（发酵工程专业论文）酶法制备多孔交联淀粉及其性质的研究.pdf

摘要 摘要 多孔淀粉是一种新型的变性淀粉，作为吸附剂，具有高效、无毒、安全等优 点，可广泛地应用于食品、医药卫生、农业、日用化工等行业，正逐渐成为一个 研究的热点。本文利用我国南方丰富的木薯淀粉为原料，探索先适当交联然后在 较高温度下部分酶解来制备多孔淀粉的新工艺路线，可有效提高水解速度，为国 内外首创。本文还探讨了该工艺的制备条件和多孔淀粉的颗粒结构，并对淀粉酶 作用机理作了初步研究。本文主要研究内容和结果有： 环氧氯丙烷( e c h ) 交联木薯淀粉具有很强的抑制膨胀和抗糊化的能力，可以 在较高温度下制备多孔淀粉，充分发挥淀粉酶酶活潜力，但是交联程度越高，越 难被淀粉酶降解，因此交联要适当。 不同液化酶和糖化酶对不同交联程度木薯淀粉的水解研究表明液化酶比糖 化酶更容易水解高交联木薯淀粉，水解产物对本文所用的酶均有抑制作用。 通过正交实验得出制备多孔交联木薯淀粉的最佳工艺条件为o 2 8 e c h 交联 木薯淀粉浓度2 0 0 ( w w ) 、糖化酶用量1 0 0 0 u g 、温度6 0 。c 、p h 3 5 、反应时间 1 6 h ，该优化工艺制得的多孔淀粉的柠檬黄吸附量和粟米油吸附量分别比木薯原 淀粉提高了5 1 8 和4 6 7 。同时还得出影响柠檬黄吸附量各因素显著性由大到 小顺序为：糖化酶量，时间，p h ，温度；影响粟米油吸附量各因素显著性由大到 小顺序为：温度，糖化酶量，p h ，时间；而影响淀粉水解率的各因素显著性由大 到小顺序为：温度，糖化酶量，时间，p h ，因此水解率不能代替吸附性能作为多 孔淀粉的评价指标。 氮吸附测定表明，经正交优化制备的多孔淀粉的b e t 比表面积、比孔容和平 均孔径分别比底物提高了3 3 8 、1 5 8 5 和9 3 4 ，各种孔径的孔的数量都有所 增加，其中大孔的数量增加较多。 扫描电子显微镜观察和x 射线衍射分析表明：e c h 交联木薯淀粉颗粒表面 相当致密，存在较多的高级微晶，较高的温度可以使淀粉颗粒产生裂缝，糖化酶 分子就容易深入到内部进行水解，从而形成孔穴。同时，交联作用使颗粒裂而不 破碎，这正是先交联再酶解这一复合变性工艺路线的优越性所在。糖化酶的作用 导致e c h 交联木薯淀粉颗粒表面产生纵横沟壑，高级微晶部分转化为初级微晶。 不同颗粒之间结构上的差异导致酶解的不均一。由于不同种淀粉的颗粒结构的差 异，多孔玉米淀粉、多孔小麦淀粉的多孔形态和多孔交联木薯淀粉的多孔形态都 不相同。 关键词多孔淀粉；木薯淀粉；吸附剂；交联；酶解 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p o r o u ss t a r c h ，an e w t y p eo f m o d i f i e ds t a r c h ，h a sv a r i o u sa d v a n t a g e sa sak i n do f a d s o r b e n t w i 也1 1 i 曲e f f i c i e n c y , i n n o c u l t ya n ds a f e t y i tc a n b ew i d e l yu s e di nm a n y i n d u s t r i e s ，i n c l u d i n g f o o d ，p h a r m a c e u t i c a l ，h y g i e n i c ，a g r i c u l t u r a la n dd a i r yi n d u s t r y , a n di sb e c o m i n gas t u d y h o t s p o t c a s s a v as t a r c hi su s e d a sm a t e r i a lw h i c hi sa b u n d a n ti nt h es o u t ho fc h i n a , a n dan e w t e c h n i c a lr o u t ei s e x p l o r e dt h a tc p s s a v as t a r c hi ss u i t a b l y c r o s s - l i n k e da n dt h e np a r t i a l l y h y d r o l y z e db ya m y l a s ea th i g h e rt e m p e r a t u r et op r e p a r ep o r o u ss t a r c h n l i sr o u t e ，t h r o u g h w h i c ht h ev e l o c i t yo f h y d r o l y s i sc a l lb ei m p r o v e de f f e c f i v e l y ，i sf i r s tc r e a t e di nt h ew o r l d t h e p r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so