不同酶改性木薯淀粉的热稳定性及吸附性能研究.pdf

年月南宁师范大学学报(自然科学版)S e p 第 卷 第期J o u r n a l o fN a n n i n gN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o D O I:/j c n k i i s s n 文章编号:()不同酶改性木薯淀粉的热稳定性及吸附性能研究吴儒龙,刘钰馨,梁泽升,廖梁燕,杨芳(南宁师范大学 化学与材料学院;广西天然高分子化学与物理重点实验室,广西 南宁 )摘要:以木薯淀粉为研究对象,通过改变酶的种类、用量和配比对木薯淀粉进行改性,利用扫描电镜(S EM)研究性木薯淀粉颗粒形态结构,利用热重分析(T G)研究改性木薯淀粉的热稳定性规律,并通过吸水、吸油测试分析酶改性木薯淀粉的吸附性能.研究结果表明,随着酶用量的增加、糖化酶配比增大和蛋白酶的添加,淀粉的颗粒的表面被侵蚀形成粗糙表面,并形成凹坑,酶改性后淀粉的热稳定性提高;淀粉的吸水率和吸油率分别从、增加到、.不同酶用量、酶配比和酶种类会对木薯淀粉颗粒进行酶解,通过研究有助于揭示酶对木薯淀粉的热稳定性和吸附性能影响规律,并为进一步拓展木薯淀粉的应用提供理论依据.关键词:木薯淀粉;酶改性;吸附;热性能中图分类号:T Q 文献标志码:A引 言淀粉是一种天然高分子,主要来源于植物的果实、块茎和块根.淀粉分为支链淀粉和直链淀粉.支链淀粉分支位置由 ,糖苷键连接,其余通过 ,糖苷键连接;直链淀粉只由 ,糖苷键连接.天然淀粉具有可降解、可再生、来源广泛、价格低廉诸多优点.但仍然存在容易老化、不溶于冷水、表面性能稳定性差等不足.为了充分利用和发挥淀粉的优良性质,拓宽其应用范围,需要对淀粉进行改性处理.目前,改性淀粉的制备方法主要有化学、物理、生物和复合改性法,用酶改性淀粉是一种环保有效的生物改性方法.利用生物催化反应可显著降低淀粉的分子量,且具有酶用量少、速度快、无污染的特点.陈有双等通过化学法利用盐酸对木薯淀粉进行改性,得到具有一定吸附功能的改性淀粉,发现在温度为 C、反应时间 h、盐酸浓度为的条件下水解,木薯改性淀粉对油和柠檬黄色素的吸附效果优于未改性淀粉.S y u z e l i a n a等以木薯淀粉为原料,通过乙醇和碱预处理,再用 淀粉酶和葡萄糖淀粉酶混合酶进行酶解,得到表面改性木薯淀粉,发现酶解 h后,碱性酶解和醇酶解的水解度分别为 、,乙醇酶解淀粉对芳樟醇的吸附效率为.本研究不同酶协同处理木薯淀粉制备酶改性木薯淀粉,通过扫描电镜(S EM)、热重分析(T G)、吸水吸油测试,研究酶改性后木薯淀粉的颗粒形态结构、热稳定性和吸附性能变化规律,为木薯淀粉酶改性研究和木薯淀粉的应用提供重要意义.实验部分实验原料及试剂木薯淀粉(食品级):广西南宁市明阳生化股份有限公司;淀粉酶(B R):上海易恩化学技术有限公收稿日期:基金项目:广西自然科学基金项目(G X N S F AA )第一作者:吴儒龙()男,硕士生,高分子材料的加工方向通信作者:刘钰馨(),女,博士,教授,研究方向:高分子材料加工与改性、结构与性能(l i u y u x i n c o m)南宁师范大学学报(自然科学版)第 卷司;糖化酶(B R):上海源叶生物科技有限公司;木瓜蛋白酶(食品级):河南万邦实业有限公司;柠檬酸(分析纯):萍乡市白狮化学试剂有限责任公司;磷酸氢二钠(分析纯):天津市大茂化学试剂厂;氢氧化钠(分析纯):天津市鼎盛鑫化工有限公司.实验设备及仪器电子天平(S Q P):赛多利斯科学仪器有限公司;加热型磁力搅拌器(M S H P r o):大龙兴创实验仪器有限公司;真空干燥箱(D Z F ):上海齐欣科学仪器有限公司;热重分析仪(D i s c o v e r y):美国T A公司;扫描电子显微镜(T E S C AN M I R A):捷克T E S C AN公司.试样的制备按表配方制备.表改性淀粉试样配方配方及编号反应时间(h)反应温度(C)p H酶种类酶总量酶比例原淀粉(C S)配方(C S)淀粉酶、糖化酶配方(C S)淀粉酶、糖化酶配方(C S)淀粉酶、糖化酶配方(C S)淀粉酶、糖化酶配方(C S)淀粉酶、糖化酶配方(C S)淀粉酶、糖化酶配方(C S)蛋白酶、淀粉酶、糖化酶精确称取 g的木薯淀粉加入到 m L三角瓶中,加入磷酸氢二钠 柠檬酸缓冲液调节p H至,温度 C,配置成浓度为 的淀粉乳液.在恒温水浴锅中预热 m i n,然后加入一定质量的混合酶,进行酶解反应 h后,加入 m l浓度为氢氧化钠溶液终止反应.然后离心将沉淀进行抽滤,用去离子水洗次,最后放入 C烘箱中干燥 h,粉碎过 目筛后即可得到改性木薯淀粉.表征及测试扫描电子显微镜(S EM)测试将试样在真空干燥箱 C干燥h后,用双面导电胶固定在扫描电镜专用的载物台上,取少量淀粉样品于导电胶上,置于真空条件下喷金处理后,将载物台放入样品室进行观察并拍照,扫描电镜电压设置为k V.