全 文 ：第 41 卷第 15 期
2013 年 8 月
广 州 化 工
Guangzhou Chemical Industry
Vol. 41 No. 15
August. 2013
α －淀粉酶水解番薯淀粉的研究
陈 玉，李生潘
(福建师范大学福清分校生物与化学工程系，福建 福清 350300)
摘 要:用 α －淀粉酶水解番薯淀粉制备微孔淀粉，研究在不同的酶用量、温度、pH 值、番薯淀粉浓度和反应时间条件
下，考察番薯微孔淀粉吸附性能的变化规律，进而获得最佳的工艺条件。实验得出:当 α －淀粉酶用量为 1. 0%、温度为 40 ℃、
pH值为 4. 60、番薯淀粉用量为 25 g、反应时间为 4 h时，得到番薯微孔淀粉的吸附性能最佳。
关键词:番薯微孔淀粉;α －淀粉酶;单因素实验;正交实验;吸油率
中图分类号:TS234 文献标识码:A 文章编号:1001 － 9677(2013)15 － 0079 － 04
Study on Enzymatic Hydrolysis to Sweet Potatoes Starch by Alpha － amylase
CHEN Yu，LI Sheng － pan
(Department of Biology and Chemistry Engineering，Fuqing Branch of Fujian
Normal University，Fujian Fuqing 350300，China)
Abstract:Microporous starch was prepared through the reaction of alpha － amylase hydrolysis of sweet potato. Under
different conditions of different dose of enzyme，temperature，pH，concentration of sweet potato amylase and response
time，the change law of the sweet potato amylase＇s adsorption properties and the optimum conditions were obtained. The
results showed that the best adsorption properties of sweet potatoes can be obtained under the conditions of 1. 0% alpha
amylase，40 ℃，pH =4. 6，the sweet potatoes of 25 g，and 4 h.
Key words:sweet potatoes microporous starch;alpha － amylase;single factor experiment;orthogonal experiment;
oil absorption rate
微孔淀粉指的是具有生淀粉酶活力的酶在低于淀粉糊化温
度下作用生淀粉后形成一种新型微孔性淀粉，其孔的直径为
1 μm 左右，整个淀粉颗粒表面布满小孔，小孔由表面向中心
深入，孔的容积占颗粒体积的 50%左右。微孔淀粉与天然淀粉
相比有如下特性:较大的比孔容;较大的比表面积;堆积密度、
颗粒密度低;良好的吸水、吸油能力;在干燥状态下有良好的
机械强度;分散在水及其他溶剂中能保持明显的结构完整性;
加工过程不使用化学试剂，安全，无毒，使用剂量不受限制。
微孔淀粉还具有良好的吸附性能，医药上可用作缓释剂、药物
载体，食品工业中可用作包埋剂［1 － 3］，在化妆品、农药等领域
也有广泛的应用。
目前，国内外关于微孔淀粉方面的相关报道较少，淀粉微
孔化技术单一，微孔淀粉的理化性质和应用性能的研究严重不
足［4］。目前，据有关文献报道，制备微孔淀粉有三种方法物理
方法超声波照射、喷雾机械方法机械撞击生化方法醇变性、酸
水解、酶水解。在上述方法中，超声波照射、机械撞击方法生
