一种去脂酶解配合多频超声波处理制备淀粉纳米晶的方法，涉及到醇法脱脂、淀粉溶胀酶法限制性降解和多频超声波处理技术，属于变性淀粉开发技术领域。
背景技术：
淀粉纳米晶是淀粉无定形区经酸水解后剩余对酸有抗性的纳米片层结晶部分，其三维尺寸为：长20～40nm，宽15～30nm，高5～7nm。淀粉纳米晶结合了颗粒的纳米效应与淀粉生物基来源的优点，与无机纳米颗粒相比，其具备可再生、生物可降解以及优异的生物相容性等特点；另外，淀粉纳米晶还表现出较强的力学性能和较高的表面能。基于上述优点，淀粉纳米晶被广泛应用于材料、医药和乳液等领域。
目前，制备淀粉纳米晶的方法主要有水解和机械处理两种方法。水解法制备淀粉纳米晶由于其简单易操作的特点而被广泛采用，具体分为酸解和酶解法两种，所得纳米淀粉颗粒为淀粉的结晶部分，其结晶度高，具有较高的机械强度。然而由于淀粉颗粒本身结构的限制，如淀粉表面硬壳层对水解具有抗性，颗粒的致密结构阻碍酸或酶分子的渗入，导致水解法制备淀粉纳米晶的时间长(5～7d)，得率低(10～15％)，这对淀粉资源造成了极大的浪费且限制了其应用。机械法制备淀粉纳米晶是指淀粉颗粒经均质、超声、球磨等物理处理后使淀粉颗粒微细化而制得淀粉纳米晶或纳米淀粉，此方法无需化学试剂的参与且得率较高，但由于高机械能的摄入其制备过程中通常伴随淀粉的糊化过程而使粒度偏大，从而丧失了淀粉纳米晶本身结构强度高的优势，限制了其应用范围。
基于淀粉自身结构在水解过程中对酸或酶存在抗性的特点，若在提高其对酸或酶的耐受性的同时水解掉淀粉颗粒中无定形区域，便可显著提高淀粉纳米晶的制备效率。本发明方法首先通过脱脂预处理淀粉，以降低淀粉颗粒表面硬壳层对酶水解的抗性，进而采用中温α-淀粉酶对淀粉进行酶解，破坏淀粉颗粒的半晶结构，剩余以弱物理结构相连的结晶区。与传统制备多孔淀粉所采用的常温α-淀粉酶相比，中温α-淀粉酶可提高酶解温度，促进水在淀粉颗粒中的渗透而促使其溶胀，加速酶对无定形区的水解过程。在此基础上，借助物理处理对其进行破碎，可制得淀粉纳米晶。然而，由于淀粉本身粒度分布广，酶解后多孔淀粉的孔隙复杂导致传统机械破碎处理效率低、破碎不彻底。本发明方法拟采用多频超声波处理多孔淀粉，以提高其破碎效率。众所周知，超声波的声波只有在共振的情况下，才能对物料达到最佳的处理效果。由于多孔淀粉孔隙多样和粒度分布广的特点导致了此体系的复杂性，所以固定的单频超声处理难以完全使多孔淀粉发生共振，导致处理效果差。而超声波的多频处理则可以更有效地提高共振效率，从而促进多孔淀粉的破碎。所以，本发明方法采用多频超声处理去脂酶解制备的多孔淀粉，以实现快速高效制备淀粉纳米晶的目的。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种快速高效制备淀粉纳米晶的方法，提高淀粉附加值，扩大其应用范围。
本发明的技术方案为：一种去脂酶解配合多频超声波处理制备淀粉纳米晶的方法，以蜡质大米淀粉为原料，首先采用索氏抽提去除淀粉所含脂质而破坏淀粉颗粒表面的硬壳层，进而采用中温α-淀粉酶限制性水解淀粉颗粒制备多孔淀粉，并配合多频超声波处理，促使结晶区与结晶区间的弱物理连接断裂而形成淀粉纳米晶。具体工艺步骤为：
(1)醇法淀粉脱脂：
配制70％～90％(v/v)甲醇-水溶液，蜡质大米淀粉以滤纸包裹，淀粉样品与甲醇-溶液的质量体积分数为20％～40％，于65～85℃条件下索氏提取12～24h，将抽提后的淀粉减压干燥至恒重；
(2)淀粉溶胀酶法限制性降解：
将步骤(1)中所得的淀粉以ph为5～7的磷酸缓冲液配制为5％～15％(w/v)的淀粉乳，添加中温α-淀粉酶(500～1500u/g淀粉)，置于45～65℃的恒温水浴中，搅拌酶解5～10h，进而添加过量乙醇促使淀粉酶失活，过滤干燥后得多孔淀粉；
(3)多频超声处理多孔淀粉制备淀粉纳米晶：
将步骤(2)中所得的多孔淀粉与水混合配制为4％～12％(w/v)的多孔淀粉乳，置于多频超声波操作系统中，设置温度为10～30℃，超声波的工作频率为20～70khz(选取20khz，35khz和50khz)两两组合或三种同时组合，脉冲模式为10s，间隔5s，处理功率为400～800w，多频超声处理时间为30～90min，搅拌转速为100～300r/min。
