超聲波結合酶解對玉米淀粉多層級結構及其吸附性能的影響

郁映濤，肖劉洋，楊曉凡，韓富娟，韓立宏

（北方民族大學生物科學與工程學院，食品生產與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750021）

利用吸附劑可以將水、油、藥物和許多其他小分子吸附在各種產品中，目前在食品、藥品、化妝品等領域應用非常廣泛。對于人類消費品而言，選用綠色、可生物降解的吸附劑尤為重要[1]。淀粉是一種來源豐富、價格低廉的綠色可再生資源[2-4]，但由于其比表面積和總孔容積低，限制了淀粉作為吸附劑在工業(yè)上的應用[5-6]。因此，通過各種改性技術提高淀粉顆粒的吸附性能成為當前淀粉領域的研究熱點之一。

目前，采用α-淀粉酶和葡糖淀粉酶水解淀粉的方法被認為是制備高吸附性能淀粉顆粒的有效方法[7]。但天然淀粉結構緊密，導致酶水解速率較慢且不充分[8]。已有研究發(fā)現(xiàn)，凍融法[9]、高靜水壓法[10]、濕熱法[11]和擠壓法[12]等物理手段可改變淀粉的結構和性質，進而改善其酶解特性。Zhao Anqi等[13]通過研究凍融結合酶處理對玉米淀粉微觀結構和理化性質的影響，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理使淀粉顆粒產生了更多孔隙，從而使其吸附性能顯著提高；Davoudi等[14]在酶解前對玉米淀粉進行低溫等離子體處理，顯著改善了玉米淀粉的吸附性能；Jiang Kaili等[15]采用微波與復合酶（α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶）相結合處理淀粉顆粒，結果表明聯(lián)合處理后淀粉顆粒的比表面積和總孔容積更大，吸附性能顯著提高。

超聲波是一種綠色、高效的淀粉物理改性技術。已有報道稱超聲波的空化效應會導致淀粉顆粒表面產生孔隙[16]；Han Lihong等[17]研究也表明超聲波預處理會影響豌豆淀粉的顆粒形態(tài)結構、理化性質和消化性能；Wang Jiaqu等[18]則揭示了高功率超聲波對獼猴桃淀粉顆粒形態(tài)結構、結晶結構以及分子結構的影響。另外，Kunyanee等[19]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理會削弱淀粉分子雙螺旋結構的穩(wěn)定性，破壞淀粉的結晶結構，導致相對結晶度降低。因此，超聲波能夠改變淀粉的顆粒形態(tài)和分子結構。目前也有研究報道發(fā)現(xiàn)淀粉經(jīng)超聲處理后其酶解特性發(fā)生變化。Li Mei等[2]從淀粉結構、性質的變化方面探討了超聲預處理對玉米淀粉液化和糖化過程的影響；Liu Yuan等[20]研究了超聲與堿性過氧化氫協(xié)同預處理對玉米淀粉酶解的影響，表明協(xié)同預處理通過改變淀粉的結構和理化特性提高了淀粉的水解速率。因此，將超聲技術與酶解技術相結合應用于天然玉米淀粉中，具有高效、高質量吸附劑的工業(yè)化制備潛力。已有研究發(fā)現(xiàn)超聲波對淀粉多層級結構的影響與超聲處理溫度相關[21]，但目前關于不同溫度超聲處理結合α-淀粉酶對玉米淀粉多層級結構及其吸附性能的影響還缺乏系統(tǒng)的研究。

本研究以玉米淀粉為原料，旨在探究低于淀粉糊化溫度（0～65 ℃）條件下超聲波預處理對α-淀粉酶改性淀粉顆粒的多尺度結構（顆粒形態(tài)結構、晶體結構、分子鏈結構）以及吸附性能的影響，為超聲波技術在制備淀粉基吸附劑領域的應用提供理論和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉 中國寧夏銀川新昊潤食品公司（2021年10月生產，市售）。

氰基硼氫化鈉、8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽（8-aminopyrene-1,3,6-trisulfonate sodium，APTS）國藥集團化學試劑有限公司；α-胰淀粉酶（50 U/mg）美國Sigma化學公司；本研究中所使用的化學試劑均為分析級。

