半干法制备蜡质玉米微孔淀粉工艺条件的优化

周秀丽 李欣欣 马浩元 崔 爽 张晓晨

(吉林大学生物与农业工程学院，长春 130000)

半干法制备蜡质玉米微孔淀粉工艺条件的优化

周秀丽 李欣欣 马浩元 崔 爽 张晓晨

(吉林大学生物与农业工程学院，长春 130000)

研究半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的工艺条件。以蜡质玉米淀粉为原料，淀粉吸油率为评价指标，考察反应温度、加酶量、加水量和反应时间4个因素对蜡质玉米微孔化的影响。结果表明蜡质玉米微孔淀粉半干法制备的最佳工艺条件为反应温度51 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量32%，反应时间11.75 h，在该条件下制得的微孔淀粉的吸油率为13.54%。研究得出了半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的最佳工艺参数，为工业化生产提供了参考数据。

半干法 蜡质玉米 微孔淀粉 吸油率 制备工艺

微孔淀粉(microporous starch)是一种新型的变性淀粉，是将天然淀粉在水解处理以后形成蜂窝状多孔性的淀粉颗粒[1]。其表面小孔直径为1μm 左右，孔的容积占颗粒体积的 50%左右[2,3]。与天然淀粉相比有较大的比表面积以及良好的吸附能力[4]，与其他吸附剂相比具有来源广泛、价格低廉，安全无毒，可生物降解等诸多优点[5-9]，可被用作微胶囊芯材[10]、吸附载体[11-13]、包埋剂[14-16]、脂肪替代物[17]等，被广泛应用于医药、农药、化妆品和食品工业[18-20]。

蜡质玉米发源于我国，后被引入美国，进而走向世界。蜡质玉米淀粉是一个特殊种类的淀粉，其支链淀粉含量占总淀粉含量的95%以上。由于其特殊性能，在国际市场上占据越来越大的份额，我国蜡质玉米虽然资源丰富，但相关研究却刚刚起步[21-23]。微孔淀粉的工业生产以湿法为主，湿法生产设备简单、反应均匀，但会造成水资源的严重浪费，污染后的处理费用也不可小觑，且仅适用于制备低取代度产品；干法生产虽然工艺简单，无需后处理，但对设备要求极高，且仅适用于制备高取代度产品；本研究所用的半干法生产不仅兼具湿法与干法的优点，而且高、低取代度的产品均适宜用此法制备。以蜡质玉米淀粉为原料，选取反应温度、加酶量、加水量和反应时间4个影响因素作为研究对象，以蜡质玉米微孔淀粉吸油率做为评价指标进行了研究，以确定半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的最佳工艺参数，旨在为半干法制备蜡质玉米微孔淀粉提供理论依据，推动蜡质玉米微孔淀粉工业的发展，同时改善水资源的污染浪费现象。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

蜡质玉米淀粉:山西冠臻淀粉制品有限公司；α-淀粉酶(活力单位≥3 700 U/g):北京奥博星生物科技有限责任公司；糖化酶(活力单位≥10万U/g):上海源叶生物科技有限公司；花生油:青岛品品好粮油有限公司。

1.2 仪器与设备

MB-KLX 型生物光学显微镜：重庆光电仪器有限公司；EVO18 钨灯丝扫描电子显微镜:德国卡尔蔡司公司。

1.3 方法

1.3.1 蜡质玉米微孔淀粉的制备

称取5 g蜡质玉米淀粉于烧杯中，加入1mL 2%的盐酸溶液和一定量的水，混合均匀，50 ℃恒温预热约20 min，同时进行搅拌。用饱和的碳酸钠溶液调节pH，精确称取定量糖化酶、α-淀粉酶复合酶并加入缓冲液(醋酸—醋酸钠缓冲液)制为酶液，取一定量制得的酶液加入预处理后的淀粉中并进行适当的搅拌。反应一段时间后，用5%的NaOH溶液调至pH 9.0，10 min后用2%的盐酸调至pH 7.0。将反应物在4 000 r/min下离心10 min，上清除去，底物用蒸馏水洗涤并离心，重复操作3次。将底物置于恒温干燥箱中干燥至恒重，粉碎，即得到蜡质玉米微孔淀粉。

1.3.2 吸油率的测定

称取1 g制得的蜡质玉米微孔淀粉，加入10 mL花生油并用磁力搅拌器搅拌混合30 min，然后用布氏漏斗真空抽滤，直至无油滴滴下为止。最后称量抽滤后的微孔淀粉的质量，根据吸油前后微孔淀粉质量之差与吸油前微孔淀粉质量之比即可计算出吸油率[24]。

