一种具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物及其制备方法

1.本发明属于淀粉深加工技术领域，具体涉及一种具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物及其制备方法。


背景技术：

2.作为植物体内重要的储能物质，淀粉是仅次于纤维素的的重要可再生资源。我国淀粉资源极为丰富，年总产量已超3000万吨，但90％以上用于生产淀粉糖、糖醇、发酵制品等初级产品，与欧美发达国家还有较大的差距，主要反映在原料利用率低、生产技术不完善，尤其是高附加值产品缺乏。大宗淀粉通过适当改性后使其原有的分子结构发生改变，从而改变淀粉的理化性质，如糊化特性、水溶性、凝胶化能力、抗老化性、粘度及成膜性等，可以被广泛应用在食品、造纸、纺织、精细化工、医药等领域。例如，物理改性工艺简单、易操作，但物理改性对淀粉改性程度不高，常需要与其它改性手段联用；化学改性淀粉是目前淀粉工业中用量最大的，但其改性成本高且产生的废物对环境存在污染；酶改性的反应条件温和、反应效率高、底物特异性强且绿色环保；复合改性则是利用多种改性方法相结合得到具有组合特性的改性衍生物。当前，国际跨国公司宜瑞安、嘉吉、罗盖特等利用绿色清洁生产技术开发了纳米淀粉、智能水凝胶、药物递送载体、生物降解材料等并形成了规模化的生产销售；国内企业主要生产销售酸解淀粉、氧化淀粉、醋酸酯淀粉等传统化学改性产品，亟需丰富升级现有产品种类，提升产品附加值。基于上述原因，本发明设计并制备了一种具有核-壳-冠结构的新型淀粉聚合物。


技术实现要素：

3.本发明旨在提供一种具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物的合成方法，该方法具有方法操作简便、反应条件可控和可连续化绿色生产等特点。
4.本发明的目的通过下述技术方案来实现：以线性淀粉糊精为原料，通过多酶耦联催化与控温结晶工艺制备得到具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物，依次包括如下步骤：
5.(1)将线性淀粉糊精溶解于ph5.0-7.0的缓冲盐溶液体系，以得到质量浓度为10％-30％的线性淀粉糊精溶液，然后添加50-600u/g多功能淀粉酶并于35-70℃恒温反应6-48h；
6.其中，所述多功能淀粉酶来源于水解糖酶家族13或57，具有糖链支化活力/解聚活力(酶促催化聚合形成1,6和1,4键比例)《30；
7.(2)待步骤(1)反应结束后，加热灭酶活，向其中加入30-200u/g糖基转移酶于35-50℃恒温反应2-12h；
8.(3)待步骤(2)反应结束后，加热灭酶活，调节体系温度至0-20℃储藏6-24h后离心、取沉淀干燥即得到目标产物——具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物。
9.作为本发明的一种实施方式，所述多功能淀粉酶的糖链支化活力是指降低线性淀粉-碘复合物在660nm处吸光率的活力，且是基于多功能淀粉酶切断α-1,4糖苷键并转移至
另一个葡萄糖残基从而形成环形链结构来减少线性淀粉片段的能力，支化活力(u/ml)＝[(线性淀粉-碘复合物在660nm的吸光值-加入酶制剂的线性淀粉-碘复合物在660nm的吸光值)/(线性淀粉-碘复合物在660nm的吸光值)]
×
100/10
×
20。糖链解聚活力是指：指淀粉分子量降低的活力，即在糖酶催化最适温度和ph条件下，多功能淀粉酶作用1g淀粉底物反应8h时将淀粉分子量降至500000da所需酶的量。具体测试方法：分子量降低活力(u/ml)＝1/[(淀粉分子量降至500000da所需的酶量/1000)
×
(1000mg/样品质量)]。其中所述的活力均是在70℃、ph 7.0条件下测定的。
[0010]
在本发明的一种实施方式中，所述多功能淀粉酶包括：利用古生菌、细菌中水解糖酶家族13或57活化培养、发酵产酶、收集菌体、冻干粉碎制得的多功能淀粉酶；所述多功能淀粉酶的糖链支化活力与解聚活力的比值小于30。
[0011]
在本发明的一种实施方式中，所述多功能淀粉酶的具体制备方法步骤参考申请号为2019106991744的中国专利。
[0012]
