng)烈極化，破壞維持酶構(gòu)象的次級(jí)鍵，導(dǎo)致酶活性的部分或全部喪失[18]。但值得注意的是，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過5 V/cm后，淀粉顆粒被完全破壞，不適合用于制備多孔淀粉；且電極表面可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致電極片發(fā)黑。綜上，下面的實(shí)驗(yàn)中采用5 V/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖1 電場(chǎng)處理對(duì)還原糖含量的影響Fig.1 Effect of electric field treatment on reducing sugar content

圖2 電場(chǎng)處理過程中反應(yīng)體系的溫度變化曲線Fig.2 Changes in temperature profiles of reaction mixtures during electric field treatment

2.1.2 電場(chǎng)頻率的影響 圖1b為電場(chǎng)處理過程中頻率對(duì)還原糖含量的影響。由圖可知，隨著頻率的不斷升高，還原糖含量先增加后減少，當(dāng)電場(chǎng)頻率為200 Hz時(shí)，還原糖含量達(dá)到最大值。但由于國內(nèi)交流電的常用頻率為50 Hz，故本實(shí)驗(yàn)采取50 Hz的電場(chǎng)頻率進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。電場(chǎng)的頻率會(huì)改變酶分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而影響酶分子攻擊淀粉鏈的速率。SAMARANAYAKE等[9]研究1 Hz～100 MHz電場(chǎng)對(duì)α-淀粉酶活力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在1～60 Hz范圍內(nèi)，淀粉酶活力逐漸增加，最高相對(duì)酶活力達(dá)141%；但隨著電場(chǎng)頻率進(jìn)一步的增加，淀粉酶活力略有下降或不變。他們通過分子動(dòng)力學(xué)模擬手段研究α-淀粉酶在不同頻率電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為淀粉酶活力的變化與其平移/旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式及運(yùn)動(dòng)位移有關(guān)。果膠甲酯化酶的研究結(jié)果與α-淀粉酶一致[19]。但本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)頻率200 Hz時(shí)，還原糖含量最高。這可能是由于SAMARANAYAKE等研究中采用的電場(chǎng)強(qiáng)度為1 V/cm，忽略了熱效應(yīng)的影響，而在本研究中，電場(chǎng)強(qiáng)度選擇的是5 V/cm，存在明顯的熱效應(yīng)。圖2b為不同頻率電場(chǎng)作用下，反應(yīng)體系的溫度變化曲線。

2.1.3 緩沖液濃度的影響 圖1c為電場(chǎng)處理過程中緩沖液濃度對(duì)還原糖含量的影響。由圖可知，當(dāng)緩沖液濃度從0.02 mol/L增加到0.1 mol/L時(shí)，還原糖含量顯著增加(P＜0.05)；但隨著緩沖液濃度的進(jìn)一步增加，還原糖含量變化不顯著(P＞0.05)。根據(jù)焦耳定律，焦耳熱效應(yīng)強(qiáng)度與反應(yīng)介質(zhì)的電導(dǎo)率值成正比[17]。隨著緩沖液濃度從0.02 mol/L增加到0.1 mol/L，電導(dǎo)率從4.24 mS/cm增加到15.31 mS/cm（表1）。電場(chǎng)處理過程中，加熱速率從0.13 ℃/min增加到0.61 ℃/min（圖2c）。隨著加熱速率的增加，淀粉顆粒被破壞的速率加快，α-淀粉酶對(duì)其親和力增加，淀粉水解速率加快。但當(dāng)緩沖液濃度從0.1 mol/L增加到0.2 mol/L，電導(dǎo)率從15.31 mS/cm增加到18.27 mS/cm，未發(fā)生數(shù)量級(jí)上的變化，加熱速率變化減少，從而還原糖含量變化不顯著(P＞0.05)。故在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中采用0.1 mol/L的緩沖液濃度。

