醋酸酯大米淀粉的有限溶劑法合成及表征

岳書杭 劉忠義，2 吳小艷 李 汀

(湘潭大學(xué)化工學(xué)院1，湘潭 411105) (欽州學(xué)院食品工程學(xué)院2，欽州 535011)

我國是大米生產(chǎn)大國，2016年我國大米總產(chǎn)量達13 887.6萬t[1]，大米加工中產(chǎn)生的碎米率達15%～20%[2]，這些碎米主要用于飼料，利用價值低下。與其他谷物淀粉顆粒相比，大米淀粉顆粒非常小，在2～8 μm之間，顆粒度均一，糊化的大米淀粉吸水快，質(zhì)構(gòu)非常柔滑類似奶油，具有脂肪的口感，且容易涂抹開，蠟質(zhì)大米淀粉除了有類似脂肪的性質(zhì)外，還具有極好的冷凍—解凍穩(wěn)定性，可防止冷凍過程中的脫水收縮，大米淀粉最大優(yōu)勢在于其致敏性非常低，大米淀粉及其衍生物可被廣泛應(yīng)用于化工、食品、制藥等領(lǐng)域[3]。

醋酸酯淀粉是淀粉衍生物中重要的一個品種，常在食品工業(yè)中用作增稠劑，低取代度醋酸酯淀粉在紡紗工業(yè)中作為上漿劑可增加合成纖維的黏附性[4]，此外，在醫(yī)藥、日用化學(xué)品、生物降解材料等諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用[5]。目前國內(nèi)大多采用濕法、干法合成醋酸酯淀粉，濕法制備工藝具有物料混合均勻、反應(yīng)條件溫和易控制、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，但是反應(yīng)過程用水量大，且廢水處理提高生產(chǎn)成本，還造成環(huán)境污染、資源浪費等問題，與濕法工藝相比，干法制備工藝操作簡單、反應(yīng)時間短、溶劑用量少，生產(chǎn)成本低、環(huán)境友好，但是反應(yīng)不均勻，產(chǎn)品穩(wěn)定性差[6]。

本研究采用有限溶劑法合成醋酸酯大米淀粉，即加入少量無水乙醇做濕潤劑，希望有效混勻物料，而隨著反應(yīng)進行，乙醇不斷蒸發(fā)，參與反應(yīng)的乙醇減少，期望以此解決濕法溶劑用量大、干法反應(yīng)不均勻問題，并能依據(jù)實際需要有效方便地合成特定取代度的醋酸酯淀粉。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

大米淀粉(食品級)；NaOH、Na2CO3、無水乙醇、乙酸酐、NaClO等試劑均為分析純。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；101-1AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱；Nicolet 380型傅里葉紅外光譜(FTIR)儀；D/max2 500型XRD儀；Zeiss ΣIGMA型掃描電子顯微鏡。

1.2 氧化淀粉的制備

根據(jù)文獻[7]略作修改。稱取大米淀粉，加入一定質(zhì)量的水配制成300 g質(zhì)量分數(shù)為40%的淀粉乳，在磁力攪拌器上不斷攪拌，用3%NaOH溶液調(diào)節(jié)pH為8～10，然后量取60 mL次氯酸鈉溶液，用滴管緩慢加入到淀粉乳中，用3%鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH到9左右，在45 ℃下反應(yīng)3 h，然后用3%HCl溶液調(diào)節(jié)pH至6.0～6.5，加入30 mL亞硫酸鈉溶液終止反應(yīng)，然后抽濾、洗滌、烘干、粉碎、篩分，得到羧基含量(即氧化度)為0.07%的氧化淀粉(氧化度測定方法按照文獻[7])。

