豆薯多孔淀粉的制備、理化性質(zhì)及吸附性能的研究

黃晶晶，施曉丹，汪少蕓

（福州大學生物科學與工程學院，福建 福州 350108）

淀粉是各種食品和工業(yè)產(chǎn)品的主要成分，具有價格低廉、安全無毒害、可生物降解等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和化妝品等領(lǐng)域[1]。然而，天然淀粉存在熱穩(wěn)定性差、低熱分解性、低抗剪切性等問題，限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用[2-3]。為此，大量研究通過改性來提高淀粉穩(wěn)定性、吸附性等性能。目前已有的改性方法主要有物理改性、化學改性和生物改性（酶改性）[4-5]。多孔淀粉是一種表面分布著相對均一孔洞結(jié)構(gòu)或者孔洞結(jié)構(gòu)貫穿整個淀粉顆粒的改性淀粉。近年來，越來越多的學者選擇用物理復(fù)合酶法這種綠色、環(huán)保的方法制備多孔淀粉[6]。已有研究表明，多孔淀粉的孔洞結(jié)構(gòu)一般在無定形區(qū)形成。由于無定形區(qū)被部分水解，所以結(jié)晶度會略高于原淀粉，但淀粉的晶型不會發(fā)生改變。多孔淀粉顆粒結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致其理化性質(zhì)發(fā)生改變。相對原淀粉，多孔淀粉的比表面積會增大，吸附性能、溶脹能力和熱力學等性質(zhì)也會發(fā)生改變[7]。在食品行業(yè)，多孔淀粉可被用于包埋和緩釋不穩(wěn)定食品物質(zhì)；在醫(yī)藥工業(yè)，多孔淀粉可作為藥物控釋載體和骨、軟骨組織的替代物；在環(huán)境工程方面，多孔淀粉常被用作吸附劑，吸附廢水中的重金屬等[8]。

豆薯，別名沙葛、涼薯，原產(chǎn)于熱帶美洲，于17世紀末傳入中國[9]。豆薯營養(yǎng)成分豐富，是藥食同源的食物[10]。豆薯成熟塊根淀粉含量在24%左右，是極具開發(fā)價值的淀粉資源，因此豆薯可作為一種可持續(xù)作物以緩解全球人口對淀粉需求的壓力[11-12]。本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)豆薯淀粉顆粒呈現(xiàn)球體或多面體等形狀，顆粒直徑為3 μm～9 μm。豆薯淀粉糊化后淀粉糊透明度低于土豆淀粉，呈現(xiàn)弱凝膠狀態(tài)。豆薯淀粉中慢性消化淀粉和抗消化性淀粉含量相對較高，是一種低熱量食物資源[13]。為進一步開發(fā)和利用豆薯淀粉資源，本試驗采用超聲輔助復(fù)合酶法制備多孔淀粉，然后用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和比表面積及孔隙分析儀表征淀粉顆?？紫兜谋碛^形貌和孔隙參數(shù)，用差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry，DSC）和 X-射線衍射技術(shù)（X-ray diffraction，XRD）對多孔淀粉進行熱力學分析和晶型結(jié)構(gòu)表征，以期為后續(xù)豆薯多孔淀粉的研究與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

豆薯淀粉：福州大學食品與海洋生物資源研究所實驗室自制[13]；葵花籽油：上海佳格食品有限公司。

α-淀粉酶（35 μ/mg）：麥克林公司；淀粉葡萄糖苷酶（70 μ/mg）：西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司；NaOH、Na2HPO4、檸檬酸（均為分析純）：西隴科學股份有限公司；亞甲基藍（分析純）：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Nova NanoSEM230）：捷克FEI CZECH REPUBLIC S.R.O.公司；射線多晶衍射儀（Xpert3X）：美國CEM公司；差示掃描量熱儀（DSC214）：德國耐馳公司；比表面積及孔隙度分析儀（asap2460）：美國麥克公司；恒溫水浴搖床（YC-S30）：天津市泰斯特儀器有限公司；紫外可見分光光度計（UV-1100）：上海美譜達儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱（DHG-9140A）：上海精宏實驗設(shè)備有限公司；高速冷凍離心機（XZ-21K）：長沙湘智離心機儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 豆薯多孔淀粉的制備

參考Qian等[14]的方法制備多孔淀粉。稱取一定量的豆薯淀粉，加入pH5.0磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖液制成淀粉乳，在一定溫度下磁力攪拌預(yù)熱15 min。250 W超聲30 min后加入一定量的復(fù)合酶（α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的質(zhì)量比為1∶5），恒溫水浴反應(yīng)一定時間后，加入1%NaOH溶液結(jié)束反應(yīng)。然后3 800 r/min離心10 min，棄去上清液，將沉淀水洗3次，50℃烘干備用。

