燕麥酶解淀粉的吸濕性及其動力學研究

邢 明 ,劉 英

(武漢工業學院食品科學與工程學院,湖北武漢 430023)

天然的淀粉顆粒雖然具有吸濕性,但是吸濕率一般不高,約為 15%左右。使用淀粉酶酶解淀粉,可以增加淀粉顆粒表面的微孔數量,增大其比表面積這樣可以使淀粉顆粒暴露出更多的吸附活性點,從而提高它的吸濕能力,拓寬其應用領域[1]。

淀粉衍生物由于其具有無毒、可生物降解、可再生等優點,廣泛應用于污水處理、造紙、紡織等行業[2],其作為吸濕保濕劑的研究尚處于起步階段,對其吸濕動力學研究報道也較罕見。本文以燕麥淀粉為原料,采用耐高溫α-淀粉酶水解制備不同 DE值的樣品,通過對燕麥淀粉酶解前后各樣品的吸濕性研究,并通過吸附動力學模型擬合各樣品的吸濕方程式,為其應用提供必要的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

自制燕麥淀粉 (水分含量 11.3%,酸度 0.42 o,灰分 0.21%,蛋白質 0.14%,脂肪 0.07%,細度99.8%,白度 94.9%);耐高溫 α-淀粉酶 (suhong AA-plus：諾維信 (中國)生物技術有限公司);LG-5型真空冷凍干燥機 (上海市離心機械研究所)。

1.2 試驗方法

1.2.1 燕麥酶解淀粉的制備

圖1 燕麥酶解淀粉工藝流程圖

制備工藝見圖1。中,置于 RH85±1%干燥器內吸濕 (室溫下),每隔1d稱量一次。

把濃攪拌好度 15%的燕麥淀粉漿倒入酶反應器,接通超級恒溫水浴鍋 (反應溫度 90℃),控制加酶量(3.4U/g,5.1U/g,6.8U/g,8.5U/g,10.2U/g,11.9U/g,13.6U/g,15.3U/g,17U/g),用攪拌器進行攪拌,以計時器計時 (反應時間 20min)。反應結束后以 1mol/LHCl調 pH小于 3滅酶,待反應液溫度低于 50℃,再用 1mol/LNaOH將反應液 pH調至6.0—6.5。通過冷凍干燥得到不同 DE值的樣品。

1.2.2 吸濕性及其動力學測定

將干燥器內硅膠取出,用飽和鹽溶液來調節密閉環境的濕度 (飽和氯化鉀溶液的相對濕度為85%),根據樣品重量的變化測定吸濕性。

(1)吸濕性的測定[3-9]：測定前將待測樣置于烘箱中 105±1℃烘至恒重。準確稱取 1g樣品于鋁盒

(2)吸濕動力學研究[10]：根據樣品放置前后的質量差求出吸水量,根據吸水量擬合吸附動力學曲線,得出各樣品在 RH85%的環境中的吸濕動力學方程。

2 結果與討論

2.1 吸濕性

吸濕性是指粉末物質從相對濕度較高的外界環境吸附水分的能力。當環境溫度和相對濕度一定時,在整個吸濕過程中,就各個樣品而言吸濕速率隨著時間的延長,逐漸上升并呈現先快后慢的趨勢,其中吸濕初始階段 0—1d較快,1 d以后速度變慢,3 d時基本達到平衡,5 d內吸濕率均小于 30%。且隨著 DE值的升高,樣品的吸濕性逐漸升高 (表1和圖2)。這可能受樣品中低分子糖的類型和含量的影響,葡萄糖、麥芽二糖、麥芽三糖、麥芽四糖等在無定形態具有較強的吸濕性,DE值越高,樣品中低分子糖含量越高,因此吸濕性越強[3]。

表1 不同 DE值樣品放置不同時間的吸濕率 /%

圖2 不同 DE值樣品的吸濕性

2.2 吸濕動力學研究

燕麥酶解淀粉的吸濕行為為固氣吸附過程,現在被廣泛應用的吸附模式有 Lagergren的一級動力學模型 (pseudo-first order model)及 Ho的二級動力學模型 (pseudo-second order model)。首先考慮用一級吸附動力學方程來擬合動力學實驗,Lagergren的一級吸附動力學方程[4-5]表達式如下：

其中：qe和 q分別為吸附平衡和時間 t時刻的吸附量 (mg/g),k1是一次速率常數 (h-1)。從一級吸附動力學的方程可以看出,以 log(qe-q)對 t作圖應有線性關系,而在擬合過程中,需要知道平衡時刻的吸附量 qe,但是由于很多情況下吸附過程比較緩慢,難以確定 qe,并且相關文獻表明,Lagergren一次速率方程在應用于吸附動力學研究時,一般只符合吸附的初始階段[6],而在整個過程中相關性并不好?，F其應用于吸濕實驗中,通過擬合考察其相關性,并將吸濕 120 h后的樣品吸濕量看做平衡時刻的吸濕量 (見圖3和表2)。

圖3 RH85%不同DE值樣品用一級吸附方程式擬合的吸濕動力學曲線

表2 一級吸附方程式擬合的吸濕動力學曲線相關數據

由表2可以看出,用一級吸附動力學模擬吸濕動力學曲線的相關系數較低,并計算得到的 q值qe/cal與實驗值 qe/exp相差較大,這表明樣品對水分的吸收不符合一級吸附動力學.因而轉為用二級吸附動力學模擬。

二級吸附動力學的模型可以用如下公式表示[7-9]：

式中：k2(g/mg·h-1)是二級速率常數.應用二級吸附動力學方程時,以 t/q對 t作圖應有線性關系,事先無需知道任何參數即可計算得到 q。在 85%的相對濕度下,應用二級吸附動力學方程模擬吸濕過程得到擬合曲線和相關數據見圖4和表3所示。

圖4 RH85%不同DE值樣品用二級吸附方程式擬合的吸濕動力學曲線

表3 二級吸附方程式擬合的吸濕動力學曲線相關數據

由圖4可以看出,用二級吸附動力學模型擬合樣品在 RH85%環境中的吸濕動力學效果比較好,所擬合的曲線近似線性,計算得出的相關參數如表3,從表3可以看出,對于 RH85%環境中的吸濕過程來說,用二級吸附動力學模擬的線性很好,相關系數R2達 0.9998以上,并且通過二級吸附動力模型計算得到的 q值 qe/cal與實驗值 qe/exp較為接近,進一步說明樣品的吸濕過程可以用二級吸附動力學模型很好地描述。因此各樣品在 RH85%環境中用二級吸附動力學模型擬合的吸濕動力學曲線所得出的吸濕方程式如見表4。

表4 各樣品在 RH85%環境中的吸濕方程

3 結論

3.1 酶解后的燕麥淀粉吸濕性較原淀粉有所增強,且 DE值越大,吸濕性越強。

3.2 用二級吸附動力學模型擬合樣品在 RH85%環境中的吸濕動力學效果比較好,所擬合的曲線近似線性,相關系數 R2達 0.9998以上,并且計算得到的 q值 qe/cal與實驗值 qe/exp較為接近。DE值為1.16、1.79、2.39、2.93、3.73、4.11、4.83、5.15、5.87的樣品吸濕方程分別是 Y=0.00518x+0.6823,Y=0.00359x+1.6967,Y=0.00358x+1.4984,Y=0.00348x+1.6608,Y=0.00346x+1.6663,Y=0.00339x+1.6143,Y=0.00337x+1.5527,Y=0.00337x+1.4816,Y=0.00332x+1.5313,Y=0.00331x+1.4464。其中 Y=t/q,x=t。

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