響應(yīng)面法優(yōu)化芭蕉芋淀粉磷酸單酯制備

黃弼晨，張 娟，唐亞芳，徐 軍，吳金鴻，王正武,*

(1.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院食品科學(xué)與工程系，上海 200240；2.南京金陵石化研究院有限公司，江蘇 南京 210046)

芭蕉芋，學(xué)名蕉藕(Canna edulis Ker.)，是美人蕉科美人蕉屬的多年生單子葉草本植物，主產(chǎn)于我國(guó)的云南、廣州、貴州、廣西等南部省區(qū)[1]，芭蕉芋塊莖富含淀粉，達(dá)66%以上，可將其加工制成芭蕉芋淀粉、粉條、食用白酒、乙醇等，產(chǎn)品附加值很低。因此運(yùn)用高新技術(shù)開(kāi)發(fā)芭蕉芋淀粉衍生物，提升其附加值，可促進(jìn)芭蕉芋深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

淀粉磷酸單酯是淀粉陰離子衍生物，具有糊化度低[2]、分散液透明、黏度高、抗老化、穩(wěn)定性好和良好的保水性等特性。低溫長(zhǎng)期儲(chǔ)存或重復(fù)冷凍、融化時(shí)也無(wú)水分析出[3-4]。不同取代度的淀粉磷酸單酯已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工和其他工業(yè)。尤其是在冷凍食品加工方面，例如用作冰淇凌、果醬等冷味點(diǎn)心以及制冷魚(yú)、蝦和蔬菜的改進(jìn)劑等[5]。姜紹通等[6]研究發(fā)現(xiàn)磷酸單酯淀粉對(duì)降低速凍水餃餃皮裂紋率和增加餃餡口感有一定的作用。目前生產(chǎn)淀粉磷酸單酯多采用玉米、馬鈴薯淀粉[7]，而關(guān)于芭蕉芋淀粉磷酸單酯的研究在國(guó)內(nèi)外均報(bào)道不多。在前期研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)酯化劑物質(zhì)的量比、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯的結(jié)合磷含量有明顯的影響，反應(yīng)溫度的影響程度則較前三者低。

目前對(duì)淀粉磷酸單酯的制備常見(jiàn)方法有濕法[8]、干法[9]、微波法[10]及超聲波法[11]等。本實(shí)驗(yàn)則以芭蕉芋淀粉為原料，一定物質(zhì)的量比的NaH2PO4與Na2HPO4為酯化劑，對(duì)傳統(tǒng)的濕法工藝進(jìn)行一定的改進(jìn)，在真空條件下對(duì)淀粉進(jìn)行磷酸單酯化，研究了芭蕉芋淀粉磷酸單酯在制備過(guò)程中不同因素(酯化劑物質(zhì)的量比、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比、反應(yīng)時(shí)間、pH值[12]、反應(yīng)溫度)對(duì)產(chǎn)物結(jié)合磷含量的影響，并通過(guò)利用Design-Expert 7.0軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而確定最佳工藝條件，最終制備出具有較高結(jié)合磷含量的芭蕉芋淀粉磷酸單酯。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芭蕉芋淀粉 貴州紫云化工有限責(zé)任公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、鉬酸銨四水化合物等均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

DK-S26型電熱恒溫水浴鍋、DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；HDM-1000D型數(shù)顯攪拌電熱套 上海藍(lán)凱儀器儀表有限公司；DZF6020型真空干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；5810A型離心機(jī) 德國(guó)Eppendorf公司；UV-2802S型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì) 美國(guó)Unico公司。

1.3 淀粉磷酸單酯的制備

將一定物質(zhì)的量比的NaH2PO4與Na2HPO4加入到蒸餾水中，用鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值，再加入與磷酸鹽一定的質(zhì)量比的淀粉，40℃水浴下攪拌20min，抽濾得到濾餅，將濾餅置于真空干燥箱中，一定溫度下干燥一定時(shí)間，冷卻，水洗2至3次，50℃鼓風(fēng)干燥，粉碎過(guò)篩保存。

1.4 淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的測(cè)定方法

1.4.1 磷含量標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的制作

按GB/T 12092—89《淀粉及其衍生物磷總量測(cè)定方法》[13]上的方法制作磷標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。得到吸光度-磷毫克數(shù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程為Y＝0.01275X＋0.01171，其中R2＝0.99696。

