（制糖工程专业论文）微波处理及双酶协同微孔木薯淀粉的制备与机理研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了微波处理及双酶协同微孔木薯淀粉的制备与机理。 采用多种现代分 析测试手段，对微波处理木薯淀粉及微孔木薯淀粉的结构特征进行了详细研究。 在此基础上，系统研究了双酶的反应动力学，并对微孔木薯淀粉的孔结构进行了 表征，同时利用吸附法研究微孔木薯淀粉吸附次甲基兰的性质，揭示微孔木薯淀 粉的吸附性能。具体研究工作和创新之处摘要如下: 研究了不同水分含量对微波处理的影响，利用光学显微镜、扫描电镜等检测 方法对其表观形貌进行研究，发现微波辐射导致淀粉颗粒内部产生的由内向外的 瞬间膨胀压力使原木薯淀粉微孔孔径进一步增大而形成大小不同孔径的爆裂孔， 脐点处的爆裂孔孔径最大。孔结构的改变对提高淀粉的反应活性具有重要意义， 大的孔径使酶从外部很容易进入颗粒内部进行水解作用，微波处理的结果为酶的 作用提供了通道。 采用 x 一射线衍射以及差热分析对其处理机理进行了研究，发现微波辐射导 致链淀粉分子的迁移以及晶型从 a型向c型转变，淀粉相变转化温度和相变转化 吸热焙与处理时的水分含量有直接关系。 研究了以a一淀粉酶和葡萄糖昔酶协同水解制备微孔木薯淀粉的制备方法以 及温度、时间、 p h ,。 一淀粉酶和葡萄糖普酶的酶量对水解率的影响规律。 采用扫描电镜、偏光显微镜对微孔木薯淀粉颗粒形貌进行分析，发现双酶沿 着颗粒的爆裂孔由外向内进行水解，并将爆裂孔的孔径逐步扩大，而沿着脐点处 最大爆裂孔进入内部的双酶则将颗粒形成具有微孔表面的空穴，并导致淀粉颗粒 偏光完全消失。 采用 x 一射线衍射、d s c等分析测试方法，对微孔木薯淀粉的结构变化进行 研究，提出微孔木薯淀粉形成的机理是由于双酶分子沿着爆裂孔进入颗粒内部， 遵循酶水解反应基本规律进行，随着水解进程使孔径逐渐扩大。 提出关于颗粒偏光十字的观点: ( 1 )淀粉颗粒偏光十字是有序排列的结晶区和无序排列的无定形区在密度和 折射率上存在差别，产生各向异性现象的结果。淀粉颗粒糊化会使偏光十字消失， 但是偏光十字消失不一定意味着颗粒被糊化。 ( 2 ) 淀粉颗粒偏光十字消失与颗粒的晶体是否存在没有直接关系， 偏光十字 消失的颗粒既可以是结晶完全被破坏的非晶颗粒态，也可以是结晶完整的非糊化 态颗粒。 ( 3 )偏光十字反映的是颗粒无定形区分子结构的有序性而不是结晶区分子结 构的有序性。无定形区分子链的取向及被破坏程度直接影响颗粒的双折射率，结 华南理工大学工学博士学位论文 晶区分子链的结构排列对颗粒偏光十字贡献不大。 研究了a一淀粉酶和葡萄糖酶协同水解微波处理木薯淀粉颗粒的动力学过 程，在单一水解体系中，q一淀粉酶、葡萄糖昔酶对微波处理淀粉颗粒的降解遵 循mi c h a e l i s - me n t e n 方程， 双酶协同水解产物葡萄糖对反应体系具有竞争性抑制剂 的作用，双酶协同作用的水解效率比单酶作用的水解效率高。 采用氮气吸附法深入测定了微孔木薯淀粉的吸附/脱附等温线，认为其孔结 构特征参数与水解程度有很大关系，水解率越高，孔径越小，比表面积以及比孔 容则变大。微孔木薯淀粉的孔径分布主要集中在 2 n m- 5 0 n m之间，属于中孔吸附 剂。 利用吸附法研究微孔木薯淀粉吸附次甲基兰的性质，对微孔淀粉的等温吸附 方程及其吸附速率方程进行了推导。淀粉颗粒表面b电位决定其对次甲基兰的饱 和吸附量，淀粉颗粒表面的心负电位增大则吸附量增加，淀粉颗粒表面的心 正电 位增大则吸附量下降。 本论文的创新之处在于:研究了微波处理及双酶协同制备微孔淀粉的方法， 采用多种分析测试手段对微波处理机理以及微孔形成机理进行了详细探讨，并对 微孔木薯淀粉的孔结构性质以及吸附特性进行了表征，从而为进一步研究根茎类 淀粉的应用开发奠定理论基础。 关键词:微波处理微孔木薯淀粉机理吸附 abs tract a b s t r a c t m e c h a n i s m a n d p r e p a r a t i o n o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h b y s y n e r g i s m m i c r o w a v e t r e a t m e n t a n d h y d r o l y s i s w i t h a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e w e r e s t u d i e d i n t h i s p a p e r . w i t h v a r y d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s , s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s o f m i c r o w a v e t r e a t e d t a p i o c a s t a r c h a n d m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h