郭战英，付 艳，路常平，郭雅妮，梅若晨

（1.陕西省现代建筑设计研究院，陕西 西安 710048；2.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048）

玉米淀粉（corn starch）又称玉蜀黍淀粉，俗名六谷粉，是人类食用淀粉中重要的一种能量物质。我国是个农业大国，玉米淀粉产量大、生产成本较低，但天然玉米淀粉和未改性的玉米淀粉除食用外，实用价值较低[1]。为了赋予玉米淀粉更多的功能，就需要进一步探讨玉米淀粉的改性方法，这对于提高其使用价值、扩大其应用领域，将具有十分重要的意义[2]。

多孔淀粉也经常被称为有孔淀粉或微孔淀粉，一般是通过改性原淀粉而制得，其表面布满直径为1μm 左右的小孔，总孔洞容积约为淀粉颗粒体积的50%[3]。原淀粉一般为外形光滑的球形颗粒，多孔淀粉外形不变仍为球形，但其内部结构呈现中空，具有蜂窝状的多孔。多孔淀粉由于比表面积较大，能够有效吸附不同物质，因此，提高了自身使用价值，扩大了其应用领域[4]。多孔淀粉具有较高的吸水性，其结构中孔径分布与孔隙的特征，取决于所选酶的类型和水平[5]。目前，人们已将多孔淀粉的应用逐渐扩展至非食品领域，例如，医药行业用作止血材料、卫生行业用于吸水材料、环保领域用作吸附剂等等[6]。

本研究以玉米淀粉为原料，采用α-耐高温淀粉酶酶解法制备多孔玉米淀粉吸油材料，优化酶解条件，以期改善玉米淀粉的多种性能指标，提高多孔玉米淀粉的实用价值。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

玉米淀粉（食品级 泰国东鸿有限公司）；食用油（食品级山东鲁花大豆油）；α-耐高温淀粉酶（2000IU北京奥博星生物技术有限责任公司）、柠檬酸（天津博迪化工股份有限公司）、Na2HPO4（天津市致远化学试剂有限公司）、NaOH（天津市富宇精细化工有限公司）、无水Na2SO4（天津市盛奥化学试剂有限公司）、98% 浓H2SO4（天津市福晨化学试剂厂），以上试剂均为分析纯。

ESJ120-4 型电子天平（沈阳龙腾电子有限公司）；DF-101S 型集热式恒温磁力搅拌器（巩义市予华仪器有限责任公司）；SHA-C 型水浴恒温振荡器（金坛市天竟实验仪器厂）；智能型电热恒温鼓风干燥箱（海琅玕实验设备有限公司）；UV-1800 型紫外可见光谱仪（上海美谱达仪器有限公司）；UPD-1-201 型优普系列超纯水机（成都超纯科技有限公司）；Quanta-450-FEG 型扫描电镜（美国FEI 公司）；Nicolet 5700 型红外光谱仪（美国Thermo Electron公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 酶解法制备多孔玉米淀粉 在250mL 锥形瓶中放入精确称量的20g 玉米淀粉（干基），加入pH值为6.0 的Na2HPO4（0.2mol·L-1）-柠檬酸（0.1mol·L-1）缓冲溶液40mL[7]、α-耐高温淀粉酶0.8mL，50℃恒温振荡16h，取出后再加去离子水直至250mL，抽滤后50℃干燥、粉碎、过筛，获得的多孔玉米淀粉样品收集备用。

1.2.2 试验设计 以吸油率为衡量指标，针对制备过程中涉及酶解温度、体系pH 值、酶添加量、酶解时间、底物浓度5 个变化因素，每组试验改变其中的一个因素，其他条件固定不变，设计单因素试验。获得的最佳条件进行3 次实验平行验证。

1.3 分析方法

1.3.1 吸油率的测定 精确称量玉米淀粉1g 放入15mL 离心管（m0）中，加入10mL 食用油混合，恒温搅拌30min，4000r·min-1离心10min，倾去上层油至没有油滴滴下，此时离心管总质量记为m2[8]。计算吸油率ω：

式中 m0：离心管质量，g；m1：玉米淀粉质量，g；m2：淀粉、油和离心管的总质量，g。

1.3.2 比容积的测定 精确称量2g 玉米淀粉，使淀粉自由落入10mL 量筒，轻微晃动使量筒内淀粉表面保持水平，记录体积数，计算玉米淀粉的比容积（g·cm-3）[9]。

