（食品科学专业论文）糯米多孔淀粉的制备及辛烯基琥珀酸酐改性的研究.pdf

摘要 多孔淀粉是一种新型的变性淀粉，由于其比表面积明显高于原淀粉，因此具 有较强的吸附各种物质的能力，所以它作为一种新型的高效、无毒、安全的生物 材料，在许多领域都具有广阔的应用前景。本文以糯米淀粉为原料制成多孔淀粉 及辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉，并对多孔淀粉和辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的部 分性质进行了研究，在一定程度上拓宽了多孔淀粉的研究范围。主要研究结果如 下： ( 1 ) 用米曲霉和红曲霉淀粉酶粗酶液水解糯米原淀粉，对水解残留余物的 比容积和吸油率进行测定得出，米曲霉淀粉酶粗酶液水解残物的比容积和吸油率 都大于红曲霉淀粉酶粗酶液的水解留残物。因此，选用米曲霉淀粉酶粗酶液来制 备糯米多孔淀粉。对酶解制备糯米多孔淀粉工艺通过正交试验进行优化，得到最 优工艺条件：酶用量为1 0 5 u m l ，反应温度为5 0 c ，p h 值为4 5 ，反应时间为 2 4 h 。对最优酶解工艺条件制备的多孔淀粉用扫描电镜( s e m ) 观察表明，多孔淀粉 呈蜂窝状，与报道中多孔淀粉的描述相同，证实已经形成多孔淀粉，其吸油率相 比原淀粉提高了7 1 。 ( 2 ) 以最优工艺条件制备的糯米多孔淀粉为原料制备辛烯基琥珀酸酯化多孔淀 粉，并采用中心组合试验设计与响应面分析方法对影响酯化多孔淀粉取代度的主 要因素( a ：反应时间；b ：淀粉乳浓度；c ：反应p h 值和d ：反应温度) 进行了 研究。结果表明，取代度的回归方程为：取代度= o 0 2 4 ( 2 2 9 2 x1 0 _ 4 ) a 一( 2 0 4 2 x1 0 4 ) + b + ( 2 8 7 5x1 0 4 ) c ( 6 9 5 8x1 0 4 ) d + ( 3 5 6 3x1 0 4 ) a b + ( 6 2 5 0 1 0 4 ) a c + ( 1 3 1 3 x1 0 4 ) a 幸d + ( 3 6 8 8 1 0 4 ) b 幸c + ( 6 8 7 5 x1 0 4 ) b + d ( 5 5 6 2 x1 0 4 ) + c d ( 9 2 1 9 x1 0 4 ) a 2 ( 6 4 6 9 1 0 4 ) 枣b 2 ( 1 2 5 9 x1 0 4 ) c 2 ( 1 7 5 9 1 0 一) 幸d 2 。各因素对取代度影响的大小顺序为：反应温度) p h ) 反应时间) 淀粉乳浓度。通过响应面分析得到最佳工艺条件：淀粉乳浓度4 0 ， 反应时间1 2 h ，p h 8 0 ，反应温度3 5 c 。对最佳工艺条件制备得到的辛烯基琥珀 酸酯化多孔淀粉用扫描电镜( s e m ) 进行观察，结果表明，多孔淀粉经过酯化以 后，淀粉颗粒的变化不大，但是颗粒表面的凹槽状比多孔淀粉要明显些。相比多 孔淀粉，酯化多孔淀粉的比容积降低，但吸油率和吸水率增加，在实验范围内吸 油率与吸水率都随着取代度的增加而增加，但是增加幅度较小。 ( 3 ) 对多孔淀粉和辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的糊化特性与淀粉糊性质进行了 研究。实验结果表明：多孔淀粉的粘度低于糯米原淀粉，而辛烯基琥珀酸酯化 多孔淀粉的粘度高于原淀粉与多孔淀粉，并随着取代度的增加而升高。在氯化钠 溶液中，多孔淀粉的粘度受氯化钠影响较小，辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的粘度 会明显下降；蔗糖的添加可以增加多孔淀粉与辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的粘 度；而柠檬酸使多孔淀粉和辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的粘度下降；多孔淀粉 的透明度较原淀粉略有提高，辛烯基琥珀酸酯化多孑l 淀粉的透明度明显比原淀粉 和多孔淀粉提高，且随着取代度的增加而升高。蔗糖的添加会提高多孔淀粉和辛 烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的透明度。n a c i 对多孔淀粉的透明度影响不大，但是 n a c i 会使辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的透明度明显下降；柠檬酸溶液作为介质 时，多孔淀粉的透明度明显提高，而辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的透明度下降很 多；辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的乳化稳定性较多孔淀粉高，随着取代度的增 加，乳化稳定性有较小的提高幅度。蔗糖的添加会提高辛烯基琥珀酸酯化多孔淀 粉的乳化稳定性，而盐和柠檬酸会不同程度的降低酯化多孔淀粉的乳化稳定性； 多孔淀粉的溶解度较原淀粉有所提高，冻融稳定性、凝沉稳定性和溶胀性较原 淀粉有所降低；辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的溶解度、溶胀性、凝沉稳定性和冻 融稳定性都比糯米原淀粉与多孔淀粉有不同程度的提高。 