1.4.2 淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量測(cè)定

1.4.2.1 總磷測(cè)定

采用GB/T 12092—89《淀粉及其衍生物磷總量測(cè)定方法》中方法測(cè)定芭蕉芋淀粉磷酸單酯中的總磷含量。

1.4.2.2 游離磷測(cè)定

稱(chēng)取0.5g樣品置于50mL燒杯中，用1mol/L的鹽酸溶解樣品，并用蒸餾水將樣品全部洗進(jìn)100mL容量瓶中，充分搖勻5min，定容，過(guò)濾待用。移取2mL濾液進(jìn)行顯色反應(yīng)，方法同總磷測(cè)定[14]。

1.4.2.3 結(jié)合磷測(cè)定

淀粉磷酸單酯的結(jié)合磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)＝總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)－游離磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.5 單因素試驗(yàn)

設(shè)定NaH2PO4與Na2HPO4物質(zhì)的量比為1：0.6、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比1.5：1、反應(yīng)溫度140℃、反應(yīng)時(shí)間2h、pH6。固定其他條件，考察不同物質(zhì)的量比的磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉、質(zhì)量比的正磷酸鹽和淀粉、反應(yīng)時(shí)間、溫度和pH值對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯的結(jié)合磷含量的影響。

1.6 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用Design-Expert 7.0軟件，選取五因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立回歸數(shù)學(xué)模型以確定產(chǎn)品結(jié)合磷含量和各因素之間的關(guān)系及各因素影響的主次順序，進(jìn)而得出制備的最優(yōu)條件。

五因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)是利用組合設(shè)計(jì)編制試驗(yàn)方案，配列計(jì)算格式表，尋求二次回歸方程的一種非線(xiàn)性回歸設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)中設(shè)計(jì)方法可以尋求的回歸模型是：

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表1所示。

表 1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Variables and their coded values used in response surface analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 酯化劑物質(zhì)的量比

圖 1 酯化劑物質(zhì)的量比對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的影響Fig.1 Infl uence of molar ratio of NaH2PO4 to Na2HPO4 on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

從圖1可以看出，淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量隨著兩者物質(zhì)的量比的增大先增后減，在兩者物質(zhì)的量比為1：0.6時(shí)有最大，因此1：0.6被選擇為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的零水平。

2.1.2 磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比

圖 2 磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的影響Fig.2 Infl uence of weight ratio of total phosphates to starch on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖2可知，隨著磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比的增大，結(jié)合磷含量增加。然而，當(dāng)質(zhì)量比達(dá)到1.5：1時(shí)，增加速率下降，這表明了酯化反應(yīng)完全。因此，從節(jié)約反應(yīng)試劑的角度考慮，1.5：1被選為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的零水平。

2.1.3 反應(yīng)溫度

圖 3 反應(yīng)溫度對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的影響Fig.3 Infl uence of reaction temperature on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖3可知，當(dāng)反應(yīng)溫度從120℃升高到160℃的過(guò)程中，結(jié)合磷含量保持穩(wěn)定的增加。但當(dāng)溫度高于150℃之后，產(chǎn)品外觀微微發(fā)黃。因此，為了得到較高質(zhì)量的淀粉磷酸單酯，溫度需控制在130～140℃之間。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間

11月23日2版《基層黨建擔(dān)當(dāng)企業(yè)發(fā)展“指南”》，該標(biāo)題有恙，擔(dān)當(dāng)“指南”，此話(huà)不通。其“企業(yè)發(fā)展與黨建工作如鳥(niǎo)之雙翼，相輔相成”，也有語(yǔ)??；“鳥(niǎo)”意喻何物？

圖 4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的影響Fig.4 Infl uence of reaction time on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)合磷含量逐漸增加。2h后，增加速率減小，表明了反應(yīng)接近完全。且反應(yīng)超過(guò)3h，淀粉顏色微黃。因此，從經(jīng)濟(jì)利益和產(chǎn)品質(zhì)量角度出發(fā)，2h為較佳的反應(yīng)時(shí)間。以前研究則報(bào)道了淀粉磷酸單酯化的最佳溫度為160℃，這可能是有淀粉來(lái)源不同造成的[16]

