微波輔助快速制備馬鈴薯羧甲基淀粉條件的優(yōu)化

劉 嘉 董 楠 趙國華，2

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院1，重慶 400715)

(重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)重點實驗室2，重慶 400715)

微波輔助快速制備馬鈴薯羧甲基淀粉條件的優(yōu)化

劉 嘉1董 楠1趙國華1，2

(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院1，重慶 400715)

(重慶市農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)重點實驗室2，重慶 400715)

優(yōu)化了微波輔助制備馬鈴薯羧甲基淀粉的工藝。在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇醚化時間、乙醇體積分?jǐn)?shù)、ClCH2COOH、NaOH用量為自變量，以取代度為響應(yīng)值，根據(jù)中心組合設(shè)計(Central composite design，CCD)原理設(shè)計試驗，并進(jìn)行顯著性和交互作用分析。確定了取代度的最佳工藝條件為:醚化時間為25 min，乙醇體積分?jǐn)?shù)為 83.86%，nClCH2COOH∶nAGU為 0.832∶1，nNaOH∶nAGU為 2.597∶1。微波輔助下，馬鈴薯羧甲基淀粉的取代度可達(dá)到0.325。

羧甲基化 馬鈴薯淀粉 微波 響應(yīng)面

變性淀粉在食品和制藥行業(yè)中扮演著極其重要的角色，擁有許多原淀粉無法媲美的加工適應(yīng)性［1］。羧甲基淀粉(Carboxymethal starch，CMS)是一類重要的變性淀粉，由于結(jié)構(gòu)中擁有負(fù)電荷功能團(tuán)(CH2COO－)，使其擁有糊黏度穩(wěn)定且透明度高、流動性和凝沉性好、不易腐敗霉變等［2］。目前，CMS已廣泛應(yīng)用于在食品、制藥、紡織、造紙等行業(yè)中［3］。微波是一種頻率范圍在3×102～3×105MHz范圍內(nèi)的電磁波，作為一種有效的化學(xué)反應(yīng)改進(jìn)手段已得到廣泛應(yīng)用［4］。CMS的生產(chǎn)方法主要包括:水媒法、溶劑法和干法。水媒法在水介質(zhì)中反應(yīng)，一般合成產(chǎn)品的取代度低;溶劑法是普遍采取的方法，產(chǎn)品取代度較高，但耗能大;干法能耗低且環(huán)保，但試劑難滲透到淀粉顆粒內(nèi)部，造成產(chǎn)物取代度不高。結(jié)合微波處理可以縮短生產(chǎn)周期，且能使產(chǎn)品達(dá)到合適的取代度。微波對制備馬鈴薯羧甲基淀粉的影響鮮見報道。本研究在微波條件下快速制備馬鈴薯羧甲基淀粉，并結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝，旨在為馬鈴薯淀粉變性加工的改進(jìn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

馬鈴薯淀粉(淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%):重慶金田農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司;ClCH2COOH、NaOH、乙醇、甲醇:成都市科龍化工試劑廠;丙酮:重慶創(chuàng)導(dǎo)化工有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

MAS－Ⅱ型微波反應(yīng)站:上海新儀化學(xué)科技有限公司;DHG－9140電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;FA2004電子天平:上海恒平科學(xué)儀器有限公司;gg－1增力電動攪拌器:金壇市富華儀器有限公司;HH－2數(shù)顯恒溫水浴鍋:金壇市富華儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 羧甲基淀粉的制備

將馬鈴薯淀粉(10.4 g，干樣)和乙醇(81% ～89%，130 mL)倒入圓底燒瓶中，并進(jìn)行攪拌。在水浴中加熱到40 ℃，加入 NaOH(2.73 ～4.33 g)，反應(yīng)30 min。然后加入 NaOH(2.73 ～4.33 g)與ClCH2COOH(3.51 ～8.19 g)，繼續(xù)攪拌 5 min，使其分散均勻。將反應(yīng)體系移入微波反應(yīng)器中，調(diào)整功率(200 W)及溫度(45℃)，并使用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，反應(yīng)18～26 min后取出。用冰醋酸中和至pH 6～7。并用85%的乙醇洗滌，直至經(jīng)硝酸銀溶液檢驗無白色沉淀即可。45℃下鼓風(fēng)干燥，粉碎后過120目篩得微黃色粉末即為樣品CMS。