关键词：糯米淀粉多孔淀粉辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉 a b s t a c t p o r o u ss t a r c hi san e w t y p eo fm o d i f i e ds t a r c h , i ti sa n e wt y p eo fn o n t o x i c ，s a f e b i o l o g i c a lm a t e r i a l i th a sb r o a da p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s i nt h i sp a p e r , w a x yr i c e p o r o u ss t a r c ha n do c t e n y ls u c c i n i ca n h y d r i d em o d i f i e dp o r o u ss t a r c h ( o s a p o r o u s s t a r c h ) w e r ep r e p a r e ds e p a r a t e l y , a n ds o m ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h e p o r o u ss t a r c ha n dt h eo s a - p o r o u ss t a r c hw e r ec o m p a r e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) u s e dt h ec r u d ee n z y m eo f m o n a s c u ss p p a n da s p e r g i l l u so r y z a et oh y d r o l y z e w a x yr i c es t a r c h , b e c a u s et h ec o n t r a s t i v ev o l u m ea n ds a l a do i la d s o r p t i o no f h y d r o l y z a t i o ng i b l e t so fa s p e r g i l l u so r y z a ew e r eh i g h e rt h a nm o n a s c u ss p p s ou s e d t h ec r u d ee n z y m eo f a s p e r g i l l u so r y z a et op r e p a r ep o r o u ss t a r c h a n dt h eb e s t t e c h n i q u ec o n d i t i o n so fp r o d u c i n gp o r o u ss t a r c hw e r eo b t a i n e db yo r t h o g o n a lt e s tw a s t e m p e r a t u r e5 0 c ，r e a c t i o nt i m e2 4 h ，p h4 5 ，e n z y m ed o s a g e10 5 u m l t h es c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) p h o t o g r a p hs h o w e dt h a tt h ep o r o u ss t a r c hw h i c hw a s m a d e b yt h eb e s tt e c h n i q u ec o n d i t i o n sl o o k sl i k eh o n e y c o m b ，t h es a m ea sr e p o r t e d t h es a l a do i la d s o r p t i o no fp o r o u ss t a r c hw a sm o r e71 t h a nr a ws t a r c h ( 2 ) t h i se x p e r i m e n tw a st op r e p a r eo c e n t y ls u c c i n i ca n h y d r i d em o d i f i e dp o r o u s s t a r c h ( o s a - p o r o u ss t a r c h ) 、析mp o r o u ss t a r c hw h i c hw a sm a d eb yt h eo p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g c i a lc o n d i t i o n s u s e dc e n t r a lc o m p o s i t ed e s i g na n dr e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s m e t h o dt os t u d yo nt h em a j o rf a c t o r