1.2 儀器與設備

S-3400 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）日立高新技術公司；C2+激光共聚焦掃描顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM）日本尼康有限公司；GPC 220凝膠滲透色譜儀、激光共聚焦顯微拉曼光譜（laser confocal micro-Raman，LCM-Raman）儀 美國安捷倫科技公司；ICS-5000+高壓離子色譜系統(tǒng) 美國賽默飛世爾科學公司；SmartLab X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）、RigakuS-MAX3000小角X射線散射（small angle X-ray scattering，SAXS）儀 RIGAKU理學公司；A S A P 2460 全自動比表面積及孔隙度分析儀 美國麥克儀器公司；超聲波細胞粉碎機 北京比朗實驗設備有限公司；GTR10-2冷凍離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發(fā)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 超聲處理玉米淀粉

準確稱取10 g玉米淀粉，加入適量蒸餾水配制成質量分數(shù)為10%的懸浮液，在不同溫度（0、25、45、65 ℃）的循環(huán)水浴超聲處理20 min。超聲處理條件：頻率20 kHz，功率300 W，處理模式為間歇式（超聲2 s、間歇2 s）。將超聲處理后的玉米淀粉懸浮液在3000 r/min離心10 min，棄去上清液，沉淀于40 ℃的烘箱中干燥，過100 目篩，制備的淀粉對應標記為US-0、US-25、US-45、US-65，天然淀粉標記為NS，密封、備用。

1.3.2α-淀粉酶處理玉米淀粉

準確稱取160 mg的α-胰淀粉酶（50 U/mg）溶于100 mL的蒸餾水（37 ℃）中，避光條件下磁力攪拌60 min，制得酶活力為80 U/mL的α-淀粉酶溶液。稱取10 g淀粉樣品于裝有100 mLα-淀粉酶溶液的三角瓶中，懸浮液置于25 ℃下恒溫振蕩（150 r/min），反應12 h。然后將此懸浮液在3000×g條件下離心10 min，棄去上清液，將沉淀凍干磨粉，過100 目篩，4 ℃保存?zhèn)溆?。所得產物對應標記為US-0-AM、US-25-AM、US-45-AM、US-65-AM。酶解天然淀粉樣品記為NS-AM。

1.3.3 SEM觀察

采用SEM觀察淀粉顆粒的表面形貌。將淀粉樣品粘附在樣品臺的導電雙面膠上，在真空條件下對淀粉樣品進行表面噴金處理180 s，在加速電壓為15.0 kV條件下進行掃描，觀察2000 倍下淀粉樣品的微觀結構。

1.3.4 CLSM觀察

稱取2.0 mg淀粉樣品與4.0 μL的APTS（10 mmol/L）及4.0 μL的氰基硼氫化鈉（1 mol/L）混合，將淀粉顆粒懸浮于20 μL的甘油-水溶液（1∶1，V/V）中。取一滴淀粉懸浮液于載玻片上并用CLSM拍攝圖像。鏡頭為100×油鏡，數(shù)值孔徑為1.4，激光發(fā)射波長為500～600 nm。

1.3.5 XRD分析

稱取適量淀粉樣品用載玻片壓至緊實平整，采用XRD儀測定淀粉樣品的結晶特性。測定參數(shù)：特征射線Cu-Kα，掃描范圍2θ為4°～60°，掃描步長0.02°，掃描速率6 °/min，電壓40 kV，電流100 mA。使用Jade 6軟件計算淀粉樣品的相對結晶度。

1.3.6 LCM-Raman分析

采用LCM-Raman儀測定所有淀粉樣品的短程分子結構。將適量淀粉樣品用載玻片壓至緊實平整，在顯微鏡視野中選擇清晰界面進行測試。測試參數(shù)：掃描范圍為100～3500 cm-1，分辨率為7 cm-1。使用儀器自帶軟件WIRE 2.0處理淀粉樣品的圖譜。