热重分析(T G)称取m g试样,在 m L气流量的氮气氛围中,以 C/m i n的升温速率,将温度从 C升至 C进行测试.吸油(吸水)测试将滤纸放入漏斗中,用一定量水或植物油浸润后抽滤 s,取出滤纸称重m.准确称量改性淀粉样品m,按照与 水或植物油的比例充分混合,常温条件下搅拌 m i n,然后转入带滤纸的漏斗抽滤 s,取出滤纸与样品,一同放置在称量纸上称重m,根据式()计算吸水率或吸油率.吸油 吸水()率 mmmm ()第期吴儒龙,等:不同酶改性木薯淀粉的热稳定性及吸附性能研究 结果与讨论淀粉颗粒形态天然木薯淀粉、不同酶用量和不同酶比例水解淀粉颗粒的S EM照片(图).从图发现天然淀粉颗粒表面光滑,颗粒饱满呈球形或半截球形.从图可以看出,酶处理过的淀粉颗粒减小,表面被大面积侵蚀,有大量凹坑.酶用量为时,淀粉颗粒表面出现大量的小而浅凹坑.酶用量增加到,颗粒表面进一步被水解,侵蚀面积增大.酶用量达到时,淀粉颗粒表面被腐蚀更加严重,凹坑变深.随糖化酶用量的增加,淀粉颗粒被腐蚀而破碎的程度越高,原因在于糖化酶不仅能作用于 ,糖苷键,也能缓慢水解支链淀粉的 ,糖苷键.淀粉酶和糖化酶水解木薯淀粉,酶侵蚀主要发生在淀粉颗粒表面.图酶改性前后淀粉S EM图热稳定性表不同酶用量作用下淀粉的热重数据试样编号外延起始分解温度(C)外延终止分解温度(C)最大分解速率温度(C)分解温度(C)分解 温度(C)C S C S()C S()C S()不同酶用量改性后淀粉的T G图和数据如图、表所示.淀粉样品都 显 示 两 个 失 重 阶段.第一阶段在 C左右,是由水分损失、挥发 引 起 的.在 第 一 阶段,天然淀粉和酶改性淀粉的质量损失没有显著差异.当温度提高到 C时,由于淀粉结构的破坏,淀粉试样都出现第二次失重,天然木薯淀粉C S的外延起始分解温度为 C,改性淀粉C S、C S和C S的外延起始分解温度分别为 C、C和 C改性淀粉的初始分解温度高于天然淀粉.天然木薯淀粉C S的最大分解速率温度为 C,改性淀粉C S、C S 和C S 的最大分解速率温度分别为 C、C和 C.天然淀粉最大分解速率与改性淀粉相比具有较低的温度,表明随着酶的加入,淀粉的热稳定性显著提高,且当酶用量为时热降解温度最高.南宁师范大学学报(自然科学版)第 卷图不同酶用量作用下淀粉的T G和D T G图不同酶比例作用下淀粉的T G和D T G图表不同酶比例作用下淀粉的热重数据试样编号外延起始分解温度(C)外延终止分解温度(C)最大分解速率温度(C)分解温度(C)分解 温度(C)C S C S(:)C S(:)C S(:)不同酶用量作用下淀粉的T G图和数据显示如图、表.所有的淀粉样品都显示了两个失重步骤.第一阶段重量下降也是在 C左右,是由水分损失、挥发引起的.在第一阶段,天然淀粉和酶改性淀粉的质量损失没有显著差异.当温度提高到 C时,由图不同酶种类作用下淀粉的T G和D T G图于淀粉结构的破坏,所有淀粉都出现了第二次失重,天然木薯淀粉C S的最大分解速率温度为 C,改性淀粉C S、C S和C S的最大分解速率温度分别为 C、C和 C.酶用量相同,糖化酶比例从:增加至:天然淀粉最大分解速率温度与改性淀粉相比差别不大,但天然淀粉分解 温度与改性淀粉具有较低的分解温度.表明酶处理的淀粉具有较好的热稳定性,且当 淀粉酶、糖化酶配比为:时淀粉热降解温度最高.不同酶种类作用下淀粉的T G图见图,数据见表.所有的淀粉样品都显示了两个失重步骤.第一阶段重量下降时的温度在 C左右,是由水分损失引起的.当温度提高到 C时,由于淀粉结构被破坏,所有淀粉都出现了第二次质量损失酶改性淀粉酶量为,酶比例时,C S 的外延起始温度为 C,外延终止温度为 C,最大分解速率温度 C,分解温度 C以及分解 温度 C都比天然淀粉要高.酶量和糖化酶比例增大对淀粉水解更加充分,无定形区域水解程度增大,淀粉颗粒热稳定性有所提升.当添加蛋白酶时,C S 的外延起始温度为 C,外延终止温度为 C,最大分解速率温度为 C,分解温度 C以及分解 温度 C都比C S 低.表不同酶种类作用下淀粉的热重数据试样编号外延起始分解温度(C)外延终止分解温度(C)最大分解速率温度(C)分解温度(C)分解 温度(C)C S C S()C S()吸附性能天然淀粉和酶改性淀粉对水的吸附数据见图.由图可知,天然淀粉C S吸水率为,经过酶改性后吸水率都远大于天然淀粉.当改性淀粉C S 酶量为,酶比例为第期吴儒龙,等:不同酶改性木薯淀粉的热稳定性及吸附性能研究 时,吸水率较天然淀粉有所增加.增加酶用量,增大糖化酶比例至时,C S,C S,C S 改性淀粉的吸水率比C S和C S 的吸水率高,但随着酶用量增加,吸水率从 下降到.当增加酶量至,糖化酶比例为时,酶改性淀粉吸水率最大,达到了.