w e r e d e s c r i b e d i n d e t a i l . s y n e r g i s m k i n e t i c s o f a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e o n h y d r o l y s i s o f m i c r o w a v e t r e a t e d t a p i o c a s t a r c h a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f p o r e s w e r e a l s o t o k e n . w i t h a d s o r p t i o n , p r o p e r t y o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h o n t h e a d s o r p t i o n o f m e t h y l e n e b l u e a n d c a p a b i l i t y w e r e d i s c l o s e d . t h e r e s e a r c h w o r k a n d d i s t i n g u i s h i n g f e a t u r e s w a s c o n t r a c t e d a s f o l l o w s : e f f e c t o f m i c r o w a v e t r e a t i n g o n t a p i o c a s t a r c h a t v a r i n g m o i s t u r e c o n t e n t s w a s s t u d i e d . u s i n g p o l a r i z e d l i g h t m i c r o s c o p e a n d s e m , g r a n u l e m o r p h o l o g y o f m i c r o w a v e t r e a t e d t a p i o c a s t a r c h w e r e o b s e r v e d . i n s t a n t e x p a n d p r e s s u r e i n d u c e d b y r a d i a t i o n o f m i c r o w a v e m a d e a p e r t u r e s o f n a t i v e t a p i o c a s t a r c h s m i c r o p o r o u s t o b e e x p a n d e d a n d f o r m d i f f e r e n t b l o w o u t h o l e s . t h e b i g g e s t b l o w o u t h o l e l o c a t e d i n h i l u m o f g r a n u l e . i t i s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e c h a n g e s o f p o r e s s t r u c t u r e t o i m p r o v e r e a c t i o n a c t i v i t y . b i g g e r a p e r t u r e s m a d e e n z y m e s e n t e r i n s i d e o f g r a n u l e f r o m e x t e r n a l s u r f a c e a n d h y d r o l y z e m o r e e a s i l y . b y m i c r i w a v e t r e a t m e n t , t h e p r e s e n c e o f c h a n n e l s p r o v i d e d e n z y m e s d i r e c t a c c e s s t o t h e g r a n u l e i n t e r i o r . w i t h x - r a y d i f f r a c t i o n a n d d i f f e t e n t i a l s c a n n i n g c a l o r i m e t r y , t h e m e c h a n i s m o f m i c r o w a v e t r e a t m e n t w a s s t u d i e d . m i c r o w a v e r a d i a t i o n l e d t o a m y l o s e t r a n s f e r , a n d t h e s h i f t o f t h e x - r a y s p e c t r u m f r o m a a - p a t t e r n i n t o t h e d i r e c t i o n c - p a t t e r n w e r e c l e a r l y i n d i c a t e d . d s c a l s o i n d i c a t e d t h a t t h e r e w a s a r e l a t i o n s h i p b e t w e e n m o i s t u r e c o n t e n t s a n d t h e g e l a t i n i z a t i o n t e m p e r a t u r e a n d e n t h a l p y o f g e l a t i n i z a t i o n p r e p a r i n g m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h b y s y n e r g i s m o f a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e o n h y d r o l y s i s o f m i c r o w a v e t r e a t e d t a p i o c a s t a r c h w e r e s t u d i e d . s t a r c h h y d r o l y s i s a t v a r i n g t e m p e r a t u r e s , t i m e i n t e r v a l s a n d p h , a - a m y l a s e a c t i v i t y a n d g l u c o a m y l a s e a c t i v i t y , a n d t h e l a w o f t h e i r e f f e c t s o n t h e d e g r e e o f h y d r o l y s i s w a s a l s o d i s c l o s e d . u s i n g p o l a r i z e d l i g h t m i c r o s c o p e a n d s e m , g r a n u l e m o r p h o l o g y o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h w e r e a n a l y z e d . a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e d i f f u s e d t h r o u g h i i i 华南理工大学工学博十学位论文 b l o w o u t h o l e s , d e g r a d e d a n d e n l a r g e d a p e r t u r e s . t h o s e a c c e s s e d t o t h e g r a n u l e i n t e r i o r f r o m t h e b i g g e s t b l o w o u t h o l e o f h i l u m e m p t i e d t h e i r c o n t e n t s , l e a v i n g b e h i n d a m i c r o p o r o u s s h e l l , r e s u l t e d i n t h e b i r e f r i n g e n c e o f g r a n u l e s d i s a p p e a r c o m p l e t e l y . w i t h x - r a y d i f f r a c t i o n a n d d i f f e t e n t i a l s c a n n i n g c a l o r i m e t r y , t h e s t r u c t u r e o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h w a s s t u d i e d . t h e m e c h a n i s m o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h w a s d e s c r i b e a s m o l e c u l e s o f a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e p e n e t r a t e g r a n u l e i n t e r i o r t h r o u g h b l o w o u t h o l e s t o d e v e l o p l a r g e a p e r t u r e s a l o n g w i t h h y d r o l y s i s o