所述步骤(3)中获得的淀粉纳米晶由聚合度dp＝10～18和dp＝21～33两种分布范围的糊精组成。
制得的淀粉纳米晶，酶解时间为5～10h，淀粉纳米晶得率为20％～30％，采用ikaultraturraxt20在13500rpm条件下高速剪切3min后于4℃条件下超声10min使其均匀分散，marvernnanozs90测定所得淀粉纳米晶的粒径分布为50～400nm。
本发明的有益效果：
(1)淀粉经脱脂预处理后表面对酶有抗性的硬壳层消失，缩短了酶解时间，可加速后续多孔淀粉的制备过程；
(2)采用中温α-淀粉酶制备多孔淀粉，酶解温度的提高可有效促进淀粉的可逆溶胀而不至于发生糊化，提高了酶解效率，缩短了酶解时间；
(3)多频超声波处理可有效提高多孔淀粉的共振效率，进而促进多孔淀粉的破碎过程，提高了制备效率和得率。
具体实施方式
为更好理解本发明，如下结合实施例与对比例对本发明的主旨进行更为深入的理解，以促进本发明的推广与应用。
实施例1
配制90％(v/v)的甲醇-水溶液，以滤纸包裹蜡质大米淀粉，其质量体积分数为甲醇-水溶液的20％，于65℃条件下索氏抽提24h，待有机溶剂挥发后热风干燥至水分含量约为10％(w/w)。上述去脂后的淀粉以ph＝5的磷酸缓冲液配制为15％(w/v)的淀粉乳，添加中温α-淀粉酶(1500u/g淀粉)，置于50℃的恒温水浴中，搅拌水解5h后添加过量乙醇促使淀粉酶失活，过滤干燥后得多孔淀粉。
将上述多孔淀粉配制为4％(w/v)的多孔淀粉乳，置于多频超声波操作系统中，设置温度为10℃，超声波的工作频率为20khz，35khz和50khz，脉冲模式为10s，间隔5s，处理功率为400w，多频超声处理时间为90min，搅拌转速为100r/min。处理后的淀粉乳离心沉淀，经冻干后计算淀粉纳米晶的得率为23％，粒径分布为50～200nm。
实施例2
配制70％(v/v)的甲醇-水溶液，以滤纸包裹蜡质大米淀粉，其质量体积分数为甲醇-水溶液的40％，于85℃条件下索氏抽提24h，待有机溶剂挥发后热风干燥至水分含量约为10％。上述去脂后的淀粉以ph为7的磷酸缓冲液配制为15％的淀粉乳，添加中温α-淀粉酶(500u/g淀粉)，置于60℃的恒温水浴中，搅拌水解10h后添加过量乙醇促使淀粉酶失活，过滤干燥后得多孔淀粉。
将上述多孔淀粉配制为12％的多孔淀粉乳，置于多频超声波操作系统中，设置温度为10℃，超声波的工作频率为20/35khz、20/50khz和35/50khz两两组合，脉冲模式为10s，间隔5s，处理功率为800w，多频超声处理时间为30min，搅拌转速为300r/min。处理后的淀粉乳离心沉淀，经冻干后计算得淀粉纳米晶的得率为28％，粒径分布为50～350nm。
对比例1：酸水解法制备淀粉纳米晶
(1)将浓硫酸稀释配制为3.16m的稀硫酸，加入蜡质玉米淀粉配制质量体积分数为15％(w/v)的淀粉乳；
(2)上述淀粉乳置于40℃水浴中，以200r/min的搅拌速度水解5d得到淀粉纳米晶、糊精和糖的混合液；
(3)离心沉淀上述混合液，得到上层为硫酸与低聚糖的混合液，下层沉淀则为淀粉纳米晶；以去离子水洗涤上述沉淀，直至离心后上清液为中性。将上述沉淀冻干后即为淀粉纳米晶，其得率为15.7％，粒径分布为50～200nm。
对比例2：酶解预处理配合酸水解法制备淀粉纳米晶
(1)以磷酸-柠檬酸缓冲液(ph＝4)配制200g/l的蜡质玉米淀粉乳，添加葡糖淀粉酶(15u/g淀粉)后于40℃条件下水解2h，以除去蜡质玉米淀粉的无定形结构；
(2)调节上述葡萄糖淀粉酶水解淀粉乳的硫酸浓度为3.16m，以200r/min条件搅拌水解43h后中止反应；
(3)离心沉淀上述混合液，得到上层为硫酸与低聚糖的混合液，下层沉淀则为淀粉纳米晶；以去离子水洗涤上述沉淀，直至离心后上清液为中性。将上述沉淀冻干后即为淀粉纳米晶，得率为15％，其粒径分布约为50～300nm。