張甲奇，張燕萍

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫 214122)

大米多孔淀粉及大米多孔酯化淀粉吸附特性的研究

張甲奇，張燕萍*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫 214122)

研究大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附特性，分析酶解時(shí)間和取代度對(duì)淀粉吸附次甲基藍(lán)的影響，在此基礎(chǔ)上建立了大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附速率方程。結(jié)果表明，大米多孔淀粉吸附次甲基藍(lán)的最佳濃度為25×10－5mol/L，大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的飽和吸附量分別為4.88mg/g和5.97mg/g。與大米原淀粉相比，大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量得到明顯提升，其中大米多孔酯化淀粉的吸附量更大。

大米多孔淀粉，酯化淀粉，吸附，次甲基藍(lán)

多孔淀粉是用物理方法、機(jī)械方法以及生物方法使淀粉顆粒由表面至內(nèi)部形成孔洞的淀粉。與原淀粉相比，多孔淀粉的凹孔內(nèi)部所產(chǎn)生的吸引力較為集中，因此吸附更加牢固［1］。但由于淀粉本身的親水性質(zhì)，使得多孔淀粉在吸附特定的疏水性物質(zhì)方面存在缺陷，有時(shí)并不能滿足應(yīng)有的需要。在多孔淀粉分子中引入辛烯基琥珀酸基團(tuán)使其具有了表面活性［2］，使淀粉吸附功能性物質(zhì)的性質(zhì)得到明顯改善，應(yīng)用范圍得到拓展。大米淀粉在所有的商業(yè)淀粉中顆粒度是最小的，在吸附小分子色素、風(fēng)味物質(zhì)、維生素等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本論文利用α－淀粉酶和糖化酶對(duì)生淀粉的酶解作用制備大米多孔淀粉，同時(shí)利用辛烯基琥珀酸酐和大米多孔淀粉的酯化反應(yīng)制備大米多孔酯化淀粉。大米淀粉的顆粒度很小，當(dāng)用常規(guī)的吸油率來檢測(cè)大米多孔淀粉的吸附性能時(shí)，效果并不理想，因此本論文嘗試用淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量來評(píng)價(jià)大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附性能。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

大米淀粉 江蘇寶寶集團(tuán);糖化酶/α－淀粉酶無錫賽德生物生物工程有限公司;辛烯基琥珀酸福州怡昌實(shí)業(yè)有限公司提供;次甲基藍(lán) 天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心;磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、檸檬酸等 均為分析純?cè)噭?/p>

SHZ－BA型數(shù)顯水浴恒溫振蕩器 江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司;721E型可見分光光度計(jì)上海第三分析儀器廠;LXJ－Ⅱ型離心沉淀機(jī) 上海醫(yī)用分析儀器廠;DFY－400型搖擺式高速中藥粉碎機(jī) 溫嶺市大德中藥機(jī)械有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 多孔淀粉的制備 稱取90g大米淀粉(干基)置于500m L反應(yīng)瓶中，加入pH4.6的磷酸氫二鈉－檸檬酸緩沖液至內(nèi)容物總重295～300g，攪勻，置于45℃恒溫水浴振蕩器中預(yù)熱10min。移取適量的中溫α－淀粉酶和糖化酶(酶活比為1∶3)至反應(yīng)瓶?jī)?nèi)，立即攪勻并記時(shí)。酶解一定時(shí)間后，加入20g/L氫氧化鈉溶液10m L終止反應(yīng)，將淀粉懸液在3000 r/m in的轉(zhuǎn)速下離心5m in。淀粉沉淀用去離子水洗滌并再次離心，如此重復(fù)三次。所得淀粉置于45℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干，用粉碎機(jī)粉碎并過100目篩，即得多孔淀粉成品。

1.2.2 辛烯基琥珀酸多孔淀粉酯的制備 調(diào)制40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的多孔淀粉漿，用2%的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH在弱堿性范圍，緩慢滴加濃度15%的酸酐，同時(shí)維持pH在弱堿性(pH=8)，酯化反應(yīng)一定時(shí)間后，用2mol/L鹽酸中和至pH6.5～7.0，洗滌，在45℃下鼓風(fēng)干燥，用粉碎機(jī)粉碎并過100目篩，即得多孔酯化淀粉成品。