在本发明的一种实施方式中，所述微生物源包括：嗜热脂肪芽孢杆菌bacillus stearothermophilus atcc 7953、极端嗜热菌calditerricolayamamurae utm801 cgmcc 6185、极端嗜热球菌streptococcus thermophilus atcc 14485、嗜热栖热菌thermus thermophilesatcc33923、嗜热古细菌aeropyrumpernix k1等购自于美国atcc、日本jcm等生物资源中心。
[0013]
作为本发明的一种实施方式，所述糖基转移酶为淀粉蔗糖酶、葡聚糖蔗糖酶、麦芽糖转葡糖基酶、葡聚糖分支酶、葡聚糖磷酸化酶中的至少一种。
[0014]
作为本发明的一种实施方式，所述多功能淀粉酶的用量为60u/g。
[0015]
作为本发明的一种实施方式，所述糖基转移酶的用量为100u/g。
[0016]
作为本发明的一种实施方式，所述线性淀粉糊精为植物源淀粉的降解产物，所述线性淀粉糊精的分子量为(1.0-20.0)
×
104g/mol。
[0017]
作为本发明的一种实施方式，所述植物源淀粉包括谷物淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉中的至少一种。
[0018]
作为本发明的一种实施方式，所述缓冲盐溶液体系为磷酸盐、柠檬酸盐、醋酸盐、tris-盐酸盐、巴比妥盐中的至少一种。
[0019]
作为本发明的一种实施方式，步骤(2)中加热灭酶活的条件具体为：95℃水浴加热30-60min。
[0020]
本发明的第二目的在于提供前述方法制备得到的淀粉衍生物，其微观形貌呈核-壳-冠结构，分子量为(0.1-5.0)
×
108g/mol，颗粒大小为200-2000nm，结晶度为10-35％，横向晶粒尺寸为3-15nm，难消化营养片段比例为》45％。
[0021]
本发明的第三目的在于提供前述淀粉衍生物在特医食品、主-客体胶囊化载体和生物医用材料等领域中的应用。
[0022]
有益效果：
[0023]
1)本发明的方法，采用多酶耦联催化与控温结晶工艺，具体地：首先线性淀粉糊精在多功能淀粉酶的酶促催化下聚合形成多分支糖链结构的内核，再在糖基转移酶的酶促催化下在内核表面部分扩链，最后调控加工温度-时间等参数使糖链在内核表面自组装聚集形成壳-冠结构，最终形成具有核-壳-冠结构的淀粉衍生物。
[0024]
2)本发明的方法步骤简便、易于操作、反应条件可控、成本相对较低；采用清洁生产工艺，对环境基本无污染；所得淀粉衍生物的微观形貌呈核-壳-冠结构，分子量为(0.1-5.0)
×
108g/mol，颗粒大小为200-2000nm，结晶度为10-35％，横向晶粒尺寸为3-15nm，难消化营养片段比例为》45％。
[0025]
3)本发明所制备的具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物，在内核表面形成糖链双螺旋结晶结构，本发明产品可应用于特医食品、主-客体胶囊化载体、生物医用材料等领域。
[0026]
4)本发明充分利用我国资源丰富的淀粉来设计具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物的加工方法，创制出不同应用性能的产品，增加淀粉附加值，扩大淀粉的应用领域，满足了应用行业对淀粉结构和性能的要求。本发明制备的产品可应用于食品、医药、日用化学品等多个领域，市场前景十分看好，经济效益广阔。
附图说明
[0027]
图1线性玉米淀粉糊精和实施例1制备的核-壳-冠结构的淀粉聚合物的xrd图。
[0028]
图2本发明的具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物的结构示意图。
具体实施方式
[0029]
下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明所保护的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0030]
测试方法：
[0031]
绝对分子量测定：采用高效液相体积排阻色谱、多角度激光光散射检测器和示差折光检测器联用系统，选用shodx ohpak sb-805hq凝胶色谱柱，0.1mol/l硝酸钠溶液为流动相，流速设为0.7ml/min，折光指数设定为dn/dc＝0.138。
[0032]
