电子束辐照辅助的酶法修饰：一种制备多孔淀粉的有效策略

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Electron beam irradiation-assisted enzymatic modification: an efficient strategy for fabricating porous starch

　　电子束辐照预处理结合酶解协同作用显著改善玉米多孔淀粉的结构与吸附性能，降低α-1,6糖苷键分支度，提高支链淀粉含量至48.75%，孔隙密度和比表面积分别提升25.3%和25.5%，水/油吸附能力提高21.9%和28.4%，亚甲基蓝吸附最大容量达951.10 mg/g。

　　本研究聚焦于一种新型的玉米多孔淀粉制备方法，通过电子束辐照（EBI）预处理与酶解的协同作用，系统地探索了其对玉米多孔淀粉分子结构和吸附性能的影响。研究发现，这种协同处理方法能够显著改变淀粉的分子结构，使得其支链度大幅降低，同时淀粉中的直链淀粉含量显著提升。在原始淀粉中，直链淀粉含量为27.10%，而在经过EBI-ES-30 kGy处理的样品中，这一比例上升至48.75%。这一变化表明，电子束辐照能够有效切断淀粉中α-1,6糖苷键，从而促进分子链的线性化，提高其直链淀粉的比例。通过核磁共振（1H NMR）和直链淀粉含量分析，研究者进一步确认了EBI处理对淀粉结构的深远影响。

此外，X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了淀粉在结构上的变化。XRD结果显示，处理后的样品相对结晶度有所下降，而FTIR分析中短程有序结构的比值（R????/????）从0.69降低至0.59，这表明处理过程对淀粉的短程有序结构产生了破坏。通过扫描电子显微镜（SEM）和比表面积分析，研究还发现处理后的样品具有更密集的孔分布、更大的孔径以及更高的比表面积，从2.37 m2/g增加至2.98 m2/g。这些结构上的优化显著提升了淀粉的吸附性能，其中EBI-ES-30 kGy样品的吸水能力提高了21.90%，从125.62%增加至153.14%；吸油能力则提升了28.40%，从110.33%增加至141.65%。通过吸附实验，研究者进一步验证了这些处理对吸附性能的影响，结果显示，吸附过程符合伪二级动力学模型（R2 > 0.99），并且等温吸附行为与Langmuir模型高度一致，最大吸附能力达到了951.10 mg/g。这些发现为开发高效的多孔淀粉材料提供了新的思路。

多孔淀粉因其较大的比表面积和丰富的微孔结构，在药物载体、功能吸附剂和缓释材料等领域展现出独特的优势。相比原始淀粉，多孔淀粉在这些应用中表现出了更优越的性能，这主要得益于其独特的表面特性和增强的质量传递效率。目前，多孔淀粉的制备方法主要包括化学、物理和酶解方法。化学方法虽然效果显著，但通常涉及使用对环境有害的试剂，从而引发对潜在污染的担忧。相比之下，酶解方法利用α-淀粉酶等特定酶来降解淀粉的无定形区域，具有温和的反应条件和无副产物的优点。然而，这种方法也存在一些局限，例如反应时间较长、吸附能力有限等问题。同样，物理方法如湿热处理、冻融循环、微波处理和挤出等，虽然在环保方面具有优势，但制备出的多孔淀粉往往具有不规则的孔结构和较低的吸附能力，这在一定程度上限制了其在工业中的应用。

为了克服上述问题，研究者尝试将不同的物理预处理方法与酶解相结合，以提升多孔淀粉的性能。例如，Xie等人（2019）的研究表明，湿热处理与酶解的结合可以有效降低多孔小麦淀粉的溶解性和膨胀性，同时显著增强其吸附能力、比表面积和孔体积。Yu等人（2018）则发现，冻融预处理能够提高多孔玉米淀粉在油和水中的吸附能力、膨胀能力和溶解性。Jiang等人（2023）的研究进一步表明，微波预处理后进行复合酶解，可以得到具有更密集孔结构的多孔淀粉，而不会引入新的功能基团。尽管这些方法在提升多孔淀粉性能方面取得了一定成效，但其处理过程通常较为复杂，且局限于小规模生产，难以满足工业化的需求。

基于此，本研究提出了一种新的策略，即利用电子束辐照（EBI）作为物理预处理手段，与酶解协同作用，以期实现多孔淀粉的大规模高效制备。EBI作为一种非热处理技术，利用加速器产生的高能电子束对食品材料进行改性。该技术能够在常温下破坏淀粉的晶体结构，生成微孔，从而避免高温处理可能导致的淀粉凝胶化或变性问题，同时保留其天然的吸附特性。此外，EBI预处理已被证明能够破坏淀粉颗粒的双螺旋结构和结晶区域，为后续的酶解提供更多的反应位点。然而，EBI与酶解的协同作用尚未得到系统研究。

本研究的假设是，EBI处理能够破坏淀粉颗粒的表面结构，生成更多的微孔，从而为酶解过程提供更多的通道，提高酶与底物的接触效率。这种结构上的改变有望加速催化反应，缩短酶解时间，最终提高多孔淀粉的制备效率。为了验证这一假设，研究者建立了一个玉米多孔淀粉的制备体系，通过不同剂量（10 kGy和30 kGy）的EBI预处理，结合α-淀粉酶和葡萄糖苷酶的协同作用，制备出多孔淀粉样品。随后，通过SEM、1H NMR、FTIR和XRD等多种分析手段，系统地研究了EBI辅助酶解对多孔玉米淀粉的物理化学性质的影响。同时，还对多孔淀粉的溶解性、膨胀能力、粒径分布、比表面积以及水油吸附能力等进行了表征，并通过甲基蓝吸附实验评估了其吸附性能和作用机制。