1.3.3 透光率的测定 精确称量配制1%的玉米淀粉乳，利用沸水浴加热搅拌30min，冷却至室温；在分光光度计λ=650nm 处、蒸馏水作为空白测定样品的透光率[10]。

1.3.4 膨胀率和溶解率的测定 精确配制2%的玉米淀粉乳，放入60℃水浴搅拌30min，3000r·min-1离心20min，取上清液倾入蒸发皿，利用沸水浴将其蒸干，在105℃恒温干燥箱中烘干至恒重[11]。分别计算膨胀率B 和溶解率S：

式中 P：离心后沉淀质量，g；W：玉米淀粉干重，g；A：上清液烘干后质量，g。

1.3.5 性能表征 红外光谱（FTIR）分析采用溴化钾压片法对样品的官能团变化进行定性定量分析；通过扫描电镜（SEM）对样品结构与表面形貌的变化进行分析。

2 结果与讨论

2.1 多孔玉米淀粉吸油性能的影响因素

2.1.1 酶解温度对吸油性能的影响

图1 为酶解温度对玉米淀粉吸油性能的影响。

图1 酶解温度对多孔玉米淀粉吸油性能的影响Fig.1 Effect of enzymolysis temperature on oil absorption rate

由图1可以看出，多孔玉米淀粉的吸油率随酶解温度的上升先上升后下降，50℃时吸油率达到最佳。众所周知，在有效范围内酶活性随温度升高而增大，故初期吸油率出现上升趋势；温度较高时，玉米淀粉颗粒会快速吸水膨胀，越接近糊化温度（玉米淀粉糊化温度为70℃左右[12]）淀粉束越松散，酶解迅速，特别容易发生过度水解使淀粉颗粒坍塌，从而导致接近糊化温度时吸油率下降。因此，酶解温度为50℃时多孔玉米淀粉的吸油性能最佳。

2.1.2 酶解体系pH 值对吸油性能的影响

图2 为酶解体系pH 值对多孔玉米淀粉吸油性能的影响。

图2 酶解体系pH 值对多孔玉米淀粉吸油性能的影响Fig.2 Effect of pH value on oil absorption rate

由图2 可以看出，体系pH 值在4.0～6.0 之间，吸油率呈现先上升后下降，酶解体系pH 值为5.0时，多孔玉米淀粉的吸油率最大。说明体系pH 值为5.0 时，酶的活性最高，作用效果最好。这是由于任何酶一般都有最佳pH 值作用范围，而α-淀粉酶的最适pH 值范围为4.5～6.5[13]，因此，酶解体系pH 值为5.0 时多孔玉米淀粉的吸油性能最佳。

2.1.3 酶添加量对吸油性能的影响

图3 为酶添加量对多孔玉米淀粉吸油性能的影响。

图3 酶添加量对多孔玉米淀粉吸油性能的影响Fig.3 Effect of enzyme addition on oil absorption rate

由图3 可以看出，酶添加量为3.0%时吸油率最大。初期酶量的增加有利于多孔玉米淀粉吸油率的增大，这符合酶能够加速化学反应速度的特性，因为酶量较少，大部分淀粉颗粒不能被充分酶解；而酶量过大，淀粉颗粒会被酶解过度引起结构坍塌破坏，颗粒的中空多孔结构则无法形成，从而导致淀粉吸油率大大降低。因此，酶添加量最佳为3.0%。

2.1.4 酶解时间对吸油性能的影响

图4 为酶解时间对多孔玉米淀粉吸油性能的影响。

图4 酶解时间对多孔玉米淀粉吸油性能的影响Fig.4 Effect of enzymolysis time on oil absorption rate

由图4 可以看出，酶解时间为12h 时吸油率最大。酶解初期时间越长，酶解越充分，越有利于多孔结构形成；但酶解时间过长，淀粉颗粒会被酶解过度而引起结构坍塌破坏，颗粒的中空多孔结构无法形成，从而导致吸油率降低。因此，最佳酶解时间为12h。

2.1.5 底物浓度对多孔淀粉吸油率的影响

图5 为底物浓度对多孔玉米淀粉吸油性能的影响。

图5 底物浓度对多孔玉米淀粉吸油性能的影响Fig.5 Effect of substrate concentration on oil absorption rate

