機械活化法制備辛烯基琥珀酸淀粉酯工藝

胡華宇+石劍+楊梅+張燕娟+沈芳+黃愛民+冼學權(quán)+黃祖強

摘要：以木薯淀粉為原料，辛烯基琥珀酸酐為酯化劑，采用機械活化法制備辛烯基琥珀酸淀粉酯，研究辛烯基琥珀酸酐用量、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、添加劑（碳酸鈉）用量等因素對產(chǎn)物取代度的影響，并采用紅外光譜對酯化淀粉進行表征。結(jié)果表明，機械活化法制備辛烯基琥珀酸淀粉酯的工藝條件為：辛烯基琥珀酸酐用量6%（淀粉干基），球磨反應(yīng)時間1h，反應(yīng)溫度50℃，碳酸鈉用量1%（淀粉干基），所制備產(chǎn)品取代度為0.0263；產(chǎn)物紅外光譜出現(xiàn)酯化特征吸收峰，表明淀粉成功實現(xiàn)酯化。

關(guān)鍵詞：機械活化法；木薯淀粉；辛烯基琥珀酸酐；淀粉酯；工藝條件

中圖分類號：TQ321文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0300-03

辛烯基琥珀酸淀粉酯（octenylsuccnicanhydride-modifiedstrach，OSAS）是在堿性條件下由淀粉與辛烯基琥珀酸酐（octenylsuccnicanhydride，OSA）進行酯化反應(yīng)制得的淀粉衍生物，通常以淀粉酯鈉鹽的形式出現(xiàn)[1]。OSAS除在食品工業(yè)上被用于飲料乳濁液、乳化香精、調(diào)味色拉油等制品外，在制藥業(yè)、化妝品工業(yè)、紡織工業(yè)、造紙工業(yè)中也有廣泛用途[2-4]。目前OSAS仍主要依靠進口，市場前景看好[5-6]。制備OSAS的方法主要有水相法、有機相法、干法等[1]。水相法由于酸酐水解以及反應(yīng)控制存在難度而難以工業(yè)應(yīng)用；有機相法則由于使用有毒的有機試劑而在食品工業(yè)應(yīng)用上受到限制。目前研究者將研究重點放在干法反應(yīng)，如微波法、烘箱干燥法等。但一般干法反應(yīng)均勻性差，溫度較高，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定[7-8]。淀粉的干法反應(yīng)均勻性差的主要原因是由于淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)特點，使反應(yīng)試劑難以滲入結(jié)晶區(qū)并發(fā)生反應(yīng)，從而導致反應(yīng)效率低和均勻性差。因此，尋求有效的預(yù)處理方法以破壞淀粉結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并能在低熱條件下使反應(yīng)物獲得反應(yīng)和加速擴散所需要的能量，實現(xiàn)酯化劑與淀粉大分子充分接觸及反應(yīng)活性，是實現(xiàn)淀粉干法酯化的關(guān)鍵問題。機械活化是通過機械力的作用，使物料達到充分混合粉碎，淀粉本身產(chǎn)生晶格缺陷，結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，使試劑更易進入分子內(nèi)部進行反應(yīng)，從而縮短反應(yīng)時間，提高反應(yīng)效率[9-11]。筆者課題組已對機械活化固相反應(yīng)進行了一定研究[12-13]。本研究以機械活化為強化手段，以取代度為評價指標，采用單因素試驗探究機械活化法制備OSAS的工藝條件，并采用紅外光譜對產(chǎn)物進行表征分析，以期為辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備提供新方法。

1材料與方法

1.1主要材料及試劑

木薯淀粉（食品級，廣西明陽生化集團股份有限公司）；OSA（分析純，深圳市思利凱貿(mào)易有限公司）；無水乙醇（分析純，廣東光華化學廠有限公司）；碳酸鈉（分析純，天津市北方天醫(yī)化學試劑廠）；濃鹽酸（分析純，成都市科龍化工試劑廠）；氫氧化鈉（天津市北方天醫(yī)化學試劑廠）。

1.2儀器與設(shè)備

機械活化裝置[14]（介質(zhì)為φ6mmZrO2球），數(shù)字顯示電熱恒溫干燥箱（101-1A型，紹興市瀘越科學實驗儀器廠），集熱式恒溫磁力攪拌器（DF-101S型，鞏義市予華儀器有限責任公司），傅里葉變換紅外光譜儀（NiculetIS10型，美國賽默飛世爾科技有限公司）。