1.3.3 单因素试验

以吸油率作为多孔淀粉吸附性能指标，考察了影响多孔淀粉吸附性能的多个因素，包括反应温度、酶用量、加水量、pH 以及反应时间5个因素。

在加酶量为加酶量1 685 U/g，加水量35%，反应pH 5.0，反应时间为12 h的条件下，分别测定38、42、46、50、54 ℃下制备的微孔淀粉吸油率，研究反应温度对微孔淀粉吸油率的影响，确定最佳反应温度；在反应温度为50 ℃，加水量35%，反应pH 5.0，反应时间为12 h的条件下，分别测定加酶量为1 011、1 348、1 685、2 022、2 359 U/g制备的微孔淀粉吸油率，研究加酶量对微孔淀粉吸油率的影响，确定最佳加酶量；在反应温度为50 ℃，加酶量1 685 U/g，反应pH 5.0，反应时间为12 h的条件下，分别测定加水量为27%、29%、31%、33%、35%、37%、39%制备的微孔淀粉吸油率，研究加水量对微孔淀粉吸油率的影响，确定最佳加水量；在反应温度为50 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量35%，反应时间为12 h的条件下，分别测定加pH为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0时制备的微孔淀粉吸油率，研究pH对微孔淀粉吸油率的影响，确定最佳pH；在反应温度为50 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量35%，反应pH 5.0，的条件下，分别测定反应10、11、12、13、14 h时制备的微孔淀粉吸油率，研究反应时间对微孔淀粉吸油率的影响，确定最合适的反应时间。

2 结果与分析

2.1 反应条件对吸附性能的影响

2.1.1 反应温度对吸油率的影响

在加酶量、加水量、反应pH、反应时间一定的条件下，反应温度对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响见图1。

图1 反应温度对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响

由图1可知，随着反应温度的升高，微孔淀粉吸油率呈先上升后下降的趋势。其中50 ℃时，吸油率最高，而50 ℃后，吸油率呈现出随着温度的升高而下降的趋势，其原因是反应温度超过了酶活性的最适温度，导致酶的活力降低。因此，确定反应的最适温度为50 ℃。

2.1.2 加酶量对吸油率的影响

在反应温度、加水量、反应pH、反应时间一定的条件下，加酶量对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响见图2。

图2 加酶量对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响

由图2可知，随着加酶量的提高，微孔淀粉吸油率先上升，随后缓慢增加，当达到一定程度后开始下降，最后急剧下降。其原因是由于随着淀粉的水解微孔逐渐增多，当孔径和孔深达到一定程度后，如继续水解，已形成的微孔就会坍塌，导致淀粉的吸附能力逐渐降低。因此，确定最佳的加酶量为1 348 U/g。

2.1.3 加水量对吸油率的影响

在反应温度、加酶量、反应pH、反应时间一定的条件下，加水量对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响见图3。

由图3可知，随着加水量的增加，微孔淀粉吸油率呈现先上升后下降的趋势，但下降的相当缓慢。当加水量为31%时，吸油率达到最大。其原因可能是当加水量低时，底物量浓度较大，溶剂的量不足，超出酶的最适底物浓度，导致淀粉水解不完全，吸油率低；随着加水量的增加，底物浓度的逐渐降低，酶与底物的接触机会就越来越大，水解率提高，吸油率提高；但加水量继续增加，底物浓度降低，淀粉与酶接触的机会减少，不利于淀粉的水解，使得吸油率降低。因此，最佳的加水量为31%。

图3 加水量对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响

2.1.4 pH对吸油率的影响

在反应温度、加水量、加酶量、反应时间一定的条件下，反应pH对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响见图4。

图4 pH对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响

由图4可知，随着pH的增大，微孔淀粉吸油率呈先上升后下降的趋势。其中，在pH为5时，微孔淀粉吸油率达到最大，酶活性最高，因此，2种酶的最适反应pH为5。

2.1.5 反应时间对吸油率的影响

在反应温度、加水量、加酶量、反应pH一定的条件下，反应时间对蜡质玉米微孔淀粉吸油率的影响见图5。

由图5可知，随着反应时间的延长，微孔淀粉的吸油率逐渐上升，之后出现下降的趋势，其中13 h时吸油率最大。但通过普通光学显微镜及扫描电子显微镜观察(见图6)，超过12 h后出现严重坍塌现象。其原因可能是在0～12 h内，随着水解的进行，淀粉颗粒表面逐渐形成微孔，孔径和孔深也逐渐增大，吸油率逐渐上升；当超过12 h后，随着水解的继续，淀粉的微孔结构被破坏，吸附能力降低，最后微孔结构发生坍塌。因此，虽然13 h时吸油率最大，为保证淀粉结构完整，确定最佳的反应时间为12 h。

