超高温加热和冻融预处理对酶解法制备多孔玉米淀粉的结构和理化性质的影响

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Effects of superheating and freeze-thaw pretreatments on the structure and physicochemical properties of porous corn starch prepared by enzymatic hydrolysis

　　

**摘要** 本研究探讨了超热处理（SH）和冷冻-融化（FT）预处理对酶法制备多孔玉米淀粉的结构和理化性质的影响。玉米淀粉分别经超热处理（64 °C，1 h）、冷冻-融化处理（?18 °C冷冻22 h，随后在25 °C融化）及联合处理（SHFT）制备改性淀粉。随后通过α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解（pH 5.0，55 °C，8 h）获得多孔淀粉。结果表明，两种预处理均促进了酶解反应，其中联合处理的还原糖含量和水解度最高。与仅经酶解处理的淀粉（CS-E）相比，经SHFT联合酶解获得的**多孔淀粉（SFS-E）的结晶度从28.05%提高到31.65%，比表面积从7.71 m2/g增加到12.29 m2/g，总孔容从10.73×10?3 cc/g提升至24.56×10?3 cc/g（p < 0.05）**。同时，SFS-E表现出最高的吸水率（154.95%）和吸油率（130.49%），表明其孔道和内腔结构更加发达。中位粒径从22.17 μm降低至12.55 μm，说明酶解后颗粒向更小尺寸转变。糊化起始温度和糊化焓分别从67.57 °C和12.54 J/g（CS-E）升高至72.44 °C和13.83 J/g，表明热稳定性增强。这些结果表明，SH与FT联合处理提高了酶的可及性，促进了多孔结构的形成，并增强了多孔淀粉的理化性质。本研究为多孔淀粉在食品工业中作为油脂、香精等物质的吸附载体提供了理论指导。

**引言** 多孔淀粉是一种经改性的淀粉，其表面和核心区域分布有大量孔洞或空腔。与天然淀粉相比，多孔淀粉具有更大的比表面积和更强的吸附能力，这得益于其独特的多孔结构（Jha等，2024；Zhao等，2024）。由于具有经济性好、无毒性和可生物降解等特点，多孔淀粉已在食品、医药、农业和化妆品等多个领域得到广泛应用（Wu等，2021）。在食品工业中，多孔淀粉常用于吸附食品着色剂、维生素和油脂等不稳定物质，这些物质通常会在空气、光照或加热条件下发生分解和氧化，而多孔淀粉能有效稳定和保护这些化合物。此外，多孔淀粉还可作为香料、风味物质和调味剂的理想控释载体。

目前多孔淀粉的制备方法包括物理法、化学法和酶法。其中，酶解法因反应条件温和、选择性较高且副产物少而得到广泛应用。然而，天然淀粉颗粒致密的层级结构限制了酶向颗粒内部的渗透，从而降低了酶解效率和多孔结构的形成。因此，研究人员采用物理或化学方法对淀粉进行预处理以提高后续酶解效率。与化学改性相比，物理改性不会产生化学残留物或衍生物，更加环保、安全和可靠。因此，酶解法越来越多地与超声、微波、脉冲电场、热处理和冷冻-融化（FT）等物理预处理相结合，以削弱淀粉颗粒的结构屏障并提高酶的可及性（Luo, Liu等，2023；Luo, Wang等，2023；Pawitra等，2025；Sujka & Wi?cek，2024；Wahab & Janaswamy，2024）。

FT处理通过水在形成冰晶时的相变所产生的机械力有效改变淀粉性质（Wang等，2022）。在FT处理过程中，冰晶产生的机械力可以扩大淀粉颗粒内部的通道并诱导表面孔或沟槽的形成，从而显著促进后续酶解（Abedi等，2022）。Zhao等（2018）报道，经FT预处理的**多孔淀粉比仅经酶解改性的淀粉具有更多的孔数和更大的孔径**。为增强FT处理的改性效果，Zhang, Li等（2022）和Zhang, Zhu等（2022）采用不同次数的冷冻-融化循环（1、5和10次）改性淀粉，结果显示淀粉颗粒表面形成了多样的孔和通道结构，吸水率大幅增加。FT处理的改性效果不仅受含水量和冷冻-融化循环次数的影响，还受冷冻温度和冷冻速率的影响，因为这些因素会影响冰晶的形成及由此产生的机械力。常规冷冻（约?18至?20 °C）所需设备简单、操作方便，因此在淀粉冷冻-融化研究中应用广泛（Liu等，2020；Liu等，2023）。然而，与快速冷冻相比，?18至?20 °C常规冷冻的冷却过程相对缓慢，通常需要较长的冷冻保持时间。此外，反复的冷冻-融化循环进一步增加了处理时间和能耗。因此，在冷冻前提高淀粉颗粒的含水量可增强冰晶形成所产生的机械效应，减少对反复冷冻-融化循环的依赖。