b e y i n g t h e m i c h a e l i s - m e n t e n m e c h a n i s m . t h e n e w i n t e r p r e t a t i o n a b o u t b i r e f r i n g e n c e o f g r a n u l e w a s p r o p o s e d a s f o l l o w : ( 1 ) t h e b i r e f r i n g e n c e o f g r a n u l e i s a s a r e s u l t o f d i f f e r e n t d e n s i t y a n d r e f r a c t i v e i n d e x b e t w e e n o r d e r e d c r y s t a l l i z e d r e g i o n a n d d i s o r d e r e d a m o r p h o u s r e g i o n . g e l a t i n i z a t i o n w i l l m a k e t h e b i r e f r i n g e n c e o f g r a n u l e d i s a p p e a r , w h e r e a s t h e d i s a p p e a r o f b i r e f r i n g e n c e i s n o t a l w a y s r e s u l t f r o m g r a n u l e s g e l a t i n i z a t i o n . ( 2 ) t h e r e i s n o d i r e c t r e l a t i o n b e t w e e n t h e d i s a p p e a r a n c e o f g r a n u l e s b i r e f r i n g e n c e a n d c r y s t a l e x i s t e n c e . g r a n u l e s w i t h o u t b i r e f r i n g e n c e a r e e i t h e r n o n - c t y s t a l g r a n u l e s w h o s e c r y s t a l h a d b e e n d e s t r u c t e d c o m p l e t e l y , o r n o n - g e l a t i n i z a t i o n g r a n u l e s h a v i n g i n t a c t c r y s t a l . ( 3 ) t h e b i r e f r i n g e n c e o f g r a n u l e s a p p e a r s t o b e m o s t l y d u e t o o r d e r e d a r r a n g e m e n t i n t h e a m o r p h o u s r e g i o n s a n d n o t c r y s t a l l i n i t y . o r i e n t a t i o n o f m o l e c u l a r c h a i n s a n d t h e d e g r e e o f d e s t r u c t i o n h a d a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n b i r e f r i n g e n c e , a t t h e s a m e t i m e , t h o s e i n c r y s t a l l i z e d r e g i o n c o n t r i b u t e n o t t o o m u c h t o t h e b i r e f r i n g e n c e o f g r a n u l e s . s y n e r g i s m k i n e t i c s o f a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e o n h y d r o l y s i s o f m i c r o w a v e t r e a t e d t a p i o c a s t a r c h w e r e s t u d i e d . t h e f o r m a t i o n o f g l u c o s e i n s o l e a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e s y s t e m s o b e y e d t h e m i c h a e l i s - m e n t e n m e c h a n i s m , a n d t h e r e a c t