表1 不同濃度磷酸緩沖液的電導(dǎo)率值Table 1 Electrical conductivity of phosphate buffer with different concentrations

2.1.4 酶液比的影響 圖1d為電場(chǎng)處理過程中酶液比對(duì)還原糖含量的影響。當(dāng)?shù)矸勖傅奶砑恿繌?%增加到5%，還原糖含量從1.56 g/mL提高到2.00 g/mL，提高了28%。通常地，隨著酶添加量的增加，淀粉與酶的碰撞幾率增加，酶促反應(yīng)效率增加。例如，LU等[20]報(bào)道隨著脂肪酶添加量從0.05 g增加到0.20 g，淀粉棕櫚酸酯的取代度從0.110增加到0.153。此外，通過監(jiān)測(cè)不同酶添加量時(shí)，電場(chǎng)處理過程中反應(yīng)體系的溫度變化發(fā)現(xiàn)，隨著酶添加量的增加，熱效應(yīng)強(qiáng)度逐漸增加（圖2d）。這是由于在pH6的磷酸緩沖液中，淀粉酶本身也帶電荷，也會(huì)導(dǎo)致體系電導(dǎo)率的增加，從而導(dǎo)致體系升溫速率增加。溫度的增加有助于提高酶的活性和反應(yīng)活化能，從而有助于淀粉酶解的進(jìn)行。

2.2 電場(chǎng)輔助酶解產(chǎn)物的顆粒結(jié)構(gòu)表征

在實(shí)際生產(chǎn)中，通常電場(chǎng)頻率固定為50 Hz （國內(nèi)）或60 Hz （美國等）；緩沖液濃度增加會(huì)引入大量的鹽，后續(xù)處理復(fù)雜；酶添加量的增加一方面會(huì)提高生產(chǎn)成本，另一方面圖1d和圖2d表明隨著酶添加量從2%增加到5%，淀粉酶解效率變化不顯著(P＞0.05)；而電場(chǎng)強(qiáng)度通常被認(rèn)為是影響電加工效率的最關(guān)鍵因素[21]。圖1a也證實(shí)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，還原糖含量顯著增加。因此，本論文將主要針對(duì)不同強(qiáng)度電場(chǎng)輔助酶解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進(jìn)行表征。圖3為天然玉米淀粉及經(jīng)過不同強(qiáng)度電場(chǎng)（0～15 V/cm）輔助酶解后的淀粉的掃描電鏡圖片。天然玉米淀粉顆粒完整，表面光滑，呈橢球形或多邊形（圖3a），與文獻(xiàn)報(bào)道一致[22]。當(dāng)僅添加α-淀粉酶、未利用電場(chǎng)處理時(shí)，淀粉顆粒表面出現(xiàn)少許褶皺和孔洞，可作為優(yōu)良的吸附劑和包埋劑（圖3b）[23-24]。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度從1 V/cm增加到2 V/cm，淀粉水解程度增加，孔洞數(shù)目和尺寸增加（圖3c～d）。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為5 V/cm和7.5 V/cm時(shí)，淀粉進(jìn)一步水解，淀粉大顆粒被破壞成小的片段，且小的片段間相互聚集（圖3e～f）。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步增加到10 V/cm和15 V/cm，淀粉完全喪失原有顆粒形狀（圖3g～h）。XUE等[25]在利用感應(yīng)電場(chǎng)對(duì)玉米淀粉改性時(shí)發(fā)現(xiàn)，淀粉經(jīng)過處理后表面會(huì)產(chǎn)生小孔及碎片。AN等[26]在關(guān)于歐姆加熱的研究中發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度電場(chǎng)處理將會(huì)導(dǎo)致淀粉發(fā)生更嚴(yán)重的糊化。

圖3 天然玉米淀粉及不同強(qiáng)度電場(chǎng)作用下酶解淀粉的掃描電鏡圖像Fig.3 SEM pictures of native corn starch and starches treated by moderate electric field at different intensities in the presence of α-amylase