2.2 蜡质玉米微孔淀粉制备工艺的正交试验设计

根据单因素试验，由于pH主要影响酶的活性，故确定pH为5.0，选取加水量、反应温度、反应时间、加酶量为考察因素，吸油率作为评价指标，采用四因素五水平L36(45)正交表进行二次正交旋转组合试验，因素水平编码如表1。

表1 正交试验因素水平编码表

表2 正交试验结果

表3 试验结果方差分析表

注：**为高度显著，P< 0.001；*为显著，P< 0.01；[*]为有影响，P< 0.10。

运用DPS(Data Processing System)数据处理软件对这36个试验点的指标值进行回归分析，得到以吸水率为目标函数的二次回归方程为：Y= 12.918 33+0.411 67X1+ 0.465 00X2+0.443 33X3+0.165 83X4-0.39104X12-0.291 04X22-0.136 04X32-0.184 79X42+0.032 50X1X2-0.005 00X1X3-0.012 50X1X4-0.070 00X2X3+ 0.162 50X2X4-0.220 00X3X4

为了检验方程的有效性，对回归方程模型进行方差分析，结果见表3。

可以看出，回归方程失拟检验不显著(F1=2.150 52，P>0.05) ，说明未知因素对试验结果的干扰很小，即回归方程对试验点拟合较好。回归模型显著(F2=9.284 21，P<0.01)，模型拟合程度较好，试验误差较小，可用该回归方程代替试验真实点对半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的吸油率进行分析和预测。通过对回归系数的检验可知，各因素对半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的吸油率影响的大小顺序为：温度>加酶量>加水量>pH。

α=0.10显著水平剔除不显著项后,简化后的回归方程:

Y=12.92 + 0.41X1+ 0.46X2+ 0.44X3+ 0.17X4- 0.39X12- 0.29X22- 0.14X32- 0.18X42- 0.22X3X4

根据回归模型分析结果，半干法制备蜡质玉米微孔淀粉优化工艺条件：反应温度51 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量32%，反应时间11.75 h，在该条件下制得的微孔淀粉的吸油率为13.54%。为了证实预测结果，在此工艺条件下制备蜡质玉米微孔淀粉。重复试验3次，平均吸油率为13.49%，与理论预测值得相对误差为0.37%，说明该方程与实际情况可以很好的拟合，充分验证了该模型的可靠性，说明二次旋转组合正交试验法优化得到的半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的工艺参数准确可靠，具有实用价值。

3 结论

3.1 半干法制备蜡质玉米微孔淀粉工艺参数的回归方程为：Y=12.92 + 0.41X1+ 0.46X2+ 0.44X3+ 0.17X4- 0.39X12- 0.29X22- 0.14X32- 0.18X42- 0.22X3X4。回归方程失拟检验并不显著，说明未知试验因素对试验结果的干扰非常小。而回归模型显著，说明模型拟合程度较好，试验误差较小，可以用该方程代替试验真实点对半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的吸油率进行预测和分析。通过对回归系数的检验可知，各因素对半干法制备蜡质玉米微孔淀粉的吸油率影响的大小顺序为：温度>加酶量>加水量>pH。

3.2 根据对回归模型的分析，半干法制备蜡质玉米微孔淀粉工艺条件：反应温度51 ℃，加酶量1 685 U/g，加水量32%，反应时间11.75 h，在该条件下制得的微孔淀粉的吸油率为13.54%。

3.3 原蜡质玉米淀粉的吸油率为1.18%，在此工艺条件下制得的蜡质玉米微孔淀粉的吸油率为13.54%，是原蜡质玉米淀粉吸油率的11.432 2 倍。由于半干法含水量少，反应体系可能分布不均匀。因此，通过超声、微波等方法对淀粉进行预处理及利用水温超声处理的方法制备微孔淀粉，以缩短水解时间、提高微孔淀粉的吸油率，是下一步的研究目标。

[1]Niemann C, Whistler R L．Effect of acid hydrolysis and ball milling on porous corn starch[J]．Starch，1992，44(11)：409-414

[2]Yamada T, Hisamatsa M, Teranish K．Components of the porous maize starch granule prepared by amylase treatment[J]．Starch，1995，47(9)：358-362

[3]顾香玉，张晓云，刘景顺．玉米微孔淀粉的制备及显微结构研究[J]．食品科学，2006(12)：241-245

[4]Rizzi．Modified porous starch：United States，6147028[P].2000-11-14

[5]刘文宏，袁怀波，王 宇．木薯微孔淀粉的制备及性质研究[J]．食品科学，2006(10)：265-268

[6]Romano P, Velascoa F J, Torralba J M, et al．Processing of M2 powder metallurgy high-speed steel by means of starch consolidation[J]．Materials Science and Engineering: A，2006，419(1/2)：1-7