i o n r a t e d e c r e a s e d g r a d u a l l y b e c a u s e o f c o m p e t i t i v e i n h i b i t i o n b y g l u c o s e . t h e s o l u b l e s u g a r f o r m a t i o n b y t h e m i x e d - e n z y m e s y s t e m i s m o r e t h a n t w i c e a s m u c h a s t h e s u m o f s u g a r f o r m a t i o n b y e a c h c o r r e s p o n d i n g e n z y m e s y s t e m , t h e c o o p e r a t i o n o f b o t h e n z y m e s i s t h e s y n e r g i s m . t h e a d s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n i s o t h e r m s o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h w e r e m e a s u r e d b y n i t r o g e n a d s o r p t i o n a t 7 7 k . t h e r e s u l t s s h o w e d t h a t b e t s p e c i f i c s u r f a c e a r e a a n d s p e c i f i c p o r e v o l u m e i n c r e a s e d a n d a v e r a g e p o r e s i z e w a s i v abs tract d e c l i n e d w h i l e t h e d e g r e e o f h y d r o l y s i s i n c r e a s i n g . p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n p e a k i n t h e d i a m e t e r r a n g e o f 2 n m - 5 0 n m，t h e m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h b e l o n g t o m e s o p o r e s a d s o r b e n t . w i t h a d s o r p t i o n , p r o p e r t y o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h o n t h e a d s o r p t i o n o f m e t h y l e n e b l u e a n d c a p a b i l i t y w e r e d i s c l o s e d . t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m e q u a t i o n a n d a d s o r p t i v e s p e e d e q u a t i o n o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h w e r e d e d u c e d . i t h a d b e e n f o u n d t h a t t h e z e t a p o t e n t i a l o f t h e m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h h a d a g r e a t e f f e c t o n a d s o r p t i o n c a p a c i t y o f m e t h y l e n e b l u e , t h e a d s o r p t i o n i n c r e a s e d w i t h n e g a t i v e z e t a p o t e n t i a l o f g r a n u l e s u r f a c e i n c r e a s i n g , m e a n w h i l e t h e a d s o r p t i o n d e c r e a s e d w i t h p o s i t i v e z e t a p o t e n t i a l i n c r e a s i n g . d i s t i n g u i s h i n g f e a t u r e s o f t h e t h e s i s w e r e : p r e p a r