f t h e r o u t ea n ds t r u c t u r eo f t h ep o r o u ss t a r c hg r a n u l e sa r er e s e a r c h e d a n dh y d r o l y s i sm e c h a n i s m so f a m y l a s e sa r ea l s os t u d i e do np r e l i m i n a r i l y n l em a i n c o n t e n t s a n dr e s u l t so f t h i st h e s i sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： t h ec a s g a y as t a r c hc r o s s l i n k e db ye p i c h l o r o h y d r i n ( e c h ) h a ss t r o n ga b i l i t yt or e s t r a i n s w e l la n dg e l a t i n i z a t i o no fs t a r c h g r a n u l e sa n dc a nb eu s e d t o p r e p a r ep o r o u ss t a r c h a t r e l a t i v e l yh i g ht e m p e r a t u r et oe x e r tt h ep o t e n t i a lo fa m y l a s e h o w e v e r , t h eh i g h e rc o n t e n to f e c h ，t h em o r ed i m c u l f l yt h es t a r c hi sh y d r o l y z e db ya m y l a s e ，s ot h ec o n t e n to fe c h s h o u l d b e p r o p e n t h er e s e a r c ho n h y d r o l y s i so f c a s s a v a s t a r c h e sc r o s s - l i n k e db yd i f f e r e n ta m o u n to f e c h b y d i f f e r e n ta m y l a s e ss h o w st h a t d a m y l a s ei se a s i e rt oh y d r o l y z ec a s s a v as t a r c hc r o s s l i n k e d b yh j g hc o n t e n to fe c h t h a ng l u c o a m y l a s e mp r o d u c t so fh y d r o l y s i sc a ni n h 2 b ht h e a m y l a s e s i nt h i st h e s i s t h eb e s tt e c h n i q u ec o n d i t i o n st h a tr e s u l t sf r o mt h eo r t h o g o n a lt e s t t o p r e p a r ep o r o u s c r o s s 1 i n k e dc a s s a v as t a r c ha r e ：t h ec o n c e n t r a t i o no fc a s s a v as t a r c hc r o s s - l i n k e db y0 2 8 e c hi s2 0 o t h ea m o u n to fg l u c o a m y l a s ei s 10 0 0u n i t sp e rg r a md r ys t a r c h , t e m p e r a t u r e i s6 0 ，p hv a l u ei s3 5 ，a n dr e a c t i o nt i m ei s1 6 h a n dt h ea d s o r b a n t eo f t a r t r a z i n ea n dc o l t l o i l b yp o r o u s s t a r c h p r e p a r e d i nt h e s ec o n d i t i o n sa r ei n c r e a s e db y5 1 8 a n d4 6 7 r e s p e c t i v e l yc o m p a r e dw i t h n a t i v ec a s s a v as t a r c h t h es e r i e so ff a c t o r so nt a r t r a z i n e a d s o r b a n c ei ni m p o r t a n c eo r d e ra