颗粒尺寸测定：采用激光粒度分析仪测定，以波长658nm的固定激光为光源，散射光角度为90
°
，操作温度为25℃。
[0033]
结晶度和晶体粒度测定：采用x射线衍射仪分析，设定功率1600w，铜靶cu kα(λ＝1.5406nm)，扫描速度为4
°
/min，扫描范围3～40
°
，利用mdi jade软件测算样品的结晶度i和晶体粒度dc。具体公式如下：
[0034][0035][0036]
式中：ic—结晶衍射峰衍射强度；i
p
—非结晶峰衍射强度；λ—辐射波长(nm)；b—结晶峰的半峰宽；θ-衍射角度。
[0037]
难消化性能的测定：采用爱尔兰megazyme公司产的全淀粉分析套件按照englyst法测定难消化淀粉营养片段的含量。
[0038]
酶的来源：
[0039]
多功能淀粉酶的制备方法：
[0040]
来源于古生菌、细菌中水解糖酶家族13或57，具有糖链支化活力/解聚活力《30，采
用从自然界中筛选获得古生菌或细菌经过活化培养、发酵产酶、收集菌体、冻干粉碎等步骤得到酶制剂，具体方法步骤参见申请号为2019106991744的中国专利中微生物源转苷糖酶制剂的制备方法。
[0041]
糖基转移酶的来源：市售的淀粉蔗糖酶、葡聚糖蔗糖酶、麦芽糖转葡糖基酶、葡聚糖分支酶、葡聚糖磷酸化酶等。
[0042]
实施例1：
[0043]
称取分子量为2.7
×
104g/mol的线性玉米淀粉糊精溶解于ph7.0的tris-盐酸盐缓冲溶液体系并配成质量浓度为10％的淀粉糊精均一溶液，然后向其中添加60u/g底物的水解糖酶家族13多功能淀粉酶(糖链支化活力/解聚活力为26.2)3 5℃恒温反应10h；置于95℃水浴加热30min后，继续加入100u/g底物的葡聚糖蔗糖酶在40℃恒温反应5h；反应结束后加热灭酶活，调节体系温度至4℃储藏10h后离心处理、沉淀干燥即为目标产物——具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物。
[0044]
经过测定，实施例1制得的具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物的分子量为1.3
×
108g/mol，颗粒大小为283nm，结晶度24％，横向晶粒尺寸5.1nm，难消化营养片段比例高达65％。
[0045]
由图1的对比，可以看出线性玉米淀粉糊精经过多酶耦联催化与控温结晶工艺形成了内无定形-外结晶的特定结构，证明了核-壳-冠结构的淀粉聚合物(参见图2)的成功制备。
[0046]
实施例2：
[0047]
称取分子量1.2
×
105g/mol的线性马铃薯淀粉糊精溶解于ph5.0的醋酸盐缓冲盐溶液体系并配成质量浓度为15％的淀粉糊精均一溶液，然后向其中添加200u/g底物的水解糖酶家族57多功能淀粉酶(糖链支化活力/解聚活力为18.4)40℃恒温反应12h；置于95℃水浴加热40min后，继续加入100u/g底物的淀粉蔗糖酶在35℃恒温反应3h；反应结束后加热灭酶活，调节体系温度至20℃储藏6h后离心处理、沉淀干燥即为目标产物——具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物。
[0048]
经过测定，实施例2制得的具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物的分子量为3.5
×
108g/mol，颗粒大小为1080nm，结晶度31％，横向晶粒尺寸9.5nm，难消化营养片段比例高达57％。
[0049]
实施例3：
[0050]
称取分子量5.6
×
104g/mol的线性豌豆淀粉糊精溶解于ph6.0的磷酸盐缓冲盐溶液体系并配成质量浓度为30％的淀粉糊精均一溶液，然后向其中添加500u/g底物的水解糖酶家族13多功能淀粉酶(糖链支化活力/解聚活力为10.5)60℃恒温反应36h；置于95℃水浴加热60min后，继续加入200u/g底物的葡聚糖蔗糖酶在50℃恒温反应12h；反应结束后加热灭酶活，调节体系温度至10℃储藏24h后离心处理、沉淀干燥即为目标产物——具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物。
[0051]
经过测定，实施例3制得的具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物的分子量为2.7