a t i o n w a y o f m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h b y m i c r o w a v e t r e a t m e n t a n d s y n e r g i s m a - a m y l a s e a n d g l u c o a m y l a s e o n h y d r o l y s i s o f m i c r o w a v e t r e a t e d t a p i o c a s t a r c h w e r e o f f e r e d . w i t h v a r y d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s , t h e m e c h a n i s m o f m i c r o w a v e t r e a t m e n t a n d s u r f a c e m i c r o p o r o u s f o r m a t i o n w e r e d i s c u s s e d i n d e t a i l , t h e p r o p e r t i e s o f p o r e s a n d a d s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e r e a l s o t o k e n . t h e r e s e a r c h h a s e s t a b l i s h e d a b a s e f o r m o r e a p p l i c a t i o n o f t u b e r a n d r o o t s t a r c h i n f u t u r e k e y w o r d s : a d s o r p t i o n m i c r o w a v e t r e a t m e n t ; m i c r o p o r o u s t a p i o c a s t a r c h ; m e c h a n i s m ; v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : 分 a 日期执 无 0*年 月 a 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不 保 密 腻 ( 请在以上相应方框内打 “ 了 ” ) 作者签名: 导师签名: 盼 tbq -t 日 期: 汤 呐 j 年 月z $日 日 期 : 加 刁年6 月 z*日 第一章绪 论 第一章绪 论 淀粉是绿色植物通过光合作用生成的一类重要碳水化合物。 是植物中主要贮藏 的碳水化合物，也是许多植物的种子、根、块茎等发芽时的主要能源。淀粉广泛 地分布于植物界，尤其是稻米、小麦、玉米等谷类的种子以及甘薯、马铃薯等薯 类的贮藏组织里积蓄着大量的淀粉，是人类主要的碳水化合物来源。淀粉资源丰 富、价格低廉而且具有可再生性，工业生产的原淀粉经进一步加工而成具有更优 良性质、种类繁多的变性淀粉，广泛应用于食品、造纸、纺织、化工、医药和其 他工业川 。因此，淀粉在人类生产与生活、 生存中具有举足轻重的作用， 倍受各个 领域研究者的高度重视。 本章将着重介绍本研究课题的学术背景及理论与实际意义， 国内外在这方面的 研究进展及本文的主要研究内容与意义。 1 . 1 微孔淀粉 1 . 1 . 1 微孔淀粉概述 微孔淀粉是指将淀粉在低于淀粉糊化温度下经水解处理后， 在其颗粒表面遍布 小孔的淀粉，是一种新型的变性淀粉。由于微孔淀粉的比表面积与比容积很大， 具有良好的吸附性，可用作功能性物质 ( 如药剂、色素、香料、保健物质等)的 吸附载体和包埋剂，广泛用于医药、农药和食品工业。微孔淀粉与天然淀粉相比 有如下特性【z : ( 1 ) 较大的比容; ( 2 ) 较大的比表面积; ( 3 )堆积密度、颗粒密度 低;( 4 )良好的吸水、吸油能力:( 5 )在干燥状态下具有良好的机械强度;( 6 ) 分散在水及其它溶剂中能保持明显的结构完整性;( 7 )加工过程安全、无毒、环 保，使用剂量不受限制。由于微孔淀粉具有以上优良的性能，其制备、性质和应 用领域方面的研究已引起国内外研究者的关注。 1 . 1 . 2 微孔淀粉的国内外研究现状 早在上世纪六十年代初期， e v e r s (a 等人用扫描电镜观察经过酶水解的淀粉颗 粒表面会产生微小的孔，b .l . d r o n z e o 用电镜观察发芽的小麦颗粒发现，小麦淀 粉颗粒的表面也有微小的孔洞，经研究表明是由干发芽过程中小麦本身含有的a 一淀粉酶水解所致，并经过进一步的研究发现不同种类和不同来源的酶对淀粉的 水解程度不同。wh i s t l e r .r . l 在显微镜下观察微孔淀粉具有双折射现象，认为其 原因是淀粉酶作用于淀粉颗粒时，水解会优先发生在不定形区，结晶区结构致密， 淀粉酶在此区域水解能力下降。未水解的高度结晶区形成彼此相连的 “ 桥”形网 状结构就形成微孔淀粉。 