1.3 醋酸酯淀粉有限溶劑法合成工藝

以氧化淀粉為原料，無水乙醇為濕潤介質(zhì)，醋酸酐為乙?；噭?，合成醋酸酯淀粉。稱取5.0 g的氧化淀粉，分別加入1 g堿，其中Na2CO3和NaOH的比例分別為1∶9～10∶0(以確定混合堿的比例，然后在Na2CO3和NaOH的比例為3∶7時，分別加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g的Na2CO3和NaOH混合堿)，混合均勻，分別滴加入0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 mL的無水乙醇，靜置0.5 h，分別滴加入0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL的乙酸酐，混合均勻，靜置0.5 h，分別在40、50、60、70、80 ℃下進行乙?；磻?yīng)，反應(yīng)結(jié)束后洗滌、干燥、粉碎、篩分，得到醋酸酯淀粉。

1.4 取代度DS的測定

以氧化淀粉為空白，具體方法參考文獻[8]。取代度DS計算公式如下：

式中:W為樣品質(zhì)量/g；C為HCl標準溶液的濃度/(mol/L)；V1為樣品消耗鹽酸溶液體積；V2為氧化淀粉消耗鹽酸溶液體積。

1.5 響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化實驗

根據(jù)單因素實驗的結(jié)果，通過Design-Expert 8.0.6 對醋酸酯淀粉的合成工藝進行優(yōu)化。為了方便表示，以NaOH占比表示m(Na2CO3)∶m(NaOH)(如0.7表示m(Na2CO3)∶m(NaOH)=3∶7)。選取NaOH占比(A)、堿添加量(B)、乙酸酐添加量(C)三個因素設(shè)計實驗，確定各因素水平見表1，實驗結(jié)果見表2。

表1 各因素水平表

1.6 醋酸酯淀粉的結(jié)構(gòu)特征研究

用FTIR儀測定紅外光譜，測試波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1，樣品混合KBr粉末壓成片劑[9]；用XRD儀測試醋酸酯淀粉的晶體結(jié)構(gòu)，掃描范圍為2θ=5°～90°，管壓40 kV，管流40 mA，連續(xù)掃描速率10°/min，掃描步長0.02°；SEM測試電壓為10 kV。

1.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有實驗重復(fù)3次。實驗數(shù)據(jù)使用SPSS17.0進行處理，數(shù)值以均值±標準差表示，采用Origin8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 各因素對取代度(DS)的影響

由圖1可知，醋酸酯淀粉的取代度DS隨著Na2CO3與NaOH比例的增大而呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在4∶6時達到最大值。隨著堿添加量的增大，DS先升高后降低，在堿添加量為1 g時最大。通過調(diào)整Na2CO3與NaOH比例和堿添加量來調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，比例小或堿添加量大，反應(yīng)體系的pH高，則導(dǎo)致醋酸酯淀粉水解，并使淀粉表面形成糊化層，阻礙反應(yīng)的進行。比例大或堿添加量小，反應(yīng)體系的pH低，則導(dǎo)致淀粉分子中羥基活化效果不佳，進而影響反應(yīng)效果，造成DS下降，如文獻[10][11]報道。隨著乙酸酐添加量的增大，DS不斷增大，在添加量超過1.5 mL后，DS變化不明顯，且乙酸酐添加量達到1.5 mL之后，產(chǎn)品的狀態(tài)不佳，在淀粉顆粒表面形成糊化層，可能是因為乙酸酐添加量過高導(dǎo)致反應(yīng)體系pH值太小。且在酸性環(huán)境下，醋酸酐易水解，不利于反應(yīng)進行[12]。綜合以上考慮，乙酸酐添加量應(yīng)控制在1.5～2.5 mL。DS隨著無水乙醇添加量的增加而不斷增大，在1.2 mL處達到最大值，繼續(xù)增加乙醇添加量，DS下降。因為增加無水乙醇的添加量，使反應(yīng)體系處于更加濕潤的環(huán)境中，有利于反應(yīng)的進行，但是乙醇添加量過多，則導(dǎo)致單位體積內(nèi)有效反應(yīng)分子減少，不利于反應(yīng)進行，所以乙醇添加量控制為1.2 mL最佳。DS隨反應(yīng)時間增加而先增大后減小，在2.5 h時達到最大值。因為在堿性環(huán)境中，淀粉活化和乙酸酐滲透需要時間。但是，反應(yīng)時間繼續(xù)增加，反應(yīng)已達到平衡，取代度基本保持不變[13]。隨著反應(yīng)溫度的增加，DS呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在70 ℃時達到最大值。因為隨著反應(yīng)溫度的升高，加速分子運動，淀粉結(jié)構(gòu)也變得更加松散，且酯化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高利于反應(yīng)進行，DS升高[14]，較高溫度下，醋酸酯淀粉和乙酸酐水解反應(yīng)速率增大，大于酯化速率，導(dǎo)致DS下降[12]。