×
108g/mol，颗粒大小为793nm，结晶度25％，横向晶粒尺寸7.0nm，难消化营养片段比例高达62％。
[0052]
对比例1：
[0053]
参照实施例1，区别仅在于省略添加60u/g底物的水解糖酶家族13多功能淀粉酶(糖链支化活力/解聚活力为26.2)步骤，其他条件不变时获得的淀粉衍生物，即：
[0054]
称取分子量2.7
×
104g/mol的线性玉米淀粉糊精溶解于ph7.0的tris-盐酸盐缓冲溶液体系并配成质量浓度为10％的淀粉糊精均一溶液，然后在35℃恒温处理10h；置于95℃水浴加热30min后，继续加入100u/g底物的葡聚糖蔗糖酶在40℃恒温反应5h；反应结束后加热灭酶活，调节体系温度至4℃储藏10h后离心处理、沉淀干燥即为目标产物。
[0055]
经过测定，对比例1制得淀粉衍生物的分子量为7.5
×
104g/mol，颗粒大小为38nm，结晶度4％，横向晶粒尺寸0.6nm，难消化营养片段比例仅为26％。
[0056]
对比例2：
[0057]
参照实施例1，区别仅在于，多功能淀粉酶来源于水解糖酶家族13，糖链支化活力/解聚活力调整至53.6，其他条件不变时获得的淀粉衍生物，即：
[0058]
称取分子量2.7
×
104g/mol的线性玉米淀粉糊精溶解于ph7.0的tris-盐酸盐缓冲溶液体系并配成质量浓度为10％的淀粉糊精均一溶液，然后向其中添加60u/g底物的水解糖酶家族13多功能淀粉酶(糖链支化活力/解聚活力为53.6)35℃恒温反应10h；置于95℃水浴加热30min后，继续加入100u/g底物的葡聚糖蔗糖酶在40℃恒温反应5h；反应结束后加热灭酶活，调节体系温度至4℃储藏10h后离心处理、沉淀干燥即为目标产物。
[0059]
经过测定，对比例2制得淀粉衍生物的分子量为2.6
×
106g/mol，颗粒大小为54nm，结晶度7％，横向晶粒尺寸1.3nm，难消化营养片段比例仅为36％。
[0060]
对比例3：
[0061]
参照实施例1，区别仅在于省略“加入100u/g底物的葡聚糖蔗糖酶”步骤，同时其他条件不变时获得的淀粉衍生物，即：
[0062]
称取分子量2.7
×
104g/mol的线性玉米淀粉糊精溶解于ph7.0的tris-盐酸盐缓冲溶液体系并配成质量浓度为10％的淀粉糊精均一溶液，然后向其中添加60u/g底物的水解糖酶家族13多功能淀粉酶(糖链支化活力/解聚活力为26.2)35℃恒温反应10h；置于95℃水浴加热30min后，继续在40℃恒温反应5h；反应结束后加热灭酶活，调节体系温度至4℃储藏10h后离心处理、沉淀干燥即为目标产物。
[0063]
经过测定，对比例2制得淀粉衍生物的分子量为5.2
×
107g/mol，颗粒大小为71nm，结晶度0％，难消化营养片段比例仅为12％。
[0064]
对比例4：
[0065]
参照实施例1，区别仅在于将多功能淀粉酶用量由60u/g底物分别替换为25u/g、1000u/g，制得相应的淀粉衍生物。所得淀粉衍生物产品的性能结果见表1。
[0066]
表1不同多功能淀粉酶用量所得淀粉衍生物结果
[0067][0068]
对比例5：
[0069]
参照实施例1，区别仅在于，将葡聚糖蔗糖酶用量100u/g底物分别替换为10u/g、
500u/g，制得相应的淀粉衍生物。所得淀粉衍生物产品的性能结果见表2。
[0070]
表2不同葡聚糖蔗糖酶用量所得淀粉衍生物结果
[0071][0072]
实施例4：
[0073]
根据糖尿病人对碳水化合物的特殊需求，以本发明实施例1制得的具有核-壳-冠结构的淀粉聚合物为主要碳水化合物营养组份，设计创制糖尿病人群专用产品，产品富含难消化淀粉营养片段(》65％)，而且餐后血糖生成指数gi《55。
[0074]
实施例5：
[0075]
针对当前β-胡萝卜素、姜黄素等脂溶性植物化合物溶解度低、易氧化劣变等问题，通过原料学评价筛选结合实施例1～3所得的特定核-壳-冠结构的淀粉聚合物来载运植物化学物淀粉复合物，不仅提高了天然脂溶性植物化合物含量、氧化稳定性、溶解性和生物利用率，还能改善脂溶性植物化合物的不良风味。
[0076]
本文所描述的具体实施案例仅作为对本发明精神和部分实验做举例说明。本发明所述领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。