1.3.2 取代度的評定

采用直接滴定法測定產(chǎn)物的取代度(Degree of substitution，DS)［5］。取 5 g CMS 分散于150 mL 丙酮中，加入10 mL 6 mol/L HCl，并攪拌30 min。酸化后的羧甲基淀粉用80%甲醇洗滌至pH呈中性。再次將洗滌后的羧甲基淀粉分散于丙酮中攪拌15 min。最后，將其置于45℃烘箱中12 h后備用。取2 g羧甲基淀粉溶解于NaCl(1%)溶液中，并用1 mol/L NaOH進(jìn)行滴定。取代度由如下公式計算:

式中:M0為一分子脫水葡萄糖的分子質(zhì)量，162 g/mol;MR為羧甲基的分子質(zhì)量，58 g/mol;nNaOH為滴定時NaOH的用量/mol;mP為滴定時羧甲基淀粉的用量/g;mC滴定時羧甲基淀粉的實際用量/g;F為淀粉水分含量/%。

1.3.3 響應(yīng)面試驗設(shè)計

采用中心組合試驗設(shè)計(CCD)原理，結(jié)合單因素試驗結(jié)果［6］，固定料液比為10%，羧甲基化溫度為45℃，功率為200 W，堿化溫度為40℃，堿化時間為30 min，考察 ClCH2COOH用量(X1)、NaOH用量(X2)、醚化時間(X3)和乙醇體積分?jǐn)?shù)(X4)對取代度的影響。試驗因素及水平見表1。

表1 中心組合設(shè)計因素水平表

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Design Expert 7.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 建立模型及方差分析

按照中心組合試驗設(shè)計，設(shè)定不同時間處理以及添加不同比例的ClCH2COOH、NaOH、乙醇。試驗結(jié)果見表2。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回歸方程為:

表2 取代度的中心組合試驗方案與結(jié)果

表3 取代度的二次響應(yīng)模型方差分析

由方差分析可知，模型的P值極顯著。擬合不足(Lack of Fit)檢驗的 P=0.060 0(P ＞0.05)，模型失擬不顯著，未知因素對試驗結(jié)果干擾小。且R2=91.26%說明模型擬合程度良好，試驗誤差小，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)條件下所制備的羧甲基淀粉的取代度。由表3的P值可知，方程中 X2、X1X3、X3X4、X22、X24對 DS 的影響極顯著(P ＜0.01)，X1、X3、X1X4、X21、X23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，交互項和二次項都有顯著影響。

2.2 交互項解析

如圖1所示，當(dāng) nNaOH∶nAGU＜2.5∶1時，隨著NaOH用量的增加，產(chǎn)品取代度增加。當(dāng)nNaOH∶nAGU＞2.5∶1以后，取代度隨著其用量增加有降低的趨勢。反應(yīng)中NaOH作為催化劑活化淀粉分子，當(dāng)?shù)矸坌纬傻幕钚灾行脑龆?，反?yīng)效率得到提高［7］。同時，隨著ClCH2COOH用量的增加，使得醚化劑和淀粉的碰撞幾率升高，羧甲基淀粉的取代度升高［8］;但醚化劑的用量過多時，取代度出現(xiàn)下降的趨勢。反應(yīng)試劑的使用量過大，都會導(dǎo)致副反應(yīng)加劇，使得產(chǎn)品取代度降低［8－9］。

圖1 ClCH2COOH用量與NaOH用量響應(yīng)面圖和等高線圖

如圖2所示，反應(yīng)時間延長能夠促進(jìn)淀粉分子的潤脹，從而增加其對反應(yīng)試劑的吸收［3］。當(dāng)ClCH2COOH用量一定時，延長反應(yīng)時間能夠使得二者充分反應(yīng)，取代度升高;但當(dāng)時間過長時(＞25 min)，產(chǎn)品糊化嚴(yán)重。隨著時間的延長以及ClCH2COOH用量的增加，產(chǎn)品取代度成明顯上升趨勢。在醚化時間為24 min、nClCH2COOH∶nAGU為 1.2∶1 時，產(chǎn)品取代度出現(xiàn)最大值。繼續(xù)加大ClCH2COOH用量和延長時間，取代度不再升高。

圖2 ClCH2COOH用量與醚化時間響應(yīng)面圖和等高線圖

圖3 NaOH用量與醚化時間響應(yīng)面圖和等高線圖

從圖3中可知，反應(yīng)在25 min內(nèi)，提高NaOH用量，取代度有上升的趨勢。當(dāng)NaOH用量過高，淀粉易糊化，阻礙取代的發(fā)生。繼續(xù)加大NaOH用量和延長時間，取代度不再升高。