圖1 各因素對取代度DS的影響

2.2 響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化實驗

通過Design Expert軟件對表2的實驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得到制備不同取代度的醋酸酯大米淀粉的條件方程：DS=0.132 85-0.101 75A+0.109 3B-0.055 65C-0.025AB+0.09AC+0.013BC+0.015A2-0.072 4B2+0.010 6C2。此模型的方差分析結(jié)果見表3。從表3中可以看出，模型F=17.49，P=0.000 5<0.01,說明此模型顯著性極高，失擬項F=2.12，P=0.240 1>0.05，說明此模型失擬度不顯著；R2=0.957 4，RAdj2=0.902 7，說明此模型模擬效果好，實驗誤差小。建立以上回歸方程可以通過控制m(Na2CO3)∶m(NaOH)、堿添加量、乙酸酐添加量等因素合成特定取代度的醋酸酯大米淀粉，對醋酸酯大米淀粉的有限溶劑法合成具有重要意義。另外，利用以上回歸方程可以確定合成醋酸酯大米淀粉的最佳工藝條件：反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時間2.5h，m(Na2CO3)∶m(NaOH)=3∶7；m(氧化淀粉)∶m(堿)∶V(乙酸酐)∶V(無水乙醇)=5∶0.86∶2.5∶1.2，在此工藝條件下，制備的醋酸酯大米淀粉取代度最大達0.207。為了便于實際操作，調(diào)整為m(氧化淀粉)∶m(堿)∶v(乙酸酐)∶v(無水乙醇)=5∶1∶2.5∶1.2。對最佳工藝和回歸方程可靠性進行驗證實驗，結(jié)果如見表4。

表2 響應(yīng)面設(shè)計實驗結(jié)果

表3 回歸模型方差分析

注：*，P<0.05，差異顯著；**，P<0.01，差異極顯著。

表4 最佳工藝條件和回歸方程驗證實驗

通過驗證實驗可知，有限溶劑法合成醋酸酯大米淀粉的最佳工藝條件為NaOH占比0.7，即m(Na2CO3)∶m(NaOH)=3∶7。合成DS為0.1和0.15的醋酸酯大米淀粉時，得到的實際值分別為0.104和0.154，與設(shè)定值基本一致，證明此回歸方程可靠。

此外依據(jù)表3中的F值的排序，可知3個因素對取代度的影響主次順序為：乙酸酐添加量>堿添加量>m(Na2CO3)∶m(NaOH)。響應(yīng)面分析的3D圖(圖略)表明AC、BC的交互作用明顯。

2.3 紅外光譜特征

圖2 大米淀粉、氧化淀粉及醋酸酯大米淀粉的紅外光譜圖

2.4 晶體結(jié)構(gòu)