1.2.3 大米多孔酯化淀粉取代度的測(cè)定 參考文獻(xiàn)［4］。

1.2.4 次甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 將次甲基藍(lán)配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.5 ×10－5、1.0 ×10－5、1.5 ×10－5、2.0 × 10－5、2.5 × 10－5mol/L)，用分光光度計(jì)測(cè)定其在620nm下的吸光度，并繪出濃度－吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，得次甲基藍(lán)濃度(x)(×10－5mol/L)與吸光度(y)的關(guān)系:y=0.4072x－0.0047，回歸系數(shù)R2=0.9992。

圖1 次甲基藍(lán)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

1.2.5 大米多孔淀粉對(duì)次甲基藍(lán)最佳吸附濃度的測(cè)定 取濃度由低到高的次甲基藍(lán)溶液分別進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)，做出濃度－吸附量的曲線圖和濃度－吸附率曲線圖，分析出最佳吸附濃度。即將1g多孔淀粉浸泡于30m L不同濃度的次甲基藍(lán)溶液中，振蕩，2h后在3000 r/m in的轉(zhuǎn)速下離心10m in，測(cè)定上清液的吸光度，查標(biāo)準(zhǔn)曲線換算成濃度，并按下式計(jì)算淀粉對(duì)溶液中次甲基藍(lán)的吸附量［5］和吸附率。

式中:ω－單位質(zhì)量的淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量，mg/g;μ－被吸附的次甲基藍(lán)的量占次甲基藍(lán)總量的比率，%;c1－吸附前次甲基藍(lán)溶液濃度，mol/L;c2－吸附后次甲基藍(lán)溶液濃度，mol/L;v－次甲基藍(lán)溶液的體積，L;m－用于吸附次甲基藍(lán)的淀粉干重，g;373.9－次甲基藍(lán)相對(duì)分子質(zhì)量。

1.2.6 次甲基藍(lán)飽和吸附量的測(cè)定［6］將最佳吸附濃度的次甲基藍(lán)溶液持續(xù)流過淀粉柱，直至其濃度不再變化為止，記錄消耗掉溶液的體積，測(cè)定吸附前后溶液的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和吸附量計(jì)算公式即可求出淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的飽和吸附量。

1.2.7 大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉吸附速率曲線 稱取40g大米多孔淀粉或大米多孔酯化淀粉加入到500m L錐形瓶中，再添加200m L濃度為25×10－5mol/L的次甲基藍(lán)溶液，在40℃恒溫水浴下振蕩12h，每隔一段時(shí)間吸取15m L搖勻后的混合液并移入離心管中，在3000 r/m in條件下離心10m in，測(cè)定上清液的吸光度。其中大米多孔淀粉的酶解時(shí)間為9h，大米多孔酯化淀粉的酶解時(shí)間為12h，酯化時(shí)間為3h(DS=0.013)。離心沉淀的淀粉轉(zhuǎn)移到鋁盒中，45℃下烘干，稱其質(zhì)量。根據(jù)公式計(jì)算大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉對(duì)次甲基藍(lán)溶液的吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 次甲基藍(lán)最佳吸附濃度的確定

由圖2可以看出，大米多孔淀粉的吸附能量與次甲基藍(lán)溶液的濃度呈正比關(guān)系，即濃度越大，吸附量越大，但是吸附率卻相反，當(dāng)濃度大于25×10－5mol/L后，吸附率開始下降，因此最佳吸附濃度為25 ×10－5mol/L。

圖2 次甲基藍(lán)濃度對(duì)大米多孔淀粉吸附量和吸附率的影響

2.2 不同淀粉對(duì)次甲基藍(lán)飽和吸附量的確定

由表1可知，大米多孔淀粉的飽和吸附量為4.88mg/g，大米多孔酯化淀粉的飽和吸附量為5.97mg/g，分別比原淀粉的4.83mg/g提高了27%和56%，大米多孔酯化淀粉的吸附量又比大米多孔淀粉提高了22%。說明淀粉經(jīng)過變性后吸附能力增強(qiáng)，大米多孔酯化淀粉吸附疏水性物質(zhì)的能力得到明顯提升。