产成本较高，不易实现产业化而喷雾法与醇变性形成的是一种
实心的端聚物球体，吸附作用只发生在表面凹凸不平沟壑内，
吸附量有限，应用前景并不乐观。酸法和酶法是制备微孔淀粉
的有效方法。但是酸水解法在糊化温度下反应速率较慢，降解
不一，随机性强，不易形成孔状，限制酸法应用。最有实用价值
的是酶水解法，一般工艺流程是:颗粒态生淀粉→在糊化温度
下部分酶解→洗涤干燥→多孔淀粉。在对淀粉酶选择中，α －
淀粉酶对淀粉都具有一定的水解能力，能使淀粉迅速降解，而
α －淀粉酶分布十分广泛，遍及微生物至高等植物，在工业生
产中有大量应用，生产工艺也比较成熟，是应用最广泛的酶制
剂之一，因此选用 α －淀粉酶制取微孔淀粉［5］。
本文旨在利用 α －淀粉酶制备番薯微孔淀粉，对影响制备
反应的各因素，如淀粉酶的用量、反应温度、反应时间、溶液
的 pH范围和淀粉浓度进行实验考察，同时对微孔淀粉的吸附
性能进行了研究，进一步提取最佳的制备条件，以及为番薯淀
粉的综合利用提供一条有效的途径，为番薯的综合开发利用提
供实验依据，为番薯微孔淀粉的工业化生产提供参考。
1 实验与方法
1. 1 实验药品
番薯淀粉(食品级) ，福州惠万家食品有限公司;花生油
(食品级) ，福州天生油脂工业有限公司;中温 α －淀粉酶，无
锡博立生物制品有限公司;醋酸钠 CAR，天津市永大化学试剂
有限公司;NaOH碱液，天津市永大化学试剂有限公司。
1. 2 实验仪器
DHG －9070 电热恒温干燥箱，上海君竺仪器制造有限公
司;HH －4 电热恒温水浴锅，上海君竺仪器制造有限公司;电
子天平，上海越平科学仪器有限公司;恒温磁力搅拌器，常州
国华电器有限公司;真空抽滤机，巩义市英峪予华仪器厂;pH
计 Cs312。
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1. 3 实验方法
1. 3. 1 番薯微孔淀粉的制备
称取定量的番薯淀粉(干基) ，置于 250 mL三角锥形瓶中，
加入一定 pH值的醋酸钠缓冲溶液 50 mL，置于一定温度的恒
温水浴锅中预热 20 min，同时用恒温磁力搅拌器搅拌。精确称
取定量的 α －淀粉酶，用醋酸钠缓冲溶液 10 mL 配成酶液，移
入烧瓶中反应一定时间后，加碱中和后停止反应。用真空抽滤
器抽滤后，将所得淀粉于 50 ℃干燥箱中至恒重，用研钵粉碎
后，即得微孔淀粉。
1. 3. 2 单因素实验
以 α －淀粉酶制备微孔淀粉，确定温度、时间、pH值、酶
用量、淀粉浓度为制备条件的五个影响因素，保持以上五个条
件中的四个条件为定值，而改变另一个条件做不同水平下的实
验。
1. 3. 3 正交实验
通过初步筛选五个条件的最适合的梯度值，选择 5 因素 3
水平既有 L9(3
5)进行正交实验，然后通过正交表格分析产品得
率和吸油率在每组平行实验所得的总量，即为位级，然后算得
极差可以分析出最佳的实验条件组合。
1. 3. 4 产品得率
微孔淀粉产率 =烘干得到的微孔淀粉 /淀粉理论加入量 × 100%
1. 3. 5 吸附性能表征
微孔淀粉的吸附性能可以用吸油率进行表征:
吸油率的测定［6 － 7］:精确称取微孔淀粉质量 m1(g) ，与定
量花生油混合后在恒温磁力搅拌器上混合搅拌 30 min，用真空
抽滤机抽滤，直至没有液滴滴下，精确称量其质量为 m2(g)。
按以下公式计算吸油率 (S)。
S =(m2 － m1)/m1
2 结果与讨论
选用 α －淀粉酶处理，对 α －淀粉酶处理的 pH 值、温度、
时间、酶用量、淀粉用量 5 个影响因素、分别设不同水平进行
筛选、以吸油率为主要考核指标。
精确称取一定量原番薯淀粉，与一定量花生油混合后在恒
温磁力搅拌器上混合搅拌 30 min，用真空抽滤机抽滤，直至没
有液滴滴下，精确称量其质量，获得原淀粉吸油率为 17. 4%。
2. 1 酶用量的影响
称取 25 g 番薯淀粉，在温度为 40 ℃、pH = 4. 60 的缓冲
液、反应时间为 4 h的条件下，通过改变酶用量来制备番薯微
孔淀粉，并对制得微孔淀粉的吸油率与 α －淀粉酶的用量关系