热处理为冷冻-融化前调节淀粉颗粒水合状态提供了一种可行策略。淀粉的常规热改性主要包括热-湿处理和回火处理。热-湿处理通常在相对较低的含水量和较高温度下进行，而回火处理通常在过量或中等水分存在下、在玻璃化转变温度以上但低于糊化温度范围内进行，且往往需要较长的处理时间（Fonseca等，2021）。尽管两种处理都能在保持颗粒完整性较大的同时改变淀粉的分子结构，但其主要作用更与淀粉颗粒内部有序结构的重排相关。相比之下，将淀粉悬浮液在充足水分存在下加热至接近糊化起始温度，可产生高度水合但未完全糊化的颗粒状态，从而促进水向颗粒渗透、颗粒适度膨胀以及局部有序结构的部分破坏，同时保持颗粒的整体形态（Luo, Liu等，2023；Luo, Wang等，2023；Park等，2024）。这种状态特别有利于后续FT处理，因为淀粉颗粒内增加的含水量可在冷冻时参与冰晶形成，而先前被弱化的层级结构更容易被冰晶产生的机械力进一步破坏。本研究中，将接近糊化起始温度的热处理称为超热处理（SH）。Zhang等（2018）发现，将玉米淀粉悬浮液在接近糊化起始温度的条件下处理1 h后进行FT处理，可进一步增强淀粉改性并引起结构和理化性质的显著变化。因此，SH的优势不仅在于更强的热效应，更在于其能在保持颗粒完整性较大的同时建立有利于后续FT处理的状态。然而，由于SH在接近糊化起始温度的水性淀粉悬浮液中进行，其效果对温度控制和淀粉的热特性敏感，过度加热可能导致过度糊化并丧失颗粒完整性。以往关于多孔淀粉制备的研究通常仅采用酶解法或单一物理预处理辅助酶解法（如超声、微波、脉冲电场、热处理和FT），主要关注提高酶解效率、促进多孔结构形成和增强理化性质。与这些研究相比，本研究进一步比较了FT、SH和SHFT预处理对后续酶解的影响，并结合还原糖含量和水解度的定量评价与多尺度结构、多孔特性和吸附性质的分析，从而更系统地分析不同预处理对酶解响应和结构-功能关系的影响。然而，SHFT联合处理是否能通过提高酶的可及性和改变淀粉颗粒多尺度结构进一步促进酶法多孔结构形成，以及这些结构变化如何影响后续的多孔特性和吸附性能，目前尚不明确。

因此，本研究对淀粉进行了FT、SH和SHFT预处理，随后通过α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的协同作用制备多孔淀粉。在此基础上，通过测定还原糖含量和水解度来评价酶解程度。利用扫描电子显微镜（SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、粒径分布、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）对不同淀粉样品的微观结构特征进行对比分析。此外，系统地表征了淀粉的理化性质，包括溶解度、膨胀力、吸油率和吸水率、比表面积、总孔容、平均孔径和热性质。本研究进一步建立了SHFT诱导的结构变化、酶解响应、多孔结构形成与吸附性能之间的关系，旨在阐明SHFT联合预处理促进酶法制备多孔淀粉的机制，为物理与酶法联合制备多孔淀粉提供理论依据。

**材料** 玉米淀粉（直链淀粉含量：26%，含水量：13%，纯度：99%）购自黑龙江龙凤玉米开发有限公司（中国大庆）。猪胰α-淀粉酶（EC 3.2.1.1，活性：10,000 U/g）和黑曲霉葡萄糖淀粉酶（EC 3.2.1.3，活性：100,000 U/g）购自上海源叶生物科技有限公司（中国上海）。大豆油购自沃尔玛（中国大庆）。本研究使用的其他所有化学试剂均为分析纯。

**淀粉颗粒的形态特征** 采用SEM观察淀粉颗粒的形态（图1a）。天然玉米淀粉颗粒主要呈现不规则多边形，表面光滑，无裂纹或孔隙。与未经处理的天然玉米淀粉相比，FT淀粉表面略显粗糙并出现轻微凹痕。这些形态变化可能由冷冻过程中冰晶生长产生的机械应力引起，造成局部高压，从而产生机械变形。

**结论** 本研究阐明了SH和FT预处理对后续酶法制备多孔玉米淀粉的影响。所有酶解样品均呈现多孔结构，而FT预处理仅产生了有限的附加效果。相比之下，SH和SHFT预处理显著提高了淀粉颗粒对后续酶解的敏感性，其中SFS的还原糖含量和水解度最高，达到……

**CRediT作者贡献声明** 王臻：撰写——初稿、可视化、软件、数据整理。赵心瑞：撰写——审阅与编辑、验证、监督。刘世霖：撰写——审阅与编辑、方法论。王立冬：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、资源、概念化。杨树：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、资源、概念化。

**利益冲突声明** 作者声明不存在可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢** 作者感谢黑龙江省学科协同创新项目（LJGXCG2024-P38）、黑龙江省粗杂粮生产与加工优势特色学科项目（2022-78）、青岩人才支持计划项目（DQLY202401）、黑龙江生态系统联合引导基金项目（DQ25STQ005）及黑龙江省重点研发计划项目（2024ZX02B12-02）提供的资金支持。

王臻 | 赵心瑞 | 刘世霖 | 王立冬 | 杨树

黑龙江八一农垦大学食品科学学院，中国黑龙江大庆163319