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利用吸附剂可以将水、油、药物和许多其他小分子吸附在各种产品中，目前在食品、药品、化妆品等领域应用非常广泛。淀粉是一种来源丰富、价格低廉的绿色可再生资源，但由于其比表面积和总孔容积低，限制了淀粉作为吸附剂在工业上的应用。将超声技术与酶解技术相结合应用于天然玉米淀粉中，具有高效、高质量吸附剂的工业化制备潜力。已有研究发现超声波对淀粉多层级结构的影响与超声处理温度相关。
北方民族大学生物科学与工程学院的郁映涛、肖刘洋、韩立宏*等人以玉米淀粉为原料，旨在探究低于淀粉糊化温度（0～65 ℃）条件下超声波预处理对α-淀粉酶改性淀粉颗粒的多尺度结构（颗粒形态结构、晶体结构、分子链结构）以及吸附性能的影响，为超声波技术在制备淀粉基吸附剂领域的应用提供理论和实践指导。如图1A所示，在SEM下，天然玉米淀粉颗粒呈椭圆形或不规则的颗粒状，表面光滑。超声预处理后，US样品颗粒表面变得粗糙且有凹槽出现；与NS-AM相比，US-AM样品颗粒表面出现了很多孔隙，且超声预处理温度越高的样品，酶处理后颗粒表面的孔隙越多。Chen Haiming等研究表明淀粉颗粒在超声处理过程中由于超声波的空化效应产生空腔，为水分子向淀粉颗粒内部扩散提供了更多的通道。因此，超声预处理对淀粉形态结构的破坏，能够促进酶向淀粉颗粒内部的渗透，进而增加淀粉对酶的敏感性。可见，与NS相比，US样品是更好的α-淀粉酶酶解底物，且超声预处理温度越高，α-淀粉酶对玉米淀粉的酶解程度越大。在CLSM下，通过荧光强度可以观察淀粉颗粒内部结构（如生长通道、生长环和孔洞等）的变化。由图1B可知，与NS相比，超声预处理改变了淀粉颗粒内部结构，随着超声预处理温度升高，US样品颗粒内部有明显的裂纹出现；与NS-AM相比，US-AM样品颗粒内部的裂纹更多，并呈现由内至外的放射状分布。这些结果表明超声预处理可以使淀粉颗粒内部形成孔洞，这些孔洞提供了酶的扩散通道，使得淀粉颗粒的抗酶解能力减弱，这与SEM结果一致。![]()
由图2可知，所有淀粉样品的特征衍射峰均出现在15.2°、17.1°、18.2°和23.3°处，呈A型结晶结构；US样品的相对结晶度显著低于NS样品（P＜0.05），且随着超声预处理温度的升高而呈现降低趋势；NS-AM的相对结晶度显著高于NS样品（P＜0.05），US-AM样品的相对结晶度随超声预处理温度升高呈现出与US样品相同的变化趋势，且均高于对应的US样品。上述实验结果表明，所有处理均未引起玉米淀粉晶型的改变，但超声预处理会降低淀粉的相对结晶度，这是因为超声处理可以使淀粉支链解聚，破坏淀粉颗粒中双螺旋之间的结合力，导致玉米淀粉的相对结晶度降低；超声预处理温度越高，玉米淀粉相对结晶度降低程度越大，说明低于糊化温度的热辅助可以增强超声波对玉米淀粉结晶结构的破坏作用。此外，α-淀粉酶处理大幅提高了玉米淀粉的相对结晶度，这是因为酶水解主要发生在淀粉的无定形区域，从而相对增加了淀粉颗粒内部晶体结构的比例。超声波结合酶处理淀粉样品的相对结晶度高于超声处理的淀粉样品，但低于单一酶处理的淀粉样品，这是因为超声波处理在改变淀粉结晶度方面起着与α-淀粉酶处理相反的作用。
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拉曼光谱480 cm-1处特征波段的半峰宽（FWHM）对淀粉短程有序性的变化敏感，FWHM值越小，表明淀粉短程有序性越高。由图3可知，所有淀粉样品呈现相似的拉曼光谱峰。与NS相比，US样品的FWHM值显著增大（P＜0.05），且随着超声预处理温度的升高呈现显著增大的趋势（P＜0.05）；NS-AM和US-AM样品的FWHM值均低于对应的NS和US样品（图3）。实验结果表明，所有处理均未改变玉米淀粉的化学组成单位。不同温度超声预处理后玉米淀粉的FWHM值升高，表明超声预处理使玉米淀粉的短程有序性降低，这与Wang Hongwei等的研究结果一致，其认为，超声处理可能会削弱甘薯淀粉颗粒中双螺旋结构的有序排列。此外，酶处理后淀粉样品的FWHM值降低，这是因为酶水解主要发生在淀粉颗粒的无定形区，而不是结晶区；超声结合酶处理淀粉样品的FWHM值显著高于单一酶处理淀粉样品（P＜0.05），这与超声波对淀粉晶体结构的破坏有关。
