氧化醋酸酯馬鈴薯淀粉的制備工藝

譚屬瓊，劉麗平，陳厚榮，劉 雄

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

氧化醋酸酯馬鈴薯淀粉的制備工藝

譚屬瓊，劉麗平，陳厚榮，劉 雄*

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

優(yōu)化制備馬鈴薯氧化醋酸酯淀粉工藝。在單因素預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇次氯酸鈉用量、乙酸酐用量、反應(yīng)pH值、反應(yīng)時間為自變量，以取代度為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken原理設(shè)計試驗(yàn)，并進(jìn)行顯著性和交互作用分析。結(jié)果確定取代度的最佳工藝條件為次氯酸鈉用量1.805%、淀粉與乙酸酐用量5∶1、pH8.06、反應(yīng)時間1.5h，在此最佳條件下，制得的氧化醋酸酯淀粉取代度為0.0975。

馬鈴薯淀粉；氧化；醋酸酯；響應(yīng)面試驗(yàn)

馬鈴薯淀粉是重要的植物淀粉，它的生產(chǎn)量和商品量僅次于玉米淀粉。馬鈴薯淀粉由于具有糊化溫度低、黏度高、透明度高, 膨脹度大等特性，廣泛應(yīng)用于食品、飼料、醫(yī)藥等行業(yè)。但馬鈴薯原淀粉形成的的淀粉糊流動性差、固形物含量低、干燥慢等缺點(diǎn)，限制其應(yīng)用范圍。

氧化淀粉是淀粉在一定條件下與氧化劑起氧化反應(yīng)生成的一種變性淀粉，具有膠液透明度好、固含量高、黏度低、黏結(jié)力強(qiáng)、流動性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于紡織[1-2]、造紙[3]、食品[4-6]、建筑材料[7]、包裝[8]等行業(yè)。但是單一氧化淀粉糊液黏度低，柔軟性、伸長性、耐磨性、保油性和抗溶劑性較差，抗凝性較差。淀粉經(jīng)過醋酸酯化后，引入了乙?；鶊F(tuán)，與葡萄糖上的羥基形成了分子內(nèi)氫鍵，阻礙了分子間氫鍵的生成和分子的聚集，增強(qiáng)了淀粉粘合劑的抗凝沉性，提高了貯存穩(wěn)定性，形成的淀粉膜的透明度和光澤度好，柔軟性、伸長性、耐折度和耐磨度高，糊化溫度越低，凝沉性減弱[9-10]。但是，醋酸酯淀粉粘結(jié)力較差，滲透性較差，干燥速度慢，成膜均勻性較差。

本研究基于以上單一變性淀粉的優(yōu)缺點(diǎn)，以馬鈴薯淀粉作為原料，以期綜合兩種變性淀粉的優(yōu)點(diǎn)，提高馬鈴薯淀粉糊的黏度、抗凝性、成膜性、干燥性等。本實(shí)驗(yàn)從提高復(fù)合取代度出發(fā)，通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化，探討制備氧化醋酸酯復(fù)合變性淀粉的最佳工藝條件，旨在為氧化醋酸酯復(fù)合變性淀粉的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯淀粉(在40℃烘干至質(zhì)量恒定備用) 西安隴峰淀粉有限公司。

乙酸酐、氫氧化鈉、鹽酸 重慶川東化工有限公司化學(xué)試劑廠；次氯酸鈉 成都市科龍化工試劑廠；亞硫酸氫鈉 天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；酚酞 重慶北碚化學(xué)試劑廠。試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SHB-B88循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；DHG-9070電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；HH-6數(shù)顯恒溫水浴鍋、JJ-1精密增力電動攪拌器 常州澳華儀器有限公司；PHS-3C精密酸度計 上海大普儀器有限公司；Spectrun 100紅外光譜分析儀 美國Perkin Elmer公司。

1.3 方法

1.3.1 氧化淀粉的制備[11]

