CN107557410B - 酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法。该方法以低直链淀粉为原料，用缓冲液配制成淀粉乳，经过糖化酶和普鲁兰酶混合酶预处理，烘干，粉碎。将预处理淀粉用浓硫酸在30～50℃水浴条件下以150～200rpm进行搅拌，反应1～8D，离心水洗至中性，冷冻干燥得淀粉纳米晶产品。本发明采用酶预处理的生物手段极大的提高了制备淀粉纳米晶的效率，提高了其结晶度，得到的产品可用于橡胶和可塑性塑料等复合材料的填充剂，提高其力学性能和阻隔性能。

Description

酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法

技术领域

本发明涉及淀粉纳米晶；特别是涉及一种酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法；具体是涉及利用酶解预处理及化学改性制备出可再生的低直链淀粉纳米晶的方法；属于生物纳米复合材料领域。

背景技术

资源短缺和环境恶化是当今世界面临的两大挑战。发展基于可再生资源的生物降解材料，无疑是缓解石油原料短缺、解决环境污染的有效途径之一。淀粉基材料因来源广泛，价格低廉，可降解，无毒，自20世纪70年代来受到越来越多的关注。

随着纳米技术的不断发展以及纳米复合材料概念的提出，以纳米级的刚性颗粒填充高分子基体，制备纳米复合材料成为近年来的一个研究热点。纳米颗粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的减小而急剧增加等特点，使其与基体材料有强烈的界面相互作用，将它们均匀地分散到高分子材料中是提高材料力学性能和阻隔性能的有效途径。此外，纳米粒子添加到用于食品包装的聚合物中，还具有抗菌、抗酶解、抗糖化等功能。研发与开发天然高分子淀粉纳米晶，作为填充剂改善橡胶及热塑性塑料的性能从而拓宽其应用领域，对节约有限的石油资源，抑制废弃塑料造成的环境污染，建设资源节约型和环境友好型社会具有促进作用。

淀粉是一种价格低廉、资源丰富、可再生、生物降解能力强的天然高分子碳水化合物，是食品、医药、化工、纺织等工业中重要的基础原料，来源的不同导致其颗粒粒径介于1-100微米之间。天然淀粉颗粒具有半结晶结构，直链淀粉是无定形区域的主要成分，而结晶区域则主要由支链淀粉形成。低直链淀粉是直链淀粉含量很低，一般低于5％，即具有较高的相对结晶度，其中包括各种蜡质淀粉，如蜡质玉米淀粉，蜡质大米淀粉，蜡质木薯淀粉，蜡质马铃薯淀粉等。淀粉颗粒经酸或酶温和水解后，其中的无定形部分被除去，从而得到结晶度较高的纳米尺度颗粒，即淀粉纳米晶。一般制备淀粉纳米晶的原料有蜡质玉米淀粉、大米淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉等，酸解不同类型淀粉得到的淀粉纳米晶，均呈碟片状，长度在20- 200nm之间，厚度在5-10nm之间，宽度在10-30nm之间。

淀粉纳米晶作为一种新型可降解纳米复合材料越来越受到人们的重视，成为近年来纳米填充新材料的研究热点，淀粉纳米晶已在化学、材料学和聚合物科学领域得到广泛的研究与应用。近年来，制备淀粉纳米晶的通用方法有：采用一定浓度的盐酸水解淀粉颗粒，一般反应40天左右作为水解时间，得到0.5％(质量分数)的淀粉纳米晶；还有通过响应面优化制备淀粉纳米晶的水解条件，采用硫酸在40℃条件下水浴搅拌反应5天，制备出淀粉纳米晶的产量提高到了15％(质量分数)。酸水解法被广泛用于制备淀粉纳米晶。但由于淀粉颗粒结构的半晶性以及颗粒表面的致密结构等原因，水解过程中氢离子向淀粉颗粒内部的渗透困难，导致传统的用蜡质玉米淀粉制备淀粉纳米晶的时间较长。