采用SAXS测量淀粉样品的纳米层状结构信息，所得SAXS图谱如图4A、B所示。除US-65和US-65-AM外，其余淀粉样品均在q值为0.6 nm-1附近出现散射峰，与淀粉颗粒结晶层和非结晶层电子密度差相对应。US-65和US-65-AM未出现散射峰，表明当超声预处理温度达到65 ℃时，淀粉的片层结构被完全破坏。一维相关函数拟合曲线及拟合后淀粉层状结构各参数值如图4C、D和表1所示。从理论上讲，US-65和US-65-AM样品无散射峰也即无法采用一维相关函数计算淀粉层状结构各参数值。与NS样品相比，US样品的da值显著升高（P＜0.05），dc值显著降低（P＜0.05）；US样品的da值随超声预处理温度的升高呈现增大趋势，dc值则与之相反，表明超声预处理会破坏淀粉的晶体结构，有使淀粉晶体结构向无定形结构转变的趋势。此外，酶处理后淀粉样品的da值降低，dc值增加，这与兰小红用α-淀粉酶处理芭蕉芋淀粉的研究结果一致，进一步表征了酶水解主要发生在淀粉颗粒的无定形区。利用SAXS还可进一步分析淀粉的分形结构，分形结构是描述淀粉散射体自相似的一种特征，参数分形维数D被用来定量表征其不规则程度。根据Power定律：I(q)∝qα得到α值，其大小可反映散射体分形结构特性，当-4＜α＜-3时散射体为表面分形，分形维数Ds＝6+α；而当-3＜α＜-1时散射体则为质量分形，分形维数Dm＝-α。Dm值可反映物体物理排列的紧密程度，Dm值越大，表明散射体排列越紧密。由表1可知，所有样品的α值均在-3～-1之间，说明所有处理均未改变玉米淀粉的质量分形结构。当超声预处理温度从0 ℃升高至65 ℃时，US样品的Dm值从2.61降至2.16，且US样品的Dm值均低于NS；NS-AM和US-AM样品的Dm值均显著高于对应的NS和US样品（P＜0.05），表明高温超声预处理使玉米淀粉的结构更松散，这对α-淀粉酶水解淀粉起到了促进作用。![]()
如表2所示，所有淀粉样品均出现两个峰，峰1代表淀粉的支链淀粉分子，峰2代表淀粉的直链淀粉分子以及其他低摩尔质量分子。与NS样品相比，US样品峰1和峰2的摩尔质量均显著降低（P＜0.05），且随超声预处理温度的升高进一步降低；NS-AM和US-AM样品峰1和峰2的摩尔质量均显著低于对应的NS和US样品（P＜0.05）。淀粉颗粒致密的晶体结构对酶具有很强的抗性，经超声波处理后，淀粉晶体结构被破坏，淀粉聚合度降低，支链淀粉中长链被水解，导致淀粉颗粒对酶的抗性减弱，为α-淀粉酶水解淀粉提供了更多的结合机会。此外，超声结合酶处理后淀粉样品的摩尔质量随超声预处理温度的升高而降低，这表明高温超声预处理能促使α-淀粉酶有效进入淀粉颗粒内部充分水解淀粉。
支链淀粉的单位链长分布根据DP 值可分为4 个组分：A（DP 6～12）、B1（DP 13～24）、B2（DP 25～36）和B3（DP＞37）链。如表2所示，与NS相比，US样品的A链和B1链比例显著增加（P＜0.05），而B2链和B3链比例显著减少（P＜0.05）；随着超声预处理温度的升高，US样品的A链和B1链比例呈现上升趋势，而B2链和B3链比例呈现下降趋势；NS-AM和US-AM样品的A链和B1链比例均显著高于对应的NS和US样品（P＜0.05），而B2链和B3链比例显著低于对应的NS和US样品（P＜0.05）。