1.3方法

1.3.1機械活化法辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備

稱取干燥至恒重的淀粉50g于500mL燒杯中。量取一定量OSA于50mL燒杯內(nèi)，加入10mL乙醇稀釋。將稀釋后的酸酐緩慢加入稱好的淀粉中，攪拌均勻后用保鮮膜將燒杯封口，室溫下存放12h。再加入一定量碳酸鈉，混合均勻后置于機械活化裝置中，恒溫攪拌一定時間，取出，洗去多余酸酐，烘干，得樣品。

1.3.2取代度的測定

稱取3g（準確至0.0001g）樣品置于250mL錐形瓶中，加入少量95%乙醇潤濕，再加入2.5mol/L鹽酸乙醇溶液25mL，置于磁力攪拌器上攪拌酸化30min，再加入50mL乙醇攪拌10min。將樣品倒入布氏漏斗，用90%乙醇抽濾洗滌至無氯離子（用硝酸銀檢驗），將樣品移入500mL燒杯中并加300mL蒸餾水，沸水浴10min，加2滴酚酞，趁熱用0.1mol/LNaOH滴定至粉紅色；同時做空白試驗[15]。根據(jù)下式計算取代度（DS）：

式中：n為1g辛烯基琥珀酸酐消耗0.1mol/L氫氧化鈉的物質(zhì)的量；V為消耗的0.1mol/L氫氧化鈉的體積；C為氫氧化鈉標準溶液濃度；m為樣品質(zhì)量。

1.3.3產(chǎn)品紅外光譜分析采用傅里葉變換紅外光譜儀對樣品的分子基團進行分析。掃描范圍選擇在400～4000cm-1，分辨率4cm-1。

2結(jié)果與分析

2.1酸酐用量對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉用量50g，碳酸鈉用量1%（淀粉干基），機械活化溫度50℃，機械活化時間1h，考察酸酐用量對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可見，在酸酐用量為2%～6%時，OSAS取代度隨酸酐用量增加而增大；當酸酐用量大于6%時，其反應(yīng)量趨于平衡。隨著OSA用量增加，酸酐與淀粉中葡萄糖羥基發(fā)生酯化反應(yīng)的接觸機會增加，從而增強反應(yīng)效果，但淀粉屬于高分子聚合物，由于空間位阻的存在，反應(yīng)到達一定程度便不再增加，而且OSA是油狀酸酐，用量過多會使物料黏度增大，球磨過程中易發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，不利于機械活化法淀粉與酸酐的充分接觸和反應(yīng)。

2.2機械活化時間對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，碳酸鈉用量1%（淀粉干基），機械活化溫度50℃，酸酐用量6%（淀粉干基），考察機械活化時間對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可見，未經(jīng)機械活化反應(yīng)的淀粉酯取代度為0.018，說明簡單加熱共混也有酯化產(chǎn)物生成，經(jīng)機械活化強化反應(yīng)后，淀粉酯取代度有明顯提高；反應(yīng)初始的1h內(nèi)取代度隨反應(yīng)時間延長迅速增加；在機械活化1h后再延長反應(yīng)時間，取代度趨于平衡。這主要是由于該反應(yīng)會受到OSAS本身水解反應(yīng)的影響，即開始階段酯化反應(yīng)占優(yōu)勢；隨著時間延長，OSA含量逐步減少，酯化產(chǎn)物逐漸增多，由酯化反應(yīng)的可逆性可知，水解反應(yīng)也逐漸加強，當酯化反應(yīng)與水解反應(yīng)達到動態(tài)平衡后，將會出現(xiàn)取代度到達一定值后趨于穩(wěn)定的趨勢[16]。endprint

2.3催化劑用量對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，機械活化溫度50℃，機械活化時間1h，酸酐用量6%（淀粉干基），考察催化劑碳酸鈉用量對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，在催化劑用量0～1%時，OSAS取代度隨著碳酸鈉用量的增大而增大，但當催化劑用量超過1%后，取代度迅速下降。在pH值較低的條件下，OH-較少，較難活化淀粉中的葡萄糖基而形成酯化反應(yīng)活性中心CAGU，O-，反應(yīng)過程中OSAS生成速率較慢；而在pH值較高的條件下，雖然比較容易形成活性中心，但在該條件下OSA與OSAS的水解速率都有提高[17-18]。OSA水解造成反應(yīng)物濃度降低，從而降低OSAS的生成速率；OSAS水解速率的提高也使產(chǎn)物得率下降。

