果凍膠用冷水可溶羥丙基淀粉的制備工藝優(yōu)化及應(yīng)用特性研究

吳宗帥 ， 張淑芬 ， 吳 磊 ， 楊公尚 ， 張 永 ， 霍二福 ， 程偉琴

(1.河南恒瑞淀粉科技股份有限公司 ， 河南 漯河 462000 ； 2.河南省化工研究所有限責(zé)任公司 ， 河南 鄭州 450052)

果凍膠，外觀類似果凍，用于禮品盒、紙盒及印刷包裝行業(yè)的膠?，F(xiàn)有的果凍膠一般用工業(yè)明膠為主要原料，輔以增稠劑、滲透劑、消泡劑、填充劑、抗氧化劑、抗凍劑等。傳統(tǒng)增稠劑多用高分子樹脂、羧甲基纖維素、淀粉等，這些物質(zhì)雖然能起到增稠、填充的作用，但有一定的弊端。高分子樹脂有一定毒性，羧甲基纖維素價(jià)格昂貴且耐熱性差。一般的變性淀粉使用量大，放置過程中易吸潮老化，在放置過程中極易失水變硬，影響產(chǎn)品的黏結(jié)性及操作性。羥丙基淀粉是淀粉在堿性條件下與環(huán)氧丙烷發(fā)生親核取代反應(yīng)得到的一種非離子型淀粉，具有糊化溫度低、糊液透明度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；而蠟質(zhì)玉米淀粉具有支鏈淀粉含量高、保水性強(qiáng)、透明度高、凝沉穩(wěn)定性好、不易老化等優(yōu)點(diǎn)，再經(jīng)羥丙基化后其透明度、穩(wěn)定性會(huì)更好[1-4]。圖1是淀粉和環(huán)氧丙烷在堿性催化條件下制備羥丙基淀粉的反應(yīng)示意圖，目前報(bào)道的關(guān)于羥丙基淀粉的制備是以有機(jī)溶劑或水為媒介進(jìn)行反應(yīng)。常用的非水溶劑有甲醇、乙醇，其成本高；而水媒法制備的羥丙基含量低限制了其應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)選用一定濃度的乙醇有機(jī)溶劑為反應(yīng)介質(zhì)[5-7]。本工藝優(yōu)點(diǎn)：降低了生產(chǎn)成本，能制備出高含量羥丙基淀粉，并且制備出的羥丙基淀粉冷水可溶、保水性強(qiáng)、透明度高、凝沉穩(wěn)定性好、不易老化等。非常適合在果凍膠中使用，不僅為高取代羥丙基淀粉的生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為果凍膠提供了合適的原料。

圖1 淀粉和環(huán)氧丙烷制備羥丙基淀粉的反應(yīng)示意圖

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

蠟質(zhì)玉米淀粉，食品級(jí)，甘肅昆侖生化有限責(zé)任公司；蠟質(zhì)玉米羥丙基淀粉(羥丙基含量4.5%)，食品級(jí)，河南恒瑞淀粉科技股份有限公司；氫氧化鈉、鹽酸等試劑，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

E型Brabender黏度計(jì)，德國布拉班德公司；DZKW-D-2電熱恒溫水浴鍋，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；紫外可見分光光度計(jì)8100B，北京萊伯泰科儀器有限公司；TD5A離心機(jī)，鹽城凱特實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1羥丙基淀粉的制備

稱取一定量的乙醇溶液并加入氫氧化鈉和硫酸鈉，攪拌至完全溶解，加入蠟質(zhì)玉米淀粉配制成一定濃度的淀粉漿，置于四口瓶中攪拌；加入環(huán)氧丙烷，密封容器，于室溫下反應(yīng)1.5 h，然后升至一定溫度后計(jì)時(shí)反應(yīng)；反應(yīng)結(jié)束后，用稀酸溶液將反應(yīng)漿調(diào)pH值至5.0～6.0，經(jīng)洗滌、抽濾、干燥、粉碎篩分制得樣品。

1.3.2羥丙基淀粉制備條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了選擇對(duì)羥丙基含量有顯著正效應(yīng)影響的因子，首先用Plackett-Burman對(duì)淀粉濃度、環(huán)氧丙烷用量、反應(yīng)時(shí)間、硫酸鈉用量、氫氧化鈉用量、反應(yīng)溫度、乙醇濃度7個(gè)影響因素進(jìn)行兩水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)結(jié)果的方差分析，從中選出對(duì)羥丙基含量有顯著影響的因素。然后對(duì)有顯著正效應(yīng)的因素使用Minitab16統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行三水平的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，從而確定出制備羥丙基淀粉的最佳工藝條件。

1.3.3羥丙基淀粉性質(zhì)測定

1.3.3.1羥丙基含量的測定

按照GB 29930—2013的方法進(jìn)行羥丙基測定。

1.3.3.2Brabender黏度測定

用蒸餾水配制干基濃度為6.0%淀粉糊液460 g，攪拌均勻后置于樣品缽中，以1.5 ℃/min速率從35 ℃升溫至95℃，保溫30 min，然后以1.5 ℃/min速率降溫至50 ℃，繼續(xù)保溫30 min，可得到淀粉樣品的Brabender黏度曲線。

1.3.3.3透明度的測定[8]

用蒸餾水配制成1%的淀粉乳，淀粉糊完全分散均勻后，沸水浴中保溫30 min，冷卻至室溫，然后采用分光光度計(jì)，在波長620 nm處測淀粉溶液糊的透光度，以蒸餾水作為空白溶液。