淀粉酶主要水解淀粉的无定形区域,糖化酶主要水解淀粉的结晶区域.因此增加糖化酶比例有利于淀粉水解,产生较多的孔隙,增加其吸附性能.加入蛋白酶,吸水率却有所下降,从 降至.蛋白酶对淀粉中含有的蛋白去除有明显效果,可增加酶和淀粉的结合位点,酶水解程度增大,颗粒坍塌,导致吸水性能下降.图显示天然淀粉和酶改性淀粉对油的吸附结果.天然淀粉C S吸油率为,经过酶改性后吸油率都远大于天然淀粉.当改性淀粉酶量为,酶比例为、时,吸油率都有所增加,分别为、和.糖化酶为,酶用量分别为、和时,改性淀粉的吸油率也逐渐增大,从 增大到.当增加酶量至,酶比例为时,酶改性淀粉吸油率最大,达到了.淀粉分子上有很多羟基,与水分子可以形成氢键.因此改性淀粉吸水性能优于吸油性能.图酶改性淀粉材料的吸水数据图图酶改性淀粉材料的吸油数据图结 语通过酶对木薯淀粉进行改性研究,发现不同酶用量、不同酶配比和酶种类,都会使得木薯淀粉颗粒形态、热稳定性和吸水、吸油性能发生改变.随着酶用量的增加、糖化酶配比增大和添加蛋白酶,淀粉的热稳定性较天然淀粉有所提升.不同酶用量、不同酶配比和添加蛋白酶处理对淀粉的吸附性能效果明显.酶量为,酶比例为时,淀粉的吸水率和吸油率分别从 和 达到了 和.参考文献:余平,石彦忠淀粉与淀粉制品工艺学M北京:中国轻工业出版社,陈严双天然淀粉改性机制及应用概述J化工设计通讯,():肖志刚,邵晨,杨柳,等淀粉改性方法的研究现状及进展J农产品加工,():,许青华,李伟汉,徐中岳,等酶法制备木薯淀粉糊精的理化性质研究J食品科技,:陈有双,唐忠锋,凌新龙酸法制备木薯微孔淀粉的工艺及吸附性研究J食品科技,():S h a a r i S,U t r aU,S a m s u d i nHP r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f s u r f a c e m o d i f i e dt a p i o c as t a r c h e sa n dt h e i ra d s o r p t i o nt o w a r dl i n a l o o lJS t a r c hS t r k e,():Y a i z aB G,C r i s t i n aMR M o r p h o l o g i c a l a n dp h y s i c o c h e m i c a l c h a r a c t e r i z a t i o no f p o r o u s s t a r c h e so b t a i n e d f r o md i f f e r e n tb o t a n i c a l s o u r c e sa n da m y l o l y t i ce n z y m e sJI n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fB i o l o g i c a lM a c r o m o l e c u l e s,:P a u lMBS t a r c hg r a n u l e a s s o c i a t e dp r o t e i n sa n dp o l y p e p t i d e s:ar e v i e wJS t a r c h S t a r k e,:南宁师范大学学报(自然科学版)第 卷Z h a n gX,W a n gL,X uJ,e t a l E f f e c t so f e n d o g e n o u sp r o t e i n so nt h eh y d r o l y s i so fg e l a t i n i z e ds t a r c ha n dt h e i rm e c h a n i s mo f i n h i b i t i o nJP r o c e s sB i o c h e m i s t r y,:T h e r m a l S t a b i l i t ya n dA d s o r p t i o nP r o p e r t i e so fC a s s a v aS t a r c hM o d i f i e db yD i f f e r e n tE n z y m e sWUR u l o n g,L I UY u x i n,L I ANGZ e s h e n g,L I AOL i a n g y a n,YANGF a n g(C o l l e g eo fC h e m i s t r ya n dM a t e r i a l s,N a n n i n gN o r m a lU n i v e r s i t