通过制备工艺的优化，虽然传统的酸解法得到的淀粉纳米晶的产量有所提高，但其所制备的淀粉纳米晶颗粒仍然比较大，而且粒径大小不均一，颗粒大小范围达到100～1000nm，甚至团聚后为1～4μm。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种绿色环保，且减少酸解过程中硫酸的用量，生产成本低，酶预处理的时间短，且显著提高制备纳米晶的速率的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，所得纳米晶结晶度高，颗粒大小分布范围较窄，粒径50～150nm。

本发明以低直链淀粉为原料，首先经过糖化酶预处理使淀粉限制性破损，进而将预处理后的低直链淀粉在一定条件下酸解，以生物法和酸法结合处理淀粉，更加绿色高效地制备出具有更好性能的淀粉纳米晶的方法。结合酶解的生物方法可以减少酸解时的酸的用量，降低生产成本。而且，酶解预处理的作用是使淀粉颗粒形成孔洞，减少反应时间，提高反应效率，同时有效地提高了淀粉纳米晶的相对结晶度。得到的纳米晶颗粒大小分布范围较窄，粒径较小，为50～150nm。而且本发明本身采用的低直链淀粉作为一种原料优势，更加高效地制备淀粉纳米晶。

本发明目的通过如下技术方案实现：

酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，包括如下步骤：

1)将磷酸氢二钠和柠檬酸混合配制成pH4～6缓冲液；

2)将步骤1)缓冲液加入低直链淀粉调节成重量浓度为10％～20％的溶液，加入糖化酶与普鲁兰酶，糖化酶与普鲁兰酶以1:5～5:1质量比混合，添加量为 200～10000U/g淀粉；

3)将步骤2)中溶液置于控温水浴锅中，设定温度为50～60℃，搅拌下反应 4～8h；

4)反应后的溶液用氢氧化钠溶液调节溶液的pH为9.5～11，进行灭酶处理；

5)离心分离并不断加入蒸馏水，进行清洗纯化，将沉淀烘干，经粉碎、过筛，得酶预处理淀粉；

6)将步骤5)中淀粉用硫酸溶液配制成重量浓度为10～20％的溶液，置于30～50℃水浴条件下以150～200rpm进行搅拌，反应1～8D；

7)反应后溶液离心分离并不断加入蒸馏水，进行洗涤纯化，至溶液pH在6.5-7.0，将沉淀冷冻干燥，经粉碎、过筛得低直链淀粉纳米晶。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的磷酸氢二钠和柠檬酸的浓度都为 0.1～0.2mol/L。

优选地，所述的糖化酶与普鲁兰酶以1:2～2:1质量比混合。

优选地，步骤3)所述的搅拌采用搅拌机进行搅拌，搅拌速度为100～200rpm。

优选地，所述的搅拌下反应时间为6h。

优选地，步骤4)所述的氢氧化钠溶液的浓度为1～2mol/L。

优选地，步骤5)和步骤7)所述的离心是在离心机中进行离心分离。

优选地，所述的硫酸溶液浓度为2～4mol/L。

优选地，步骤5)所述的烘干的温度为45～50℃；步骤7)所述的冷冻干燥的温度为-80～-85℃，冷冻干燥的时间为24～36h。

优选地，所述的低直链淀粉包括蜡质玉米淀粉、蜡质马铃薯淀粉、蜡质大米淀粉或蜡质木薯淀粉。

本发明技术方案中搅拌、冷却、干燥、粉碎、过筛等技术是现有通用的技术。

本发明糖化酶能水解淀粉中的α-(1,4)和α-(1,6)糖苷键，普鲁兰酶能切开淀粉中的α-(1,6)糖苷键，混合酶预处理能破坏淀粉颗粒的完整性，并使淀粉颗粒变得松散，易于酸向淀粉颗粒内部的渗透，进而缩短制备淀粉纳米晶的酸解时间，提高得率。采用生物酶法预处理绿色环保，无污染，且减少酸解过程中硫酸的用量，对减少生产过程中的环境污染问题有重大意义。低直链淀粉，相比于其他普通淀粉，由于其支链淀粉淀粉含量较高，几乎接近100％，因此相比普通淀粉具有相对较高的结晶度，而淀粉纳米晶相当于淀粉颗粒的结晶区，结晶度高，因此低直链淀粉可被称为制备淀粉纳米晶最适宜的原料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)低直链淀粉经混合酶解预处理后得到一定程度的破碎，以利于后续酸解过程中酸在颗粒内部的渗透，可缩短酸解时间。

