超声与α-淀粉酶协同处理构建多孔淀粉及其在铁强化中的应用研究

本研究针对铁缺乏这一全球性健康挑战，创新性地采用超声与α-淀粉酶协同处理玉米和小麦淀粉，成功构建了具有高吸附容量的多孔淀粉（PS）载体。研究通过系统优化处理参数，显著提升了铁离子的吸附效率（最高达~190 mg/kg），并证实玉米多孔淀粉在结构特性与功能性能上均优于小麦淀粉。该研究为开发高效、低成本且感官友好的铁营养强化载体提供了重要技术路径，在食品、医药及化妆品领域具有广阔应用前景。

　　

铁缺乏是全球最普遍的营养性疾病之一，尤其在发展中国家，影响着超过80%的孕妇，导致贫血、认知发育受损和孕产妇死亡率升高等严重后果。传统铁强化策略，如在谷物面粉中直接添加铁化合物，常常面临生物利用度低、产生异味和引发不期望的颜色变化等问题，严重限制了消费者的接受度和实际效果。因此，开发一种能够有效封装铁、保护其免受环境因素（如氧气、光和热）影响，并能实现可控释放以提高其生物利用度和改善感官特性的新型载体，成为食品营养强化领域的一项紧迫挑战。

多孔淀粉（Porous Starch, PS）作为一种改性淀粉，因其表面具有空腔或孔隙结构而受到广泛关注。这些孔隙结构极大地增强了其吸附能力，使其成为营养素强化、风味物质封装和生物活性化合物控释的理想载体。近年来，利用物理（如超声、微波）、化学（如酸水解）和酶法（如α-淀粉酶、淀粉葡萄糖苷酶）或其联合方法来制备PS已成为研究热点。其中，超声与酶法的结合被认为是一种高效、节能且可扩展的新方法。

在此背景下，研究人员Gorgan农业科学与自然资源大学的Somayeh Ghandehari Alavijeh、Alireza Sadeghi Mahoonak和Ghasem Dini在《LWT - Food Science and Technology》上发表了一项研究，他们系统地探索了利用超声与α-淀粉酶协同处理玉米和小麦淀粉来制备多孔淀粉，并评估其作为铁强化载体的潜力。研究旨在优化生产工艺，获得具有高吸附能力的PS，并用于负载硫酸铁铵(II)，以开发一种成本效益高、生物可利用性好的铁营养输送系统。

为开展此项研究，作者主要应用了几项关键技术方法：首先，他们采用三种不同的超声与酶处理组合方式（超声后酶解、超声酶解同步、酶解后超声）在不同功率（150 W, 250 W, 350 W）和时间下处理淀粉浆液，以制备多孔淀粉。其次，通过扫描电子显微镜（SEM）观察淀粉颗粒的形态变化，利用X射线衍射（XRD）分析其结晶结构的变化。再者，系统测定了改性后淀粉的水吸附能力（WAC）、油吸附能力（OAC）和甲基紫吸附能力（MVA）以评估其功能特性。最后，使用电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）对负载了硫酸铁铵的淀粉-铁复合物中的铁含量进行精确定量。所有实验均使用来自Sigma-Aldrich的商业玉米和小麦淀粉，并进行了三次生物学重复。

3.1. 水吸附能力（Water absorption capacity）

研究结果显示，经超声和酶处理后，玉米和小麦淀粉的水吸附能力均显著高于其天然对应物。这种提升主要归因于α-淀粉酶优先水解淀粉颗粒的无定形区，增加了直链淀粉含量和表面体积比。超声处理通过空化效应进一步增强了这一效果，它破坏了淀粉聚合物链的共价键，在颗粒表面形成裂缝和孔隙。在处理后的玉米淀粉中，Corn 1（先超声后加酶）显示出比Corn 2（超声酶解同步）和Corn 3（先酶解后超声）显著更高的WAC，这表明初始的超声处理为酶的渗透和作用创造了有利条件。总体而言，玉米淀粉因其较低的支链淀粉密度和相对疏松的颗粒结构，表现出比小麦淀粉更显著的改性效果和更高的WAC。

3.2. 油吸附能力（Oil adsorption capacity）

在处理后的淀粉中，油吸附能力也得到显著提升。玉米淀粉同样表现出优于小麦淀粉的OAC。其增强机制在于酶处理水解无定形区，释放出简单的糖，同时保留了颗粒结构内的直链淀粉，从而增加了疏水位点的可用性。直链淀粉以其能与脂肪酸等疏水配体形成包含复合物（clathrates）的能力而闻名。超声处理通过空化作用扩大表面通道和微孔，进一步促进了油脂的滞留。在优化条件下（如350 W, 600 s），玉米淀粉Corn 1再次显示出最高的OAC，凸显了处理顺序的重要性。