林江涛等7 ， 对微孔淀粉的糊化性质进行研究， 发现其起糊 华南理工大学工学博士学位论文 温度降低，粘度稳定性下降，认为是淀粉经过酶处理后形成的微孔淀粉结构疏松， 水分子易于进入淀粉内部，使糊化容易;水解后淀粉链长度减小，抵抗剪切和搅 拌能力下降，粘度稳定性降低。另外，微孔淀粉分子更容易重新趋向排列回生、 淀粉糊易形成均匀水合体系和淀粉糊持水性下降。 淀粉基质与被吸附物质的相容性决定了微孔淀粉吸附各类物质的容量。 淀粉颗 粒表面布满亲水性经基，对脂溶性物质吸附有限，将微孔淀粉进行表面活性处理 后，可使颗粒更易于吸收脂溶性物质。一般可采用甲基纤维素、聚乙烯乙醇、聚 -n 一乙烯-2 -毗咯烷酮、聚丙烯酞胺、卡拉胶和其他食用胶进行表面改良 2 1 苏东民b 1 等对用甲基纤维素对微孔淀粉进行处理后吸附n 一胡萝 卜 素， 其最大吸附 量为( 1 5 0 v g g - 1 ) ， 但 仍低于水 溶 性 物质的吸附 量， 可 能是引 入的 亲 脂 基团 仍远 远低于亲水性轻基。用硬脂酞或墟拍酸酥与微孔淀粉反应也能增强其表面亲脂性， 使淀粉基质选择性吸附液体基质9 1 10 1 。 将真空干燥的微孔淀粉用无水三乙胺搅拌 1 小时，再加入无水c c 1 4 ，然后滴加溶于c c 1 4 硬脂酞氯，用无水乙醉分解过量的硬 脂酞氯，混合物继续搅拌 1 . 2 5小时后离心过滤，得到硬脂酞化的微孔淀粉。与原 淀粉相比，硬脂酞化的微孔淀粉可明显提高薄荷油的吸附量。另外，在非极性溶 液如甲苯、二甲苯、乙烷中，将硅酮聚合物与淀粉作用得到硅质包复处理的微孔 淀粉，对不良 气体吸附能力强。亦森 ， 1 提出微孔淀粉表面经过硅质包复处理后呈 疏水性，这样不会吸水，但对于油类，不管是否经硅质包复处理，其吸油量仍与 未处理时相同。r i z z i 等 l 2 1 在微孔淀粉表面接上硅氧烷基团，大大提高其吸油率， 而且硅氧烷的长度及其侧链可根据需要进行调节。 经部分酶解得到的微孔淀粉颗粒结构受到一定程度的破坏， 它的一些物理指标 都低于原淀粉。为了提高微孔淀粉颗粒抗机械破坏、抗溶胀、抗溶解，可用适当 的交联剂通过化学交联以增强其结构稳定性。常用的交联剂有:磷酸盐，二狡酸 衍生物、三氯氧磷、3 -氯-1 , 2 一环氧丙烷、二氯二乙醚等s 1 。苏东民等 s 用三 氯氧磷交联微孔淀粉，大大提高了其物理性能。王航r 0 1 用e c h交联木薯淀粉制备 微孔淀粉，颗粒具有很强的抑制膨胀和抗糊化能力，可以满足在较高温度下制备 微孔淀粉的要求。 wh i s t e r 0 ， 将微孔淀粉脂化、醚化等化学键共价联接以改变其流 变学性质和感官性质，粉碎成0 . 1 - 1 v m小颗粒，用于食品中可部分或完全替代其 中的脂肪以减少热量。 微孔淀粉的制备也是研究的重点。f a n n o n l 9 1 等用糖化酶处理玉米淀粉、燕麦 淀粉和马铃薯淀粉， 发现玉米淀粉表面、 燕麦淀粉中心线处存在直径约 l u m的小 孔，而马铃薯表面只能观察到酶作用后留下的杂乱纹路。姚卫蓉等 16 1 用汕米制备 微孔淀粉，发现粒度大的汕米淀粉颗粒表面被生淀粉酶作用的位点少，颗粒粉碎 得越细，受损位点越多，越容易形成微孔淀粉。 wh i s t l e r 等(6 1 在玉米淀粉、小麦淀 粉中加入等量的a一淀粉酶和糖化酶，经酶解得到微孔淀粉，其孔径比单独使用 第一章绪 论 一种酶都大。 总之， 对微孔淀粉的研究正在不断深化， 如增加制备微孔淀粉的原料种类，强 化各种酶对淀粉质的敏感性以及改变微孔淀粉的性质以适应其在不同领域的应用 等。但是，以往的研究工作也有不足之处:第一，局限于仅采用谷类原淀粉作为 微孔淀粉的制备原料，对原淀粉没有进行预处理，第二，没有进一步探讨微孔淀 粉形成机理与淀粉晶体结构的内在关系。 1 . 2 淀粉的晶体结构 1 . 2 . 1 淀粉的晶型 根据天然淀粉的 x 射线衍射图形的不同，淀粉可被分为 a型、b型和 c型淀粉 1 7 1 。 这三种衍射图 形分别与不同的淀粉植物来源相联系， a 型主要来源于谷类淀粉、 b 型来源于根茎类淀粉，c 型包含有 a , b 型两种晶体，如香蕉中的淀粉。 v型结构 是由直链淀粉和脂肪酸、乳化剂、丁醇和碘等物质混合得到的，在天然淀粉中很 少发现。每一种类型的淀粉都有其明显的特征1 8 ) , a 型分别在 。 . 5 8 n m , 0 . 5 2 n m 和 0 . 3 8 n m 处有三个强峰，b 型在 1 . 5 8 - 1 . 6 0 n m有一个强峰，大约在0 . 5 9 n m有一个较 宽的中强峰，在 。 . 5 2 n m有一个强峰，在 0 . 4 n m和 0 . 3 7 n m有一个中等的重叠峰， 除了在 1 .6 0 n m有一个中强峰外， c型基本上与a型相同， 而且，1 . 6 0 n m峰的出现 依赖于水分的存在，如果是在干燥或部分干燥的样品中，此峰也可能消失。f e n c h a . d 0 认为对于v型结构， 在1 . 2 n m , 0 . 6 8 n m 和。 . 4 4 n m 处有三个峰出现，若水合 v型与碘形成蓝色络合物，则在 1 . 1 3 n m , 0 . 6 5 n m 和 0 . 4 3 n m 处峰空间将减少很多。 可见，淀粉的x 射线衍射图形为研究其晶体形态提供了有利的手段。 