2)首次在酸解制备纳米晶时采用混合酶预处理的方法。

3)纳米晶为淀粉限制性水解后的产物，属有机纳米粒子，扩大了颗粒乳化剂的应用范围。本发明生产工艺简单，成本低，具有广阔的工业化应用前景。产品具有纳米尺寸，且易生物降解，绿色环保。

附图说明

图1a是蜡质马铃薯原淀粉的SEM图。

图1b是酶预处理淀粉的SEM图。

图1c是酶预处理6h酸解5天制备的淀粉纳米晶的SEM图。

图2是酸法与酶解协同酸法反应不同天数淀粉颗粒粒径变化的示意图。

图3是蜡质马铃薯淀粉在一定条件下进行酶解预处理，反应不同时间后所得的淀粉的水解程度情况图。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

实施例1

1)将0.1mol/L磷酸氢二钠和0.1mol/L柠檬酸配制成pH＝4缓冲液；

2)将步骤1)缓冲液加入蜡质马铃薯淀粉调节成重量浓度为20％的溶液，加入糖化酶与普鲁兰酶，其中糖化酶与普鲁兰酶以1:5的比例混合，添加1000U/g(酶活/g淀粉)的酶量；

3)将步骤2)中淀粉悬浮液置于控温水浴锅中，设定温度为50℃，并用搅拌机进行搅拌，搅拌速度为150rpm，反应6h；

4)反应后的溶液用浓度为1mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值为10，进行灭酶处理；

5)在离心机中进行离心分离并不断加入蒸馏水，进行清洗纯化，将沉淀在45℃下烘干，经粉碎、过筛得酶预处理淀粉；

6)将步骤5)中酶预处理淀粉用硫酸溶液配制成重量浓度为15％的溶液，硫酸溶液浓度为2mol/L，置于40℃水浴条件下以200rpm进行搅拌，反应4D；

7)反应后溶液用高速离心机进行分离并不断加入蒸馏水，进行洗涤纯化，至溶液pH在6.5-7.0的范围；将沉淀在-80℃下冷冻干燥24h，经粉碎、过筛得最终样品。

图3表示蜡质马铃薯淀粉在一定条件下进行酶解预处理，反应不同时间后所得的淀粉的水解程度。本发明发现酶解预处理时间6h左右(5-7h)是酶解速率的一个转折点，转折点之前，水解速率迅速增长，折点后水解速率的提高变得缓慢。本实例中，采用的酶解预处理时间为6h，由图3可知，其酶解程度达到24.05％，缩短了酶预处理的时间，进而提高制备纳米晶的速率。

图1a和图1b是扫描电镜图，图1a、图1b分别是蜡质马铃薯原淀粉和酶预处理淀粉的SEM图，放大倍数为4000倍和500倍。图1c是酶预处理6h酸解5天制备的淀粉纳米晶的SEM图，放大倍数是15000倍。方法如下：用导电双面胶将淀粉粉末固定在金属样品平台上，在真空中喷金后，置于SEM中，拍摄有代表性的淀粉颗粒的形貌照片。测试条件：测试电压为10kV，工作距离为9.5mm。

由图1a和图1b可知，酶解预处理使淀粉表面形成坑洞，增大了淀粉颗粒的比

图2是酸法与酶解协同酸法反应不同天数淀粉颗粒粒径变化的示意图，图中

表示蜡质马铃薯淀粉酸解不同天数得到的淀粉颗粒的平均粒径大小，图中

表示蜡质马铃薯淀粉先用糖化酶解预处理6h，然后酸解不同天数得到的淀粉颗粒的平均粒径。由图可知，仅酸法6天和酶解协同酸法5天分别达到最小颗粒，而仅酸解6天和酶预处理协同酸解4天可达到相近大小的颗粒，进而可知酶解预处理减少制备淀粉纳米晶的酸解时间，酶解协同酸法反应4天即可得到酸法反应6天的平均粒径大小，反应时间缩短了2天。本发明所采用的酶解预处理所产生的效果即：酶解预处理6h，使制备淀粉纳米晶的时间缩短了2天，提高了反应效率，减小了反应成本，并且环保高效。