1.3.7 SAXS分析

參照Liu Kun等[22]的方法利用SAXS儀分析淀粉樣品的層狀結構。將11.0 mg玉米淀粉加入到含有去離子水的鋁箔中，配制成質量分數(shù)為60%的淀粉糊，然后暴露在入射X射線的單色光束中7 min。測定參數(shù)：電壓40 kV，電流50 mA，Cu-Kα輻射X射線源波長0.1542 nm。散射數(shù)據(jù)由圖像板記錄，并使用IP Reader軟件程序采集。最后將所有數(shù)據(jù)歸一化，使用SAXS quant 3.0軟件進行進一步處理，由此得到淀粉顆粒的散射強度I(q)與散射矢量q之間的關系。每個樣品非晶態(tài)和晶態(tài)片層的周期厚度采用Woolf-Bragg’s方程（式（1））計算得到：

式中：dBragg為淀粉片層周期厚度/nm；q為峰值處的散射矢量/nm-1。

利用歸一化的一維相關函數(shù)（式（2））對散射曲線進行分析，得到片層結構的相關參數(shù)。

式中：q為散射矢量；I(q)為散射強度；x表征實空間距離；長周期d是f(x)在第二個最大值處的x值，晶層厚度（dc）取f(x)斜直線與第一個極?。ǚ骞龋┧骄€的交點在x坐標上的值，非晶區(qū)域的平均厚度da＝d-dc。

根據(jù)Power Law冪律方程（式（3））可得到樣品的α，并根據(jù)α大小按照分形維數(shù)公式得出分形維數(shù)D。

其中：α為冪律方程的指數(shù)；D為分形維數(shù)，當-4＜α＜-3時散射體為表面分形，分形維數(shù)Ds＝6+α；而當-3＜α＜-1時散射體則為質量分形，分形維數(shù)Dm＝-α。

1.3.8 凝膠滲透色譜法測定淀粉樣品的摩爾質量

淀粉樣品的分子特征按照Hong Yan等[23]的研究方法進行分析。稱取10 mg淀粉樣品溶解于裝有2 mL含質量分數(shù)0.5%溴化鋰（LiBr）的二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）溶液中，在沸水浴中攪拌12 h。利用0.45 μm濾膜對含有淀粉的DMSO/LiBr溶液進行過濾，通過自動進樣器注入凝膠滲透色譜系統(tǒng)。以DMSO/LiBr溶液為流動相，室溫洗脫，流速0.5 mL/min。采用不同分子質量的右旋糖酐標準品進行摩爾質量標定，使用ASTRA軟件對凝膠滲透色譜數(shù)據(jù)進行處理和分析。

1.3.9 支鏈淀粉鏈長分布的測定

采用高壓離子色譜系統(tǒng)測定支鏈淀粉的鏈長分布[24-25]。稱取淀粉樣品40 mg于2.0 mL乙酸鈉緩沖溶液（0.01 mol/L、pH 4.5）中，95 ℃糊化10 min后用40 ℃水浴平衡15 min，加入5.0 μL普魯蘭酶（1000 U/mL），反應24 h，使支鏈淀粉分子完全脫支。隨后沸水浴5 min終止反應，在3000×g條件下離心10 min，然后將上清液稀釋50 倍，測定支鏈淀粉的鏈長分布。柱溫為25 ℃，流速為1 mL/min，洗脫液A為150 mmol/L的NaOH溶液，洗脫液B為含150 mmol/L NaOH和500 mmol/L醋酸鈉緩沖溶液的混合液。洗脫梯度設置為將洗脫液B混入洗脫液A中，如下：40%洗脫液B、50%洗脫液B、60%洗脫液B、80%洗脫液B的洗脫時間分別為2、8、30、60 min。

1.3.10 比表面積和孔徑分布的測定

參照Guo Li等[26]描述的方法稍作修改后，使用全自動比表面積和孔隙分析儀測量樣品的比表面積、孔徑分布和總孔容積。測定前，淀粉樣品在120 ℃真空脫氣6 h。待樣品冷卻至室溫后，置于比表面積和孔隙率分析儀中，以高純氮為介質進行吸附。采用多點BET（Brunner-Emmet-Teller）方程計算樣品的比表面積，使用BJH（BarretJoyner-Halenda）方法計算樣品的孔徑分布和總孔容積。