1.3.2 單因素試驗優(yōu)化制備工藝

以吸水率和多孔淀粉得率為制備多孔淀粉的指標，研究淀粉乳濃度、加酶量、酶解溫度和酶解時間4個因素的影響。初始試驗條件為淀粉乳濃度0.3g/mL、加酶量0.25%（質(zhì)量分數(shù)）、酶解溫度50℃、酶解時間4 h。因素變化范圍分別為淀粉乳濃度0.1、0.2、0.3、0.4和 0.5 g/mL，加酶量 0.05%、0.10%、0.20%、0.25%和0.30%，酶解溫度40、45、50、55℃和60℃，酶解時間 3.0、3.5、4.0、4.5 h和5.0 h。多孔淀粉得率的計算公式如下。

式中：w1為多孔淀粉質(zhì)量，g；w2為原淀粉質(zhì)量，g。

參考Xu等[15]的方法測定吸水率。稱量并記錄空離心管質(zhì)量（m1）。準確稱取一定質(zhì)量的樣品（m）于2 mL離心管中，加入1mL蒸餾水，渦旋1min后靜置30min。在10 000 r/min離心10 min，吸出上清液，稱量沉淀及離心管總重（m2）。每個樣品做3個平行。吸水率的計算公式如下。

式中：m2為沉淀及離心管質(zhì)量，g；m1為離心管質(zhì)量，g；m 為樣品質(zhì)量，g。

1.3.3 顆粒微觀形貌表征

原淀粉、多孔淀粉樣品于50℃烘箱干燥后，將其固定在樣品臺的導(dǎo)電膠上，用離子濺射儀對其進行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡于5.00 kV電壓下觀察淀粉顆粒形貌特征[16]。

1.3.4 比表面積及孔隙測定

將樣品在105℃真空脫氣脫水2 h，然后采用比表面積及孔隙度分析儀在液氮溫度（77.35 K）下進行N2-吸附脫附分析測定吸附等溫線，用BET方程計算比表面積，用BHJ法分析計算孔徑及孔徑分布[17]。

1.3.5 熱力學分析

參考Miao等[18]的方法研究淀粉的糊化行為。準確稱量0.003 0 g淀粉樣品（干基）置于鋁坩堝中，在鋁坩堝中加入純水溶液，使水與淀粉質(zhì)量比達到3∶1，密封后于室溫下（25℃）平衡24 h，以空鋁坩堝為對照，并扣除基線，然后以升溫速率10℃/min，從30℃掃描升溫到100℃，測定淀粉糊化起始溫度TO，峰值溫度TP，終止糊化溫度TC以及糊化焓值ΔH。

1.3.6 結(jié)晶度分析

將淀粉樣品置于50℃烘箱干燥。X-射線衍射的特征射線是Cu-Kα，在電壓40 kV、電流40 mA、測量角度 2θ范圍為 5°～35°、步長 0.01、掃描速率 2°/min條件下測定。根據(jù)Yang等[19]的方法，使用MDI Jade6軟件計算相對結(jié)晶度。

1.3.7 吸附能力測試

1.3.7.1 吸油率測定

參考Xu等[15]的方法測定吸油率。稱量并記錄空離心管的質(zhì)量（O1）。準確稱取一定質(zhì)量的樣品（O）于2 mL離心管中，加入1 mL葵花籽油，渦旋1 min后靜置30 min。在10 000 r/min條件下離心10 min，吸出上清液，稱量沉淀及離心管總重（O2）。每個樣品重復(fù)測定3次。吸油率的計算公式如下。

式中：O2為沉淀及離心管質(zhì)量，g；O1為離心管質(zhì)量，g；O 為樣品質(zhì)量，g。

1.3.7.2 吸水率測定

按照1.3.2方法測定原淀粉和多孔淀粉吸水率。

1.3.7.3 亞甲基藍吸附能力測定

亞甲基藍標準曲線的繪制：配制濃度為0.001、0.002、0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009、0.010 mg/mL亞甲基藍標準溶液，于波長660 nm處測溶液吸光度。以亞甲基藍溶液濃度為橫坐標，溶液所測吸光度為縱坐標，繪制亞甲基藍標準曲線。

亞甲基藍吸附量的測定：準確稱取0.10g原淀粉、多孔淀粉樣品于100 mL錐形瓶中，加入10 mL 0.1 mg/mL亞甲基藍溶液，密封瓶口。然后在水浴溫度30℃、轉(zhuǎn)速130 r/min搖床中振搖2 h后，于10 000 r/min離心10 min，將上清液稀釋20倍，用分光光度計在660 nm處測其吸光度，計算亞甲基藍吸附量[20]。每個樣品重復(fù)測定3次。亞甲基藍吸附量計算公式如下。