表1 不同淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的飽和吸附量

2.3 酶解時(shí)間對(duì)大米多孔淀粉吸附次甲基藍(lán)的影響

不同酶解時(shí)間下制得的大米多孔淀粉吸附次甲基藍(lán)2h后，測(cè)定其吸附量，其中次甲基藍(lán)的濃度為25×10－5mol/L，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著酶解反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量先上升后下降。酶解9h制得的多孔淀粉的吸附量最大。

圖3 酶解時(shí)間對(duì)大米多孔淀粉吸附次甲基藍(lán)的影響

起初大米多孔淀粉的吸附量隨酶解時(shí)間的延長(zhǎng)而上升是因?yàn)槊附馐沟矸垲w粒表面的開孔率不斷上升，比表面積增大從而提供了更多的吸附界面，同時(shí)淀粉粒內(nèi)部形成的孔穴給予吸附質(zhì)更多的持留空間。酶解9h后，由于開孔過大和淀粉粒崩解等原因?qū)е麓渭谆{(lán)與多孔淀粉的結(jié)合強(qiáng)度大大降低。此時(shí)可牢固持留次甲基藍(lán)的孔穴已遭到破壞，淀粉粒已很難將次甲基藍(lán)深深地吸附于其內(nèi)部，致使在離心時(shí)次甲基藍(lán)容易與淀粉脫離，因此吸附量下降。

2.4 酶解時(shí)間對(duì)大米多孔酯化淀粉的取代度和吸附量的影響

取酶解時(shí)間不同的大米多孔淀粉進(jìn)行酯化反應(yīng)，酯化反應(yīng)時(shí)間均為3h。然后測(cè)定大米多孔酯化淀粉的取代度和對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量，其中吸附時(shí)間是2h，次甲基藍(lán)的濃度是25×10－5mol/L，結(jié)果見圖4。

圖4 酶解時(shí)間對(duì)大米多孔酯化淀粉的取代度和吸附量的影響

由圖4可知，隨著酶解時(shí)間的延長(zhǎng)，大米多孔酯化淀粉的取代度和對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量的變化趨勢(shì)一致，都是先逐漸增大，后略有降低。其中酶解12h制得的酯化淀粉的取代度和吸附量都達(dá)到最大值。酶解時(shí)間越長(zhǎng)，大米多孔酯化淀粉的取代度越高，說明開孔率增大更易于酯化，使得辛烯基琥珀酸鏈的接入量變大，由于辛烯基琥珀酸具有疏水性，因此多孔酯化淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附能力得到提升，吸附量增大。

2.5 多孔淀粉和多孔酯化淀粉吸附速率曲線

大米多孔淀粉在濃度為25×10－5mo/L的次甲基藍(lán)溶液中的動(dòng)態(tài)吸附曲線如圖5所示。當(dāng)吸附時(shí)間為6h時(shí)，大米多孔淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附已經(jīng)達(dá)到飽和，此時(shí)，吸附速率和解吸速率是恒定的，吸附速率不隨時(shí)間變化而變化。所以，取0～6h作為計(jì)算吸附速率的時(shí)間范圍。

將Lagergren吸附速度公式應(yīng)用于固－液體系，在時(shí)間t內(nèi)的吸附量以q表示，在一定的濃度條件下，其吸附速度可用以下公式表示［9－10］:

圖5 大米多孔淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的動(dòng)態(tài)吸附

經(jīng)積分可得

對(duì)大米多孔淀粉的動(dòng)態(tài)吸附曲線，以lgq為縱坐標(biāo)，lgt為橫坐標(biāo)作圖，得一直線(圖6)，根據(jù)所得直線計(jì)算斜率1/m=0.0189，截距 lgk=0.6592，即 k=4.5625，m=52.91，得到大米多孔淀粉吸附次甲基藍(lán)的吸附速率方程如下:

圖6 大米多孔淀粉lgq與lgt的關(guān)系

同樣，對(duì)大米多孔酯化淀粉的動(dòng)態(tài)吸附曲線(圖7)，以lgq為縱坐標(biāo)，lgt為橫坐標(biāo)作圖，得一直線(圖8)，根據(jù)所得直線計(jì)算斜率1/m=0.003，截距l(xiāng)gk=0.7454，即 k=5.568，m=333.33，得到大米多孔酯化淀粉吸附次甲基藍(lán)的吸附速率方程如下:

