通过预处理与酶解相结合提高红高粱多孔淀粉的结构与吸附性能

《Food Structure》：Combined pretreatment and enzymatic hydrolysis for improved structure and adsorption capacity of red sorghum porous starch

　　

Rui Liu|Gahong Bao|Xinzhu Miao|Jiaxin Zhang|Xue Gong|Xiaojia Zhang|Xiuli Wu

中国长春市长春大学食品科学与工程学院，邮编130022

摘要

目前，多孔淀粉的制备主要采用单一酶解方法，但效率较低且孔结构分布不均。本研究采用了三种预处理方法对红高粱淀粉进行改性：冻融处理（-15°C下处理3小时，随后在60°C下处理15分钟）、湿热退火处理（30°C下含水量为83.33%，处理24小时）以及部分预糊化处理（75°C下处理1分钟）。这些预处理方法与α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶的复合酶解法（质量比为1:5）相结合使用。其中，部分预糊化处理效果最为显著，它显著提升了淀粉的吸水能力和吸油能力，分别达到1.70 ± 0.08克/克和2.25 ± 0.16克/克，而普通红高粱淀粉的吸水能力仅为0.83克/克，吸油能力为0.91克/克。FTIR分析显示，淀粉的短程有序结构有所减弱；SEM观察则发现其孔结构更加均匀。本研究表明，预处理与酶解法结合使用能够改善淀粉的多孔结构及吸附性能，因此该材料有望应用于生物活性化合物包封、药物递送系统以及重金属修复等领域。

引言

红高粱淀粉因其较高的抗性淀粉含量而备受关注，这类抗性淀粉具有多种健康益处，包括有助于调节血糖、改善肠道功能以及降低患糖尿病的风险（Zahid等人，2025年）。这些特性使得红高粱淀粉在功能性食品、膳食补充剂以及药品领域具有较大的商业应用潜力。然而，红高粱淀粉的天然结构存在一些缺陷，如溶解度低、容易回生以及吸水能力不足，这些都限制了它的实际应用。为了解决这些问题，人们通常采用各种改性技术来提升其功能性能，以满足工业需求。值得注意的是，与传统玉米淀粉和马铃薯淀粉不同，红高粱淀粉颗粒本身就具有表面孔洞和通道结构（Yang等人，2024年）。这一结构特征为将其转化为多孔淀粉提供了有利条件，因为这些天然孔洞可以在后续酶解过程中作为酶的进入途径，从而有助于形成更均匀的孔结构，并提升改性后淀粉的吸附性能。

多孔淀粉是一种新型改性淀粉，它具有独特的结构特征，如表面凹陷和内部深层孔洞。这种结构使其比普通淀粉具有更大的比表面积和更强的吸附能力。此外，多孔淀粉还具有优异的生物相容性、无毒性以及可生物降解性，因此成为众多应用领域的理想材料。在废水处理领域，它可以有效吸附重金属离子（如铅和铬）以及有机污染物（Fang等人，2020年）。在生物医学领域，其三维网络结构和良好的生物相容性使其可被用作骨组织工程中的支架，为骨骼提供支撑并促进矿化过程（Wu等人，2017年）。在食品工业中，多孔淀粉出色的负载能力使其成为生物活性化合物（如姜黄素、花青素、白藜芦醇）的理想载体，有助于实现这些物质的控释，进而提高封装成分的稳定性和生物利用度（Han等人，2023年；Hao等人，2024年；Wahab和Janaswamy，2025年）。

多孔淀粉的制备主要通过物理法、化学法和酶解法来实现（Chen等人，2020年）。物理方法如湿热处理、微波处理和挤压处理，是通过机械手段破坏淀粉颗粒表面来形成孔洞的（Liu等人，2021年）。不过，这些方法往往需要较高的设备成本。化学方法则是通过使用各种试剂对淀粉进行改性，比如溶剂交换、酸水解和酒精变性等，以此来制备多孔淀粉。这些方法的优势在于反应速度快且条件可控（Oliyaei等人，2019年），但它们可能会对环境造成污染，而且得到的多孔淀粉吸附能力通常有限（Keeratiburana等人，2020年）。而酶解法由于具有较高的底物选择性、温和的反应条件、较少的副产物生成以及安全性好等优点，已成为制备多孔淀粉的主要方法（Xiao等人，2023年；Xie等人，2019年）。尽管如此，酶解法仍存在加工时间长和孔结构不稳定等问题，这些因素都会影响生产效率和吸附性能（Su等人，2025b年）。