s ( a ：m a c t i o nt i m e ；b ：c o n c e n t r a t e i o no fs t a r c h s u s p e n s i o n ；c ：r e a c t i o np h ；d ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ) w h i c hi n f l u e n c e do nd e g r e eo f s u b s t i t u t i o n ( d s ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h er e g r e s s i o ne q u a t i o no fd si s ：d s = 0 0 2 4 ( 2 2 9 2 x 1 0 4 ) a ( 2 0 4 2 x 1 0 4 ) 木b + ( 2 8 7 5 x 1 0 4 ) c ( 6 9 5 8 x 1 0 4 ) d + ( 3 5 6 3 x 1 0 4 ) 幸a b + ( 6 2 5 0 x 1 0 4 ) a c + ( 1 3 1 3 x 1 0 4 ) a d + ( 3 6 8 8 x 1 0 4 ) 幸b 幸c + ( 6 8 7 5 x 1 0 4 ) b d ( 5 5 6 2 x 1 0 4 ) c 率d ( 9 2 1 9 1 0 4 ) * a 2 ( 6 4 6 9 x 1 0 4 ) b 2 ( 1 2 5 9 1 0 4 ) , c 2 ( 1 7 5 9 x 1 0 4 ) * d 2 t h eo r d e ro fm a j o rf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c et h ed si s ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ) p h ) r e a c t i o nt i m e ) c o n c e n t r a t e i o no fs t a r c h s u s p e n s i o n t h r o u g ht h er e s p o n s es u r f a c ea n a l y s i s ，t h eb e s tt e c h n o l o g c i a lc o n d i t i o n s c a nb eo b t a i n e d ：r e a c t i o nw i t hap h 8 0 ，a t3 5 c ，f o r1 2 h , a n d4 0 s t a r c h c o n c e n t r a t i o no fs u s p e n s i o n 。t h es e mp h o t o g r a p ha l s os h o w e dt h a t 心e r e s t e r i f i c a t i o nr e a c t i o n , t h ep o r o u ss t a r c hg r a n u l eh a df e wc h a n g e ，b u tt h es o c k e to nt h e s t a r c hg r a n u l ew a sm o r eo b v i o u s l yt h a np o r o u ss t a r c h t h es p e c i f i cv o l u m eo fo s a - p o r o u ss t a r c hw a ss m a l l e rt h a np o r o u ss t a r c h , b u tt h ea b i l i t yo fo i la b s o r p t i o na n d w a t e ra b s o r p t i o ni n c r e a s e d ，a st h es u b s t i t u t i n gd e g r e ew a si n c r e a s i n g ，t h ea d s o r p t i o n w a sb e t t e r ( 3 ) t h ep a s t ep r o p e r t i e so fp o r o u ss t a r c ha n do s a - p o r o u ss t a r c hw e r es t u d i e d t h e r e s u l ts h o w e dt h a t ：q t h ev i s c o s i t yo fp o r o u ss t a r c hd e c r e a s e dc o m p a r ew i t hr a w s t a r c h , t h ev i s c o s i t yo fo s a p o r o u ss t a r c hi n c r e a s e dc o m p a r ew i t hw a x yr i c es t a r c h a n dp o r o u ss t a r c h , a n di n c r e a s e dw i t hd si n c r e a s e d t h ev i s c o s i t yo fp