2.3 電場(chǎng)輔助酶解產(chǎn)物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

淀粉的X-射線衍射圖譜有三種：A型淀粉在衍射角15、17、18、23 °附近有較強(qiáng)衍射峰；B型淀粉在衍射角18 °出現(xiàn)明顯的衍射峰，在5.6、20、22和24 °附近出現(xiàn)較弱的衍射峰；C型淀粉為含A型和B型結(jié)晶混合結(jié)構(gòu)的淀粉[27]。由圖4可以看出，天然玉米淀粉在2θ=15.3、16.9、17.6、23.2 °出現(xiàn)衍射峰，屬于典型的A型淀粉。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度在0～5 V/cm之間時(shí)，淀粉的衍射曲線、衍射峰的位置相近，此時(shí)淀粉仍保有原有的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為7.5～15 V/cm時(shí)，衍射曲線發(fā)生明顯變化，衍射峰消失，說明淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞。通過MDI Jade 5.0軟件計(jì)算得出淀粉的結(jié)晶度分別是9.8%、2.1%、1.9%，呈逐漸降低的規(guī)律，與衍射峰逐漸消失的現(xiàn)象相符合。這是因?yàn)殡妶?chǎng)促進(jìn)了淀粉的酶解，使淀粉分子受破壞的程度逐漸增強(qiáng)，甚至使淀粉分子破裂，導(dǎo)致結(jié)晶度降低。LI等[28]通過大米淀粉的X-射線衍射圖譜得出，經(jīng)過微波處理過的大米，結(jié)晶度降低。HAN等[29]也在研究中得出，淀粉在經(jīng)過過強(qiáng)的脈沖電場(chǎng)處理后，淀粉顆粒破壞，結(jié)晶度降低。此現(xiàn)象也與掃描電鏡中觀察到的淀粉形態(tài)結(jié)果一致（圖3）。

圖4 天然玉米淀粉（CK）及不同強(qiáng)度電場(chǎng)作用下酶解淀粉的X-射線衍射圖Fig.4 XRD patterns of native corn starch (CK) and starches treated by moderate electric field at different intensities in the presence of α-amylase

2.4 電場(chǎng)輔助酶解產(chǎn)物的糊化性質(zhì)分析

表2 為天然淀粉和不同強(qiáng)度電場(chǎng)輔助淀粉酶解產(chǎn)物的熱特性分析結(jié)果。從表2中可以看出，淀粉的To、Tp、Tc及焓變值的趨勢(shì)大致為先增高后降低。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于7.5 V/cm時(shí)，酶解淀粉的糊化溫度和焓值逐漸增加。這是由于淀粉由致密的結(jié)晶區(qū)和疏松的無定形區(qū)交替排列形成，在淀粉酶解過程中，酶分子會(huì)優(yōu)先攻擊疏松的無定型區(qū)，導(dǎo)致淀粉相對(duì)結(jié)晶度的增加。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為10 V/cm時(shí)，To、Tp、Tc值降低。這可能是由于淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞，熱穩(wěn)定性隨之下降。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為15 V/cm時(shí)，系統(tǒng)升溫速率快，淀粉發(fā)生完全糊化和顯著降解，結(jié)晶結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全破壞，導(dǎo)致DSC曲線上無吸熱峰出現(xiàn)。淀粉的水解通常包括兩個(gè)階段：第一階段的快速分解是由于淀粉顆粒中無定形部分的水解，第二部分分解速率緩慢，是由于無定形區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域同時(shí)水解導(dǎo)致的[27]。無定形部分的優(yōu)先水解導(dǎo)致結(jié)晶度的增加，從而提高了糊化溫度和焓值。ABDORREZA等[30]研究發(fā)現(xiàn)，酸解西米淀粉的糊化溫度和焓值隨水解程度的增加而增加，但過高的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)破壞淀粉顆粒中的晶體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致焓值降低。HAN等[31]研究發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度增加，馬鈴薯淀粉熱穩(wěn)定性逐漸降低。