稱取馬鈴薯淀粉，并調(diào)制成30%～40%的淀粉乳，用3% NaOH調(diào)節(jié)pH值為7，并不斷地攪拌淀粉乳。反應(yīng)4h，在規(guī)定的時間(1～2h)內(nèi)添加完次氯酸鈉溶液。用量以有效氯占絕干淀粉百分率表示。反應(yīng)開始后應(yīng)每隔5min測量1次pH值，隨時調(diào)整。反應(yīng)體系的溫度維持在30℃范圍內(nèi)。待反應(yīng)結(jié)束時用3%鹽酸將體系調(diào)至pH6.5，用10%的亞硫酸氫鈉還原剩余的次氯酸鈉，經(jīng)洗滌除去可溶性副產(chǎn)品，鹽以及降解產(chǎn)品，并離心洗滌[12]。蒸餾水洗滌數(shù)次后，于40℃干燥，即得氧化淀粉。分別制備次氯酸鈉用量(有效氯，下同)為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%的氧化淀粉備用。

1.3.2 氧化醋酸酯淀粉的制備[13]

將氧化淀粉用蒸餾水調(diào)成40%淀粉乳液，轉(zhuǎn)入250mL燒杯中，放入水浴鍋中，控制反應(yīng)溫度，在連續(xù)中速攪拌下，用3% NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)液到規(guī)定的pH值，滴加一定量的醋酸酐，混勻后，用3%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，維持pH值恒定。如此反復(fù)，反應(yīng)到規(guī)定時間后，停止反應(yīng)，用0.5mol/L鹽酸調(diào)節(jié)pH值到4.5～6.5。將產(chǎn)品用蒸餾水洗滌至洗滌液不再顯酸性，抽濾，40℃干燥。

1.3.3 氧化醋酸酯淀粉取代度的測定[14]

準(zhǔn)確稱取經(jīng)充分干燥的產(chǎn)品2g，置于250mL碘量瓶中，加入50mL蒸餾水混勻，再加3滴1%酚酞指示劑溶液，然后用0.1mol/L氫氧化鈉溶液滴定至微紅色剛好不消失為終點(diǎn)，再加入25.00mL氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.5mol/L)，在40℃恒溫水浴中振蕩0.5h。停止攪拌，用蒸餾水小心沖洗攪拌棒和塞子以及燒瓶壁口上的溶液，在用0.5mol/L 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定皂化后過量的堿至粉紅色消失。所用的0.5mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V1。同時準(zhǔn)確稱取干燥的原淀粉2g(與樣品等質(zhì)量)進(jìn)行空白試驗(yàn)。測定步驟同上，并記錄用去的0.5mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V2。

式中：V2為空白樣消耗鹽酸的體積/mL；V1為樣品消耗鹽酸的體積/mL；c為鹽酸溶液濃度/(mol/L)；m為稱樣質(zhì)量/g；43和162分別為乙?；驮矸勖總€葡萄糖單元的相對分子質(zhì)量；1為H原子的相對原子質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氧化醋酸酯淀粉制備工藝條件的單因素試驗(yàn)

2.1.1 次氯酸鈉用量對取代度的影響

分別以次氯酸鈉用量0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%制備的氧化淀粉為原料，在乙酸酐用量10∶1、溫度30℃、pH8反應(yīng)1h，制得氧化醋酸酯淀粉，結(jié)果如圖1所示。

圖1 次氯酸鈉用量對取代度的影響Fig.1 Effect of NaClO amount on SD

由圖1可知，隨著次氯酸鈉用量的逐漸增大，取代度先增大后降低，當(dāng)用量為2%時取代度達(dá)到最高，高于2%后取代度越來越低，同時次氯酸鈉用量越高，反應(yīng)時越容易變黃，被堿化，導(dǎo)致后續(xù)加工受到影響。因此，次氯酸鈉用量以1.5%左右為宜。

2.1.2 乙酸酐用量對取代度的影響

圖2 乙酸酐用量對取代度的影響Fig.2 Effect of acetic anhydride amount on SD

以次氯酸鈉用量1.5%的氧化淀粉為原料，在溫度30℃、pH8、時間1h條件下，分別加入淀粉與乙酸酐用量比(質(zhì)量比)40∶1、20∶1、13.3∶1、10∶1、8∶1、5∶1、4∶1、2.5∶1的乙酸酐制備氧化醋酸酯淀粉[13]。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著乙酸酐用量的增加，氧化醋酸酯淀粉的取代度也隨之增大，但當(dāng)其用量超過5∶1時其取代度逐漸降低；當(dāng)酯化劑的用量低時，反應(yīng)效率較高，這是因?yàn)殡m然單位時間內(nèi)酯化劑與氧化淀粉的碰撞次數(shù)少，但有效碰撞概率大。但如果再增加乙酸酐用量，取代度就上升得很慢，并且在增加乙酸酐用量的同時，又得不斷增加氫氧化鈉的用量，而氫氧化鈉的溶液濃度又不能太高，否則淀粉漿液易溶脹，從而使反應(yīng)器中的整體溶液的固含量降低，反應(yīng)效率降低。因此，乙酸酐用量以8∶1左右為宜。