1.3.11 水/油吸附能力的測定

淀粉樣品對水/油的吸附能力參照Xie Ying等[11]的方法測定，準確稱取0.5 g淀粉樣品于裝有5 mL水或大豆油的等質量離心管中，旋渦振蕩20 s后靜置30 min。在室溫下將混合物在5000×g條件下離心20 min，然后除去上清液，直到?jīng)]有多余的水或油滴到濾紙上后稱量沉淀物。吸水/吸油率由式（4）計算：

式中：m0為干基淀粉質量/g；m為離心后沉淀物的質量/g。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結果與分析

2.1 不同處理對淀粉顆粒微觀結構的影響

如圖1A所示，在SEM下，天然玉米淀粉顆粒呈橢圓形或不規(guī)則的顆粒狀，表面光滑。超聲預處理后，US樣品顆粒表面變得粗糙且有凹槽出現(xiàn)；與NS-AM相比，US-AM樣品顆粒表面出現(xiàn)了很多孔隙，且超聲預處理溫度越高的樣品，酶處理后顆粒表面的孔隙越多。Chen Haiming等[27]研究表明淀粉顆粒在超聲處理過程中由于超聲波的空化效應產生空腔，為水分子向淀粉顆粒內部擴散提供了更多的通道。因此，超聲預處理對淀粉形態(tài)結構的破壞，能夠促進酶向淀粉顆粒內部的滲透，進而增加淀粉對酶的敏感性?？梢姡cNS相比，US樣品是更好的α-淀粉酶酶解底物，且超聲預處理溫度越高，α-淀粉酶對玉米淀粉的酶解程度越大。

圖1 淀粉樣品的SEM圖（A）和CLSM圖（B）Fig.1 Scanning electron micrographs (A) and confocal laser scanning micrographs (B) of starch samples

在CLSM下，通過熒光強度可以觀察淀粉顆粒內部結構（如生長通道、生長環(huán)和孔洞等）的變化[28]。由圖1B可知，與NS相比，超聲預處理改變了淀粉顆粒內部結構，隨著超聲預處理溫度升高，US樣品顆粒內部有明顯的裂紋出現(xiàn)；與NS-AM相比，US-AM樣品顆粒內部的裂紋更多，并呈現(xiàn)由內至外的放射狀分布。這些結果表明超聲預處理可以使淀粉顆粒內部形成孔洞，這些孔洞提供了酶的擴散通道[29]，使得淀粉顆粒的抗酶解能力減弱，這與SEM結果一致。

2.2 不同處理對淀粉顆粒結晶結構的影響

由圖2可知，所有淀粉樣品的特征衍射峰均出現(xiàn)在15.2°、17.1°、18.2°和23.3°處，呈A型結晶結構；US樣品的相對結晶度顯著低于NS樣品（P＜0.05），且隨著超聲預處理溫度的升高而呈現(xiàn)降低趨勢；NS-AM的相對結晶度顯著高于NS樣品（P＜0.05），US-AM樣品的相對結晶度隨超聲預處理溫度升高呈現(xiàn)出與US樣品相同的變化趨勢，且均高于對應的US樣品。

圖2 不同處理對淀粉顆粒結晶結構的影響Fig.2 Effects of different treatments on crystal structure of starch granules

上述實驗結果表明，所有處理均未引起玉米淀粉晶型的改變，但超聲預處理會降低淀粉的相對結晶度，這是因為超聲處理可以使淀粉支鏈解聚，破壞淀粉顆粒中雙螺旋之間的結合力，導致玉米淀粉的相對結晶度降低[2]；超聲預處理溫度越高，玉米淀粉相對結晶度降低程度越大，這與Amini等[30]研究報道一致，說明低于糊化溫度的熱輔助可以增強超聲波對玉米淀粉結晶結構的破壞作用。此外，α-淀粉酶處理大幅提高了玉米淀粉的相對結晶度，Zhao Anqi[13]和Han Xiuying[31]等在研究α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶復合酶處理玉米淀粉時也發(fā)現(xiàn)了與本研究相同的實驗現(xiàn)象，這是因為酶水解主要發(fā)生在淀粉的無定形區(qū)域，從而相對增加了淀粉顆粒內部晶體結構的比例。超聲波結合酶處理淀粉樣品的相對結晶度高于超聲處理的淀粉樣品，但低于單一酶處理的淀粉樣品，這是因為超聲波處理在改變淀粉結晶度方面起著與α-淀粉酶處理相反的作用。

