郁映濤，肖劉洋，楊曉凡，韓富娟，韓立宏

（北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750021）

利用吸附劑可以將水、油、藥物和許多其他小分子吸附在各種產(chǎn)品中，目前在食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。對于人類消費(fèi)品而言，選用綠色、可生物降解的吸附劑尤為重要[1]。淀粉是一種來源豐富、價(jià)格低廉的綠色可再生資源[2-4]，但由于其比表面積和總孔容積低，限制了淀粉作為吸附劑在工業(yè)上的應(yīng)用[5-6]。因此，通過各種改性技術(shù)提高淀粉顆粒的吸附性能成為當(dāng)前淀粉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

目前，采用α-淀粉酶和葡糖淀粉酶水解淀粉的方法被認(rèn)為是制備高吸附性能淀粉顆粒的有效方法[7]。但天然淀粉結(jié)構(gòu)緊密，導(dǎo)致酶水解速率較慢且不充分[8]。已有研究發(fā)現(xiàn)，凍融法[9]、高靜水壓法[10]、濕熱法[11]和擠壓法[12]等物理手段可改變淀粉的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，進(jìn)而改善其酶解特性。Zhao Anqi等[13]通過研究凍融結(jié)合酶處理對玉米淀粉微觀結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理使淀粉顆粒產(chǎn)生了更多孔隙，從而使其吸附性能顯著提高；Davoudi等[14]在酶解前對玉米淀粉進(jìn)行低溫等離子體處理，顯著改善了玉米淀粉的吸附性能；Jiang Kaili等[15]采用微波與復(fù)合酶（α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶）相結(jié)合處理淀粉顆粒，結(jié)果表明聯(lián)合處理后淀粉顆粒的比表面積和總孔容積更大，吸附性能顯著提高。

超聲波是一種綠色、高效的淀粉物理改性技術(shù)。已有報(bào)道稱超聲波的空化效應(yīng)會導(dǎo)致淀粉顆粒表面產(chǎn)生孔隙[16]；Han Lihong等[17]研究也表明超聲波預(yù)處理會影響豌豆淀粉的顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和消化性能；Wang Jiaqu等[18]則揭示了高功率超聲波對獼猴桃淀粉顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及分子結(jié)構(gòu)的影響。另外，Kunyanee等[19]研究發(fā)現(xiàn)超聲處理會削弱淀粉分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致相對結(jié)晶度降低。因此，超聲波能夠改變淀粉的顆粒形態(tài)和分子結(jié)構(gòu)。目前也有研究報(bào)道發(fā)現(xiàn)淀粉經(jīng)超聲處理后其酶解特性發(fā)生變化。Li Mei等[2]從淀粉結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的變化方面探討了超聲預(yù)處理對玉米淀粉液化和糖化過程的影響；Liu Yuan等[20]研究了超聲與堿性過氧化氫協(xié)同預(yù)處理對玉米淀粉酶解的影響，表明協(xié)同預(yù)處理通過改變淀粉的結(jié)構(gòu)和理化特性提高了淀粉的水解速率。因此，將超聲技術(shù)與酶解技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于天然玉米淀粉中，具有高效、高質(zhì)量吸附劑的工業(yè)化制備潛力。已有研究發(fā)現(xiàn)超聲波對淀粉多層級結(jié)構(gòu)的影響與超聲處理溫度相關(guān)[21]，但目前關(guān)于不同溫度超聲處理結(jié)合α-淀粉酶對玉米淀粉多層級結(jié)構(gòu)及其吸附性能的影響還缺乏系統(tǒng)的研究。

本研究以玉米淀粉為原料，旨在探究低于淀粉糊化溫度（0～65 ℃）條件下超聲波預(yù)處理對α-淀粉酶改性淀粉顆粒的多尺度結(jié)構(gòu)（顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、分子鏈結(jié)構(gòu)）以及吸附性能的影響，為超聲波技術(shù)在制備淀粉基吸附劑領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