r e ：a m o u n to fg l u c o a m y l a s e ，r e a c t i o nt i m e ，p hv a l u ea n d t e m p e r a t u r e ；t h es e r i e so f f a c t o r so n c o r no i la d s o r b a n c ei ni m p o r t a n c e0 r d e ra l e ：t e m p e r a t u r e a m o u n to f g l u c o a m y l a s e ，p hv a l u ea n dr e a c t i o nt i m e ；a n dt h es e d e so f f a c t o r so n d e g r e eo f s t a r c hh y d r o j y s i si ni m p o r t a n c eo r d e r f i e ：t e m p e r a t u r e , a m o u n to fg l u c o a m y l a s e , r e a c t i o n t i m ea n dp hv a l u e s od e g r e eo fs t a r c hh y d r o l y s i sc a n n o tb es u b s t i t u t e df o ra d s o r b a n c ea s i n d e x o f p o r o u s s t a r c h n l er e s u l t so fn i 仕o g e na d s o r p t i o nt e s ts h o wt h a tt h eb e ts p e c i f i cs u r f a c ea r e a , s p e c i f i c p o r ev o l u m ea n da v e r a g ep o r ed i a m e t e ro f p o r o u s s t a r c hp r e p a r e di nt h o s eb e s tc o n d i t i o n sa r e i n c r e a s e db y3 3 8 1 5 8 5 a n d9 3 4 r e s p e c t i v e l yc o m p a r e dw i t ht h es u b s t r a t e n u m b e r s o fd i f f e r e n td i a m e t e rp o r e so f p o r o u ss t a r c ha l li n c r e a s et os o m ee x t e n ta n dt h en u m b e r so f b i g g e rp o r e s i n c r e a s em o r e ， a b s t r a c t o b s e r v a t i o nb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n da n a l y s i sb yx - r a yd i f f r a c t i o ns h o wt h a t ： t h es u r f a c eo fc a s s a v as t a r c hg r a n u l e sc r o s s - l i n k e db ve c hi s q u i t ec o m p a c ta n dt h e r ea r e m o r es u p e r i o r m i n i c r y s t a l so ni t t h e r e f o r e ，h i g h e rt e m p e r a t u r ei sa b l et om a k ec r a c k so nt h e g r a n u l es u r f a c ea n dt h e ng l u c o a m y l a s ec a r lb ee a s yt op e n e t r a t ei n t ot h eg r a n u l e st om a k e p o r e s h o w e v e r , t h eg r a n u l e sa v o i d t ob eb r o k e nb e c a u s eo ft h ea c t i o no fc r o s s - l i n ka n di t s j u s t o n eo ft h e a d v a n t a g e s o ft h et e c h n i c a lr o u t eo fc o m p o u n dm o d i f i c a t i o n a f t e r g l u c o a m y l a s ea c t i o n , d o n g a sa p p e a r i nt h eg r a n u l es u r f a