2.1.3 反應(yīng)pH值對取代度的影響

以次氯酸鈉用量1.5%的氧化淀粉為原料，在30℃、淀粉與乙酸酐用量比10∶1條件下、分別在pH6、7、8、9、10、11反應(yīng)1h制備氧化醋酸酯淀粉，結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)pH值對取代度的影響Fig.3 Effect of pH on SD

由圖3可以看出，隨著反應(yīng)體系pH值的增大，氧化醋酸酯淀粉的取代度先增加后降低。這是由于在酸性條件下，反應(yīng)是可逆的，難以進(jìn)行到底，取代度較低；在強(qiáng)堿性條件下，生成的氧化醋酸酯淀粉會發(fā)生一定程度的水解，在pH值大于9時，氧化醋酸酯淀粉的水解反應(yīng)加快，導(dǎo)致氧化醋酸酯淀粉的乙?；拷档?，其取代度變小，且顏色逐漸變黃，不利于后續(xù)應(yīng)用[15]。當(dāng)pH值為9時，氧化醋酸酯淀粉的取代度較大，因此，該反應(yīng)體系的pH值在9左右為宜。

2.1.4 反應(yīng)時間對取代度的影響

以次氯酸鈉用量1.5%的氧化淀粉為原料，在30℃、淀粉與乙酸酐用量比10∶1、pH8條件下分別反應(yīng)0.5、1、1.5、2、2.5、3h制備氧化醋酸酯淀粉，結(jié)果如圖4所示。

圖4 反應(yīng)時間對取代度的影響Fig.4 Effect of reaction time on SD

由圖4可以看出，反應(yīng)時間在1h左右，乙酸酐分子有充分的時間進(jìn)入到淀粉分子中與羥基完全接觸，取代度不斷增加，隨著反應(yīng)時間的延長，取代度逐漸減小。由于酯化反應(yīng)是一個可逆反應(yīng)，若反應(yīng)時間過短，反應(yīng)來不及達(dá)到平衡；反應(yīng)時間過長又會增加酯化淀粉的水解，導(dǎo)致取代度下降[16-17]。因此，反應(yīng)時間以1h左右為宜。

2.1.5 反應(yīng)溫度對取代度的影響

以次氯酸鈉用量1.5%氧化淀粉為原料，pH8、淀粉與乙酸酐用量比10∶1、分別在溫度30、35、40、45、50℃各反應(yīng)1h制備氧化醋酸酯淀粉，結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度對取代度的影響Fig.5 Effect of reaction temperature on SD

由圖5可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，取代度先增大后降低，在溫度為40℃時取代度達(dá)到最高。這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度低時，相同時間內(nèi)反應(yīng)物分子間碰撞次數(shù)少，乙酸酐分子不太容易與羥基充分接觸，反應(yīng)速度較慢，取代度較低；溫度升高時有利于提高取代度，溫度過高時醋酸酯淀粉的水解速度也顯著加快，45℃以上時取代度反而下降；另一方面，溫度過高會加速乙酸酐的揮發(fā)、酯化淀粉易糊化且白度有所降低。因此反應(yīng)溫度以40℃為宜。

2.2 響應(yīng)面法優(yōu)化試驗(yàn)

2.2.1 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計響應(yīng)面試驗(yàn)的因素水平表，結(jié)果見表1。同時，按照Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計，設(shè)定不同時間、不同pH值處理以及添加不同比例的次氯酸鈉和乙酸酐，結(jié)果見表2。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)的因素和水平編碼值Table 1 The coded values and corresponding actual values of the optimization factors used in the response surface analysis

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 2 The experimental design and results for response surface analysis