o r o u ss t a r c h w o u l ds l i g h t l yi n f l u e n c e db yt h es o d i u mc h l o r i d es o l u t i o n , b u tt h ev i s c o s i t yo f o s a - p o r o u ss t a r c hw a sa p p a r e n t l yd e c r e a s e d w i t ht h es o d i u mc h l o r i d es o l u t i o n ； s u c r o s es o l u t i o nc o u l dr a i s eb o t ht h ev i s c o s i t yo fp o r o u ss t a r c ha n do s a p o r o u s s t a r c h ；c i t r i c a c i ds o l u t i o nc o u l dd e c r e a s et h ev i s c o s i t yo fp o r o u ss t a r c ha n d o s a - p o r o u ss t a r c h t h e 缸a n s p a r e n c eo fp o r o u ss t a r c hi m p r o v e dc o m p a r er a w s t a r c h , t h e 心a n s p a r e n c eo fo s a - p o m u ss t a r c hi m p r o v e da p p a r e n t l yc o m p a r ep o r o u s s t a r c h ，a n di n c r e a s e dw i t hd si n c r e a s e d s u c r o s ec o u l di m p r o v et h e 仃a n s p a r e n c eo f p o r o u ss t a r c ha n do s a - p o r o u ss t a r c h ；t h e 仃a n s p a r e n c eo fp o r o u ss t a r c hh a dn o tb i g d i f f e r e n c ew i t hr a ws t a r c hi ns o d i u mc h l o r i d es o l u t i o n , b u tn a c ic a na p p a r e n t l y r e d u c et h e 仃a n s p a r e n c eo fo s a - p o r o u ss t a r c h ；c i t r i ca c i dc a na p p a r e n t l yi m p r o v et h e 扛a n s p a r e n c eo fp o r o u ss t a r c h , b u ti t c a r la p p a r e n t l yr e d u c et h e 缸a n s p a r e n c eo f o s a p o r o u ss t a r c h t h es t a b i l i t ya n de m u l s i f i c a t i o no fo s a - p o r o u ss t a r c hi sb e t t e r t h a np o r o u ss t a r c h a n da d d i n gt h es u c r o s ec a l li n c r e a s et h eo s a p o r o u ss t a r c h 、s s t a b i l i t ya n de m u l s i f i c a t i o n ，b u tt h es a l ta n dc i t r i ca c i dw i l lr e d u c et h es t a b i l i t ya n d e m u l s i f i c a t i o na td i f f e r e n td e g r e e c o m p a r et op o r o u ss t a r c h , t h es o l u b i l i t yo f o s a l 弦r o l l ss t a r c hw a si n c r e a s e d ，s t a b i l i t yo ff r e e z e - t h a w , s w e l l i n gp r o p e r t i e sa n d r e s i s t a n c et os e d i m e n t a t i o nw e r ed e c r e a s e d ；c o m p a r et or a ws t a r c ha n dp o r o u ss t a r c h , t h eo s a - p o r o u ss t a r c hi sa p p a r e n t l yi m p r o v e di nf r e e z e - t h a w , s w e l l i n gp r o