式中：Q為淀粉樣品的亞甲基藍吸附量，mg/g；V為亞甲基藍溶液體積，mL；C0為亞甲基藍溶液起始質(zhì)量濃度，mg/mL；Ct為吸附后的亞甲基藍溶液質(zhì)量濃度，mg/g；m 為樣品質(zhì)量，g。

1.3.8 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用SPSS 26.0軟件統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù)，用Origin 2018和WPS Office 2019軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗結(jié)果

不同因素對豆薯多孔淀粉吸水率和得率的影響見圖1。

圖1 不同因素對豆薯多孔淀粉吸水率和得率的影響Fig.1 Effect of different factors on rate of water absorption and yield of Pachyrrhizus erosus porous starch

由圖1A可知，隨著淀粉乳濃度的增加，多孔淀粉的吸水率先上升后降低。在淀粉乳濃度為0.3 g/mL時，多孔淀粉的吸水率最高，此時的多孔淀粉得率也較高，所以選定0.3 g/mL為最終淀粉乳制備濃度。由圖1B可知，隨著加酶量從0.05%增加到0.30%，多孔淀粉的吸水率出現(xiàn)一定程度的波動。但是，在誤差允許的范圍內(nèi)，總體吸水率相差不大。在加酶量為0.10%時，多孔淀粉得率最高，最終選擇0.10%加酶量為最終加酶量。由圖1C可知，隨著酶解溫度的升高，多孔淀粉的吸水率整體先上升后降低，分析可能是當酶解溫度小于或大于50℃時，抑制了酶的活性，淀粉酶的水解速率降低，致使淀粉顆粒孔隙較小，吸水率較低[21]。多孔淀粉在50℃時吸水率最高，且得率較高，因此確定50℃為最終的酶解溫度。由圖1D可知，隨著酶解時間的延長，多孔淀粉的吸水率先上升后下降。水解前期，淀粉顆粒的孔隙隨著水解時間的延長而變大，所以吸水率上升。在水解后期，因為過度水解導(dǎo)致孔隙過大引起淀粉顆粒結(jié)構(gòu)坍塌，吸水率下降[22]。綜合試驗效率考慮，選擇4.0 h作為最終的酶解時間。

因此制備豆薯多孔淀粉的最優(yōu)條件確定為淀粉乳濃度0.3 g/mL、加酶量0.10%、酶解溫度50℃、酶解時間4.0 h。

2.2 淀粉顆粒微觀形貌分析

淀粉顆粒改性前后的微觀形貌圖見圖2。

圖2 豆薯原淀粉與多孔淀粉的掃描電子顯微鏡圖Fig.2 Scanning electron micrographs of Pachyrrhizus erosus native starch and porous starch

由圖2可知，豆薯原淀粉顆粒多數(shù)呈橢球狀，小部分是多面體且表面出現(xiàn)凹陷。多孔淀粉顆粒表面出現(xiàn)大小適中且較為均一的孔隙。同時，部分多孔淀粉顆粒表面出現(xiàn)了破損，這可能是因為部分淀粉的水解程度較深，使淀粉顆粒部分表面孔洞較大，孔洞相連引起結(jié)構(gòu)坍塌。Jia等[23]和Keeratiburana等[24]以玉米和大米為材料制備的多孔淀粉，孔隙較大且不均勻，可用于吸附益生菌、大分子物質(zhì)等。而本文中用豆薯制備的多孔淀粉孔隙較小，且遍布于整個淀粉顆粒，更適合于吸附一些香氣物質(zhì)或者重金屬。

2.3 比表面積及孔隙分析

豆薯原淀粉和多孔淀粉的微粒參數(shù)見表1。

表1 豆薯原淀粉和多孔淀粉的微粒參數(shù)Table 1 Particle parameters of native and porous starch of Pachyrrhizus erosus

由表1可知，多孔淀粉顆粒的BET比表面積、孔容、孔徑、總孔面積均大于原淀粉，表明用復(fù)合酶酶解無定形區(qū)域，使淀粉顆粒的孔隙增大，即復(fù)合酶法制備豆薯多孔淀粉是可行的試驗方案。而多孔淀粉的平均粒徑小于原淀粉，可能是因為加酶量較多，淀粉的水解程度較深，使淀粉顆粒部分表面孔洞較大，孔洞相連引起結(jié)構(gòu)坍塌，致使淀粉顆粒出現(xiàn)破損，所以粒徑變小。圖2的結(jié)果也證實了此結(jié)論。按照孔徑大小的不同，多孔材料可以分為微孔材料（孔徑小于2 nm）、介孔材料（孔徑2 nm～50 nm）、大孔材料（孔徑大于50 nm）。豆薯多孔淀粉的孔徑為11.64 nm，所以豆薯多孔淀粉是介孔材料[25]。

2.4 X-射線衍射分析

豆薯原淀粉和多孔淀粉的X射線衍射圖譜見圖3。

圖3 豆薯原淀粉和多孔淀粉的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction spectrum of Pachyrrhizus erosus native starch and porous starch