而且，相比其他制备方法中相对于原淀粉的相对结晶度的提高(15％)，本方法得到的样品相对结晶度提高了31.51％，结晶度的有效提高有助于其在复合材料中作为填充剂时，增强其机械性能，使其在复合材料中的应用更加广泛。

淀粉的结晶度用D/Max2200VPC型X射线衍射仪测定，具体操作如下：取适量样品平铺于样品盘的凹槽中，将样品表面弄平整使其与样品盘外表面平齐，最后将样品盘放置于XRD中，测试参数如下：起始角5°，终止角40°，靶型Cu，滤玻片Ni，扫描步长为0.05°，扫描速度：5°/min，管压40KV，管流40mA，扫描步长 0.04°，入射线波长0.15418nm。

淀粉相对结晶度，使用Komiya和Nara等提出的计算公式：

式中Xc：相对结度；Ac：晶区部分面积；Aa：非晶区面积。

实施例2

(1)将0.1mol/L磷酸氢二钠和0.1mol/L柠檬酸配制成pH＝5缓冲液；

(2)将步骤(1)缓冲液加入蜡质玉米淀粉调节成重量浓度为10％的溶液，糖化酶与普鲁兰酶以1:3的比例混合，并添加200U/g(酶活/g淀粉)的酶量；

(3)将步骤(2)中淀粉悬浮液置于控温水浴锅中，设定温度为60℃，并用搅拌机进行搅拌，搅拌速度为150rpm，反应时间为6h；

(4)反应后的溶液用1mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值为10进行灭酶处理；

(5)在离心机中进行离心分离并不断加入蒸馏水，进行清洗纯化，将沉淀在45℃下烘干，经粉碎、过筛得酶预处理淀粉；

(6)将步骤(5)中淀粉用硫酸溶液配制成重量浓度为10％的溶液，硫酸溶液浓度为3.16mol/L，置于30℃水浴条件下以200rpm进行搅拌，反应5D；

(7)反应后溶液用高速离心机进行分离并不断加入蒸馏水，进行洗涤纯化，至溶液pH在6.5-7.0的范围。将沉淀在-80℃下冷冻干燥24h，经粉碎、过筛得最终样品。

本实例中，采用酶解预处的酶的添加量为1000U/g(酶活/淀粉)是酶解速率的一个转折点，酶解程度达到38.1％，缩短了酶预处理的时间，进而提高制备纳米晶的速率。采用本发明生产得到的蜡质玉米淀粉纳米晶的粒度为100～250nm，产品达到纳米级别，相对结晶度提高了39.3％。

实施例3

(1)将0.1mol/L磷酸氢二钠和0.1mol/L柠檬酸配制成pH＝6缓冲液；

(2)将步骤(1)缓冲液加入蜡质大米淀粉调节成重量浓度为15％的溶液，糖化酶与普鲁兰酶以1:1的比例混合，并添加5000U/g(酶活/g淀粉)的酶量；

(3)将步骤(2)中淀粉悬浮液置于控温水浴锅中，设定温度为60℃，并用搅拌机进行搅拌，搅拌速度为150rpm，反应时间为4h；

(4)反应后的溶液用1mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值为10进行灭酶处理；

(5)在离心机中进行离心分离并不断加入蒸馏水，进行清洗纯化，将沉淀在45℃下烘干，经粉碎、过筛得酶预处理淀粉；

(6)将步骤(5)中淀粉用硫酸溶液配制成重量浓度为20％的溶液，硫酸溶液浓度为3.16mol/L，置于50℃水浴条件下以150rpm进行搅拌，反应5D；

(7)反应后溶液用高速离心机进行分离并不断加入蒸馏水，进行洗涤纯化，至溶液pH在6.5-7.0的范围。将沉淀在-80℃下冷冻干燥24h，经粉碎、过筛得最终样品。

本实例中，采用酶解预处时间4h，酶解程度达到12.85％，缩短了酶预处理的时间，进而提高制备纳米晶的速率。但酶解预处理程度较低，后续酸解时不利于酸的渗透，采用本发明生产得到的蜡质大米淀粉纳米晶的粒度为200～500nm，产品达到纳米级别，但粒度相对较大，相对结晶度提高了24.3％。