c ei nl e n g t ha n db r e a d t ha n d s u p e r i o r m i n i c r y s t a l sp a r t i a l l yt u r nt oi n f e r i o rm i n i c r y s t a l s d i v e r s i t ya m o n gd i f f e r e n tg r a n u l e sr e s u l t s i ni n h o m o g e n e o u sd e g r a d a t i o nb ya m y l a s e t h ep o r ef o r m so f p o r o u sc o r ns t a r c h p o r o u s w h e a ts t a r c ha n dp o r o u sc r o s s - l i n k e dc a s s a v as t a r c ha r ed i f f e r e n tb e c a u s eo fd i f f e r e n t s t r u c t u r e so f t h e i rg r a n u l e s k e y w o r d s p o r o u ss t a r c h ；c a s s a v as t a r c h ；a d s o r b e n t ；c r o s s - l i n k ；h y d r o l y s i sb ya m y l a s e l i i 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 何其他个人或集体已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：二乙稍亢日期：j u ；年占月岁日 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 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 墨舷日期：j ，j 年占月j - 日 日期：细弓年易月1 7 日 孑 篪 第一章绪论 第一章绪论 1 1 淀粉概述 1 1 1 淀粉的形成和分类 淀粉是以颗粒形态存在于生物中的一种碳水化合物，在自然界中主要分布于 植物的叶、块茎、块根、种子、茎髓等器官中，作为储藏营养供给植物休眠、发 芽和成长期用，同时也是人和其它生物的重要碳源和能源。除植物外，在某些原 生动物、藻类以及细菌中也都可以找到淀粉粒。 自天，植物绿叶利用日光的能量，遁过光合作用将二氧化碳和水变成淀粉， 并以直径大约1um 的细小颗粒形式积累于叶绿素的微粒中；夜间光合作用停止， 这种时淀粉被酶裂解以糖的形式输送至植物其它部位。一部分糖作为植物生长用 的养分，而余下的糖则再转化成淀粉贮存起来。这些淀粉往往与纤维、蛋白质、 油脂、糖、矿物质等共存。工业上利用淀粉颗粒不溶于水的性质，采用水磨法工 艺除去非淀粉杂质，从而得到纯度高的淀粉产品。淀粉的性质随其植物原料的来 源而不同，为了区别淀粉品种，加用原料名称，如玉米淀粉、马铃薯淀粉、木薯 淀粉等。按淀粉的来源，淀粉可分为禾谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉和其它淀 粉。 1 1 2 淀粉的分子结构 淀粉可以认为是由脱水葡萄糖单位组成的 葡萄糖聚合物，其分子式为通常表示为 ( c 6 h 1 0 0 s ) 。，n 为不定数，因淀粉品种而异，称 n 为聚合度( d p ) ；c 6 h 1 0 0 s 为脱水葡萄糖单位 ( a g u ，如图i - 1 ) 23 。葡萄糖单位是一个个地经 由c t 碳原子上的氧原子相连结起来，即为葡萄 糖甙键。葡萄糖甙键在碱性下稳定，酸性中水 解。聚合链末端的葡萄糖单位上有一个惰性醛 基，称为还原性末端。 ho h 图1 - 1 葡萄糖单位 f i g u r e l 一1g l u c o s e u n i t o 1 9 4 0 年，瑞士的k h m e y e r 和t s c h o c h 发现淀粉是由两种高分子组成，即 葡萄糖单位在淀粉分子中有两种连接方式，从面形成两种不同的淀粉分子一链 淀粉和支淀粉【2 】。链淀粉由葡萄糖单位通过d d 1 ，4 糖甙键连接而成( 如图1 2 ) ， 呈右手螺旋结构，每六个葡萄糖单位组成一个螺旋节距，螺旋内部只含氢原子， 是亲油的，羟基位于螺旋外侧。经酶研究表明，链淀粉也有极少量的分支结构， 侧链经a 一1 ，6 糖甙键与主链连接，但侧链数量很少，又较长，基本不影响链淀粉 华南理工大学工学硕士学位论文 的性质。不同来源的链淀粉分子大小差别很大，同一种天然淀粉所含链淀粉的 d p 也不均一。支淀粉是一种高度分支的大分子，主链上分出支链，各葡萄糖单 位之间以n - 1 ，4 糖甙键连接构成主链，支链通过a 1 ，6 糖甙键与主链相连f 如图 i 一3 ) ，分支点的d i ，6 糖甙键占总糖甙键的4 5 。支淀粉d p 平均在i o o 万以上， 是最大的天然高分子化合物。