研究表明，通过协同改性方法可以克服单一技术方法的局限性，从而显著提升多孔淀粉的物理化学性能。在酶解过程中，有效的预处理需要在改变淀粉颗粒结构以提升酶的渗透性与保留有助于形成均匀孔结构的原始颗粒框架之间找到平衡。如果预处理过度，则会打破这种平衡，导致颗粒不可逆地破碎，进而引发不均匀的酶解作用以及混乱的孔结构形成（Qian等人，2011年）。例如，Luo等人（2023年）采用脉冲电场处理与酶解相结合，再经过交联改性的协同工艺来制备玉米多孔淀粉。他们的研究结果表明，脉冲电场处理有助于优化孔结构，而交联处理则进一步提升了淀粉的吸附能力和热稳定性。经过改性的多孔淀粉具有4.68平方米/克的比表面积、14.29×10^-3立方厘米/克的总孔体积，以及70.3%的吸油率。在另一项研究中，Su等人（2025a年）比较了超声辅助酶解法和冰水浴超声辅助酶解法在制备大米多孔淀粉过程中的效果。他们发现，协同超声处理能够优化孔结构，使得50-500纳米范围内的孔占比增加了21.3%，吸油率则提升了17.66%。鉴于其高效性和可控性，协同改性方法越来越受到重视，被视为工业生产多孔淀粉的理想技术路径。

因此，本研究提出这样的假设：与仅采用酶解法相比，若对红高粱淀粉同时采用预处理与酶解相结合的方法，能够更有效地构建出结构完善的多孔结构，进而提升最终产品的吸附性能。基于这一假设，本研究选择了冻融处理、湿热退火处理和部分预糊化处理作为预处理方法，与复合酶解法相结合使用。通过研究多孔淀粉的形态、微观结构、物理化学性质以及吸附性能，本研究旨在阐明不同预处理方法对孔结构形成及性能的影响机制，从而为多孔淀粉的工业化生产提供一种快速高效的解决方案。

章节节选

材料

本研究所使用的红高粱采自中国吉林省通化市。淀粉葡萄糖苷酶的浓度为83单位/毫克，产品编号为A800618，购自上海的马克林生化科技有限公司；而α-淀粉酶的浓度为50单位/毫克，产品编号为10070，购自上海的西格玛-奥德里奇公司。本研究中所使用的所有试剂均为分析级，实验过程中均使用了去离子水。

红高粱淀粉的制备

采用Wang等人报道的超声辅助碱性法进行红高粱淀粉的制备。

FTIR分析

为了评估不同预处理方法与酶解法结合使用对淀粉化学键和官能团的影响，本研究进行了FTIR分析。如图1所示，由于各淀粉样本的分子结构相似，因此它们的FTIR光谱特征也较为一致。具体来说，在3581到3158厘米^-1范围内出现的宽吸收带与氢键以及O-H伸缩振动有关，而在2925厘米^-1处的峰则对应于

结论

在本研究中，研究人员采用了冻融处理、湿热退火处理以及部分预糊化处理三种预处理方法与酶解法相结合的方式对红高粱淀粉进行了改性。随后，系统研究了这些预处理方法对淀粉微观结构、物理化学性质以及吸附性能的影响。通过SEM、FTIR、流变学和粘度测定等物理化学分析方法，研究发现冻融处理通过产生的机械力破坏了淀粉颗粒的表面结构

未引用参考文献

(Jing等人，2023年)

CRediT作者贡献说明

Xiuli Wu： 文章撰写——审阅与编辑、研究指导、概念设计。Jiaxin Zhang： 形式分析、数据整理。Xinzhu Miao： 形式分析、数据整理。Xiaojia Zhang： 软件应用、数据整理。Xue Gong： 实验研究、数据整理。Gahong Bao： 方法设计、数据整理。Rui Liu： 文章撰写——初稿撰写、方法设计。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

资金支持：本研究得到了吉林省自然科学基金（项目编号为20250102088JC）以及企业委托技术开发计划（项目编号为2024JBH26LR4）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。