2.4機械活化溫度對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，碳酸鈉用量1%（淀粉干基），機械活化時間1h，酸酐用量6%（淀粉干基），考察機械活化溫度對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，在反應(yīng)開始階段，OSAS取代度隨著機械活化溫度升高而增加，在機械活化溫度50℃時取代度達到最高值，繼續(xù)升溫則取代度開始下降。這是因為溫度升高有利于增加分子的熱運動，有利于活化能較大的反應(yīng)。而OSA酯化反應(yīng)活化能大于OSA的水解活化能[19-20]，因此適當提高溫度有助于酯化反應(yīng)的進行。但溫度過高時，一方面反應(yīng)在堿性條件下進行，淀粉易發(fā)生糊化現(xiàn)象，阻礙酯化反應(yīng)進行；另一方面也使水解反應(yīng)加劇，不利于酯化產(chǎn)物的提高。因此，本研究選擇機械活化溫度為50℃。

綜上，機械活化法制備OSAS的工藝條件為：絕干淀粉用量50g，酸酐用量6%（淀粉干基），機械活化時間1h，機械活化溫度50℃，碳酸鈉用量1%（淀粉干基）。該條件下產(chǎn)品取代度為0.0263。

2.5產(chǎn)品FT-IR分析

圖5為原木薯淀粉（A）和取代度0.0263OSAS（B）的紅外光譜圖。3306cm-1為—OH基的伸縮振動峰；2928cm-1為—CH鍵的伸縮振動峰；1000、1079、1153cm-1為C—O鍵的伸縮振動峰；1718cm-1為酯基中C[FY=，1]O雙鍵的伸縮振動峰。由紅外光譜圖可判定，OSA與淀粉發(fā)生了酯化反應(yīng)。

3結(jié)論

以取代度為標準，通過單因素試驗，得出機械活化法制備OSAS的工藝條件為：絕干淀粉50g，辛烯基琥珀酸酐用量6%，球磨反應(yīng)時間1h，反應(yīng)溫度50℃，添加劑（碳酸鈉）用量1%。該條件下所制備產(chǎn)品取代度為0.0263。紅外分析結(jié)果顯示，產(chǎn)物出現(xiàn)酯化特征吸收峰，說明淀粉成功酯化。

參考文獻：

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[18]宋曉燕.早秈米辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備及其理化性質(zhì)的研究[D].杭州：浙江大學，2007：58-59.

[19]王建安，陳文強.銀杏淀粉提取工藝條件優(yōu)化及淀粉性質(zhì)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41（1）：251-253.

[20]趙思明，熊善柏，張聲華.淀粉糊物系及其老化特性研究[J].中國糧油學報，2001，16（2）：18-21.endprint

2.3催化劑用量對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，機械活化溫度50℃，機械活化時間1h，酸酐用量6%（淀粉干基），考察催化劑碳酸鈉用量對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，在催化劑用量0～1%時，OSAS取代度隨著碳酸鈉用量的增大而增大，但當催化劑用量超過1%后，取代度迅速下降。在pH值較低的條件下，OH-較少，較難活化淀粉中的葡萄糖基而形成酯化反應(yīng)活性中心CAGU，O-，反應(yīng)過程中OSAS生成速率較慢；而在pH值較高的條件下，雖然比較容易形成活性中心，但在該條件下OSA與OSAS的水解速率都有提高[17-18]。OSA水解造成反應(yīng)物濃度降低，從而降低OSAS的生成速率；OSAS水解速率的提高也使產(chǎn)物得率下降。

2.4機械活化溫度對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，碳酸鈉用量1%（淀粉干基），機械活化時間1h，酸酐用量6%（淀粉干基），考察機械活化溫度對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，在反應(yīng)開始階段，OSAS取代度隨著機械活化溫度升高而增加，在機械活化溫度50℃時取代度達到最高值，繼續(xù)升溫則取代度開始下降。這是因為溫度升高有利于增加分子的熱運動，有利于活化能較大的反應(yīng)。而OSA酯化反應(yīng)活化能大于OSA的水解活化能[19-20]，因此適當提高溫度有助于酯化反應(yīng)的進行。但溫度過高時，一方面反應(yīng)在堿性條件下進行，淀粉易發(fā)生糊化現(xiàn)象，阻礙酯化反應(yīng)進行；另一方面也使水解反應(yīng)加劇，不利于酯化產(chǎn)物的提高。因此，本研究選擇機械活化溫度為50℃。

綜上，機械活化法制備OSAS的工藝條件為：絕干淀粉用量50g，酸酐用量6%（淀粉干基），機械活化時間1h，機械活化溫度50℃，碳酸鈉用量1%（淀粉干基）。該條件下產(chǎn)品取代度為0.0263。