由图5 可以看出，底物浓度为25%时吸油率达到最大。酶解初期底物浓度增加，也就是淀粉颗粒越多，参与酶解的淀粉的几率就越大，所以吸油率逐渐增大；但当底物浓度过高，淀粉颗粒溶解效果差，几乎呈悬浮液，形成非均一体系，导致酶与淀粉颗粒不能充分接触，酶解反应不能充分进行，有限的酶量甚至使部分淀粉根本没有机会发生酶解，从而显示出吸油率下降[14]。因此，底物浓度最佳为25%。

通过3 次酶解平行实验验证，最终确定最佳酶解条件为酶解温度50℃、酶解pH 值为5.0、酶添加量3%、酶解时间12h、底物浓度25%，该条件下吸油率最高可达112.04%。

2.2 性能表征与分析

2.2.1 FTIR 分析

图6 为玉米淀粉和多孔玉米淀粉的红外光谱图。

图6 玉米淀粉和多孔玉米淀粉的红外光谱图Fig.6 Infrared spectrum of corn starch and porous starch

由图6 可见，玉米淀粉在3280cm-1处有O-H 基团伸缩振动的特征吸收峰，在2932cm-1处有C-H 基团的伸缩振动特征吸收峰，在1649cm-1处有C=O 基团伸缩振动的特征吸收峰。多孔玉米淀粉同时具有玉米淀粉的特征吸收峰，但比起玉米淀粉来说，O-H基团的特征吸收峰略微变小，其数量相对减少；C=O基团的特征峰增强，其数量相对增加。说明酶解使得玉米淀粉只是特征吸收峰有略微变化，酶解作用并没有使玉米淀粉的分子结构发生显著改变。

2.2.2 SEM 分析

图7 为玉米淀粉和多孔玉米淀粉的SEM 图。

图7 玉米淀粉和多孔玉米淀粉的SEM 图Fig.7 SEM of corn starch and porous starch

由图7 可以看出，玉米原淀粉呈圆形或多角形结构，颗粒表面光滑，而最佳酶解条件下制得的多孔玉米淀粉，颗粒成孔效果较好，表面布满明显的蜂窝状小孔，孔径大小和孔密度适中，有一定深度，蜂窝小孔使淀粉颗粒形成空腔，有利于增大其比表面积，提高淀粉颗粒的吸附能力。说明采用酶解法可以获得成孔效果较好、吸油率性能佳的多孔玉米淀粉。

2.3 性能表征与比较

表1 为多孔玉米淀粉与玉米淀粉的不同性能指标的比较。

表1 多孔玉米淀粉与玉米淀粉的性能比较Tab.1 Comparison of properties between porous corn starch and original starch

由表1 可以看出，多孔玉米淀粉的吸油率比玉米淀粉提高了82.30%，结合SEM 分析结果，由于玉米淀粉表面光滑，主要依靠表面吸附，而多孔玉米淀粉颗粒表面布满明显的蜂窝状小孔，内部形成有一定深度的中空多孔结构，所以吸油率大大提高[15]。和酶解前相比，多孔玉米淀粉的比容积提高了21.94%，膨胀率提高了38.29%，这都是由于多孔玉米淀粉内部中空多孔，和同质量的玉米淀粉相比，多孔玉米淀粉体积增大，颗粒数量增加，因此，多孔玉米淀粉比容积提高，膨胀率增大。同时，多孔玉米淀粉的透光率比酶解前提高了7.39%，原因是多孔玉米淀粉内部的中空多孔结构，有利于光更好地透过。多孔玉米淀粉的溶解率比酶解前增加了69.83%，这是由于其中空多孔结构使水分子进入孔洞速度加快，从而使多孔玉米淀粉溶解率增加[16]。

3 结论

（1）多孔玉米淀粉最佳酶解条件为酶解温度50℃、酶解pH 值为5.0、酶添加量3%、酶解时间12h、底物浓度25%，该条件下吸油率可达112.04%，对油脂吸附效果良好。

（2）红外光谱分析表明，酶解作用使玉米淀粉只是特征吸收峰有略微变化，并没有使玉米淀粉的分子结构发生显著改变；SEM 分析显示，多孔玉米淀粉颗粒完整，孔洞明显，有利于增大比表面积，表明该优化酶解法制备多孔玉米淀粉方法可行，并且成孔效果理想。

（3）性能指标测试结果表明，多孔玉米淀粉的吸油率、比容积、膨胀率、透光率及溶解率较原淀粉分别提高了82.30%、21.94%、38.29%、7.39%、69.83%，表明制得的多孔玉米淀粉各方面性能均优于玉米淀粉。