普通玉米淀粉 中國寧夏銀川新昊潤食品公司（2021年10月生產(chǎn)，市售）。

氰基硼氫化鈉、8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽（8-aminopyrene-1,3,6-trisulfonate sodium，APTS）國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；α-胰淀粉酶（50 U/mg）美國Sigma化學(xué)公司；本研究中所使用的化學(xué)試劑均為分析級。

1.2 儀器與設(shè)備

S-3400 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）日立高新技術(shù)公司；C2+激光共聚焦掃描顯微鏡（confocal laser scanning microscope，CLSM）日本尼康有限公司；GPC 220凝膠滲透色譜儀、激光共聚焦顯微拉曼光譜（laser confocal micro-Raman，LCM-Raman）儀 美國安捷倫科技公司；ICS-5000+高壓離子色譜系統(tǒng) 美國賽默飛世爾科學(xué)公司；SmartLab X射線衍射儀（X-ray diffraction，XRD）、RigakuS-MAX3000小角X射線散射（small angle X-ray scattering，SAXS）儀 RIGAKU理學(xué)公司；A S A P 2460 全自動比表面積及孔隙度分析儀 美國麥克儀器公司；超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 北京比朗實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；GTR10-2冷凍離心機(jī) 湖南湘儀實(shí)驗(yàn)室儀器開發(fā)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 超聲處理玉米淀粉

準(zhǔn)確稱取10 g玉米淀粉，加入適量蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的懸浮液，在不同溫度（0、25、45、65 ℃）的循環(huán)水浴超聲處理20 min。超聲處理?xiàng)l件：頻率20 kHz，功率300 W，處理模式為間歇式（超聲2 s、間歇2 s）。將超聲處理后的玉米淀粉懸浮液在3000 r/min離心10 min，棄去上清液，沉淀于40 ℃的烘箱中干燥，過100 目篩，制備的淀粉對應(yīng)標(biāo)記為US-0、US-25、US-45、US-65，天然淀粉標(biāo)記為NS，密封、備用。

1.3.2α-淀粉酶處理玉米淀粉

準(zhǔn)確稱取160 mg的α-胰淀粉酶（50 U/mg）溶于100 mL的蒸餾水（37 ℃）中，避光條件下磁力攪拌60 min，制得酶活力為80 U/mL的α-淀粉酶溶液。稱取10 g淀粉樣品于裝有100 mLα-淀粉酶溶液的三角瓶中，懸浮液置于25 ℃下恒溫振蕩（150 r/min），反應(yīng)12 h。然后將此懸浮液在3000×g條件下離心10 min，棄去上清液，將沉淀凍干磨粉，過100 目篩，4 ℃保存?zhèn)溆?。所得產(chǎn)物對應(yīng)標(biāo)記為US-0-AM、US-25-AM、US-45-AM、US-65-AM。酶解天然淀粉樣品記為NS-AM。

1.3.3 SEM觀察

采用SEM觀察淀粉顆粒的表面形貌。將淀粉樣品粘附在樣品臺的導(dǎo)電雙面膠上，在真空條件下對淀粉樣品進(jìn)行表面噴金處理180 s，在加速電壓為15.0 kV條件下進(jìn)行掃描，觀察2000 倍下淀粉樣品的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.4 CLSM觀察

稱取2.0 mg淀粉樣品與4.0 μL的APTS（10 mmol/L）及4.0 μL的氰基硼氫化鈉（1 mol/L）混合，將淀粉顆粒懸浮于20 μL的甘油-水溶液（1∶1，V/V）中。取一滴淀粉懸浮液于載玻片上并用CLSM拍攝圖像。鏡頭為100×油鏡，數(shù)值孔徑為1.4，激光發(fā)射波長為500～600 nm。