p e r t i e s ， r e s i s t a n c et os e d i m e n t a t i o n , t h es o l u b i l i t y k e yw o r d s ：w a x yr i c es t a r c h ；p o r o u ss t a r c h ；o c e n t y ls u c c i n i ca n h y d r i d em o d i f i e d p o r o u ss t a r c h ( o s a p o r o u ss t a r c h ) 论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作所 取得的成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川农业大 学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生繇正菪篮 文d d 孑年月始日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业 大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生躲互；考亟 导师签名 9 触、 一 一 如d 貉多月鲥日 棚年二月谚日 第1 章文献综述 淀粉是可再生且丰富廉价的天然原料，在很多领域都有着广泛的应用。随着 工业生产技术的发展，原淀粉已经不能满足各个行业的需要，为改善淀粉的性能， 扩大其应用范围，利用物理、化学、酶法或者复合变性处理，在淀粉上引入新的 官能团或者改变淀粉分子大小和淀粉颗粒性质，从而改变淀粉的天然特性，使其 更适合于特定应用的要求。这种经过二次加工，改变性质的淀粉统称为变性淀粉。 目前，世界上变性淀粉的种类有上千种，产量占淀粉总量的2 0 ，广范用于造纸、 纺织、医药、化工、食品等领域【。据资料介绍，2 0 0 0 年全世界变性淀粉产量 在5 0 0 万吨左右，而我国2 0 0 0 年产量约3 5 万吨，仅占世界变性淀粉产量7 。 据推测，我国目前变性淀粉市场潜力至少在1 0 9 万吨以上，中国淀粉工业协会“十 五 行业规划：至2 0 0 5 年，我国变性淀粉产量达7 0 万吨，2 0 1 0 年将达到1 0 0 万吨。多孔淀粉是近年来才开发出的一种新型的吸附材料。天然淀粉经过酶处理 以后，会在淀粉表面形成许多小孔，类似蜂窝，形成多孔性淀粉载体。多孔淀粉 优良的吸附性能使其能够广泛的应用于食品、医药、农业、造纸、印刷、化妆品、 洗涤剂、胶粘剂等行业。以前，多孔淀粉的研发在国外较多，现在，国内对多孔 淀粉的研究逐渐增多。研究多孔淀粉不仅能为各个行业提供优质廉价的工业原 料，还能推动我国变性淀粉行业的发展，对国民经济的增长具有重要意义。 1 多孔淀粉的概述 多孔淀粉( p o r o u ss t a r c h ) 是一种新型变性淀粉，日本研究者以前称这类淀粉 为“有孔淀粉”，美国学者称“p o r o u ss t a r c h 或“m i c r o p o r o u ss t a r c h 。直到 后来，日本的长谷川信弘给出比较明确的多孔淀粉的定义【3 】：对生淀粉具有水解 活力的酶在低于淀粉糊化温度下降解各种淀粉得到的水解产物称为有孔淀粉。 多孔淀粉的微孔直径在o 5 1 5 p m 左右，微孔布满整个淀粉颗粒表面，并由 表面向中心深入，孔的容积占颗粒体积的5 0 左右。多孔淀粉的表面状态如图 1 1 所示。 正是这样的结构，使多孔淀粉具有了良好的吸附与缓释性能。与天然淀粉相 比，多孔淀粉的优越性在于【4 】：较大的比孔容；较大的比表面积；堆积 密度、颗粒密度低；良好的吸水和吸油能力。 幽卜1 玉米多孔淀粉的扫描【u 镜圈 f i g 1 1g e m p h o t oo f p o r o u sc o r r ts t a r c h 多孔淀粉足一种安全、无毒且高教的包埋剂，可稳定吸附药品、香料、色素 和营养物质等：多孔淀粉迂一盯以作为农药载体，防止农药挥发：将其加入到印刷 片j 的油墨罩，可提高印刷质量：加到化妆品中可降低对皮肤的刺激性和提高产品 质量；加入到腔粘剂里可以提高胶粘剂的稳定性 s 7 , 9 - u 。多7 l 淀粉经过变性处理 后其性质自所改善m j ，这在一定程度上可以拓宽其应_ 【 j 范围。 2 多7 l 淀粉的国内外研究进展 多孔淀粉并不是一个全新的物质，早在十九i u 纪六十年代，有研究者观察到 动物( 老鼠、兔子) 在喂食含有生淀粉的食物后，粪便中出王虬未被完全消化的淀 粉颗粒，颗粒表面有许多小扎，这”! 未被完仝消化的多孔状淀粉颗粒实际就是多 孔淀粉【1 ”。1 9 7 3 年日本学者发现大麦发芽2 天后，淀粉表而出现不舰则分布的圆 形小孔，使淀粉变为多孔状结构。1 9 5 7 年二国郎和w h l s t l e r 用显微镜观察n 淀 粉晦处理后的玉米颗粒切片时发现淀粉颗粒上有f 孔现象【l ”。1 9 8 0 年f u w a 等人 考察了不同淀粉酶对生淀粉的水解情况，发现除了b 一淀粉酶外，其它酶都有不同 程度的生淀粉降解能力。1 9 8 5 年日本学者分离得到黑曲霉牛淀粉酶，用它水解q - 玉米淀粉后，水解蛾物呈多扎状结构。1 9 9 2 年f a n n o nj e1 1 6 1 等人发现淀粉颗粒与 酶结合有一定特殊位点这些位点，淀粉颗粒表面结构有关。