圖7 大米多孔酯化淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的動(dòng)態(tài)吸附

大米多孔淀粉吸附速率方程的斜率K1=0.0189，大米多孔酯化淀粉吸附速率方程的斜率K2=0.003。由K1＞K2可知，大米多孔酯化淀粉吸附速率的上升速度比未酯化的大米多孔淀粉要小得多。吸附1h后，大米多孔淀粉的吸附量是4.56mg/g，大米多孔酯化淀粉的吸附量是5.57mg/g，分別是最大吸附量的96.6%和99.4%。說明這兩種淀粉對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量在很短的時(shí)間內(nèi)就趨于飽和，其中大米多孔酯化淀粉的吸附能力更強(qiáng)。用此方法可以在短時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)出大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附性能。

圖8 大米多孔酯化淀粉lgq與lgt的關(guān)系

3 結(jié)論

3.1 大米多孔淀粉吸附次甲基藍(lán)的最佳濃度為25×10－5mol/L。淀粉經(jīng)過酶解開孔和酯化反應(yīng)后，吸附能力得到明顯提升，其中大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的飽和吸附量分別比原淀粉提高了27%和56%。

3.2 酶解時(shí)間延長(zhǎng)，開孔率增大，酯化反應(yīng)更易進(jìn)行，從而使大米多孔酯化淀粉的取代度變大，對(duì)次甲基藍(lán)的吸附量也變大。

3.4 大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉吸附次甲基藍(lán)時(shí)都能夠在比較短的時(shí)間內(nèi)趨于飽和，因此用此方法可以在短時(shí)間內(nèi)評(píng)價(jià)出大米多孔淀粉和大米多孔酯化淀粉的吸附性能。

［1］李軍，陳存社.酶法制備多孔淀粉的工藝研究［J］.北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23(2):9－11.

［2］鄭茂強(qiáng)，張燕萍，魯云霞.辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備工藝研究［J］.食品科技，2002(8):28－29.

［3］姚衛(wèi)蓉，姚惠源.多孔淀粉的研究Ⅰ:酶和原料粒度對(duì)形成多孔淀粉的影響［J］.中國(guó)糧油學(xué)報(bào)，2001(1):36－38.

［4］張燕萍.變性淀粉制造與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:293.

［5］徐忠，王鵬，繆銘.玉米多孔淀粉吸附性能研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(7):581－585.

［6］蘇東民，金華麗，任順成，等.微孔性變性淀粉吸附性質(zhì)研究［J］.鄭州糧食學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21(2):24－27.

［7］Wong KS，Kubo A，Jane JL，et al.Structures and properties of amylopectin and phytoglycogen in the endosperm of sugar－l mutant of rice［J］.Journal of Cereal Science，2003，37:139－149.

［8］Monika Sujka，Jerzy Jamroz.α－Amylolysis of native potato and corn starches－SEM，AFM，nitrogen andiodine sorption investigations［J］.Food Science and Technology，2009，42:1219 －1224.

［9］于九皋，劉延奇.淀粉微球吸附性能研究［J］.離子交換與吸附，1996，12(2):124－128.

［10］章燕豪 .吸附作用［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989.

Adsorption characteristics of porous rice starch and the esterified porous rice starch

ZHANG Jia－qi，ZHANG Yan－ping*

(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi214122，China)

The properties of porous rice starch and the esterified porous rice starch on the adsorption of methylene blue were studied.And the influence of the enzymatic hydrolysis time and substituting degree on the starch adsorption of methylene blue were analysed，the adsorptive speed equation of the porous starch and the esterified porous starch were also established.The results showed that the best adsorption concentration of methylene blue was 25 × 10－5mol/L，and the adsorption capacity were 4.88mg/g and 5.97mg/g for the porous starch and the esterified porous starch，respectively.The adsorption quantity of the porous starch and the esterified porous starch increased compared with the native starch，and the esterified porous starch adsorbed more methylene blue than the porous starch.

porous rice starch;esterified starch;adsorption;methylene blue

TS210.1

A

1002－0306(2011)08－0108－04

2010－08－23 *通訊聯(lián)系人

張甲奇(1985－)，男，在讀碩士，研究方向:淀粉資源的開發(fā)與利用。