1 . 2 . 2 改变淀粉晶体类型的方法 利用物理方法可以使淀粉颗粒内部的分子重新排列，从而改变其本身的结构， 湿热处理便是常用的方法之一。1 9 6 7年 l . s a i r 0 发现将有限水分含量的淀粉颗粒 在加热到 1 0 0 以上的蒸汽条件下处理一定时间，会显著改变淀粉性质。经x 一射 线衍射发现，谷类淀粉晶体降低，根茎类淀粉晶体类型从 b型向a型转变。1 9 8 5 年d u d a c e k w . p 通过湿热处理方法将v 型结构引入淀粉颗粒。玉米、小麦和米淀 粉在湿度为1 8 - 4 5 、 温度为9 0 - 1 3 0 下保持 1 - 1 6 小时，可使颗粒内部存在的脂 肪酸和类脂能够与直链淀粉部分络合形成v型结构。 l o r e n z 和k u l 广2 利用x 射线 衍射研究发现经过湿热处理后小麦和马铃薯的结晶度有所下降。i s a o ma r u t a 等 2 9 7 将传统的湿热处理方法进行改进使其适应工业化规模生产，并利用改进的方法对 玉米淀粉进行处理后研究 a一淀粉酶对其水解性及吸附性的影响，结果表明，湿 热玉米淀粉糊化温度提高，持水性及对淀粉酶的敏感增强，润胀力降低，热糊粘 度下降而淀粉糊在加热过程中的稳定性提高。i s a o ma r u t a 等2 4 7 还研究在温度分别 华南理下大学工学博士学位论文 为1 2 0 和1 3 0 时湿热处理玉米淀粉的糊化状态，发现随着湿热处理温度提高， 湿热玉米淀粉 d s c曲线的糊化吸收峰右移，糊化温度范围变宽。d o n o v a n等 2 6 报 导经湿热处理后在 d s c曲线双阶段温度谱图上出现融解等温段，认为是被处理的 淀粉晶体重新排列而形成新的晶型。 利用湿热法处理原淀粉， 改善淀粉的物理性质及改变晶体结构制备微孔淀粉的 研究， 仅见岛田【 2 6 1 于1 9 9 6 年提出用a一淀粉酶或糖化酶处理湿热淀粉制备中孔的 微孔性淀粉的方法。国内汪树生 2 6 1 认为湿热淀粉具有比容积值高， 淀粉内部中空， 淀粉颗粒外层坚固，不易崩裂等特性，以湿热淀粉制备微孔淀粉，由于湿热淀粉 对淀粉酶敏感，可适当减少酶用量。对于湿热处理，其弊端在于很难实现热量在 淀粉内部的均匀渗透。由此可见，采用适当的方法对原淀粉的晶体结构进行改变， 从而改善淀粉的物理性质以获得一种新型物理变性淀粉作为微孔淀粉生产的原 料，已成为当前国内外淀粉科学研究领域的一个前沿课题。 1 . 3 淀粉颗粒的物态性质 1 . 3 . 1 颗粒微孔 对于原淀粉颗粒表面是否存在微孔，一直是研究者关注的热点问题。1 9 1 3年 r e i c h e r t 2 1 首先报道了成熟淀粉颗粒的脐点有中空的中心空腔存在，随后 w h i s t l e r 和 t u r n e r 2 8 对此现象 进行了 观察和论述。 h a l l 等人2s 将预干燥的原淀 粉分散于水溶液中并利用光学显微镜观察，认为普通玉米淀粉、高粱淀粉及蜡质 玉米淀粉颗粒均有微孔存在，而大麦、燕麦、稻米及小麦则没有孔，并率先提出 淀粉表面的微孔是酶进入颗粒内 部的通道的观点。 h a l l 和 s a y r e 3 0 ) 3 i 研究了 根茎 类淀粉，认为木薯淀粉表面存在微孔，f a n n o n等3 2 1 对此则持不同观点，认为只有 谷类淀粉表面有孔，其余根茎类淀粉无孔。c h a b o t 等人 3 3 1 利用冷冻浸蚀技术及透 射电镜在蜡质玉米表面观察到微孔。 b a l d w i n 等人 3 4 1 结合光学显微镜、 扫描电镜及 共焦激光扫描显微镜测定了马铃薯淀粉、稻米淀粉和小麦淀粉颗粒上的微孔，认 为马铃薯淀粉表面上的微孔孔径分布变化最大，孔径与颗粒大小没有十分明显的 关系，所有的颗粒都有孔存在。f e n n o n 等人 3 2 则指出只有当淀粉颗粒的微孔及空 腔足够大时才能在扫描电镜及透射电镜下被观察到，而一些微孔及微空腔的孔径 足以允许普通的化学试剂及酶通过，但在电镜下仍无法明显观察到它们的存在。 而h u b e r 和b e m i 1 1 a e l 则利用荧光显微镜及扫描电镜为玉米和高粱淀粉颗粒表面微 孔、脐点中心空腔以及颗粒内在通道的存在提供了新的证据。有的研究者3 4 1 36 1 认 为，干燥处理 ( 包括提高干燥温度及伴随水分丧失)是原淀粉表面微孔形成的原 因。 不少研究者观察到当玉米淀粉颗粒被酶水解时，颗粒内部优先被水解，并从 第一章绪 论 脐点处由 内向 外 进 行3 7 36 13 6 4 0 (4 1 4 2 1 14 3 o f e n n o n 等人“ ， 认为 这是由 于原 颗粒 存在微 孔，这些孔为酶从颗粒外部进入内部提供了通道。淀粉酶能够水解某些淀粉类的 脐点并使该处的空腔逐渐被扩大 4 5 1淀粉颗粒围绕脐点的中心区域是颗粒结构最 薄弱的地方，因为糊化、酶降解、酸降解都起源于此处4 6 ( 4 7 1 对原淀粉颗粒微观结构特征如多孔、空腔、脐点、内在通道等的研究，为进 一步深入了解反应物沿着脐点中心孔由外部进入颗粒内部特别是进入脐点周围结 构松散的区域，以提高反应物速度的机理具有重要意义。目前，许多研究者利用 原子力显微镜对淀粉颗粒表面小范围的区域(