表3 取代度的二次響應(yīng)模型的方差分析Table 3 Analysis of variances for the fitted regression model

由表3方差分析可知，模型的差異極顯著。擬合不足(lack of fit)檢驗(yàn)的P=0.0569＞0.05，模型失擬不顯著，未知因素對試驗(yàn)結(jié)果干擾小，且R2=94.01%，說明模型擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，模型選擇合適。由此可用該模型來分析和預(yù)測不同反應(yīng)條件下所制備的氧化醋酸酯淀粉的取代度。由表3的P值可知，方程中A、B、D、A2、C2、D2對DS的影響極顯著(P＜0.01)，AD對DS的影響顯著(P＜0.05)，說明該設(shè)計中因素對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，交互項(xiàng)和二次項(xiàng)都有顯著影響。

2.2.3 氧化醋酸酯淀粉取代度響應(yīng)面分析與最優(yōu)工藝條件的確定

由圖6可知，隨著次氯酸鈉用量的增加，取代度逐漸增大，當(dāng)用量為1.75%時達(dá)到最高，再增加則逐漸降低；同時，乙酸酐用量增加，取代度也逐漸增大，當(dāng)用量高于5∶1后取代度亦變化不大。

2.2.2 模型方差分析

根據(jù)設(shè)定不同時間、不同pH值處理以及添加不同比例的次氯酸鈉和乙酸酐，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，獲得取代度的二次多項(xiàng)回歸方程為：

圖6 次氯酸鈉用量與乙酸酐用量的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots showing the effects of NaClO amount and acetic anhydride amount on SD

圖7 次氯酸鈉用量與反應(yīng)pH值的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.7 Response surface and contour plots showing the effects of NaClO concentration and pH on SD

由方差分析可知，次氯酸鈉用量與反應(yīng)pH值對取代度沒有顯著影響，如圖7所示，隨著次氯酸鈉用量和反應(yīng)pH值的逐漸增加，取代度都逐漸增高，當(dāng)達(dá)到一定的反應(yīng)條件后，取代度有逐漸降低的趨勢。

由方差分析可知，次氯酸鈉用量與反應(yīng)時間對取代度有顯著影響，如圖8所示，隨著次氯酸鈉用量的增加，取代度逐漸增大。次氯酸鈉用量低于1.75%時，取代度逐漸增大，當(dāng)高于1.75%后，取代度有逐漸降低的趨勢；同時，反應(yīng)時間過長時對取代度反而有影響，反應(yīng)時間一定時，能夠使其充分反應(yīng)，從而得到較高取代度的產(chǎn)品。當(dāng)次氯酸鈉用量1.75%，反應(yīng)時間1.25h，取代度達(dá)到最高，再繼續(xù)增加用量和延長時間，取代度不再升高。

圖8 次氯酸鈉用量與反應(yīng)時間的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.8 Response surface and contour plots showing the effects of NaClO concentration and time on SD

圖9 乙酸酐用量與反應(yīng)pH值的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.9 Response surface and contour plots showing the effects of acetic anhydride concentration and pH on SD

由圖9可知，增加乙酸酐的用量和調(diào)整反應(yīng)pH值對取代度有較大的影響，隨著乙酸酐的用量的增加，取代度逐漸增加，反應(yīng)pH值的堿性逐漸增強(qiáng)，取代度先增大后減小。這是由于乙酸酐用量增加，則要增加中和所需的堿液，同時，淀粉乳濃度降低，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，則取代度降低；同時，pH值逐漸增大，氧化醋酸酯淀粉的水解反應(yīng)加快，導(dǎo)致氧化醋酸酯淀粉的乙?；拷档?，其取代度變小，且顏色變深，不利于后續(xù)加工。

圖10 乙酸酐用量與反應(yīng)時間響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.10 Response surface and contour plots showing the effects of acetic anhydride concentration and time on SD

由圖10可知，隨著乙酸酐用量和反應(yīng)時間的增加和延長，取代度逐漸增大，且在一定程度上保持平衡不變，再增加乙酸酐用量則體系濃度降低，反應(yīng)效率降低，反應(yīng)時間過長又會增加酯化淀粉的水解，導(dǎo)致取代度下降。