圖3 是對大米淀粉和醋酸酯大米淀粉進行X射線衍射分析的結(jié)果?？梢钥闯?，大米淀粉在15°、17°、18°和23°處有較強的衍射峰，這說明大米淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為A型晶體結(jié)構(gòu)[17]。氧化淀粉的X射線衍射圖譜與大米淀粉基本無差別，可能是因為氧化程度太低，且氧化反應(yīng)初始階段只發(fā)生在淀粉的非結(jié)晶區(qū)，沒有對淀粉的晶型造成太大影響，與文獻[18]一致。低取代度時仍有上述相應(yīng)的衍射峰，在9°和20°出現(xiàn)彌散峰，但是高取代度時，上述相應(yīng)衍射峰消失，在20°出現(xiàn)較寬的彌散峰。因為淀粉是層狀結(jié)構(gòu)的多晶體，乙酰化反應(yīng)改變了淀粉顆粒原有的聚集狀態(tài)，隨著取代度的提高，淀粉顆粒不斷失去結(jié)晶結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)層逐漸變厚，最后淀粉顆粒的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，高取代度的醋酸酯淀粉具有無序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，與文獻[19]中的研究結(jié)論相一致。

圖3 大米淀粉、氧化淀粉及醋酸酯大米淀粉的X射線衍射圖

2.5 形貌觀察

圖4 大米原淀粉、氧化淀粉和醋酸酯大米淀粉的SEM圖

用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察原淀粉與乙?；蟮拇姿狨ゴ竺椎矸垲w粒的表面形貌。圖4a為大米原淀粉的SEM圖，大米淀粉顆粒的表面光滑，呈多角形，棱角分明。圖4b為氧化淀粉的SEM圖，淀粉表面出現(xiàn)孔洞，增大接觸面積，有利于反應(yīng)的進行。圖4c為醋酸酯大米淀粉(DS=0.04)的SEM圖，淀粉顆粒表面變得粗糙，出現(xiàn)凹槽。圖4d為醋酸酯大米淀粉(DS=0.1)的SEM圖，淀粉顆粒表面進一步粗糙，凹槽增多加深，并出現(xiàn)裂紋。圖4e為醋酸酯大米淀粉(DS=0.17)的SEM圖，淀粉顆粒表面塌陷，凹槽和裂痕明顯增加，邊緣模糊不清，棱角基本消失。圖4f為醋酸酯大米淀粉(DS=0.2)的SEM圖，淀粉顆粒粘連嚴重，反應(yīng)痕跡更加明顯，反應(yīng)程度更深。綜上所述，大米淀粉的乙?；磻?yīng)破壞了淀粉顆粒的結(jié)構(gòu)，隨著取代度的增加，淀粉表面形貌被破壞的更加嚴重[9]。

3 結(jié)論

以氧化淀粉為原料，Na2CO3和NaOH為堿化劑，無水乙醇為濕潤劑，醋酸酐為乙?；噭邢奕軇┓ㄖ苽浯姿狨ゴ竺椎矸鄣淖罴压に嚕簃(Na2CO3)∶m(NaOH)=3∶7,m(氧化淀粉)∶m(堿)∶V(醋酸酐)∶V(無水乙醇)=5∶1∶2.5∶1.2，反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時間2.5 h。制備不同取代度的醋酸酯淀粉的條件方程為：DS=0.132 85-0.101 75A+0.109 3B-0.055 65C-0.025AB+0.09AC+0.013BC+0.015A2-0.072B2+0.010 6C2。FTIR結(jié)果表明經(jīng)乙酰化反應(yīng)，淀粉分子中引入了乙酰基。XRD結(jié)果表明，高取代度時，乙?；磻?yīng)破壞了淀粉的結(jié)晶區(qū)，醋酸酯淀粉具有無序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)；SEM結(jié)果表明，乙酰化反應(yīng)后淀粉顆粒的表面形貌發(fā)生變化，顆粒表面棱角消失，出現(xiàn)坑洞，變得粗糙，顆粒被破壞嚴重，取代度越高，破壞情況越明顯。有限溶劑法能有效解決濕法工藝溶劑用量大和干法工藝反應(yīng)不均勻等問題，為醋酸酯大米淀粉生產(chǎn)提供了簡便、高效的合成方法。