同一品种淀粉的链淀粉和支淀粉组成比例基本稳 定，如玉米、马铃薯和木薯淀粉含链淀粉百分率分别为2 7 、2 0 和1 7 。 c h ，o hc h 。o hc h 。o h 。捌现。雏现照。 图1 - 2 链淀粉化学结构式 f i g u r e l 2c h e m i c a lc o n f i g u r a t i o no f a m y l o s e 图1 3 支淀粉化学结构式 f i g u r e l - 3c h e m i c a lc o n f i g u r a t i o no f a m y l o p e c t h a 长短不同的链淀粉或支淀粉的分支互相平等排列，通过氢键形成大致有规则 的柬状体，即针形微晶体。微晶体一层一层地呈放射状排列就构成淀粉颗粒的许 多环层。同一个链淀粉分子或支淀粉分子的分支可能参加到几个不同的微晶体 中，而同一个微晶体也可能由不同淀粉分子的分支部分来构成，这样微晶体之间 就由一部分分子链以无定形方式连结起来。微晶体大小各异，并且淀粉颗粒中的 每一个环层中微晶体的排列密度也不同，因而淀粉粒是局部结晶的网状结构，其 骨架是巨大的支淀粉分子。淀粉粒中的结晶区约占颗粒体积的2 5 5 0 ，其余为 无定形区。结晶区与无定形区没有明确分界线，变化是渐进的。 1 。1 。3 淀粉粒的组织结构 淀粉以颗粒状态存在，可称为淀粉粒。光学显微镜观察表明，不同来源的淀 粉粒的形状、大小和构造各异，因此可借助显微镜观察来鉴别淀粉的来源和种类。 淀粉粒的形状大致可分为圆形、卵形( 椭圆) 和多角形。 2 第一章绪论 在显微镜下细心观察淀粉粒，可看到环纹或轮纹，即环层结构，如同树木的 年轮一样，其中以马铃薯淀粉粒的环纹最为明显。环层结构是内部密度不同的表 现。每层开始时密度最大，以后逐渐减小，到次一层时密度陡然增大，一层层 地周而复始，结果便显示出环纹。各层密度之所以不同，是由于合成淀粉所需的 葡萄糖原料的供应昼夜不同。白天光合作用比夜间强，供应淀粉合成的葡萄糖较 多，合成的淀粉密度也较大，昼夜相间便造成环层结构。 由于淀粉粒的晶体结构，在偏光显微镜下，淀粉粒呈黑色十字，将颗粒分成 四个白色区域，称为偏光十字或马耳他十字( m a l t e s ec r o s s ) 。十字的交叉点位于粒 心。不同品种淀粉粒的偏光十字的明显程度不同，如马铃薯淀粉偏光十字最为明 显，玉米、高粱和木薯次之，小麦淀粉的偏光十字最不明显。 淀粉粒结晶部分的构造可用x 射线衍射来分析。1 9 3 7 年，k a t z 等从完整的 淀粉粒所呈现的三种特征性x 射线图上分辨出三种不同的晶体结构类型，即a 型、b 型和c 型。大多数禾谷类淀粉具有a 型图谱；马铃薯等块茎淀粉、高直链 玉米等淀粉显示b 型图谱；竹芋、甘薯等块根淀粉、某些豆类淀粉呈现c 型图谱。 不同晶型间存在着相互转化作用。如马铃薯淀粉在1 1 0 。c 、2 0 水分下处理，则 晶型由b 型转变为a 型“1 。 混淀粉于水中，搅拌得乳白色、不透明悬浮液，称为淀粉乳。将淀粉乳加热， 淀粉粒可逆地吸水膨胀，随着温度上升，吸水更多，体积膨胀更大，达到一定温 度，晶体结构消失，高度膨胀的淀粉粒间互相接触，变成半透明的粘稠的糊，称 为淀粉糊。这种由淀粉乳变成淀粉糊的现象称为糊化。糊化的本质是水分子进入 淀粉粒中，结晶相与无定形相的淀粉分子间的氢键断裂，破坏了淀粉分子间的缔 合状态，变成了亲水性胶体。淀粉发生糊化的温度称为糊化温度，不同品种淀粉 间存在差别。同一品种淀粉的不同颗粒在颗粒大小、结构强度等方面存在差异， 因此有的颗粒能在较低温度下糊化，有的需要较高温度才能糊化，相差约1 0 。 因而淀粉的糊化温度用糊化由开始到完成的温度范围来表示。 1 2 变性淀粉 天然淀粉虽然品种繁多，结构和特性都存在较大的差异，但它依然不能完全 满足快速发展的现代工业的需求，特别是在广泛采用新工艺、新技术、新设备的 情况下，天然淀粉的应用是很有限的。为了满足各种工业应用的要求，就要对天 然淀粉进行物理、化学或酶法处理，改变其结构，从而改善其性能和扩大应用范 围。这种经过二次加工改变了性质的产品统称为变性淀粉，而未经变性处理的淀 粉称为原淀粉。变性的方法主要有： 1 物理变性：主要有y 射线处理、超频辐射处理、机械研磨处理、湿热处 理、预糊化等。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 化学变性：用各种化学试剂处理淀粉，这是最主要、应用最广泛的变性 方法。反应一般发生在淀粉分子中的醇羟基上，主要有醚化、酯化、氧化、交联 等。此外还有糖甙键水解、热解和接枝共聚等反应。 3 酶法变性：用各种酶处理淀粉。 4 复合变性：采用两种或两种以上方法处理，如氧化交联淀粉、交联酯 化淀粉等。采用复合变性得到的变性淀粉具有两种变性淀粉各自的优点。 变性淀粉主要应用于纺织浆料、造纸助剂、食品添加剂、药品崩解剂、塑料 添加剂、石油钻井助剂、铸造粘合剂、饲料添加剂、建筑粘合剂、工业污水处理 剂、表面活性剂、吸水剂等，其应用范围正随着相关行业与领域的发展而不断扩 展。 1 3 交联淀粉 淀粉的醇羟基与具有二元或多元官能团的化学试剂形成二醚键或二酯键，使 两个或两个以上的淀粉分子之间“架桥”在一起，呈多维空间网状结构的反应， 称为交联反应。