2.3 不同處理對淀粉顆粒短程有序結構的影響

拉曼光譜480 cm-1處特征波段的半峰寬（full width at half maxima，F(xiàn)WHM）對淀粉短程有序性的變化敏感，F(xiàn)WHM值越小，表明淀粉短程有序性越高[32]。由圖3可知，所有淀粉樣品呈現(xiàn)相似的拉曼光譜峰。與NS相比，US樣品的FWHM值顯著增大（P＜0.05），且隨著超聲預處理溫度的升高呈現(xiàn)顯著增大的趨勢（P＜0.05）；NS-AM和US-AM樣品的FWHM值均低于對應的NS和US樣品（圖3）。

圖3 不同處理對淀粉顆粒短程有序結構的影響Fig.3 Effects of different treatments on short-range ordered structure of starch granules

實驗結果表明，所有處理均未改變玉米淀粉的化學組成單位[33]。不同溫度超聲預處理后玉米淀粉的FWHM值升高，表明超聲預處理使玉米淀粉的短程有序性降低，這與Wang Hongwei等[34]的研究結果一致，其認為，超聲處理可能會削弱甘薯淀粉顆粒中雙螺旋結構的有序排列。此外，酶處理后淀粉樣品的FWHM值降低，這是因為酶水解主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)，而不是結晶區(qū)[35]；超聲結合酶處理淀粉樣品的FWHM值顯著高于單一酶處理淀粉樣品（P＜0.05），這與超聲波對淀粉晶體結構的破壞有關。

2.4 不同處理對淀粉顆粒層狀結構的影響

采用SAXS測量淀粉樣品的納米層狀結構信息，所得SAXS圖譜如圖4A、B所示。除US-65和US-65-AM外，其余淀粉樣品均在q值為0.6 nm-1附近出現(xiàn)散射峰，與淀粉顆粒結晶層和非結晶層電子密度差相對應[36]。US-65和US-65-AM未出現(xiàn)散射峰，表明當超聲預處理溫度達到65 ℃時，淀粉的片層結構被完全破壞[37-38]。

一維相關函數(shù)擬合曲線及擬合后淀粉層狀結構各參數(shù)值如圖4C、D和表1所示。從理論上講，US-65和US-65-AM樣品無散射峰也即無法采用一維相關函數(shù)計算淀粉層狀結構各參數(shù)值[39]。與NS樣品相比，US樣品的da值顯著升高（P＜0.05），dc值顯著降低（P＜0.05）；US樣品的da值隨超聲預處理溫度的升高呈現(xiàn)增大趨勢，dc值則與之相反，表明超聲預處理會破壞淀粉的晶體結構，有使淀粉晶體結構向無定形結構轉變的趨勢。此外，酶處理后淀粉樣品的da值降低，dc值增加，這與蘭小紅[40]用α-淀粉酶處理芭蕉芋淀粉的研究結果一致，進一步表征了酶水解主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)。

表1 不同處理淀粉樣品的SAXS參數(shù)Table 1 Small angle X-ray scattering parameters of starch samples under different treatments

利用SAXS還可進一步分析淀粉的分形結構，分形結構是描述淀粉散射體自相似的一種特征，參數(shù)分形維數(shù)D被用來定量表征其不規(guī)則程度[41]。根據(jù)Power定律：I(q)∝qα得到α值，其大小可反映散射體分形結構特性，當-4＜α＜-3時散射體為表面分形，分形維數(shù)Ds＝6+α；而當-3＜α＜-1時散射體則為質量分形，分形維數(shù)Dm＝-α。Dm值可反映物體物理排列的緊密程度，Dm值越大，表明散射體排列越緊密[42]。由表1可知，所有樣品的α值均在-3～-1之間，說明所有處理均未改變玉米淀粉的質量分形結構。當超聲預處理溫度從0 ℃升高至65 ℃時，US樣品的Dm值從2.61降至2.16，且US樣品的Dm值均低于NS；NS-AM和US-AM樣品的Dm值均顯著高于對應的NS和US樣品（P＜0.05），表明高溫超聲預處理使玉米淀粉的結構更松散，這對α-淀粉酶水解淀粉起到了促進作用。