1.3.5 XRD分析

稱取適量淀粉樣品用載玻片壓至緊實(shí)平整，采用XRD儀測定淀粉樣品的結(jié)晶特性。測定參數(shù)：特征射線Cu-Kα，掃描范圍2θ為4°～60°，掃描步長0.02°，掃描速率6 °/min，電壓40 kV，電流100 mA。使用Jade 6軟件計(jì)算淀粉樣品的相對結(jié)晶度。

1.3.6 LCM-Raman分析

采用LCM-Raman儀測定所有淀粉樣品的短程分子結(jié)構(gòu)。將適量淀粉樣品用載玻片壓至緊實(shí)平整，在顯微鏡視野中選擇清晰界面進(jìn)行測試。測試參數(shù)：掃描范圍為100～3500 cm-1，分辨率為7 cm-1。使用儀器自帶軟件WIRE 2.0處理淀粉樣品的圖譜。

1.3.7 SAXS分析

參照Liu Kun等[22]的方法利用SAXS儀分析淀粉樣品的層狀結(jié)構(gòu)。將11.0 mg玉米淀粉加入到含有去離子水的鋁箔中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的淀粉糊，然后暴露在入射X射線的單色光束中7 min。測定參數(shù)：電壓40 kV，電流50 mA，Cu-Kα輻射X射線源波長0.1542 nm。散射數(shù)據(jù)由圖像板記錄，并使用IP Reader軟件程序采集。最后將所有數(shù)據(jù)歸一化，使用SAXS quant 3.0軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理，由此得到淀粉顆粒的散射強(qiáng)度I(q)與散射矢量q之間的關(guān)系。每個樣品非晶態(tài)和晶態(tài)片層的周期厚度采用Woolf-Bragg’s方程（式（1））計(jì)算得到：

式中：dBragg為淀粉片層周期厚度/nm；q為峰值處的散射矢量/nm-1。

利用歸一化的一維相關(guān)函數(shù)（式（2））對散射曲線進(jìn)行分析，得到片層結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

式中：q為散射矢量；I(q)為散射強(qiáng)度；x表征實(shí)空間距離；長周期d是f(x)在第二個最大值處的x值，晶層厚度（dc）取f(x)斜直線與第一個極小（峰谷）水平線的交點(diǎn)在x坐標(biāo)上的值，非晶區(qū)域的平均厚度da＝d-dc。

根據(jù)Power Law冪律方程（式（3））可得到樣品的α，并根據(jù)α大小按照分形維數(shù)公式得出分形維數(shù)D。

其中：α為冪律方程的指數(shù)；D為分形維數(shù)，當(dāng)-4＜α＜-3時散射體為表面分形，分形維數(shù)Ds＝6+α；而當(dāng)-3＜α＜-1時散射體則為質(zhì)量分形，分形維數(shù)Dm＝-α。

1.3.8 凝膠滲透色譜法測定淀粉樣品的摩爾質(zhì)量

淀粉樣品的分子特征按照Hong Yan等[23]的研究方法進(jìn)行分析。稱取10 mg淀粉樣品溶解于裝有2 mL含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%溴化鋰（LiBr）的二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）溶液中，在沸水浴中攪拌12 h。利用0.45 μm濾膜對含有淀粉的DMSO/LiBr溶液進(jìn)行過濾，通過自動進(jìn)樣器注入凝膠滲透色譜系統(tǒng)。以DMSO/LiBr溶液為流動相，室溫洗脫，流速0.5 mL/min。采用不同分子質(zhì)量的右旋糖酐標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行摩爾質(zhì)量標(biāo)定，使用ASTRA軟件對凝膠滲透色譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