参加此反应的多元官能团称为交联剂，淀粉的交联产物就是交联 淀粉。交联剂的种类很多，但工业上最普遍用于制备交联淀粉的主要有环氧氯丙 烷、三偏磷酸钠和三氯氧磷。这些交联剂没有毒性，本身稳定性不高，在反应过 程中分解成无害的产物，所得的交联淀粉适于食品应用。此外，甲醛、六偏磷酸 钠等也常用于制各交联淀粉。环氧氯丙烷和甲醛的反应为醚化，三氯氧磷、三偏 磷酸钠和六偏磷酸钠的反应为酯化。制备交联淀粉的方法一般是加交联剂于碱性 淀粉乳中，在2 0 5 0 起反应，达到要求的反应程度后，中和，过滤，水洗和干 燥。以环氧氯丙烷为例，其反应历程可包括以下三个步骤( s t o h 表示淀粉分子) ： o o h 。 s t - o h + h 2 d ! ：c h c h 2 cj 旦i ! ! = ，s t o c h 2 3 h c h 2 c 1 只早h s t 一。一c h ：一么土h ：i ：篆rs t 一。一c h ：一3 h c h ：。一s t i o h 。 + o h八 s t o c h 2 2 ：h c h 2 0 h h 2 圭c - - 兰, - c h - - - c h 2 c + i ? h尸i s t - - o - - c h 2 - - i 三h - - c h 2 0 c h 2 c h c h 2 s t 一。o h ：一3 h - - c h 2 - - o 壬2 s t o h s i - o h 所生成的交联淀粉又称为二淀粉甘油，因其结构有如甘油分子中尾端两个羟 4 第一章绪论 基被醚化而得。其中第二步骤又可能再与一个环氧氯丙烷分子起反应，生成的交 联淀粉包括两个羟丙基醚键。在反应过程中，少量环氧氯丙烷与水起反应生成甘 油，这是不利的副反应。淀粉分子具有数量众多的羟基，起反应的两个不同羟基 有可能来自同一个淀粉分子，这样就没有起到不同淀粉分子间的交联作用。反应 也可能只停留在第二步而没有进一步与另一羟基反应。由于淀粉颗粒结构的关 系，不同淀粉分子间的交联反应是主要的。产品颗粒仍保有偏光十字，表明结晶 结构未被破坏，交联反应发生在非结晶区。组成淀粉分子的每个脱水葡萄糖单位 具有c 2 、c 3 和c 6 三个醇羟基，它们与环氧氯丙烷发生醚化反应的活性存在差别。 研究表明，c 2 羟基活性大大超过c 6 羟基，c 3 羟基的活性很低，这与环氧乙烯和 环氧丙烯的醚化反应相似，环氧环形结构破裂的取代反应是主要的，氯原子的直 接亲核取代反应是次要的。较高的淀粉浓度有利于提高交联反应的效率。提高温 度可以加快反应速度，但低温时反应均匀。淀粉经交联后，平均分子量增加，淀 粉分子间形成的交联键比原有的氢键更加牢固，因而淀粉粒结构更强、更坚韧， 受热难膨胀糊化。因此交联剂又称抑制剂，交联淀粉又叫抑制淀粉。随着交联程 度提高，抑制作用加强，达到一定程度后，淀粉粒在沸水中都不膨胀糊化3 。 1 4 多孔淀粉 多孔淀粉( p o r o u ss t a r c h ) ，又称为微孔淀粉( m i c r o p o r o u ss t a r c h ) ，是指经人工 方法处理而使颗粒呈现多孔状的淀粉，是一种新型的变性淀粉。多孔产生很大的 比表面积，因而多孔淀粉主要用作吸附的载体。多孔淀粉与其它吸附剂相比，除 具有良好的吸附性能外，还具有如下优点：( 1 ) 原料来源广泛，廉价易得；( 2 ) 纯 天然物质，安全、无毒，使用剂量不受限制；( 3 ) 可生物降解；( 4 ) 生产工艺简单； f 5 ) 应用广泛，适应性强。在制备多孔淀粉过程中，不仅可控制其孔数、孔径、 孔深，还可根据被吸附物质特性对其进行方便的改性。例如，当被吸附物质为非 极性物质时，可在多孔淀粉的表面接上非极性基团，从而增强其吸附的专一性。 多孔淀粉的优良特性已引起国内外学者的兴趣，对其制备和应用进行了较广泛研 究。 1 4 1 多孔淀粉的制备 1 4 1 1 制备方法及流程 有些天然淀粉如马铃薯、玉米、高粱、小米等颗粒表面本身就有孔，f a n n o n 等认为这些孔是天然存在的，而不是由于燥、加工、观察等人为因素造成的5 3 。 但有孑l 的颗粒只占很少部分，而且孔数较少，孔径也不大，如玉米淀粉的孔径约 0 1 l x m 。为增加淀粉颗粒比表面积，只有用人工的办法增加孔数、孔径和孔深。 有三种方法可制得多孔淀粉：酸法、酶法和从发了芽的种子中分离”。第三种 方法是靠发芽过程中产生的淀粉酶作用于淀粉颗粒而产生多孔，本质上也是酶 5 华南理工大学工学硕士学位论文 解。但这种方法难以控制发芽的程度，不同种子间以及同一粒种子的不同部位的 淀粉受到酶解的程度都不一样，难以均一、稳定，不适于工业化生产。酸法或酶 法就是用酸或淀粉酶部分降解淀粉颗粒而使其产生多孔状的方法。为了保持淀粉 的颗粒状，必须在糊化温度下进行酸解或酶解。低温下酸解速率较慢，降解不一， 随机性强，不易形成孔状，限制了酸法的应用，因此最常用的方法还是酶法。许 多文献都报道了经部分酶解后淀粉颗粒的电镜照片，从中可清晰地见到颗粒表面 的多孔形态，通过研究所形成的孔可揭示淀粉颗粒的内部结构 8 - 1 5 o 目前，酶法 制备多孔淀粉的一般工艺流程是： 颗粒态淀粉一在糊化温度下部分酶解一离心或过滤一洗涤一千燥一多孔淀 粉。 