1 9 9 5 年国内研究者 朱蓓【”i 在研究用生淀粉发酵生产酒精时，发现水解残留物是多7 l 状的。以上这些 报道虽然发现了多j l 淀粉的存在，但是一直没有专r 对多孔淀粉做洋细的研究， 此后，随着人们对新。吊种变性淀粉的，f 发，人们，f 始越束越关注酶水解制作多孔 淀粉的研究m ，”】。1 9 9 6 年w h i s t l e r r l1 1 9 1 教授用生淀粉酶水解乇米淀粉得到了多 扎淀粉，爿首次发表了有关多孔淀粉吸附性能和应h 方面的初步研究。他用多7 l 淀粉吸附薄荷油，吸附量达5 4 5 6 ，吸附后敞口放置2 个月后仍有2 9 的油， 而一般的薄荷油在相同的条件下只剩1 2 。1 9 9 8 年，日本长谷川信弘首次对由酶 水解方法得到的有孔淀粉作了一个描述，提出了比较明确的多孔淀粉的定义 3 ，2 0 1 ， 并报道了其工业化应用。同年，w h i s t l e r 教授等人将多孔淀粉进行表面改性，如 酯化、醚化、交联等。改性后的淀粉颗粒能作为吸附功能性物质的载体，通过压 榨、化学降解淀粉基质即可释放被吸附的物质。n a g a t ak 【9 】等对多孔淀粉吸附卫 生球的性质做了研究，发现被吸附卫生球在室温敞口放置2 4 h 后仍残存2 5 4 2 ， 而未经吸附则全部挥发。在国内，2 0 0 1 年姚卫蓉【2 l 】等报道了淀粉颗粒粒径不同会 直接影响其物理性能，在相同酶解条件下，淀粉颗粒粉碎得越细，颗粒受损和酶 作用位点就越多，也就越容易形成多孔淀粉。2 0 0 2 年姚卫蓉 2 2 1 用多孔淀粉吸附双 歧杆菌后再喷雾干燥制备活菌粉，结果表明用多孔淀粉吸附双歧杆菌后，不仅在 喷雾干燥过程中，而且在贮藏过程中，多孔淀粉对活菌都有保护作用。2 0 0 3 年刘雄 t 2 3 】考察了酶用量对水解率的影响：当酶量增加到1 2 1 5 后，酶含量增加对水 解率作用不大，所以酶量选择在1 o 1 2 较为适宜。2 0 0 6 年胡霞 2 4 1 研究了交联 粳米多孔淀粉的制备与应用，发现交联多孔淀粉的吸附率比多孔淀粉提4 0 。同 年，严聃【2 5 】对大米多孔淀粉的制备工艺和性质进行了研究，发现多孔淀粉吸附功 能性物质( 如维生素c 、植物油等) 后，可有效降低其氧化、光解等损失。 多孔淀粉的研究早期主要集中在日本和美国的两个研究单位，主要研究人员 分别是日本的长谷川信弘先生以及美国w h i s t l e r 教授，涉及的研究内容为多孔淀 粉的制备、应用以及改性等【2 6 1 。现在国内对多孔淀粉进行的研究比较多，研究的 内容也越来越全面【2 7 3 0 1 。 3 多孔淀粉的制备工艺 有些天然淀粉颗粒表面就具有小孔，如玉米淀粉，但是我们为了获得比淀粉 表面更大的比表面积，通常还需利用人为方式来增加淀粉颗粒的孔数、孔深和孔 径。目前多采用淀粉酶在低于淀粉糊化温度和适宜的p h 条件下对各种淀粉进行 酶解来制作多孔淀粉【3 1 1 。除了酶解法以外，制备多孔淀粉的方法主要还有【2 7 ，3 2 】： 物理方法( 超声波照射、醇变性、喷雾) ；机械方法( 机械撞击) 。日本 学者秋原滋子等将土豆淀粉悬浮于水中，用超声波照射一定时间后，发现淀粉表 面形成了许多凹坑；美国学者将各种纯淀粉与少量粘结剂( 蛋白质、明胶或水溶 性多糖) 混合进行喷雾干燥，形成一种多孔性的端聚物球体；在我国，姚卫蓉等 在糊化后的籼米粉中加入乙醇，再冷冻干燥，得到一种多孔淀粉；日本的小石真 纯将淀粉固定在一块金属板上，然后用高速金属粒子撞击，在淀粉表面就会形成 凹坑。 超声波照射、醇变性和机械撞击制备多孔淀粉的方法目前无法工业化生产； 喷雾法制备的多孔淀粉由于吸附量有限，从而制约了应用前景；酶解法由于生淀 粉酶来源于微生物，可大量制备酶制剂，大大降低了成本，而且酶法制备多孔淀 粉的工艺简单易行，得到的多孔淀粉具有较大的吸附量。 目前，酶解法制备多孔淀粉的一般工艺流程如下： 原料淀粉_ 酶水解_ 洗涤( 脱酶) _ 离心干燥- 多孔淀粉 目前酶解法制备多孔淀粉的酶制剂主要有a 淀粉酶( e c 3 2 1 1 ) 、p 淀粉酶、 葡萄糖淀粉酶( e c 3 2 1 3 ) 、异淀粉酶、脱支酶、普鲁兰酶等，但能形成多孔淀粉 并有应用潜力的主要是葡萄糖淀粉酶和0 【淀粉酣3 3 扔】。淀粉粒从总体上可以分为 结晶区和无定形区两部分，结晶区约占淀粉粒总体积的2 5 5 0 ，其余部分为 无定形区，淀粉粒的结晶区与无定形区对酶的抵抗性有明显的差异。酶对淀粉粒 的作用往往从无定形区开始，当酶作用于结晶区时因其具有抗酶解特性而残留下 来，无定形区则被分解消失掉，于是形成了淀粉颗粒的多孔结构【3 6 1 。 徐忠【3 7 】等用a 淀粉酶、p 淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶和胰酶分别制备多孔淀 粉，测得的吸油率a 淀粉酶 糖化酶 普鲁兰酶 胰酶 1 3 淀粉酶 原淀粉，而 a 淀粉酶与糖化酶协同作用制备的多孔淀粉吸油率和吸水率均较单一酶制备的 多孔淀粉高。o ，b f i e ns 【3 8 1 研究了淀粉对a 淀粉酶和糖化酶的敏感性。严聃【2 5 1 、 姚卫蓉3 4 1 、徐玲等【3 9 1 分别用0 【淀粉酶与糖化酶，采用复合酶解法制备玉米多孔 淀粉，得到较高的吸油率。 一般来说，液化型a 淀粉酶的生淀粉酶活性较弱，而糖化型淀粉酶的生淀粉 酶活性较强。