由圖11可知，反應(yīng)pH和反應(yīng)時間對取代度沒有顯著的影響。但是，隨著反應(yīng)pH值和反應(yīng)時間的增加，取代度先增大，然后逐漸降低。當(dāng)pH8、反應(yīng)時間1.25h時取代度達(dá)到最高。

通過Design-Expert 7軟件的分析，氧化醋酸酯淀粉制備的響應(yīng)面趨勢呈拋物線形，因此回歸方程有極大值，結(jié)合方程與響應(yīng)面圖可得到制備的最優(yōu)條件為次氯酸鈉用量1.805%、乙酸酐用量5∶1、pH8.06、反應(yīng)時間1.5h，在此最佳條件下，制得的氧化醋酸酯淀粉預(yù)期取代度為0.0981。

圖11 反應(yīng)時間與反應(yīng)pH值響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.11 Response surface and contour plots showing the effects of time and pH value on SD

2.3 工藝驗(yàn)證及紅外光譜分析

2.3.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

表4 最佳工藝條件驗(yàn)證結(jié)果Table 4 Experimental SD values under optimized preparation conditions

由表4可知，在最佳工藝條件下，氧化醋酸酯淀粉的取代度與預(yù)測值接近，因此進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3.2 紅外光譜圖分析

用紅外光譜儀對純化的原淀粉、氧化淀粉和氧化醋酸酯淀粉(DS = 0.0975) 進(jìn)行分析。采用KBr壓片法的紅外譜圖如圖12所示。

圖12 各樣品紅外光譜圖Fig.12 Infrared spectra of native starch, oxidized starch and oxidized starch acetate

從圖12可以看出，氧化淀粉在1644cm-1附近出現(xiàn)了特征吸收峰，氧化醋酸酯淀粉在1750cm-1附近出現(xiàn)尖銳而明顯的吸收峰，此羰基伸縮振動的吸收峰隨著乙?；囊攵兇?，說明淀粉結(jié)構(gòu)中引入了乙酰基；在1376cm-1和1242cm-1附近對應(yīng)的醋酸酯的特征峰十分明顯。由此可以肯定原淀粉在酯化改性過程中確實(shí)引入了醋酸酯基團(tuán)。

3 結(jié) 論

3.1 通過響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計得出4個因素——次氯酸鈉用量、乙酸酐用量、pH值、反應(yīng)時間對產(chǎn)品取代度的回歸方程：DS=0.070＋0.015A＋0.014B-0.0004333C＋0.010D＋0.005850AB＋0.0009750AC＋0.007900AD-0.002375BC＋0.005900BD＋0.004700CD-0.023A2-0.0003325B2-0.021C2-0.010D2。

3.2 通過試驗(yàn)得出了制備氧化醋酸酯淀粉的最佳工藝參數(shù)為次氯酸鈉用量1.805%、淀粉與乙酸酐用量5∶1、pH8.06、反應(yīng)時間1.5h，最佳條件下，制得的氧化醋酸酯淀粉實(shí)際取代度為0.0975。

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Optimization of Preparation Process of Oxidized Potato Starch Acetate by Response Surface Methodology

TAN Shu-qiong，LIU Li-ping，CHEN Hou-rong，LIU Xiong*
(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

The response surface methodology (RSM) was used to optimize the preparation conditions of oxidized potato starch acetate. On the basis of one-factor-at-a-time experiments, a 29-run Box-Behnken experimental design involving 4 variables at 3 levels was used for mathematical modeling of substitution degree (SD) with respect to NaClO amount, acetic anhydride amount, pH and reaction time. The optimal reaction conditions for improved SD were NaClO amount 1.805%, starch/acetic anhydride ratio 5∶1 (m/m), pH 8.06 and reaction time 1.5 h, resulting in an SD of 0.0975.

potato starch；oxidized；acetate；response surface methodology (RSM)

TS235.2

A

1002-6630(2011)14-0040-07

2010-09-30

重慶市科技攻關(guān)計劃項(xiàng)目(2010AC4012)

譚屬瓊(1985—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樘妓衔镔Y源開發(fā)與利用。E-mail：xt102545@163.com

*通信作者：劉雄(1970—)，男，教授，博士，研究方向?yàn)樘妓衔镔Y源開發(fā)與利用。E-mail：liuxiong848@hotmail.com