1 4 i 2 工艺控制因素 酶解反应是酶和底物在定条件下的作用过程，影响多孔淀粉性能的因素主 要有：( 1 ) 酶，包括酶的品种、来源、浓度等；( 2 ) 底物，包括淀粉的种类、来源、 浓度、粒度等；( 3 ) 作用条件，包括反应的温度、p h 、时间、搅拌程度以及反应 的介质等。 1 淀粉酶 淀粉酶是能作用于淀粉的各种酶的总称。从广义上讲，凡是能参与淀粉水解、 转化及合成的各种酶均可称为淀粉酶。从狭义上讲，淀粉酶仅指淀粉水解酶。这 是由于淀粉合成酶如磷酸化酶、分支酶等目前仅有理论研究价值，而淀粉水解酶 已在工业上广泛使用。本文所述淀粉酶即指淀粉水解酶，常见淀粉酶有u - 淀粉 酶、葡萄糖淀粉酶、b 淀粉酶、异淀粉酶等。 淀粉经糊化后，分子链间和分子链内的氢键被破坏，分子链相互分开并拉长， 呈松散状态，淀粉酶能与之充分接触从而使淀粉水解。而未糊化淀粉以致密的结 晶颗粒存在，淀粉酶难以渗透入颗粒内部，也就不能与淀粉分子充分接触，反应 情况就比水解糊化了的淀粉复杂许多，甚至不能起水解反应。为区别起见，本文 把未糊化淀粉称为生淀粉，能直接水解生淀粉的酶称为生淀粉酶。到目前为止， 只发现a 淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和少数口- 淀粉酶能水解生淀粉。由于多孔淀粉 必须在糊化温度下制各，因而需用生淀粉酶来制备，而a - 淀粉酶和葡萄糖淀粉 酶来源较广，生淀粉酶活力较高，是理想的选择。虽然单独使用普鲁兰酶或异淀 粉酶不能水解生淀粉，但它们与葡萄糖淀粉酶协同作用，可显著加快水解速度。 n 淀粉酶与葡萄糖淀粉酶协同作用也可更快降解生淀粉。目前已发现的生淀粉 酶产生菌有草酸青霉e n c i l l u mo x a l i c u m ) 、黑曲霉口s p e r g i l l u sn i g e r ) 、米曲霉 口s p e r g i l l u so r y z a e ) 、泡盛酒曲霉似s p e r g i l l u sa w a m o r i ) 、鲁氏毛霉( m u c o r r o u x i a n u s ) 、雪白根霉俾h i z o p u sn i v e u s ) 、早期链霉菌( s t r e p t o m y c e sp r a e c o x ) 、吸 水链霉菌( s t r e p t o m y c e sh y g r o s c p o i c u s ) 、灰链霉菌( s t r e p t o m y c e sg r i s e u s ) 、枯草杆 6 第一章绪论 菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 、地衣芽孢杆菌( b a c i l l u sl i c h e n i f o r m i s ) 、扣囊拟内孢霉 ( e n d o m y c o p s i s 疗b u l i g e r a ) 、罗尔伏格菌( c o r t i c i u mr o i f s i i ) 等t 1 6 j 。 q 淀粉酶( e c 3 2 1 1 ，a 1 , 4 葡聚糖葡聚糖水解酶) 是一类水解淀粉产生a - 构型低聚糖的酶，属内切水解酶。它作用于淀粉时从淀粉分子内部以随机的方 式切断a - 1 ，4 糖甙键，更进一步的研究表明是切断g 1 0 g 4 键中的g 1 0 键 1 7 】。 n - 淀粉酶在自然界中广泛存在，动、植物体内及许多微生物中都含有n 淀粉酶。 工业上应用的淀粉酶主要来自细菌和真菌，其特点是产酶量大，易于分离和精制， 适合工业规模生产。不同来源的a 淀粉酶具有不同的特性。例如，诺维信公司 用干草杆菌( b a c i l l u sa m y l o l i c h u e f a c i e n s ) 经深层发酵生产的b a n 型淀粉酶最 适p h 为6 0 ，最适作用温度6 8 ，属中温液化酶，0 1 的c a c l 2 可显著增强其 稳定性；诺维信公司用遗传改性的芽孢杆菌生产的t e r m a m y l 8s u p r a 型a 淀粉酶 最适p h 为5 4 ，最适作用温度1 0 5 c ，属高温液化酶，只需5 p p m 的含钙量即可 进行很好的反应。a 一淀粉酶对生淀粉的降解能力因其来源不同而异，一般来说， 来源于胰液和唾液的酶活大于来源于真菌的。不同来源的酶产生的孔的情况也不 同，例如，用胰酶作用玉米淀粉，当水解率超过2 5 后，有些颗粒会被挖出一 个很大的孑l ，呈现象洋葱一样的层状结构。而用来源于细菌或真菌的a 淀粉酶 作用，即使水解率超过5 0 也无此现象，而是在表面产生许多小孔3 。 葡萄糖淀粉酶( e c 3 2 。1 3 ，1 ，4 - 葡聚糖葡萄糖水解酶) 主要是从淀粉非还 原性末端开始，依次水解a 1 ，4 葡萄糖甙键，分离出单个葡萄糖，故又称葡萄糖 酶，是一种外切酶。同a 淀粉酶类似，葡萄糖淀粉酶在水解a 1 。4 葡萄糖甙键 过程中也是使g 1 o g 4 键中的g 1 o 键断裂i l ”。目前酶制剂主要来自黑曲霉、根 霉和拟内孢霉。