米曲霉淀粉酶粗酶液含q 淀粉酶与糖化酶和蛋白酶等多种酶类m ， m i a hm n n 等【4 1 】报道了米曲霉能产生对生淀粉有较好降解作用的糖化酶，而且 液体发酵与固体发酵相比，固体发酵的糖化酶生淀粉酶活较高。红曲霉淀粉酶粗 酶液里含淀粉酶、糖化酶、糊精化酶，麦芽糖酶、蛋白酶等【4 2 】。不同种类菌株产 酶的类型及酶量有所差异。由于淀粉酶粗酶液里不仅含有a 淀粉酶与糖化酶，还 4 含有其他酶类，所以淀粉酶粗酶液的各种酶可能对降解生淀粉起到协同作用。因 此，本研究采用淀粉酶粗酶液以酶解法来制备多孔淀粉。 4 多孔淀粉表面酯化改性及其制备工艺 多孔淀粉通过表面改性可以提高淀粉颗粒的吸附能力，还可以改善其他物理 化学性质，进一步扩大多孔淀粉的应用范围。多孔淀粉的改性方法主要有：酯化、 醚化和交联。w h i s t l e r l 7 】对用双功能团试剂如三偏磷酸钠、二羧酸衍生物对多孔 淀粉进行交联，然后粉碎形成0 1 1 i j z n d , 粒，用于食品中部分或者完全代替其中脂 肪，获得了一定成功。胡霞1 2 4 研究了粳米多孔淀粉及变性淀粉的制备与应用，发 现粳米多孔淀粉经交联变性后吸油率比交联粳米淀粉高7 0 ，比粳米多孔淀粉提 高近4 0 。苏东民【4 3 】等发现微孔淀粉经交联后对色素、水溶性维生素和脂溶性维 生素的吸附量可达原淀粉3 0 7 5 倍。 现在多孔淀粉的改性研究的较多的是交联改性，酯化改性相对较少。本论文 主要讨论多孔淀粉的辛烯基琥珀酸酐酯化改性。 制各辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的优越性在于仅使用一种试剂，在淀粉的多 糖长链上同时引入亲水基和疏水基，并且二者的比例是稳定的1 ：1 ，制备过程相 对容易，成本低。由于它既含有亲水基团，又含有疏水基团，因此能形成稳定水 包油型乳浊液，成为有效的大分子乳化稳定剂m 删。淀粉经过酯化改性后，由于 接入了亲水取代基团和疏水取代基团，导致物理化学性质改变【4 7 。4 9 】。淀粉的冻融 稳定性、透明度、凝沉稳定性以及溶胀性都有不同程度的提高 4 6 , 5 0 , 5 1 】。而且经过 本研究证实，多孔淀粉经过表面酯化改性以后对油脂和水的吸附能力提高。 淀粉是以葡萄糖为单体组成的生物大分子，辛烯基琥珀酸酐发生酯化反应的 活性部位就是葡萄糖分子上的羟基，多孔淀粉在弱碱性环境下，在淀粉分子上引 入了具有亲水和疏水性的取代基团。辛烯基琥珀酸酐与淀粉进行酯化反应时，酸 酐环被打开，其中一端以酯键与淀粉分子的羟基相结合，另一端则产生一个羧基， 从而形成含游离羧基的淀粉酯。此反应要在微碱性的环境中进行，但是在酯化反 应中，反应体系的p h 会随反应的进行而下降，因此在反应过程中需要用碱去中 和产生的羧酸，使反应向酯化反应的方向进行【5 2 。5 3 】。 现阶段辛烯基酸淀粉酯的制备方法主要有三种，即湿法工艺，干法工艺和有 机溶剂法，以下对这三种方法进行介绍【4 9 , 5 4 - 5 6 ： 5 湿法工艺通常在常温下进行，将淀粉乳浓度控制为4 0 左右，p h 值控制在 8 5 左右，反应时间需要根据淀粉样品的种类和所需的产品取代度而定。 有机溶剂法是以惰性有机溶剂( 如乙醇、丙酮、异丙醇、苯等) 为介质，在淀 粉乳中缓慢加入辛烯基琥珀酸酯。同时用吡啶等碱性有机溶剂或无机碱液来中和 反应产生的酸，以维持体系的微碱性环境。反应一定时间后，用酸中和，洗涤， 干燥即得产品。影响酯化反应的主要因素有：有机溶剂与水的比例、反应的温度、 碱的用量、反应时间、以及辛烯基琥珀酸酯的用量等。 干法是将淀粉与一定量的碱混合后喷水直至淀粉含水1 5 3 0 ，然后喷入 用稀释于有机溶剂的辛烯基琥珀酸酐，混匀后进行加热反应。另一种方法是先将 淀粉悬浮于o 7 1 的n a o h 溶液中，过滤，待淀粉干至所需要的水分，喷入 辛烯基琥珀酸酯，混匀后加热进行反应。影响酯化反应效率的主要因素有：淀粉 的含水量、碱用量、碱作用时间、酯化反应的时间及温度和辛烯基琥珀酸酐的用 量等。 以上三种方法各有利弊，湿法反应均匀，但是反应为非均相反应；干法工艺 成本低，设备简单，但是容易由于物料搅拌不充分引起反应不均匀；有机溶剂法 反应效率高，制得产品的取代度高，但成本高，对环境污染严重，而且产品不适 于用在食品及化妆品领域。国内外对湿法制备辛烯基琥珀酸淀粉酯报道较多，如 j e o ny s ，郑茂强，陈均志等【5 7 6 2 1 ，这主要是因为湿法工艺条件相对容易控制， 整个反应体系是“对环境友好的”，而且制得的产品无污染。本论文采用湿法 制备辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉。 5 研究目的及意义 糯米淀粉在我国资源丰富，但对其进行深加工利用的研究报道较少。由于糯 米淀粉的物理化学性质特殊，可作为生产变性淀粉的优良原料 6 3 1 。 糯米淀粉中几乎不含直链淀粉，属于高支链淀粉，易于被淀粉酶所降解，故 可望作为多孔淀粉的优良原料。目前国内外对多孔淀粉制备及其改性进行了很多 研究，已经证明多孔淀粉的吸附性质优良，且经过表面酯化改性后其吸附性质可 望得到进一步的改良。但是目前鲜见以淀粉酶粗酶液制备糯米多孔淀粉，以及用 糯米多孔淀粉为原料制备辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的报道。