由圖4可知，當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)一定時，隨著NaOH用量的增加，有效地利用提供的ClCH2COOH并增加形成的羧甲基淀粉;但NaOH量太多時，副反應(yīng)加劇，可利用的ClCH2COOH減少，取代度降低。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)比較低時，水分含量高，反應(yīng)時易造成淀粉糊化并結(jié)塊，不利于反應(yīng)進(jìn)行。當(dāng)繼續(xù)增加乙醇體積分?jǐn)?shù)，水分含量低不易吸收微波，造成反應(yīng)進(jìn)行緩慢，取代度低。

圖4 NaOH用量與乙醇體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)面圖和等高線圖

如圖5所示，當(dāng)ClCH2COOH用量一定時，隨著溶劑中水的比例升高，反應(yīng)體系能夠快速吸收微波，取代度升高;但水分過多后，產(chǎn)品容易出現(xiàn)糊化。適量的水分能夠促進(jìn)淀粉分子潤脹，且使試劑易于擴散到淀粉內(nèi)部。從方差分析中可知，二者交互對取代度影響顯著。

圖5 乙醇體積分?jǐn)?shù)與ClCH2COOH用量響應(yīng)面圖和等高線圖

從圖6中可以觀察到，隨著時間的延長，取代度上升。淀粉分子的潤脹與水分有直接關(guān)系，一定量的水分能夠使淀粉充分潤脹后增大反應(yīng)的表面積［9］。當(dāng)反應(yīng)溶劑的乙醇體積分?jǐn)?shù)在83% ～85%之間，時間在25 min左右，產(chǎn)品取代度出現(xiàn)最大值。Tijsen等［10］通過試驗優(yōu)化羧甲基淀粉制備的試驗中，通過分析也得出在乙醇低體積分?jǐn)?shù)和高體積分?jǐn)?shù)下取代度很低，在85%左右有最大值出現(xiàn)。

圖6 乙醇體積分?jǐn)?shù)與醚化時間響應(yīng)面圖和等高線圖

2.3 工藝最優(yōu)化條件及其驗證

利用Design Expert 7.0軟件進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化，并平行實施3次對其進(jìn)行驗證。所得產(chǎn)品取代度最大值對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)、預(yù)測值、驗證結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)化工藝驗證結(jié)果

在優(yōu)化條件(醚化時間為25 min，nClCH2COOH∶nAGU為0.832∶1，nNaOH∶nAGU為 2.597∶1，乙醇體積分?jǐn)?shù)為83.86%下對此優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證，測定產(chǎn)品取代度為0.325。結(jié)果表明，試驗值為與預(yù)測值基本一致，再次驗證了回歸方程的正確性(相對誤差1%)。

3 結(jié)論

3.1 通過響應(yīng)面設(shè)計試驗得出了 4個因素(nClCH2COOH∶nstarch、nNaOH∶nstarch、醚化時間、乙醇體積分?jǐn)?shù)對產(chǎn)品取代度的回歸方程:DS=0.313+0.011X1+0.014X2+0.011X3－0.018X1X3+0.013X1X4－0.015 X3X4－0.010X21－0.013X22－0.010X23－0.036X24。

3.2 得出了微波制備羧甲基淀粉的最佳工藝參數(shù)為:醚化時間25 min，nClCH2COOH∶nAGU為0.832∶1，nNaOH∶nAGU為2.597∶1，乙醇體積分?jǐn)?shù)為 83.86%。產(chǎn)品取代度為 0.325。

3.3 如需制備取代度在0.32左右的產(chǎn)品，微波法可在25 min內(nèi)完成。

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Optimization of Microwave－assisted Technology for Preparing Carboxymethyl Potato Starch

Liu Jia1Dong Nan1Zhao Guohua1，2
(College of Food Science，Southwest University1，Chongqing 400715)
(Chongqing Key Laboratory of Agricultural Product Processing2，Chongqing 400715)

The native potato starch was carboxymethylated through microwave radiation technology.Based on single factor experiments，a series of central composite design experiments were conducted for an optimal synthesis process.CH2ClCOOH，NaOH，time of etherification and ethanol concentration were selected as variables and a mathematical regression model for degree of substitution was developed.Finally，the optimal extraction process was obtained as follows:etherification time 25 min，ethanol concentration 83.86%，nClCH2COOH∶nAGU=0.768∶1，and nNaOH∶nAGU=2.597∶1.Under such conditions，the DS was up to 0.325.

carboxymethylation，potato starch，microwave，response surface methodology

TS255.4 文獻(xiàn)標(biāo)示碼:A

1003－0174(2011)11－0036－06

國家星火計劃(2010GA811002)，重慶市科技攻關(guān)項目(CSTC，2009CB1001)

2010－09－14

劉嘉，男，1985出生，碩士，食品化學(xué)

趙國華，男，1971出生，教授，博士生導(dǎo)師，食品化學(xué)