研究结果表明，EBI预处理与酶解的协同作用显著提升了多孔玉米淀粉的结构和吸附性能。与单独酶解相比，EBI-酶解组合处理后的淀粉具有更均匀且更深的孔结构，这主要归因于EBI诱导的表面破坏和微孔增加，从而增强了酶的接触和作用效率。结构上的优化不仅提高了淀粉的比表面积，还增强了其吸附能力，使其在水和油中的吸附性能分别提升了21.90%和28.40%。此外，甲基蓝吸附实验进一步验证了这些处理对吸附性能的影响，结果显示吸附过程符合伪二级动力学模型，且等温吸附行为与Langmuir模型高度一致，最大吸附能力达到了951.10 mg/g。这些发现表明，EBI与酶解的协同处理为高效、可扩展的绿色制造过程提供了新的思路。

研究的创新之处在于，首次系统地探讨了EBI预处理与酶解协同作用对多孔淀粉性能的影响。通过结合EBI的物理改性和酶解的化学降解，研究者成功地制备出具有更优结构和性能的多孔淀粉材料。这种新型的制备方法不仅避免了传统化学方法对环境的污染，也克服了物理方法在孔结构控制方面的不足。同时，相较于现有的酶解方法，EBI预处理能够显著缩短反应时间，提高处理效率，为工业化生产提供了可行的解决方案。此外，该方法在不引入新的功能基团的情况下，实现了淀粉结构的优化，使其在吸附性能方面表现出色，这为多孔淀粉在食品、医药和环保等领域的应用提供了新的可能性。

本研究的意义在于，它不仅揭示了EBI预处理与酶解协同作用对多孔淀粉结构和性能的影响机制，还为开发高效、环保的多孔淀粉制备技术提供了理论依据和技术支持。通过这一研究，可以为食品工业、制药行业以及环境治理等领域提供一种新型的多孔淀粉材料，具有广阔的应用前景。此外，该研究也为其他淀粉材料的改性提供了参考，推动了绿色制造技术的发展。研究者希望通过本研究，能够为多孔淀粉的工业化生产提供新的思路和方法，使其在实际应用中发挥更大的作用。

在实际应用中，多孔淀粉的制备方法需要兼顾效率和环保性。EBI作为一种非热处理技术，能够在常温下实现对淀粉结构的改性，这不仅降低了能耗，还避免了高温处理可能带来的负面影响。同时，EBI处理后的淀粉具有更高的比表面积和更均匀的孔结构，这为其在吸附和缓释等应用中提供了良好的基础。通过与酶解的协同作用，进一步优化了这些结构特性，使得多孔淀粉的吸附能力得到了显著提升。这种处理方式的环保性和高效性，使其成为替代传统化学和物理方法的理想选择。

此外，研究中所采用的分析手段，如SEM、1H NMR、FTIR和XRD，为评估多孔淀粉的结构变化提供了有力的支持。这些技术能够从微观和宏观层面揭示淀粉的结构特征，从而为理解其性能变化提供了科学依据。例如，SEM图像显示，经过EBI处理的淀粉样品表面出现了更多的微孔，而1H NMR和FTIR分析则进一步揭示了分子结构的变化，XRD结果则反映了结晶度的降低。这些分析手段的综合应用，不仅提高了研究的准确性，也为未来的研究提供了方法上的借鉴。

在工业应用方面，多孔淀粉的制备需要考虑其规模化生产的可行性。EBI预处理与酶解的协同作用，不仅能够提升多孔淀粉的性能，还能够在一定程度上简化处理流程，提高生产效率。例如，EBI处理可以在短时间内完成，而酶解过程则可以通过优化反应条件来缩短时间。这种处理方式的高效性，使其更适合于大规模生产，从而满足市场需求。同时，由于EBI处理不涉及高温，也不会产生有害的副产物，因此在环保方面具有显著优势。

在实际应用中，多孔淀粉的性能优化对于其在不同领域的应用至关重要。例如，在食品工业中，多孔淀粉可以作为载体用于食品添加剂的封装，提高其稳定性和释放效率；在医药领域，多孔淀粉可以作为药物载体，实现药物的缓释和靶向输送；在环境治理方面，多孔淀粉可以用于吸附污染物，提高其净化能力。因此，提升多孔淀粉的结构和性能，对于拓展其应用范围具有重要意义。

综上所述，本研究通过EBI预处理与酶解的协同作用，成功制备出具有更优结构和性能的多孔玉米淀粉材料。这一方法不仅提高了多孔淀粉的吸附能力，还为其在多个领域的应用提供了新的可能性。研究结果表明，EBI预处理能够有效破坏淀粉的晶体结构，生成更多的微孔，从而增强酶解效率，提高多孔淀粉的性能。同时，该方法在环保性和生产效率方面也表现出显著优势，为多孔淀粉的工业化生产提供了可行的解决方案。未来，随着对EBI处理技术的进一步研究和优化，有望在更多领域实现多孔淀粉的广泛应用，推动其在食品、医药和环保等领域的创新和发展。