[7]Lei Yang, Ning Xiao-Shan, Chen Ke-Xin, et al．Preparation and properties of hydroxyapatite filters for microbial filtration[J]．Ceramics International，2007，33(3)：483-489

[8]Sopyan I, Mel M, Ramesh S, et al．Porous hydroxyapatite for artificial bone applications[J]．Science and Technology of Advanced Materials，2007，8(1/2)：116-123

[9]Tester R F, Karkalas J, QI X．Starch structure and digesti-bility Enzyme-Substrate relationship[J]．World's Poultry Science Journal，2004，60：186-195

[10]王煜，张玉凤，章慧，等．微胶囊化提高姜黄色素稳定性的研究[J]．食品工业科技，2007，28(11)：193-195

[11]王宗英，王建民，邓宝安．多孔淀粉在卷烟滤嘴中的应用研究[J]．郑州轻工业学院学报:自然科学版，2010(1)：9-11

[12]吴培龙，张黎明，杨鑫，等．玉米多孔淀粉对茶多酚的吸附性能研究[J]．现代食品科技，2010(9)：938-941

[13]朱玉，郭丽，杜先锋，等．变性多孔淀粉吸附卷烟烟气气相物的研究[J]．中国粮油学报，2012，27(8)：24-29

[14]谷绒，车振明，马嫄，等．羧甲基多孔淀粉的制备及其在粉末酱油中的应用[J]．粮油加工，2007(11)：110-113

[15]陈三宝．多孔淀粉粉末薄荷油的吸油与缓释性能研究[J]．食品与机械，2005(3)：39-40

[16]张煜，孙波，蔡柏岩，等．微孔淀粉包埋乳酸菌提高其耐热性的研究[J]．中国乳品工业，2012(4)：21-23

[17]朱仁宏，姚卫蓉，郑书铭，等．多孔淀粉在低脂贡丸中的代脂研究[J]．中国食品添加剂，2005(4)：22-25

[18]Thea Hofmann, Lothar Linke, Alexander Tsiapouris, et al．Porous materials MADE from starch[J]．Chemical Engineering and Technology，1998，21(7)：580-584

[19]陈丽，谭亦成，张 喻．多孔淀粉的酶法制备及在食品中的应用研究进展[J]．粮油食品科技，2013，21(2)：16-19

[20]刘景辉，李立军，王志敏．中国粮食安全指标的探讨[J]．中国农业科技导报，2004(4)：10-16[21]朱晶，郑顺玉，朱晓康．蜡质玉米及其淀粉和变性淀粉[J]．山东食品发酵，1999(3)：39-42

[22]陈丽，谭亦成，张 喻．多孔淀粉的酶法制备及在食品中的应用研究进展[J]．粮油食品科技，2013，21(2)：16-19

[23]尹卓林，解乐福，李艳杰，等．多孔淀粉的制备及性能研究[J]．山东轻工业学院学报，2013，27(2)：24-28

[24]杨圣崇，李 兵，张 琳，等．复合酶法制备马铃薯微孔淀粉的工艺研究[J]．安徽农业科学，2012，40(9)：5352-5354.

Optimization of Half-Dry Preparation of Microporous Waxy Corn Starch

Zhou Xiuli Li Xinxin Ma Haoyuan Cui Shuang Zhang Xiaochen

(School of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130000)

The process of using Half-dry to prepare microporous waxy corn starch has been studied in this paper. Waxy corn starch has been utilized as raw materials, as well as the oil absorption as a measure of index, the effects of the reaction temperature, quantity of enzyme, quantity of water and reaction time of microporous waxy corn starch have been investigated. The experimental results showed that the optimal technological conditions were as follows: reaction temperature 51 ℃, the quantity of enzyme 1 685 U/g, the quantity of water 32%, the reaction time 11.75 h. On the optimized process conditions, the oil adsorption rate of microporous waxy corn starch could be 13.54%.The optimum technological parameters for preparing microporous waxy corn starch by Half-dry method were established finally to provide a basic reference data for commercial process of industrial production

half-dry method, waxy corn starch, microporous starch, oil absorption rate, preparation craft

TS235.1

A

1003-0174(2016)03-0037-06

吉林大学大学生创新性试验计划(2013B45156)

2014-07-14

周秀丽，女，1992年出生，本科，食品质量与安全

李欣欣，女，1964年出生，副教授，食品加工保藏与新技术、生物降解材料、食品质量和安全