1.3.9 支鏈淀粉鏈長分布的測定

采用高壓離子色譜系統(tǒng)測定支鏈淀粉的鏈長分布[24-25]。稱取淀粉樣品40 mg于2.0 mL乙酸鈉緩沖溶液（0.01 mol/L、pH 4.5）中，95 ℃糊化10 min后用40 ℃水浴平衡15 min，加入5.0 μL普魯蘭酶（1000 U/mL），反應(yīng)24 h，使支鏈淀粉分子完全脫支。隨后沸水浴5 min終止反應(yīng)，在3000×g條件下離心10 min，然后將上清液稀釋50 倍，測定支鏈淀粉的鏈長分布。柱溫為25 ℃，流速為1 mL/min，洗脫液A為150 mmol/L的NaOH溶液，洗脫液B為含150 mmol/L NaOH和500 mmol/L醋酸鈉緩沖溶液的混合液。洗脫梯度設(shè)置為將洗脫液B混入洗脫液A中，如下：40%洗脫液B、50%洗脫液B、60%洗脫液B、80%洗脫液B的洗脫時間分別為2、8、30、60 min。

1.3.10 比表面積和孔徑分布的測定

參照Guo Li等[26]描述的方法稍作修改后，使用全自動比表面積和孔隙分析儀測量樣品的比表面積、孔徑分布和總孔容積。測定前，淀粉樣品在120 ℃真空脫氣6 h。待樣品冷卻至室溫后，置于比表面積和孔隙率分析儀中，以高純氮為介質(zhì)進(jìn)行吸附。采用多點(diǎn)BET（Brunner-Emmet-Teller）方程計(jì)算樣品的比表面積，使用BJH（BarretJoyner-Halenda）方法計(jì)算樣品的孔徑分布和總孔容積。

1.3.11 水/油吸附能力的測定

淀粉樣品對水/油的吸附能力參照Xie Ying等[11]的方法測定，準(zhǔn)確稱取0.5 g淀粉樣品于裝有5 mL水或大豆油的等質(zhì)量離心管中，旋渦振蕩20 s后靜置30 min。在室溫下將混合物在5000×g條件下離心20 min，然后除去上清液，直到?jīng)]有多余的水或油滴到濾紙上后稱量沉淀物。吸水/吸油率由式（4）計(jì)算：

式中：m0為干基淀粉質(zhì)量/g；m為離心后沉淀物的質(zhì)量/g。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對淀粉顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響

如圖1A所示，在SEM下，天然玉米淀粉顆粒呈橢圓形或不規(guī)則的顆粒狀，表面光滑。超聲預(yù)處理后，US樣品顆粒表面變得粗糙且有凹槽出現(xiàn)；與NS-AM相比，US-AM樣品顆粒表面出現(xiàn)了很多孔隙，且超聲預(yù)處理溫度越高的樣品，酶處理后顆粒表面的孔隙越多。Chen Haiming等[27]研究表明淀粉顆粒在超聲處理過程中由于超聲波的空化效應(yīng)產(chǎn)生空腔，為水分子向淀粉顆粒內(nèi)部擴(kuò)散提供了更多的通道。因此，超聲預(yù)處理對淀粉形態(tài)結(jié)構(gòu)的破壞，能夠促進(jìn)酶向淀粉顆粒內(nèi)部的滲透，進(jìn)而增加淀粉對酶的敏感性?？梢姡cNS相比，US樣品是更好的α-淀粉酶酶解底物，且超聲預(yù)處理溫度越高，α-淀粉酶對玉米淀粉的酶解程度越大。

圖1 淀粉樣品的SEM圖（A）和CLSM圖（B）Fig.1 Scanning electron micrographs (A) and confocal laser scanning micrographs (B) of starch samples

在CLSM下，通過熒光強(qiáng)度可以觀察淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如生長通道、生長環(huán)和孔洞等）的變化[28]。由圖1B可知，與NS相比，超聲預(yù)處理改變了淀粉顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，隨著超聲預(yù)處理溫度升高，US樣品顆粒內(nèi)部有明顯的裂紋出現(xiàn)；與NS-AM相比，US-AM樣品顆粒內(nèi)部的裂紋更多，并呈現(xiàn)由內(nèi)至外的放射狀分布。這些結(jié)果表明超聲預(yù)處理可以使淀粉顆粒內(nèi)部形成孔洞，這些孔洞提供了酶的擴(kuò)散通道[29]，使得淀粉顆粒的抗酶解能力減弱，這與SEM結(jié)果一致。