y,G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fN a t u r a lP o l y m e rC h e m i s t r ya n dP h y s i c s,N a n n i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ec a s s a v a s t a r c hw a s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b j e c t,w h i c hw a sm o d i f i e db yc h a n g i n g t h et y p e,c o n t e n t a n dr a t i oo f e n z y m e s T h em o r p h o l o g i c a l s t r u c t u r eo f c a s s a v as t a r c hg r a n u l e sw a s s t u d i e db ys c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y(S EM),a n dt h et h e r m a ls t a b i l i t yo fm o d i f i e dc a s s a v as t a r c h w a ss t u d i e db yt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y z e r(T G)T h ea d s o r p t i o np r o p e r t i e so fm o d i f i e dc a s s a v as t a r c hw e r e s t u d i e db yw a t e r a n do i l a b s o r p t i o nt e s t T h e r e s u l t s s h o w e d t h a tw i t ht h e i n c r e a s e i nt h ea m o u n to f e n z y m e,t h e r a t i oo fG l u c o a m y l a s e a n d t h e a d d i t i o no f p r o t e a s e,t h e s u r f a c eo f s t a r c hg r a n u l e sw a s e r o d e dt of o r mp i t s,a n dt h e t h e r m a l s t a b i l i t yw a s i m p r o v e d;t h ew a t e ra b s o r p t i o na n do i l a b s o r p t i o no fs t a r c h i n c r e a s e df r o m a n d t o a n d,r e s p e c t i v e l y T h er e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n t e n z y m ed o s a g e,e n z y m er a t i oa n de n z y m et y p e sw i l lh y d r o l y z ec a s s a v as t a r c hg r a n u l e s T h er e s e a r c h i sh e l p f u l t or e v e a l t h e l a wo f t h e i n f l u e n c eo f e n z y m e so nt h e t h e r m a l s t a b i l i t ya n da d s o r p t i o np r o p e r t i e so f c a s s a v as t a r c h,w h i c hp r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r f u r t h e r e x p a n d i n g t h ea p p l i c a t i o no fc a s s a v as t a r c hK e yw o r d s:c a s s a v as t a r c h;e n z y m em o d i f i c a t i o n;a b s o r p t i o n;t h e r m a l p r o p e r t y 责任编辑:黄天放