进行实验研究将其结果绘制曲线如图 1。α －淀粉酶的用量的梯
度分别为 0. 5%，1. 0%，1. 5%，2. 0%，2. 5%。吸油率是微
孔淀粉吸附性能优劣的最直接反映。微孔淀粉的吸油能力强主
要是由于微孔淀粉的表面吸油与微孔吸油的体现。
由图 1 可以得出，α －淀粉酶获得的微孔淀粉吸油率比原
淀粉吸油率增加，表明淀粉经过水解后可以增加吸附表面。随
α －淀粉酶用量的增加，番薯微孔淀粉的吸油率呈先升高后下
降又微上升的趋势。这主要是由于在酶的作用下，攻击番薯淀
粉颗粒表面形成微孔，大量的表面吸附转化为微孔吸附，因而
微孔淀粉的吸油率增加。当 α －淀粉酶的含量超过 1. 5% 时，
由于酶用量的增加，微孔淀粉继续反应，反应到一定程度会伴
随着淀粉颗粒的水解及分解，微孔半径增大，甚至引起淀粉颗
粒结构的崩解，丧失其吸附性能。综合考虑微孔淀粉产率及吸
附性能等因素，初步确定以酶用量 1. 5%为适宜条件，在这对
应的条件下所获得相应产品得率为 86. 64%。
图 1 吸油率与酶用量的关系曲线
Fig. 1 The curvilinear relation of oil absorption rate and enzyme dosage
2. 2 反应温度的影响
称取 25 g番薯淀粉，在最适酶用量 1. 5%、pH = 4. 60 的
缓冲液、反应时间 4 h 的条件下，通过控制反应温度来制备番
薯微孔淀粉，并对制得微孔淀粉的吸油率与反应温度间的关系
进行研究，所得结果绘制成曲线见图 2。温度梯度为 35、40、
45、50、55 ℃。反应温度的变化直接影响着 α －淀粉酶的活化
能力和反应速度，而对淀粉的微孔化、微孔淀粉的吸油率有间
接的影响。随着温度升高，反应活性有所增强，当温度增加到
其适宜的作用温度后，再继续升温，其反应活性反而下降，导
致吸油率反而下降。从图 2 可以初步确定当微孔淀粉的吸油率
最大时所对应的最适合反应温度为 40 ℃，在这对应的条件下
所获得相应产品得率为 86. 64%。
图 2 吸油率与温度的关系曲线
Fig. 2 The curvilinear relation of oil absorption rate and temperature
2. 3 pH 值的影响
图 3 吸油率与 pH的关系曲线
Fig. 3 The curvilinear relation of oil absorption rate and pH
称取 25 g番薯淀粉，在最适合的酶用量 1. 5%、最适合的
反应温度 40 ℃、反应时间 4 h 的条件下，通过改变缓冲溶液
pH值制备微孔淀粉，并对制得微孔淀粉的吸油率与溶液 pH值
关系进行实验研究绘制成曲线图 3。pH 的梯度为 3. 4、4. 0、
4. 6、5. 2、5. 8。溶液的 pH值直接影响 α －淀粉酶的活性，而
第 41 卷第 15 期 陈玉等:α －淀粉酶水解番薯淀粉的研究 81
且与溶液的性质等因素也有很大关系。从图 3 可以初步确定当
微孔淀粉的吸油率最大时所对应的最适合反应 pH范围。当 pH
值为 4. 60 时吸油率有最大值，但是在这范围内吸油率变化不
明显所以 pH值无需再进行正交实验，直接选用 pH 值 4. 60 进
行正交实验，在这对应的条件下所获得相应产品得率为
86. 64%。
2. 4 淀粉浓度的影响
在最适合的酶用量 1. 5%、最适合的温度 40 ℃、最适合的
pH值 4. 6、反应时间 4 h的条件下，通过改变番薯淀粉用量制
备微孔淀粉。并对制得微孔淀粉的吸油率与反应时间的关系进
行实验研究得曲线图 4。淀粉用量的梯度为:以淀粉的用量梯
度表示 15、25、35、45、55 g。微孔淀粉的吸附能力与 α －淀
粉酶在淀粉颗粒表面形成的小孔数量和深度有关，淀粉的用量
将影响与 α －淀粉酶反应的水解程度。结合图 4 可以初步确定
当微孔淀粉的吸油率最大时所对应的最适合的反应淀粉用量为
25 g，在这对应的条件下所获得相应产品得率为 86. 64%。
图 4 吸油率与淀粉用量的关系曲线