2.2 不同處理對淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響

由圖2可知，所有淀粉樣品的特征衍射峰均出現(xiàn)在15.2°、17.1°、18.2°和23.3°處，呈A型結(jié)晶結(jié)構(gòu)；US樣品的相對結(jié)晶度顯著低于NS樣品（P＜0.05），且隨著超聲預(yù)處理溫度的升高而呈現(xiàn)降低趨勢；NS-AM的相對結(jié)晶度顯著高于NS樣品（P＜0.05），US-AM樣品的相對結(jié)晶度隨超聲預(yù)處理溫度升高呈現(xiàn)出與US樣品相同的變化趨勢，且均高于對應(yīng)的US樣品。

圖2 不同處理對淀粉顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響Fig.2 Effects of different treatments on crystal structure of starch granules

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有處理均未引起玉米淀粉晶型的改變，但超聲預(yù)處理會降低淀粉的相對結(jié)晶度，這是因?yàn)槌曁幚砜梢允沟矸壑ф溄饩郏茐牡矸垲w粒中雙螺旋之間的結(jié)合力，導(dǎo)致玉米淀粉的相對結(jié)晶度降低[2]；超聲預(yù)處理溫度越高，玉米淀粉相對結(jié)晶度降低程度越大，這與Amini等[30]研究報(bào)道一致，說明低于糊化溫度的熱輔助可以增強(qiáng)超聲波對玉米淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞作用。此外，α-淀粉酶處理大幅提高了玉米淀粉的相對結(jié)晶度，Zhao Anqi[13]和Han Xiuying[31]等在研究α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶復(fù)合酶處理玉米淀粉時也發(fā)現(xiàn)了與本研究相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這是因?yàn)槊杆庵饕l(fā)生在淀粉的無定形區(qū)域，從而相對增加了淀粉顆粒內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的比例。超聲波結(jié)合酶處理淀粉樣品的相對結(jié)晶度高于超聲處理的淀粉樣品，但低于單一酶處理的淀粉樣品，這是因?yàn)槌暡ㄌ幚碓诟淖兊矸劢Y(jié)晶度方面起著與α-淀粉酶處理相反的作用。

2.3 不同處理對淀粉顆粒短程有序結(jié)構(gòu)的影響

拉曼光譜480 cm-1處特征波段的半峰寬（full width at half maxima，F(xiàn)WHM）對淀粉短程有序性的變化敏感，F(xiàn)WHM值越小，表明淀粉短程有序性越高[32]。由圖3可知，所有淀粉樣品呈現(xiàn)相似的拉曼光譜峰。與NS相比，US樣品的FWHM值顯著增大（P＜0.05），且隨著超聲預(yù)處理溫度的升高呈現(xiàn)顯著增大的趨勢（P＜0.05）；NS-AM和US-AM樣品的FWHM值均低于對應(yīng)的NS和US樣品（圖3）。

圖3 不同處理對淀粉顆粒短程有序結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of different treatments on short-range ordered structure of starch granules

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有處理均未改變玉米淀粉的化學(xué)組成單位[33]。不同溫度超聲預(yù)處理后玉米淀粉的FWHM值升高，表明超聲預(yù)處理使玉米淀粉的短程有序性降低，這與Wang Hongwei等[34]的研究結(jié)果一致，其認(rèn)為，超聲處理可能會削弱甘薯淀粉顆粒中雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序排列。此外，酶處理后淀粉樣品的FWHM值降低，這是因?yàn)槊杆庵饕l(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)，而不是結(jié)晶區(qū)[35]；超聲結(jié)合酶處理淀粉樣品的FWHM值顯著高于單一酶處理淀粉樣品（P＜0.05），這與超聲波對淀粉晶體結(jié)構(gòu)的破壞有關(guān)。