2.5 不同處理對淀粉摩爾質量的影響

如表2所示，所有淀粉樣品均出現(xiàn)兩個峰，峰1代表淀粉的支鏈淀粉分子，峰2代表淀粉的直鏈淀粉分子以及其他低摩爾質量分子。與NS樣品相比，US樣品峰1和峰2的摩爾質量均顯著降低（P＜0.05），且隨超聲預處理溫度的升高進一步降低；NS-AM和US-AM樣品峰1和峰2的摩爾質量均顯著低于對應的NS和US樣品（P＜0.05）。

淀粉顆粒致密的晶體結構對酶具有很強的抗性，經(jīng)超聲波處理后，淀粉晶體結構被破壞，淀粉聚合度降低，支鏈淀粉中長鏈被水解[2]，導致淀粉顆粒對酶的抗性減弱，為α-淀粉酶水解淀粉提供了更多的結合機會。Keeratiburana等[43]研究表明α-淀粉酶處理可使大米淀粉峰1和峰2的摩爾質量均降低。這是因為α-淀粉酶既可水解直鏈淀粉形成較短的線性鏈[44]，又可將含有α-1,4糖苷鍵的支鏈淀粉水解為更短的分子鏈[45]，進而使得酶處理后淀粉樣品的摩爾質量降低。此外，超聲結合酶處理后淀粉樣品的摩爾質量隨超聲預處理溫度的升高而降低，這表明高溫超聲預處理能促使α-淀粉酶有效進入淀粉顆粒內部充分水解淀粉。

2.6 不同處理對淀粉鏈長分布的影響

支鏈淀粉的單位鏈長分布根據(jù)DP 值可分為4 個組分：A（DP 6～12）、B1（DP 13～24）、B2（DP 25～36）和B3（DP＞37）鏈[46]。如表2所示，與NS相比，US樣品的A鏈和B1鏈比例顯著增加（P＜0.05），而B2鏈和B3鏈比例顯著減少（P＜0.05）；隨著超聲預處理溫度的升高，US樣品的A鏈和B1鏈比例呈現(xiàn)上升趨勢，而B2鏈和B3鏈比例呈現(xiàn)下降趨勢；NS-AM和US-AM樣品的A鏈和B1鏈比例均顯著高于對應的NS和US樣品（P＜0.05），而B2鏈和B3鏈比例顯著低于對應的NS和US樣品（P＜0.05）。

支鏈淀粉由外部鏈和內部鏈組成，外部鏈相互作用形成雙螺旋和結晶結構，而分支與分支點之間的內部鏈可形成無定形區(qū)[47]。因此，支鏈淀粉的鏈長分布與酶水解和淀粉顆粒中孔的形成密切相關[48]。已有研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可引起淀粉大分子鏈的解聚，在較高的超聲處理溫度下，支鏈淀粉的B3鏈優(yōu)先斷裂，然后在超聲波初步降解B3鏈后，B2鏈被進一步降解[49]，這與本研究的結果一致。α-淀粉酶處理后淀粉樣品的A鏈和B1鏈比例升高，B2鏈和B3鏈比例降低，這是因為α-淀粉酶是一種內切酶，可水解支鏈淀粉簇之間的α-1,4鏈，產生短鏈淀粉小團簇[43,50-51]。此外，超聲結合酶處理淀粉樣品的短鏈比例隨超聲預處理溫度的升高而增加，且均高于單一酶處理的淀粉樣品。這是因為高溫超聲預處理促進了α-淀粉酶向淀粉顆粒內部的有效滲透。