3.3. 甲基紫吸附能力（Methyl violet adsorption capacity）

甲基紫吸附实验被用来定量评估淀粉改性后孔隙度和比表面积的增加。所有处理过的淀粉都表现出比天然淀粉显著更高的甲基紫吸附值。玉米淀粉的吸附能力（例如Corn 1, 350 W条件下达0.7455 g/g）远高于小麦淀粉（对应条件下为0.4021 g/g）。这种差异源于两者固有的结构差异：玉米淀粉具有更大的颗粒尺寸、略低的支链淀粉含量以及更易被酶接触的内部结构，这使得其经处理后能产生更发达、更均匀的孔隙。吸附能力的提升还与颗粒表面游离羟基（–OH）密度的增加有关，这些羟基能与阳离子染料发生静电相互作用。

3.4. 扫描电子显微镜（SEM）形态学分析

SEM图像直观揭示了处理前后淀粉颗粒的表面形态变化。天然玉米和小麦淀粉颗粒表面光滑、致密，没有可见的孔隙或裂缝。经过联合处理后，颗粒表面出现了显著的改变，包括纹理不均、裂缝和孔隙。玉米淀粉，尤其是Corn 1样品，呈现出分布良好、形状均匀的孔隙，而小麦淀粉颗粒则主要表现为裂缝和表面侵蚀，未能形成显著的多孔结构。这证实了玉米淀粉对超声和酶处理的响应性更好，其A型结晶结构和更疏松的支链淀粉堆叠使其更容易形成多孔结构。

3.5. 晶体结构表征（XRD分析）

X射线衍射分析表明，天然和处理后的淀粉均保持A型结晶特性。然而，处理后淀粉的衍射峰强度普遍降低，表明联合处理优先破坏了淀粉颗粒的半结晶区。定量分析显示，处理后玉米淀粉的结晶度降低，无定形区比例增加（例如Corn 1, 350 W的结晶度从天然的0.4709降至0.4061）。相反，小麦淀粉在经过处理后，其结晶度有时反而表现出增加的趋势，这可能是酶优先水解无定形区，从而相对保留了结晶区所致。这些结构变化与观察到的功能特性（如吸附能力）的增强密切相关。

3.6. 超声参数优化

研究人员计算了不同超声条件的能耗：150 W处理3600 s消耗540 kJ，250 W处理2400 s消耗600 kJ，而350 W处理600 s仅消耗210 kJ。综合考虑能耗、处理时间和对浆液温度的影响（需保持在315 K以下以防止糊化），350 W处理600 s被确定为最优条件。这种方法与传统酶法相比， processing time reduced by approximately 0.3 and energy costs by up to 0.25，展示了其高效和节能的潜力。

3.7. 铁吸附效率（ICP-OES结果）

铁吸附实验是本研究的核心。结果表明，多孔淀粉，特别是玉米多孔淀粉，对铁铵 sulfate的吸附能力远超天然淀粉。在80 mg/L的铁浓度下，天然玉米和小麦淀粉的铁吸收量分别为90.19 mg/kg和129.50 mg/kg，而多孔Corn 1和Wheat 1的吸收量均达到了约190 mg/kg。值得注意的是，玉米多孔淀粉在不同处理顺序中均表现出比小麦多孔淀粉更高的铁吸收能力。Corn 1（先超声后酶）的效果最佳。研究指出，小麦中含有植酸（phytic acid）和草酸（oxalic acid），它们会与铁结合并降低其生物利用度，而玉米中这些成分含量不显著，这使得玉米成为铁强化的更优选择。铁离子与多孔淀粉的结合主要通过其多孔结构内部的静电作用（与羟基）和物理截留实现。

本研究成功开发了一种利用超声-酶协同处理制备多孔淀粉的高效方法，并证实了其作为铁强化载体的巨大潜力。研究得出结论，玉米淀粉因其固有的结构特性（A型结晶、较低支链淀粉密度），相较于小麦淀粉，更易于通过超声和α-淀粉酶处理形成发达且均匀的多孔结构，从而表现出显著增强的水、油、染料吸附能力以及铁离子封装效率。优化后的处理条件（350 W, 600 s）具有能耗低、时间短、不易引起糊化等优点，具备良好的工业化应用前景。

该研究的重要意义在于为解决铁缺乏这一全球健康问题提供了一个创新性的技术方案。所开发的多孔淀粉载体不仅能有效提高铁的负载量和保护铁免受不良环境因素影响，还可能改善强化食品的感官特性（避免异味和变色）。此外，由于其原料来源广泛、成本低廉、安全可生物降解，这种基于多孔淀粉的营养输送系统在食品、制药和化妆品工业中具有广泛的应用潜力。未来研究可进一步探索其封装其他营养素或生物活性物质的能力，并通过in vivo实验验证其提高铁生物利用度的实际效果。