2.4 不同處理對淀粉顆粒層狀結(jié)構(gòu)的影響

采用SAXS測量淀粉樣品的納米層狀結(jié)構(gòu)信息，所得SAXS圖譜如圖4A、B所示。除US-65和US-65-AM外，其余淀粉樣品均在q值為0.6 nm-1附近出現(xiàn)散射峰，與淀粉顆粒結(jié)晶層和非結(jié)晶層電子密度差相對應(yīng)[36]。US-65和US-65-AM未出現(xiàn)散射峰，表明當(dāng)超聲預(yù)處理溫度達(dá)到65 ℃時，淀粉的片層結(jié)構(gòu)被完全破壞[37-38]。

一維相關(guān)函數(shù)擬合曲線及擬合后淀粉層狀結(jié)構(gòu)各參數(shù)值如圖4C、D和表1所示。從理論上講，US-65和US-65-AM樣品無散射峰也即無法采用一維相關(guān)函數(shù)計(jì)算淀粉層狀結(jié)構(gòu)各參數(shù)值[39]。與NS樣品相比，US樣品的da值顯著升高（P＜0.05），dc值顯著降低（P＜0.05）；US樣品的da值隨超聲預(yù)處理溫度的升高呈現(xiàn)增大趨勢，dc值則與之相反，表明超聲預(yù)處理會破壞淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，有使淀粉晶體結(jié)構(gòu)向無定形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢。此外，酶處理后淀粉樣品的da值降低，dc值增加，這與蘭小紅[40]用α-淀粉酶處理芭蕉芋淀粉的研究結(jié)果一致，進(jìn)一步表征了酶水解主要發(fā)生在淀粉顆粒的無定形區(qū)。

表1 不同處理淀粉樣品的SAXS參數(shù)Table 1 Small angle X-ray scattering parameters of starch samples under different treatments

利用SAXS還可進(jìn)一步分析淀粉的分形結(jié)構(gòu)，分形結(jié)構(gòu)是描述淀粉散射體自相似的一種特征，參數(shù)分形維數(shù)D被用來定量表征其不規(guī)則程度[41]。根據(jù)Power定律：I(q)∝qα得到α值，其大小可反映散射體分形結(jié)構(gòu)特性，當(dāng)-4＜α＜-3時散射體為表面分形，分形維數(shù)Ds＝6+α；而當(dāng)-3＜α＜-1時散射體則為質(zhì)量分形，分形維數(shù)Dm＝-α。Dm值可反映物體物理排列的緊密程度，Dm值越大，表明散射體排列越緊密[42]。由表1可知，所有樣品的α值均在-3～-1之間，說明所有處理均未改變玉米淀粉的質(zhì)量分形結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲預(yù)處理溫度從0 ℃升高至65 ℃時，US樣品的Dm值從2.61降至2.16，且US樣品的Dm值均低于NS；NS-AM和US-AM樣品的Dm值均顯著高于對應(yīng)的NS和US樣品（P＜0.05），表明高溫超聲預(yù)處理使玉米淀粉的結(jié)構(gòu)更松散，這對α-淀粉酶水解淀粉起到了促進(jìn)作用。

2.5 不同處理對淀粉摩爾質(zhì)量的影響

如表2所示，所有淀粉樣品均出現(xiàn)兩個峰，峰1代表淀粉的支鏈淀粉分子，峰2代表淀粉的直鏈淀粉分子以及其他低摩爾質(zhì)量分子。與NS樣品相比，US樣品峰1和峰2的摩爾質(zhì)量均顯著降低（P＜0.05），且隨超聲預(yù)處理溫度的升高進(jìn)一步降低；NS-AM和US-AM樣品峰1和峰2的摩爾質(zhì)量均顯著低于對應(yīng)的NS和US樣品（P＜0.05）。