2.7 不同處理對淀粉顆粒比表面積和孔徑分布的影響

如圖5所示，所有淀粉樣品的吸附-脫附等溫線均為典型的IV型等溫線，并具有H3型遲滯環(huán)，這表明這些淀粉樣品均具有介孔結構[15]。由表3可知，與NS相比，US樣品的比表面積和總孔容積呈增大趨勢，孔徑則顯著降低（P＜0.05）；NS-AM和US-AM樣品的比表面積和總孔容積均顯著高于對應的NS和US樣品（P＜0.05），且US-AM樣品的比表面積和總孔容積均隨著超聲預處理溫度的升高呈現(xiàn)增大的趨勢。Zhu Jianzhong等[52]采用α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶復合酶水解玉米淀粉，發(fā)現(xiàn)淀粉樣品比表面積的增加與酶處理使淀粉顆粒產生多孔結構有關。這些結果表明，高溫超聲預處理增強了α-淀粉酶對淀粉顆粒的水解破壞作用。

表3 不同處理對淀粉顆粒比表面積和孔徑分布的影響Table 3 Effects of different treatments on specific surface area and pore size distribution of starch granules

圖5 不同處理下淀粉顆粒的氮吸附-脫附等溫線Fig.5 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of starch granules under different treatments

2.8 不同處理對淀粉顆粒吸附能力的影響

由圖6可知，所有處理均顯著提高了玉米淀粉對油和水的吸附性能（P＜0.05）；隨著超聲預處理溫度的升高，US和US-AM樣品的吸水率和吸油率均呈現(xiàn)增大趨勢；除US-65-AM的吸水率顯著低于US-65（P＜0.05）外，其他US-AM樣品的吸水率和吸油率均顯著高于對應的US樣品（P＜0.05）。

圖6 不同處理對淀粉顆粒吸水率和吸油率的影響Fig.6 Effects of different treatments on water-and oil-adsorbing capacity of starch granules

已有研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉經(jīng)α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶復合酶處理后，淀粉顆粒表面和內部產生了多孔結構，比表面積和總孔容積增大，具有更多的吸附位點和吸附空間，使得淀粉樣品的吸附性能增強[15]。因此，超聲預處理后玉米淀粉吸附性能的增強與超聲波能夠使其顆粒表面產生凹槽有關。隨著超聲預處理溫度從0 ℃升至65 ℃，超聲結合酶處理后淀粉顆粒的吸水率和吸油率分別從114.71%和142.16%提高至144.77%和189.70%，表明超聲預處理溫度越高，α-淀粉酶處理后淀粉顆粒對水和油的吸附能力越強，這是因為高溫超聲預處理為α-淀粉酶進入淀粉顆粒內部提供了通道，使得酶水解淀粉的程度更大，形成的孔洞更多，進而使其吸附性能更強。但US-65-AM的吸水率相比US-65顯著降低（P＜0.05），這可能是因為US-65-AM的孔徑太大，水不容易儲存在孔隙中，這與Wu Wenqi等[12]的報道一致，此研究表明當?shù)矸鄣目紫哆^大時，淀粉吸水能力下降。

3 結論

本研究采用不同溫度條件（低于淀粉糊化溫度）的超聲波預處理結合α-淀粉酶修飾玉米淀粉，探究其對玉米淀粉顆粒多層級結構以及吸附性能的影響。結果表明，超聲預處理可引起淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹槽，破壞淀粉的結晶結構，導致淀粉分子鏈段解聚，且熱輔助可以增強超聲波對淀粉結構的修飾作用，進而改變淀粉的酶解特性；與單一酶處理相比，超聲結合酶處理后淀粉顆粒的比表面積和總孔容積更大，吸附性能更強；超聲結合酶處理后淀粉顆粒吸附性能的增強主要是由于超聲引起的淀粉顆粒多層級結構的變化增強了淀粉對α-淀粉酶的敏感性。可見，超聲結合α-淀粉酶法可作為一種改善淀粉顆粒吸附性能的有效手段。這些研究結果將為超聲波技術在淀粉基吸附劑制備領域的高效應用提供理論指導。