Fig. 4 The curvilinear relation of oil absorption rate and starch content
2. 5 反应时间的影响
称取 25 g番薯淀粉，在最适合酶用量 1. 5%、最适合的温
度 40 ℃、最适合的 pH值 4. 6，通过改变反应时间制备微孔淀
粉。并对制得微孔淀粉的吸油率与反应时间的关系进行实验研
究绘制得曲线图 5。时间梯度为 2、4、6、8、10 h。
图 5 吸油率与反应时间的关系曲线
Fig. 5 The curvilinear relation of oil absorption rate and reaction time
反应时间的长短直接影响着原淀粉被微孔化的进程，反应
时间短，原淀粉被微孔化的比率低，因而吸油率、微孔淀粉的
产率;随着反应时间的增加，微孔淀粉的产率增加，吸附性能
也增加;当反应时间过长时，微孔淀粉继续发生反应，微孔半
径增加，进而导致整个淀粉的分解，形成细微粉末，整个淀粉
颗粒的表面被完全破坏，吸附性能反而降低。结合图 5 可以综
合确定当微孔淀粉的吸油率最大时所对应的最适合反应时间为
4 h，在这对应的条件下所获得相应产品得率为 86. 64%。
2. 6 正交试验
通过初步筛选，选用温度、时间、酶用量、淀粉用量为影
响酶处理制备微孔淀粉的四个主要因素，设计四因素三水平即
为 L9(3
4)进行正交实验，结果见表 1。
表 1 正交实验结果
Table 1 The results of orthogonal experiment
实验号
因素
酶用量
A /%
温度
B /℃
淀粉用量
C /g
反应时间
D /h
产率 /% 吸油率 /%
1 1. 0 35 20 2 96. 45 20. 3
2 1. 0 40 25 4 88. 92 25. 1
3 1. 0 45 30 6 91. 86 21. 1
4 1. 5 35 25 6 91. 4 21. 3
5 1. 5 40 30 2 90. 7 23. 2
6 1. 5 45 20 4 89. 45 21. 8
7 2. 0 35 30 4 91. 3 20. 7
8 2. 0 40 20 6 88. 7 24. 0
9 2. 0 45 25 2 91. 92 21. 7
levelⅠ 277. 23 279. 15 274. 6 279. 07
levelⅡ 271. 55 268. 2 271. 52 269. 67
影响产率依次
是 B ＞ D ＞ A ＞ C;
level Ⅲ 271. 92 273. 23 273. 86 271. 96
range 5. 69 10. 95 3. 08 9. 4
优秀水平是 1%，
35 ℃，20 g，2 h
levelⅠ 66. 5 62. 3 66. 1 65. 2
levelⅡ 66. 3 72. 3 68. 1 67. 6
影响吸油率
依次是 B ＞ C ＞ D ＞ A;
level Ⅲ 66. 4 64. 6 65 66. 4
range 0. 2 10 3. 1 2. 4
优秀水平是 1%，
40 ℃，20 g，2 h
位级:levelⅠ =∑(ⅠA1) ;极差 range:R =位级 levelmax －位级 levelmin
由表 1 可以得出影响微孔淀粉产率的因素顺序为:反应温
度 ＞反应时间 ＞酶用量 ＞淀粉用量。各种因素对番薯微孔淀粉
的吸油率的影响力顺序依次为:温度 ＞淀粉用量 ＞反应时间 ＞
酶用量，即为 B ＞ C ＞ D ＞ A;得到吸油率高的最佳工艺条件组
合为:1%，40 ℃，25 g，4 h，即为 A1B2C2D2。吸油率是微孔
淀粉吸附性能优劣的最直接反映，它直接反映出微孔淀粉的多
孔性能状况。与原淀粉的吸油率相比，吸油率越高，比表面积
越大，效果越好。在所选实验范围内，影响微孔淀粉吸油率的
因素中，反应温度的极差最大，它对实验效果影响最大;酶用
量的极差最小，它对实验效果影响最小。
3 结 论
利用 α －淀粉酶制备番薯微孔淀粉及对其性能的实验得出:
(1)影响微孔淀粉产率的因素顺序为:反应温度 ＞反应时
间 ＞酶用量 ＞淀粉用量 ＞ pH值。
(2)微孔淀粉吸油率的影响因素顺序为:反应温度 ＞淀粉
用量 ＞反应时间 ＞酶用量 ＞ pH值。
(3)制备木薯微孔淀粉最佳工艺条件为:酶用量 1. 0%;
反应温度 40 ℃;pH值 4. 60;番薯淀粉用量为 25 g;反应时间
4 h。在最佳工艺条件下所得到的产品得率为 88. 92%;吸油率
为 25. 1%。
(4)袁怀波［8］用 α －淀粉酶制得的红薯微孔淀粉的制备，
通过 X 射线衍射以及扫描电子显微镜对其结构表征，表明其淀
粉具有微孔结构。本文通过 α －淀粉酶水解番薯淀粉得到微孔
淀粉对花生油的吸附能力较原淀粉有较大程度的提高，原淀粉
的吸油率为 17. 4%，而微孔淀粉的最高吸油率为 25. 1%。
(下转第 144 页)
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2 操作环境的影响
在 45 万吨 PTA工程中，有一个 1000 m3 PTA料仓，材质是
0Cr18Ni9，厚度是 16 mm，在射线抽检时，发现一环缝有两条
裂纹，要进行返修，根据底片缺陷 1∶1 定位后，现场用磨光
机进行清除，磨到用肉眼观察裂纹消除后，用渗透检测确认缺
陷真正完全消除掉了，才能补焊，补焊好后，再做渗透检测，
最后射线检测。
当时苏北地区正值严冬季节，环境温度在零下 10 ℃，由
于温度对渗透检测结果的影响很大，渗透检测标准温度范围是
10 ～ 50 ℃，和实际温度差距大，非铁磁性材料磁粉检测又做不
起来，只能做渗透检测。
当时在现场用铝合金试块做试验，用于试块的 B区，然后
A区用标准方法检测，比较 A、B两区的对称裂纹显示痕迹，B
区的痕迹显示不出来，和 A区明显不同，说明现场环境准备采
用的方法经过试验鉴定是不可行的［2］。
为了提高工件受检区表面的温度，采用气焊枪在料仓内对
被检区域局部加热的措施，注意火焰大小和距离的控制，用红
外测温仪测量被检区域的温度，控制在 50 ℃为宜，由于钢铁
传热快，用石棉覆盖在料仓内被检区域表面上及料仓外被检区
域周围 (检测区域空出来) ，起到保温作用，温度控制在渗透
标准范围内。正式操作前，要把铝合金试块一起加热，做对比
试验鉴定，A、B 区裂纹显示痕迹清晰可见基本一致后，方可
正式操作，用溶剂去除型着色检测法。
操作步骤:
(1)预清洗:用磨光机磨除裂纹后，用清洗剂清洗并擦
干。
(2)加热受检区:用气焊枪在受检表面内壁加热，使受检
面温度不超过 50 ℃为宜。
(3)将渗透剂均匀地喷到受检面，渗透时间 15 min，保持
湿润。
(4)清洗:用破布试去多余的工件表面渗透剂，再用蘸有
清洗剂的干净破布擦拭干净，注意不要过清洗。
(5)显像:均匀喷涂显像剂，显像时间 10 min。
(6)观察记录:仔细观察分析、判断缺陷是否彻底消除，
否则再磨，再按同样步骤进行检测，直至裂纹完全消除且补焊
后没有新裂纹等产生。
最后两条裂纹经渗透检测，确认彻底被清除，无缺陷显示
痕迹，补焊后射线检测也合格了。
由于环境温度对渗透检测结果影响很大，无论高于或低于
标准检测温度范围，都必需对渗透检测工艺参数进行修正，采
取有效合理措施，用铝合金试块进行鉴定，比较两区的裂纹显
示，显示痕迹基本上相同，则认为准备采用的方法经过鉴定是
有效可行的。
3 结 论
影响渗透检测结果的可靠性因素主要是检测人员的操作方
法、操作环境条件、缺陷类型、渗透检测液性能四个方面，而
工件缺陷类型是不可控的，渗透检测液只要采购合格产品，符
合标准要求就行，关键是检测人员的操作方法、操作环境条件
的控制，在实际检测工作中，检测人员要找到切实可行的有效
办法，满足渗透检测的工艺条件，保证渗透检测结果的可靠
性。
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189．
(上接第 81 页)
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