2.1.5 pH值

圖 5 pH值對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的影響Fig.5 Influence of pH on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖5可知，產(chǎn)品結(jié)合磷含量隨著pH值的升高先變大后變小，且當(dāng)pH6時(shí)最大，因此該pH值被選擇為響應(yīng)面設(shè)計(jì)的零水平。

2.2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)

基于響應(yīng)面法制備芭蕉芋淀粉磷酸單酯的五因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果列于表2，其中結(jié)合磷含量最高的是試驗(yàn)24號(hào)達(dá)0.518%。

表 2 五因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果Table 2 Quadratic orthogonal rotation combination design matrix and results

2.3 響應(yīng)面方差分析

由Design-Expert7.0軟件得到對(duì)應(yīng)結(jié)合磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y的回歸方程為：

該模型對(duì)應(yīng)的方差分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表 3 五因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance for the experimental results of quadratic orthogonal rotation combination design

從表3可以看出，酯化劑物質(zhì)的量比、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量的比、反應(yīng)時(shí)間和pH值的P值均小于0.05，說(shuō)明在0.05水平上它們對(duì)淀粉磷酸單酯的結(jié)合磷含量影響均是顯著的，反應(yīng)溫度的P值為0.0768稍大于0.05，對(duì)結(jié)合磷含量影響不大。且從P值大小可看出，各因素的影響程度為酯化劑物質(zhì)的量比＞＞反應(yīng)時(shí)間＞＞pH值＞磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比＞反應(yīng)溫度。交互項(xiàng)中，AB、AD、AE、BC、BD和CD的P值均小于0.05，因此它們對(duì)產(chǎn)物結(jié)合磷含量都有顯著的影響。

方程失擬值＝81.08，P＜0.0001，0.05水平上顯著，說(shuō)明模型的擬合度較好，適合用二次方程來(lái)擬合。從判定系數(shù)R2＝0.9193也可看出較好的擬合程度[17]。

2.4 交互作用對(duì)芭蕉芋淀粉磷酸單酯結(jié)合磷含量的影響

如圖6a所示，隨著酯化劑物質(zhì)的量比從1：0.4到1：0.8，結(jié)合磷含量先變大后變小，最優(yōu)比是在1：0.45左右。這可能是因?yàn)椴煌牧姿猁}配比可以形成不同pH值的緩沖液，而在最優(yōu)比下，不需加入過(guò)多的鹽酸或氫氧化鈉來(lái)調(diào)節(jié)pH值，此時(shí)體系內(nèi)的氫離子濃度達(dá)到一個(gè)最適值，使底物反應(yīng)活性增加[18]。而隨著磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比的增加，結(jié)合磷含量不斷上升，因?yàn)榈矸鄯肿拥牧u基基團(tuán)是固定不動(dòng)的，其活性取決于接近羥基的酯化劑的多少。因此，更高的酯化劑濃度，更多的接近淀粉輕基的酯化劑的數(shù)量能導(dǎo)致較高的結(jié)合磷含量，即反應(yīng)底物的濃度提高，使反應(yīng)速度增加。但當(dāng)酯化劑用量增大，上升速度變緩，這是因?yàn)殡S著酯化劑用量的增大，淀粉濃度相對(duì)減小，反應(yīng)效率降低[19]。

圖 6 各因素交互作用的響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface of the effects of reaction conditions on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

如圖6 b 所示， 隨著酯化劑物質(zhì)的量比為1：0.4～1：0.8，結(jié)合磷的含量同樣先變大后變小。而隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，結(jié)合磷的含量不斷上升。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，酯化反應(yīng)進(jìn)行得越充分，但在2.25h以后，結(jié)合磷含量增加趨于平緩，這可能是因?yàn)殡S著酯化反應(yīng)的進(jìn)行，淀粉濃度相對(duì)降低，反應(yīng)效率減小，并且反應(yīng)雖是在真空條件下，但過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間會(huì)使產(chǎn)品微微發(fā)黃，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，故反應(yīng)時(shí)間可控制在2～3h為宜。