2.5產(chǎn)品FT-IR分析

圖5為原木薯淀粉（A）和取代度0.0263OSAS（B）的紅外光譜圖。3306cm-1為—OH基的伸縮振動峰；2928cm-1為—CH鍵的伸縮振動峰；1000、1079、1153cm-1為C—O鍵的伸縮振動峰；1718cm-1為酯基中C[FY=，1]O雙鍵的伸縮振動峰。由紅外光譜圖可判定，OSA與淀粉發(fā)生了酯化反應(yīng)。

3結(jié)論

以取代度為標準，通過單因素試驗，得出機械活化法制備OSAS的工藝條件為：絕干淀粉50g，辛烯基琥珀酸酐用量6%，球磨反應(yīng)時間1h，反應(yīng)溫度50℃，添加劑（碳酸鈉）用量1%。該條件下所制備產(chǎn)品取代度為0.0263。紅外分析結(jié)果顯示，產(chǎn)物出現(xiàn)酯化特征吸收峰，說明淀粉成功酯化。

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[18]宋曉燕.早秈米辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備及其理化性質(zhì)的研究[D].杭州：浙江大學，2007：58-59.

[19]王建安，陳文強.銀杏淀粉提取工藝條件優(yōu)化及淀粉性質(zhì)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學，2013，41（1）：251-253.

[20]趙思明，熊善柏，張聲華.淀粉糊物系及其老化特性研究[J].中國糧油學報，2001，16（2）：18-21.endprint

2.3催化劑用量對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，機械活化溫度50℃，機械活化時間1h，酸酐用量6%（淀粉干基），考察催化劑碳酸鈉用量對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，在催化劑用量0～1%時，OSAS取代度隨著碳酸鈉用量的增大而增大，但當催化劑用量超過1%后，取代度迅速下降。在pH值較低的條件下，OH-較少，較難活化淀粉中的葡萄糖基而形成酯化反應(yīng)活性中心CAGU，O-，反應(yīng)過程中OSAS生成速率較慢；而在pH值較高的條件下，雖然比較容易形成活性中心，但在該條件下OSA與OSAS的水解速率都有提高[17-18]。OSA水解造成反應(yīng)物濃度降低，從而降低OSAS的生成速率；OSAS水解速率的提高也使產(chǎn)物得率下降。

2.4機械活化溫度對產(chǎn)品取代度的影響

固定絕干淀粉50g，碳酸鈉用量1%（淀粉干基），機械活化時間1h，酸酐用量6%（淀粉干基），考察機械活化溫度對產(chǎn)品取代度的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，在反應(yīng)開始階段，OSAS取代度隨著機械活化溫度升高而增加，在機械活化溫度50℃時取代度達到最高值，繼續(xù)升溫則取代度開始下降。這是因為溫度升高有利于增加分子的熱運動，有利于活化能較大的反應(yīng)。而OSA酯化反應(yīng)活化能大于OSA的水解活化能[19-20]，因此適當提高溫度有助于酯化反應(yīng)的進行。但溫度過高時，一方面反應(yīng)在堿性條件下進行，淀粉易發(fā)生糊化現(xiàn)象，阻礙酯化反應(yīng)進行；另一方面也使水解反應(yīng)加劇，不利于酯化產(chǎn)物的提高。因此，本研究選擇機械活化溫度為50℃。

綜上，機械活化法制備OSAS的工藝條件為：絕干淀粉用量50g，酸酐用量6%（淀粉干基），機械活化時間1h，機械活化溫度50℃，碳酸鈉用量1%（淀粉干基）。該條件下產(chǎn)品取代度為0.0263。

2.5產(chǎn)品FT-IR分析

圖5為原木薯淀粉（A）和取代度0.0263OSAS（B）的紅外光譜圖。3306cm-1為—OH基的伸縮振動峰；2928cm-1為—CH鍵的伸縮振動峰；1000、1079、1153cm-1為C—O鍵的伸縮振動峰；1718cm-1為酯基中C[FY=，1]O雙鍵的伸縮振動峰。由紅外光譜圖可判定，OSA與淀粉發(fā)生了酯化反應(yīng)。

3結(jié)論

以取代度為標準，通過單因素試驗，得出機械活化法制備OSAS的工藝條件為：絕干淀粉50g，辛烯基琥珀酸酐用量6%，球磨反應(yīng)時間1h，反應(yīng)溫度50℃，添加劑（碳酸鈉）用量1%。該條件下所制備產(chǎn)品取代度為0.0263。紅外分析結(jié)果顯示，產(chǎn)物出現(xiàn)酯化特征吸收峰，說明淀粉成功酯化。

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