淀粉顆粒致密的晶體結(jié)構(gòu)對酶具有很強(qiáng)的抗性，經(jīng)超聲波處理后，淀粉晶體結(jié)構(gòu)被破壞，淀粉聚合度降低，支鏈淀粉中長鏈被水解[2]，導(dǎo)致淀粉顆粒對酶的抗性減弱，為α-淀粉酶水解淀粉提供了更多的結(jié)合機(jī)會。Keeratiburana等[43]研究表明α-淀粉酶處理可使大米淀粉峰1和峰2的摩爾質(zhì)量均降低。這是因?yàn)棣?淀粉酶既可水解直鏈淀粉形成較短的線性鏈[44]，又可將含有α-1,4糖苷鍵的支鏈淀粉水解為更短的分子鏈[45]，進(jìn)而使得酶處理后淀粉樣品的摩爾質(zhì)量降低。此外，超聲結(jié)合酶處理后淀粉樣品的摩爾質(zhì)量隨超聲預(yù)處理溫度的升高而降低，這表明高溫超聲預(yù)處理能促使α-淀粉酶有效進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部充分水解淀粉。

2.6 不同處理對淀粉鏈長分布的影響

支鏈淀粉的單位鏈長分布根據(jù)DP 值可分為4 個組分：A（DP 6～12）、B1（DP 13～24）、B2（DP 25～36）和B3（DP＞37）鏈[46]。如表2所示，與NS相比，US樣品的A鏈和B1鏈比例顯著增加（P＜0.05），而B2鏈和B3鏈比例顯著減少（P＜0.05）；隨著超聲預(yù)處理溫度的升高，US樣品的A鏈和B1鏈比例呈現(xiàn)上升趨勢，而B2鏈和B3鏈比例呈現(xiàn)下降趨勢；NS-AM和US-AM樣品的A鏈和B1鏈比例均顯著高于對應(yīng)的NS和US樣品（P＜0.05），而B2鏈和B3鏈比例顯著低于對應(yīng)的NS和US樣品（P＜0.05）。

支鏈淀粉由外部鏈和內(nèi)部鏈組成，外部鏈相互作用形成雙螺旋和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而分支與分支點(diǎn)之間的內(nèi)部鏈可形成無定形區(qū)[47]。因此，支鏈淀粉的鏈長分布與酶水解和淀粉顆粒中孔的形成密切相關(guān)[48]。已有研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可引起淀粉大分子鏈的解聚，在較高的超聲處理溫度下，支鏈淀粉的B3鏈優(yōu)先斷裂，然后在超聲波初步降解B3鏈后，B2鏈被進(jìn)一步降解[49]，這與本研究的結(jié)果一致。α-淀粉酶處理后淀粉樣品的A鏈和B1鏈比例升高，B2鏈和B3鏈比例降低，這是因?yàn)棣?淀粉酶是一種內(nèi)切酶，可水解支鏈淀粉簇之間的α-1,4鏈，產(chǎn)生短鏈淀粉小團(tuán)簇[43,50-51]。此外，超聲結(jié)合酶處理淀粉樣品的短鏈比例隨超聲預(yù)處理溫度的升高而增加，且均高于單一酶處理的淀粉樣品。這是因?yàn)楦邷爻曨A(yù)處理促進(jìn)了α-淀粉酶向淀粉顆粒內(nèi)部的有效滲透。

2.7 不同處理對淀粉顆粒比表面積和孔徑分布的影響

如圖5所示，所有淀粉樣品的吸附-脫附等溫線均為典型的IV型等溫線，并具有H3型遲滯環(huán)，這表明這些淀粉樣品均具有介孔結(jié)構(gòu)[15]。由表3可知，與NS相比，US樣品的比表面積和總孔容積呈增大趨勢，孔徑則顯著降低（P＜0.05）；NS-AM和US-AM樣品的比表面積和總孔容積均顯著高于對應(yīng)的NS和US樣品（P＜0.05），且US-AM樣品的比表面積和總孔容積均隨著超聲預(yù)處理溫度的升高呈現(xiàn)增大的趨勢。Zhu Jianzhong等[52]采用α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶復(fù)合酶水解玉米淀粉，發(fā)現(xiàn)淀粉樣品比表面積的增加與酶處理使淀粉顆粒產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。這些結(jié)果表明，高溫超聲預(yù)處理增強(qiáng)了α-淀粉酶對淀粉顆粒的水解破壞作用。