淀粉的晶型可以根據(jù)X射線衍射圖譜的尖峰衍射特征峰分為A-型、B-型和C-型。豆薯原淀粉在15°、17°、23°附近有強的尖峰衍射特征峰，并且 17°和18°的衍射峰為相連的雙峰，在20°附近有很弱的衍射峰，這是典型的A-型淀粉晶型的X-射線衍射特征波譜，說明豆薯淀粉的晶型為A-型[26]。多孔淀粉與原淀粉相比，沒有出現(xiàn)新的衍射特征峰，并且峰值變化很小。說明用淀粉酶對豆薯淀粉進行處理并沒有改變淀粉的晶型，仍保持A-型。此結(jié)果與Jiang等[27]的報道結(jié)果一致。但是，多孔淀粉的尖峰衍射特征峰明顯比原淀粉陡峭，這表明淀粉水解作用點是在無定形區(qū)域，使得無定形區(qū)的比例下降，結(jié)晶區(qū)比例相應(yīng)升高[21]。如圖3所示，多孔淀粉的相對結(jié)晶度為35.57%，比原淀粉29.52%的相對結(jié)晶度高，符合上述結(jié)論。

2.5 淀粉熱力學分析

豆薯原淀粉和多孔淀粉的熱性質(zhì)參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 豆薯原淀粉與多孔淀粉的熱性質(zhì)參數(shù)Table 2 Thermal property parameters of native and porous starch of Pachyrrhizus erosus

豆薯原淀粉和多孔淀粉的DSC熱分析圖見圖4。

圖4 豆薯原淀粉和多孔淀粉的差示掃描量熱圖譜Fig.4 Differential scanning calorimetry spectra of Pachyrrhizus erosus native starch and porous starch

由圖4可知，多孔淀粉的初始糊化溫度TO、峰值糊化溫度TP、終止糊化溫度TC和糊化焓值ΔH均高于原淀粉，即多孔淀粉的熱吸收峰出現(xiàn)后移，此結(jié)果表明酶解處理提高了淀粉的熱穩(wěn)定性。這是因為淀粉酶水解了無定形區(qū)域，無定形區(qū)域減少，結(jié)晶區(qū)比例增大，結(jié)晶度也因此變高。淀粉的結(jié)晶區(qū)域比例與糊化溫度成正比，所以說淀粉的熱穩(wěn)定性得到提升[28]。

2.6 吸附能力分析

2.6.1 吸水率和吸油率分析

吸水率和吸油率分析見圖5。

圖5 豆薯原淀粉與多孔淀粉的吸水率和吸油率Fig.5 Rate of oil absorption and rate of water absorption of native and porous starch of Pachyrrhizus erosus

由圖5可知，豆薯多孔淀粉的吸水率和吸油率均大于原淀粉。多孔淀粉與原淀粉相比，多孔淀粉吸水率和吸油率分別提高了41.9%和24.1%。Nadaf等[29]制備的綠豆多孔淀粉，其吸水率和吸油率分別為126%、113%。相比原淀粉，吸水率和吸油率分別提高了21%和29%，與本試驗結(jié)果相近。

2.6.2 亞甲基藍吸附量

以亞甲基藍濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，得到亞甲基藍的標準曲線y=134.050 0+0.057 5x，R2=0.998 9。原淀粉和多孔淀粉的亞甲基藍吸附量分別是2.26 mg/g和4.38 mg/g，改性后提高了93.8%。張甲奇等[30]制備的大米多孔淀粉亞甲基藍吸附量為4.88 mg/g，改性后的酯化大米多孔淀粉吸附量為5.97 mg/g。淀粉經(jīng)過酯化改性后，吸附能力會有所提高。因此可以考慮對豆薯淀粉酯化改性再用酶解處理。

3 結(jié)論

本文采用超聲輔助復(fù)合酶法制備豆薯多孔淀粉，并測定其理化性質(zhì)、熱力學性能和吸附性能。單因素試驗結(jié)果表明，最佳制備條件為淀粉乳濃度0.3 g/mL、加酶量0.10%（α-淀粉酶與淀粉葡萄糖苷酶質(zhì)量比為1∶5），酶解溫度50℃、酶解時間4.0 h。豆薯淀粉表面出現(xiàn)較為均一且適中的孔隙，少部分表面出現(xiàn)破損。豆薯淀粉的BET比表面積、孔容、孔徑、總孔面積增加。酶解處理后淀粉的晶型仍為A-型，但是相對結(jié)晶度有所提升。相對比原淀粉，多孔淀粉糊化溫度提高，結(jié)晶區(qū)域變大，熱穩(wěn)定性上升。同時，多孔淀粉吸水率、吸油率和亞甲基藍吸附量均有所提高。