本文基于前人的研 究基础，以糯米淀粉为原料制备得到糯米多孔淀粉，再以多孔淀粉为原料制备辛 6 烯基琥珀酸酯化多孔淀粉，并对糯米多孔淀粉和辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的部 分性质进行了比较系统的研究，以证实表面酯化改性具有实际应用意义。以期为 糯米淀粉的深加工利用提供一种新思路。 6 研究内容 本课题的研究内容主要包括以下几个方面 ( 1 ) 用米曲霉和红曲霉淀粉酶粗酶液水解糯米原淀粉，对水解残物的比容积 和吸油率进行比较，选择较好的淀粉酶粗酶液制备多孑l 淀粉，并对酶法制备多孔 淀粉的工艺条件进行优化。 以最优工艺条件制备多孔淀粉，采用扫描电镜对其颗粒形貌进行研究，并对 其开孔率、比容积、吸附率进行研究。 ( 2 ) 以自制的糯米多孔淀粉为原料制备辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉，对影响 产品取代度的淀粉乳浓度、反应温度、反应p h 值和反应时间进行了研究，采用 响应面试验方法初步确定辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的最佳制备工艺条件。用电 子扫描显微镜对辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的形貌变化情况进行研究，并对其吸 附率、比容积进行了研究。 ( 3 ) 对制得的糯米多孔淀粉与辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉的部分性质如粘度 特性、透明度、冻融稳定性、溶解度、溶胀性以及凝沉稳定性进行了研究，并对 辛烯基琥珀酸酯化多孔淀粉在色拉油中的乳化稳定性进行了研究。 7 1 引言 第2 章糯米多孔淀粉的制备 目前用于制备多孔淀粉的生淀粉酶大多数是a 淀粉酶、糖化酶、以及不同配 比的a 淀粉酶和糖化酶复合酶。鲜见用粗酶液制备多孔淀粉的报道。本课题用曲 霉淀粉酶粗酶液以酶水解法制备糯米多孔淀粉，通过单因素实验得出最佳单因素 酶解工艺条件，并以正交试验设计方法初步确定制备糯米多孔淀粉的最优工艺条 件。采用电子扫描显微镜对淀粉颗粒的形貌变化情况进行研究，并对多孑l 淀粉的 开孔率、比容积、吸附率进行研究。 2 实验材料与设备 2 1 实验材料 糯米淀粉( 蛋白质含量0 2 9 ，脂肪含量0 1 5 ，水分含量7 9 3 ) 由市场购买的 东北糯米于实验室自制； 紫红曲霉3 0 9 撑、米曲霉由四川农业大学资环学院应用微生物系提供； 大豆色拉油金龙鱼市售； d n s 显色剂采用分析纯试剂自制。 紫红曲霉3 0 9 4 斜面培养基：可溶性淀粉3 ，麦芽糖3 ，蛋白胨2 ，琼脂2 ， 自然p h 约5 0 5 5 。米曲霉斜面培养基：p d a 培养基。 紫红曲霉3 0 9 4 摇床种子培养基：可溶性淀粉2 ，蛋白胨1 ，m g s 0 40 0 2 ，c a c l 2 0 1 ，k h 2 p 0 40 5 ，k e h p 0 40 2 5 。 紫红曲霉3 0 9 8 发酵培养基：m g s 0 4 7 h 2 0o 1 ，f e s 0 40 0 0 1 ，k c l0 0 5 ，c a c h 0 0 5 ，n a n 0 30 3 ，大米淀粉3 ，k h 2 p 0 4 0 1 5 。米曲霉麦麸固体发酵培养 基：麦麸与水比例为1 ：1 。 2 2 实验设备 设备及生产厂家 1 0 0 目标准检验筛( 浙江上虞市华丰五金仪器有限公司) ； d h p 9 1 6 2 型电热恒温培养箱( 重庆四达实验仪器有限公司顺达仪器厂) ； e s l 2 0 - 4 型电子天平( 沈阳龙腾电子称量仪器有限公司) ； h i - i s 一2 s 型电子恒温不锈钢水浴锅( 上海光地仪器设备有限公司) ； f w l 0 0 型高速万能粉碎机( 天津市泰斯特仪器有限公司) ； 手提式压力蒸汽灭菌器( 上海博讯实业有限公司医疗设备厂) ； 7 2 0 0 型紫外分光光度计( u n i c 尤尼克公司) ； 超速离心机( 德国贝克曼) ； l d 5 1 0 型低速离心机( 北京医用离心机厂) ； h s 8 0 型恒温摇床( 中国科学院武汉科学仪器厂) ； j s m 5 9 0 0 l v 扫描电子显微镜( 日本电子株式会社) ； d h g 9 2 4 5 a 型电热恒温鼓风干燥箱( 1 - 海一恒科技有限公司) ； 予华牌循环水真空泵( 巩义市予华仪器有限责任公司) 。 3 实验方法 3 1 淀粉酶粗酶液的制备与酶活力测定 3 1 1 紫红曲霉3 0 9 撑淀粉酶粗酶液的制备 斜面培养：斜面3 0 3 5 培养6 d ；种子培养：接种环取斜面菌体1 环接人种 子培养基中，3 0 3 5 c ，1 5 0 r r a i n 往复式摇床上培养3 0 h 。发酵培养：2 5 0 m l - - 角瓶装5 0 m l 发酵培养基，接入均质后的种子液，接种量为8 。3 0 c 3 5 ， 1 5 0 r m i n 往复式摇瓶培养1 4 4 h 虽p 得到发酵液。 发酵液过滤，滤液于4 ，3 0 0 0 r r a i n 离心2 0 m i n ，得到紫红曲霉3 0 9 4 淀粉 酶粗酶液。 3 1 2 米曲霉麸曲淀粉酶粗酶液的制备 斜面种子培养方法：挑1 环菌体于斜面种子培养基中，3 0 培养3 d