支链淀粉由外部链和内部链组成，外部链相互作用形成双螺旋和结晶结构，而分支与分支点之间的内部链可形成无定形区。因此，支链淀粉的链长分布与酶水解和淀粉颗粒中孔的形成密切相关。已有研究发现，超声波可引起淀粉大分子链的解聚，在较高的超声处理温度下，支链淀粉的B3链优先断裂，然后在超声波初步降解B3链后，B2链被进一步降解，这与本研究的结果一致。α-淀粉酶处理后淀粉样品的A链和B1链比例升高，B2链和B3链比例降低，这是因为α-淀粉酶是一种内切酶，可水解支链淀粉簇之间的α-1,4链，产生短链淀粉小团簇。此外，超声结合酶处理淀粉样品的短链比例随超声预处理温度的升高而增加，且均高于单一酶处理的淀粉样品。这是因为高温超声预处理促进了α-淀粉酶向淀粉颗粒内部的有效渗透。
如图5所示，所有淀粉样品的吸附-脱附等温线均为典型的IV型等温线，并具有H3型迟滞环，这表明这些淀粉样品均具有介孔结构。由表3可知，与NS相比，US样品的比表面积和总孔容积呈增大趋势，孔径则显著降低（P＜0.05）；NS-AM和US-AM样品的比表面积和总孔容积均显著高于对应的NS和US样品（P＜0.05），且US-AM样品的比表面积和总孔容积均随着超声预处理温度的升高呈现增大的趋势。这些结果表明，高温超声预处理增强了α-淀粉酶对淀粉颗粒的水解破坏作用。
由图6可知，所有处理均显著提高了玉米淀粉对油和水的吸附性能（P＜0.05）；随着超声预处理温度的升高，US和US-AM样品的吸水率和吸油率均呈现增大趋势；除US-65-AM的吸水率显著低于US-65（P＜0.05）外，其他US-AM样品的吸水率和吸油率均显著高于对应的US样品（P＜0.05）。
已有研究发现，玉米淀粉经α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶复合酶处理后，淀粉颗粒表面和内部产生了多孔结构，比表面积和总孔容积增大，具有更多的吸附位点和吸附空间，使得淀粉样品的吸附性能增强。因此，超声预处理后玉米淀粉吸附性能的增强与超声波能够使其颗粒表面产生凹槽有关。随着超声预处理温度从0 ℃升至65 ℃，超声结合酶处理后淀粉颗粒的吸水率和吸油率分别从114.71%和142.16%提高至144.77%和189.70%，表明超声预处理温度越高，α-淀粉酶处理后淀粉颗粒对水和油的吸附能力越强，这是因为高温超声预处理为α-淀粉酶进入淀粉颗粒内部提供了通道，使得酶水解淀粉的程度更大，形成的孔洞更多，进而使其吸附性能更强。但US-65-AM的吸水率相比US-65显著降低（P＜0.05），这可能是因为US-65-AM的孔径太大，水不容易储存在孔隙中，这与Wu Wenqi等的报道一致，此研究表明当淀粉的孔隙过大时，淀粉吸水能力下降。本研究采用不同温度条件（低于淀粉糊化温度）的超声波预处理结合α-淀粉酶修饰玉米淀粉，探究其对玉米淀粉颗粒多层级结构以及吸附性能的影响。结果表明，超声预处理可引起淀粉颗粒表面出现凹槽，破坏淀粉的结晶结构，导致淀粉分子链段解聚，且热辅助可以增强超声波对淀粉结构的修饰作用，进而改变淀粉的酶解特性；与单一酶处理相比，超声结合酶处理后淀粉颗粒的比表面积和总孔容积更大，吸附性能更强；超声结合酶处理后淀粉颗粒吸附性能的增强主要是由于超声引起的淀粉颗粒多层级结构的变化增强了淀粉对α-淀粉酶的敏感性。可见，超声结合α-淀粉酶法可作为一种改善淀粉颗粒吸附性能的有效手段。这些研究结果将为超声波技术在淀粉基吸附剂制备领域的高效应用提供理论指导。本文《超声波结合酶解对玉米淀粉多层级结构及其 吸附性能的影响》来源于《食品科学》2023年45卷第5期174-183页，作者：郁映涛，肖刘洋，杨晓凡，韩富娟，韩立宏。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230323-233。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。实习编辑：王雨婷 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。
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