实施例4

(1)将0.1mol/L磷酸氢二钠和0.1mol/L柠檬酸配制成pH＝4缓冲液；

(2)将步骤(1)缓冲液加入蜡质马铃薯淀粉调节成重量浓度为20％的溶液，糖化酶与普鲁兰酶以5:1的比例混合，并添加10000U/g(酶活/g淀粉)的酶量；

(3)将步骤(2)中淀粉悬浮液置于控温水浴锅中，设定温度为55℃，并用搅拌机进行搅拌，搅拌速度为150rpm，反应时间为8h；

(4)反应后的溶液用1mol/L的氢氧化钠溶液调节溶液的pH值为10进行灭酶处理；

(5)在离心机中进行离心分离并不断加入蒸馏水，进行清洗纯化，将沉淀在45℃下烘干，经粉碎、过筛得酶预处理淀粉；

(6)将步骤(5)中淀粉用硫酸溶液配制成重量浓度为15％的溶液，硫酸溶液浓度为4mol/L，置于40℃水浴条件下以200rpm进行搅拌，反应5D；

(7)反应后溶液用高速离心机进行分离并不断加入蒸馏水，进行洗涤纯化，至溶液pH在6.5-7.0的范围。将沉淀在-80℃下冷冻干燥24h，经粉碎、过筛得最终样品。

本实例中，采用酶解预处时间8h，酶解程度高达26.55％，缩短了酶预处理的时间。但酶解预处理程度较高，使酶预处理淀粉的产量减少，导致后续酸解后纳米晶得率减少。采用本发明生产得到的蜡质马铃薯淀粉纳米晶的粒度为100～350nm，产品达到纳米级别，相对结晶度提高了26.3％。

Claims (10)

1.酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将磷酸氢二钠和柠檬酸混合配制成pH4～6缓冲液；

2)将步骤1)缓冲液加入低直链淀粉调节成重量浓度为10％～20％的溶液，加入糖化酶与普鲁兰酶，糖化酶与普鲁兰酶以1:5～5:1质量比混合，添加量为200～10000U/g淀粉；

3)将步骤2)中溶液置于控温水浴锅中，设定温度为50～60℃，搅拌下反应4～8h；

4)反应后的溶液用氢氧化钠溶液调节溶液的pH为9.5～11，进行灭酶处理；

5)离心分离并不断加入蒸馏水，进行清洗纯化，将沉淀烘干，经粉碎、过筛，得酶预处理淀粉；

6)将步骤5)中淀粉用硫酸溶液配制成重量浓度为10～20％的溶液，置于30～50℃水浴条件下以150～200rpm进行搅拌，反应1～8D；

7)反应后溶液离心分离并不断加入蒸馏水，进行洗涤纯化，至溶液pH在6.5-7.0，将沉淀冷冻干燥，经粉碎、过筛得低直链淀粉纳米晶。

2.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，所述的磷酸氢二钠和柠檬酸的浓度都为0.1～0.2mol/L。

3.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，所述的糖化酶与普鲁兰酶以1:2～2:1质量比混合。

4.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，步骤3)所述的搅拌采用搅拌机进行搅拌，搅拌速度为100～200rpm。

5.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，所述的搅拌下反应时间为6h。

6.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，步骤4)所述的氢氧化钠溶液的浓度为1～2mol/L。

7.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，步骤5)和步骤7)所述的离心是在离心机中进行离心分离。

8.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，所述的硫酸溶液浓度为2～4mol/L。

9.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，步骤5)所述的烘干的温度为45～50℃；步骤7)所述的冷冻干燥的温度为-80～-85℃，冷冻干燥的时间为24～36h。

10.根据权利要求1所述的酶解预处理协同酸法制备低直链淀粉纳米晶的方法，其特征在于，所述的低直链淀粉包括蜡质玉米淀粉、蜡质马铃薯淀粉、蜡质大米淀粉或蜡质木薯淀粉。

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