如圖6c所示，隨著pH值的增大，結(jié)合磷的含量先變大后變小，這是因?yàn)?，?dāng)pH值較低時(shí)，由于淀粉糖苷鍵水解而使得產(chǎn)品的黏度降低，得不到理想產(chǎn)品。當(dāng)pH值較高時(shí)，不僅反應(yīng)效率降低，而且淀粉會(huì)在堿性環(huán)境下糊化，產(chǎn)生溶脹交聯(lián)形成磷酸雙酯淀粉，所以即使能達(dá)到一定的結(jié)合磷含量，也得不到所需產(chǎn)物[20]。因此pH值控制在5.5～6.0之間為宜。

如圖6d所示，溫度對(duì)產(chǎn)品結(jié)合磷含量影響不明顯，但是隨著磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比不斷變大時(shí)，產(chǎn)品的結(jié)合磷含量明顯變大，當(dāng)質(zhì)量比為1.50：1～1.75：1之間時(shí)，結(jié)合磷含量達(dá)到最大。

如圖6e所示，磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比和反應(yīng)時(shí)間對(duì)結(jié)合磷含量的影響和之前的討論一樣，并且從圖中可看出這兩個(gè)因素之間的交互作用對(duì)產(chǎn)品結(jié)合磷含量的影響十分顯著。

如圖6f可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的提高，產(chǎn)品的結(jié)合磷含量增加較快，較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和較高的溫度對(duì)淀粉磷酸單酯的生成都是有利的，但過(guò)高的反應(yīng)溫度和過(guò)長(zhǎng)加熱時(shí)間會(huì)使產(chǎn)品微微發(fā)黃，影響產(chǎn)品質(zhì)量。故在某限定的范圍內(nèi)可找到最佳的條件，在不影響質(zhì)量的前提下使結(jié)合磷含量達(dá)到最大。

而酯化劑物質(zhì)的量比和反應(yīng)溫度、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比和pH值、反應(yīng)溫度和pH值、反應(yīng)時(shí)間和pH值的互作都不顯著，所以不加以探討。

2.5 最優(yōu)條件的確定

最終，利用Design-Expert 7.0軟件，約束條件為：130℃≤反應(yīng)溫度≤140℃和1h≤反應(yīng)時(shí)間≤2h，得出的最優(yōu)制備條件為n(NaH2PO4)：n(Na2HPO4)＝1：0.4、m(磷酸鹽)：m(淀粉)＝1.66：1、反應(yīng)溫度139.86℃、反應(yīng)時(shí)間2h、pH5.5，在此條件下進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，所得產(chǎn)品結(jié)合磷含量為0.511%、0.502%、0.508%，平均值為0.507%，與預(yù)測(cè)值0.506%相符。

3 結(jié) 論

在芭蕉芋淀粉酯化改性過(guò)程中，酯化劑物質(zhì)的量比、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比、反應(yīng)時(shí)間和pH值對(duì)產(chǎn)品結(jié)合磷含量都有明顯的影響，反應(yīng)溫度的影響程度不大。其中酯化劑摩爾比和反應(yīng)時(shí)間的影響效果最為顯著，因此，在制備過(guò)程中必須注意這對(duì)這兩個(gè)因素的控制，才能制得高結(jié)合磷含量的淀粉磷酸單酯。

在響應(yīng)面設(shè)計(jì)的32個(gè)試驗(yàn)方案中，所得產(chǎn)品結(jié)合磷含量最高的是0.518%，但此試驗(yàn)方案的酯化溫度為150℃，酯化時(shí)間為2.5h，較高的反應(yīng)溫度和較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間使得該產(chǎn)品外觀發(fā)黃。因此，在約束條件為130℃≤反應(yīng)溫度≤140℃和1h≤反應(yīng)時(shí)間≤2h的情況下，最佳制備條件下所制得的產(chǎn)品結(jié)合磷含量為0.507%，雖較0.518%低，但和其余31個(gè)試驗(yàn)方案得到的結(jié)合磷含量相比都明顯要高。由此可見(jiàn)，在芭蕉芋淀粉磷酸單酯的制備過(guò)程中，控制酯化劑物質(zhì)的量比、磷酸鹽與淀粉質(zhì)量比、反應(yīng)時(shí)間、pH值和反應(yīng)溫度在某一特定值或范圍內(nèi)，對(duì)提高產(chǎn)品結(jié)合磷含量是有效的。

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