葡萄糖淀粉酶一般适宜的温度在5 0 6 0 ，p h 在3 5 5 0 ，因不 同来源而有所差异。由g e n e n c o r 公司用黑曲霉发酵生产的o p t i d e x l 4 0 0 型糖化酶，最适温度6 0 ，最适p h 为4 3 。由诺维信公司用黑曲霉以s p e r g i l l u s n i g p ，) 和d e r a m i f i c a n s 杆菌( b a c i l l u sd e r a m i f i c a n s ) 深层发酵生产的d e x t r o z y m e e 型复合糖化酶是葡萄糖淀粉酶和普鲁兰酶的混合物，能比普通糖化酶更快地水解 支淀粉中的n 1 ，6 键，其最适温度为6 0 6 3 ，最适p h 为4 1 4 5 。不同来源的 酶对生淀粉的降解能力也不同，一般来说根霉的 黑曲霉的 黄曲霉的 麦芽的【。在 b h a t 的实验中，葡萄糖淀粉酶产生的孔是锥形的，内小外大，而a 淀粉酶产生 的孔则是倒锥形的，内大外小1 4 。 目前对n 淀粉酶作用生淀粉的机理还不十分清楚，而对生淀粉糖化酶的作 用机理研究得较多。生淀粉颗粒在水中由于其表面与水分子形成氢键，从而形成 水束，生淀粉颗粒表面大量的水束形成了一层阻碍酶分子通过的水束层。因此， 酶是否能与生淀粉颗粒表面结合是水解生淀粉的关键。以曲霉为例，生淀粉糖化 酶有三部分组成：含催化位的g ai 、连接催化位与直接亲合位的g p i 和直 7 华南理工大学工学硕士学位论文 接亲合位c p 。生淀粉糖化酶的亲合位不仅与肽链的氨基酸残基有关，而且与亲 合位点中的碳水化合物有关，当含量高时有利于生淀粉的吸附和水解。在g p i 区域分布着大量的t h r 和s e r 及其与甘露糖通过糖甙键形成的复合体。甘露糖 不同于葡萄糖，它对淀粉表面的水束聚集有破坏作用，并使得生淀粉颗粒表面的 水束变成单分子的水，从而能水解生淀粉【1 9 】。诸葛斌等【2 0 1 通过对根霉所产生的 生淀粉糖化酶在不同底物不同缓冲溶液条件下最适p h 的测定，推测出该生淀粉 酶活力中心催化位点氨基酸是天冬氨酸和谷氨酸。葡萄糖对来源于曲霉的生淀粉 糖化酶有抑制作用，当葡萄糖浓度超过2 时，酶活性就显著下降【1 6 j ，而诸葛斌 等口w 的研究表明，5 5 0 m g m l 葡萄糖对来源于根霉的生淀粉糖化酶没有抑制作 用。目前国内对高产生淀粉糖化酶菌株的选育做了较多工作，如诸葛斌和蔡宇杰 等口k “】通过紫外和亚硝基胍诱变筛选出高产生淀粉糖化酶的根霉菌，用遗传算 法和神经网络相耦联的方法对培养基进行优化，使发酵液酶活达到了3 4 5 u m l 。 2 淀粉种类 与糊化了的淀粉相比，不同品种的生淀粉不仅有链、支淀粉比例的区别，而 且还有结晶结构、致密程度、颗粒大小等区别，因而不同品种的生淀粉对酶的敏 感性差别更加显著。一般而言，生长在空气中的比生长在地下的淀粉更易被降解， 例如禾谷类淀粉比薯类淀粉更易被降解。不过也有例外，如芋头就比香蕉更易被 降解。f u w a 等1 用胰酶作用于不同的淀粉颗粒，得出不同淀粉对酶的敏感性顺 序为：芋头 紫玉米 大米 小麦 普通玉米 甜马铃薯 日本栗子 莲子 高链玉米 中国甘薯( 圆型) 银杏 百合 熟香蕉 生香蕉 中国甘薯( 长型) 马铃薯。链淀粉 的含量、聚合度及颗粒表面淀粉分子链非还原末端的分布等是造成这一差异的重 要因素，链淀粉含量高不利于葡萄糖淀粉酶作用眩引，与脂肪复合的链淀粉更难 被作用眩”。x 射线衍射分析表明，酶解主要发生在颗粒的无定形区1 3 , 2 5 或是 结晶少、密度小的敏感区域e 2 6 3 。同一种淀粉，在相同条件下，粒度越小，水解 率越高 2 5 , 2 7 j 然而颗粒大的却优先受到作用，有时甚至是逐粒水解的，表明酶 对颗粒的作用是不均一的e 2 4 , 2 8j 经过酸、热或十二烷基硫酸钠处理的淀粉可大 大提高水解率2 9 , 3 0 冷冻干燥处理的淀粉颗粒产生裂缝也能提高水解率。中等 取代度的阳离子淀粉比原淀粉更易被酶作用1 3 1 。此外，不是所有的淀粉被淀粉 酶作用后都能产生多孔，如香蕉、百合等只是在表面产生螺纹es 。适于制备多 孔淀粉的淀粉主要有大米、玉米、木薯、甘薯、马铃薯等。 3 作用条件 水解率是制备多孔淀粉的重要控制指标。水解率太小则比孔容或比表面积就 小，吸附能力不强；水解率太大，则得率低，颗粒不坚固、结构不稳定，比表面 积也会变小。从已有的报道看，根据不同的需要，水解率可控制在1 0 9 0 。在 水解率相近的情况下，孔数、孔径和孔深成相互制约的关系，因此根据不同的应 8 第一章绪论 用情况，可以通过改变反应的温度、p h 、时间、酶量等来控锖u ：y l 数、孔径、孔 深1 2j o 反应一定时间后，再在4 1 0 c 低温下过夜可增加孔数并使多孔稳定化比印。 1 4 1 3 结构强化 经部分酶解得到的多孔淀粉颗粒结构受到一定程度的破坏，它的一些物理性 能指标，如成糊温度、冻融稳定性、粘度稳定性、抗剪切能力、颗粒坚固性等， 都低于原淀粉。为了改善这些物理性能，可通过化学交联以增强其结构稳定性。 可用的交联剂有：磷酸盐，二羧酸衍生物，三氯氧磷、3 氯1 ，2 环氧丙烷 ( e p i c h l o