表2 天然玉米淀粉（CK）和不同強(qiáng)度電場(chǎng)作用下酶解淀粉的熱特性參數(shù)Table 2 Thermal parameters of native corn starch (CK) and starches treated by moderate electric field at different intensities in the presence of α-amylase

2.5 電場(chǎng)輔助酶解產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性分析

圖5 為天然玉米淀粉（CK）及電場(chǎng)輔助酶解產(chǎn)物的TGA曲線。如圖所示，淀粉的熱分解主要有三個(gè)階段：30～100 ℃為第一階段，此階段的少量失重主要是因?yàn)榈矸郾砻娴挠坞x水和內(nèi)部結(jié)合水的蒸發(fā)；第二階段是由于淀粉材料的分解引起的；第三階段，淀粉發(fā)生碳化。從圖中可以看出，天然淀粉能夠在300 ℃之前保持較高的殘余率，在熱分解進(jìn)行到最后質(zhì)量殘余率最低。經(jīng)過電場(chǎng)酶解過后的淀粉的失重速率都與天然淀粉存在著差異。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從0增加到5 V/cm時(shí)，酶解淀粉的失重曲線仍與天然淀粉的失重曲線相似，說明此時(shí)淀粉受電場(chǎng)酶解的影響較小，淀粉分子中的氫鍵破壞較少，淀粉顆粒仍具有一定的晶體結(jié)構(gòu)；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從7.5 V/cm增加到15 V/cm時(shí)，淀粉的熱穩(wěn)定性逐漸降低，起始分解溫度較低，可以看出此時(shí)淀粉分子的結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈破壞，分子內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)幾乎消失，抵抗熱分解能力較弱。WU等[32]也發(fā)現(xiàn)酶促水解可降低淀粉的熱穩(wěn)定性。STEPHEN等[33]在利用脈沖電場(chǎng)處理殼聚糖-玉米醇溶蛋白時(shí)發(fā)現(xiàn)，脈沖電場(chǎng)可改變復(fù)合物間的相互作用，從而影響其熱穩(wěn)定性。TGA與DSC結(jié)果一致。

圖5 天然玉米淀粉（CK）及不同強(qiáng)度電場(chǎng)作用下酶解淀粉的熱重分析曲線Fig.5 TGA curves of native corn starch （CK） and starches treated by moderate electric field at different intensities in the presence of α-amylase

3 結(jié)論

中強(qiáng)電場(chǎng)可促進(jìn)α-淀粉酶水解玉米淀粉。在本論文所采用的實(shí)驗(yàn)條件下：電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于催化效率的影響最顯著，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，電場(chǎng)熱效應(yīng)增強(qiáng)，從而淀粉酶解效率顯著增加；電場(chǎng)頻率對(duì)升溫速率以及酶解效率的影響均不顯著；體系電導(dǎo)率增加，電場(chǎng)熱效應(yīng)增加，淀粉酶解效率增加；緩沖液濃度和淀粉酶添加量的增加均會(huì)導(dǎo)致體系電導(dǎo)率的增加。SEM結(jié)果表明，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，酶解產(chǎn)物表面孔洞數(shù)量和尺寸逐漸增加，直至淀粉顆粒結(jié)構(gòu)完全被破壞。XRD結(jié)果表明，電場(chǎng)強(qiáng)度在5 V/cm以下時(shí)，淀粉結(jié)晶晶型不變，但相對(duì)結(jié)晶度逐漸下降；當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)7.5 V/cm以上后，淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)被完全破壞。通過DSC和TGA測(cè)定則發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)化酶解后，淀粉的熱穩(wěn)定性下降；且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，下降程度增加。本研究探究了電場(chǎng)處理對(duì)淀粉酶解特性的影響，可為電場(chǎng)技術(shù)在淀粉深加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。