表3 不同處理對淀粉顆粒比表面積和孔徑分布的影響Table 3 Effects of different treatments on specific surface area and pore size distribution of starch granules

圖5 不同處理下淀粉顆粒的氮吸附-脫附等溫線Fig.5 Nitrogen adsorption-desorption isotherms of starch granules under different treatments

2.8 不同處理對淀粉顆粒吸附能力的影響

由圖6可知，所有處理均顯著提高了玉米淀粉對油和水的吸附性能（P＜0.05）；隨著超聲預(yù)處理溫度的升高，US和US-AM樣品的吸水率和吸油率均呈現(xiàn)增大趨勢；除US-65-AM的吸水率顯著低于US-65（P＜0.05）外，其他US-AM樣品的吸水率和吸油率均顯著高于對應(yīng)的US樣品（P＜0.05）。

圖6 不同處理對淀粉顆粒吸水率和吸油率的影響Fig.6 Effects of different treatments on water-and oil-adsorbing capacity of starch granules

已有研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉經(jīng)α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶復(fù)合酶處理后，淀粉顆粒表面和內(nèi)部產(chǎn)生了多孔結(jié)構(gòu)，比表面積和總孔容積增大，具有更多的吸附位點(diǎn)和吸附空間，使得淀粉樣品的吸附性能增強(qiáng)[15]。因此，超聲預(yù)處理后玉米淀粉吸附性能的增強(qiáng)與超聲波能夠使其顆粒表面產(chǎn)生凹槽有關(guān)。隨著超聲預(yù)處理溫度從0 ℃升至65 ℃，超聲結(jié)合酶處理后淀粉顆粒的吸水率和吸油率分別從114.71%和142.16%提高至144.77%和189.70%，表明超聲預(yù)處理溫度越高，α-淀粉酶處理后淀粉顆粒對水和油的吸附能力越強(qiáng)，這是因?yàn)楦邷爻曨A(yù)處理為α-淀粉酶進(jìn)入淀粉顆粒內(nèi)部提供了通道，使得酶水解淀粉的程度更大，形成的孔洞更多，進(jìn)而使其吸附性能更強(qiáng)。但US-65-AM的吸水率相比US-65顯著降低（P＜0.05），這可能是因?yàn)閁S-65-AM的孔徑太大，水不容易儲存在孔隙中，這與Wu Wenqi等[12]的報(bào)道一致，此研究表明當(dāng)?shù)矸鄣目紫哆^大時，淀粉吸水能力下降。

3 結(jié)論

本研究采用不同溫度條件（低于淀粉糊化溫度）的超聲波預(yù)處理結(jié)合α-淀粉酶修飾玉米淀粉，探究其對玉米淀粉顆粒多層級結(jié)構(gòu)以及吸附性能的影響。結(jié)果表明，超聲預(yù)處理可引起淀粉顆粒表面出現(xiàn)凹槽，破壞淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致淀粉分子鏈段解聚，且熱輔助可以增強(qiáng)超聲波對淀粉結(jié)構(gòu)的修飾作用，進(jìn)而改變淀粉的酶解特性；與單一酶處理相比，超聲結(jié)合酶處理后淀粉顆粒的比表面積和總孔容積更大，吸附性能更強(qiáng)；超聲結(jié)合酶處理后淀粉顆粒吸附性能的增強(qiáng)主要是由于超聲引起的淀粉顆粒多層級結(jié)構(gòu)的變化增強(qiáng)了淀粉對α-淀粉酶的敏感性。可見，超聲結(jié)合α-淀粉酶法可作為一種改善淀粉顆粒吸附性能的有效手段。這些研究結(jié)果將為超聲波技術(shù)在淀粉基吸附劑制備領(lǐng)域的高效應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。