1.3.3.4凍融穩(wěn)定性測定[9]

用蒸餾水配制5%的淀粉乳，置于沸水中30 min，冷卻至室溫；然后制于-20～-18 ℃冰箱中放置24 h，取出在室溫下自然解凍，觀察淀粉糊的狀態(tài)，再放入冰箱冷凍。如此重復(fù)多次，至糊開始有清水析出為止。記錄凍融次數(shù)，表示糊的凍融穩(wěn)定性。

1.3.3.5老化特性

稱取1.000 g淀粉，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0 %的淀粉懸浮液后置于沸水中糊化20 min，然后冷卻至室溫，將淀粉糊放入100 mL量筒中，在4 ℃分別靜置0、6、12、24、36、48 h后記錄上清液的體積，以上清液體積表征淀粉老化程度[10]。

1.3.4在果凍膠中的應(yīng)用

1.3.4.1果凍膠的制備

按照表1中的配方將水、明膠、糖漿和淀粉攪拌均勻后，升溫至58 ℃，加入其他配料，攪拌均勻后，升溫至72 ℃，加入消泡劑和抗氧化劑，在攪拌狀態(tài)下降溫至32 ℃，即得到果凍膠，并測定果凍膠的成膜性質(zhì)和黏結(jié)力。

表1 果凍膠配方

1.3.4.2脆碎度檢測[11-12]

將一定質(zhì)量制備好的果凍膠涂在培養(yǎng)皿上，觀察表面完全干燥后進(jìn)行外觀(成膜性、透明度、韌性)檢查，立即逐粒放入直立在木板上的玻璃管內(nèi)，將20 g圓柱形砝碼從玻璃口處自由落下，觀察膜破碎程度，做3次平行試驗(yàn)。

1.3.4.3黏結(jié)力

測定方法參照中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—壁紙膠黏劑JC/T 548—94進(jìn)行測定，黏結(jié)力一般用紙破率表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響羥丙基含量的因素確定

為了選擇對(duì)羥丙基含量有顯著正效應(yīng)的因素，對(duì)淀粉濃度、環(huán)氧丙烷用量、反應(yīng)時(shí)間、硫酸鈉用量、氫氧化鈉用量、反應(yīng)溫度、乙醇濃度進(jìn)行兩水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并以+1和-1代表因素變量的高低水平，因素編碼及水平設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 Plackett Burman試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

使用Minitab16統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表2中的因素進(jìn)行篩選試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的順序進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)矩陣及羥丙基含量如表3所示。

表3 Plackett-Burman設(shè)計(jì)及羥丙基的含量

用Minitab16統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表3的羥丙基含量進(jìn)行回歸分析，其結(jié)果如表4所示。

表4 回歸方程方差分析

由表4可以看出，此模型的P值為0.025，說明該模型顯著，在所研究的回歸區(qū)域回歸方程擬合良好。由各因素效應(yīng)分析表5可以看出，環(huán)氧丙烷用量(B)、氫氧化鈉用量(E)、反應(yīng)溫度(F)和乙醇濃度(G)對(duì)羥丙基含量為顯著正效應(yīng)的影響，而淀粉濃度(A)、反應(yīng)時(shí)間(C)和硫酸鈉用量(D)無顯著影響。因此可以得到對(duì)羥丙基含量有正顯著影響的一元回歸方程：

Y=9.138+3.83B+1.17E+1.74F+1.40G

R2=0.993 4

其它對(duì)羥丙基含量沒有正顯著影響(P>0.05)的因素沒有出現(xiàn)在該模型。

表5 各因素效應(yīng)分析

2.2 羥丙基淀粉制備條件的優(yōu)化及驗(yàn)證

2.2.1制備條件的優(yōu)化

根據(jù)對(duì)Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)羥丙基含量有正效應(yīng)的顯著影響因素進(jìn)行Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。即選擇環(huán)氧丙烷用量、反應(yīng)溫度、乙醇濃度和氫氧化鈉用量作為試驗(yàn)因素，分別取三個(gè)水平，以-1、0、+1分別表示每個(gè)因素的低、中、高水平，如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

用Minitab16統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行四因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到27組試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面分析試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表7所示，響應(yīng)值為羥丙基含量。

表7 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其結(jié)果

使用Minitab16統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)表7結(jié)果進(jìn)行方差分析，其結(jié)果如表8所示。

表8 回歸方程方差分析

從表8中結(jié)果可以看到，每個(gè)單因素對(duì)羥丙基含量的影響顯著，每個(gè)因素的二次項(xiàng)及X1X3、X2X3和X3X4的交互作用對(duì)結(jié)果也有顯著影響。根據(jù)方差分析結(jié)果，以顯著因素構(gòu)建模型并對(duì)模型進(jìn)行擬合分析，其模型統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表9，可以看到回歸模型擬合極顯(P<0.000 1)，失擬項(xiàng)不顯著，說明該模型可靠。得到回歸方程為：

Y=14.863 3+0.856 667X1-0.434 167X2+

0.740 000X1X3+0.780 000X2X3+1.242 50X3X4

該回歸方程相關(guān)系數(shù)的平方為96.46%，表明該回歸方程可靠。對(duì)回歸方程求解得到，其最優(yōu)工藝條件：環(huán)氧丙烷添加量19%，醚化溫度43 ℃，乙醇濃度55%，加堿量1.8 %，此時(shí)環(huán)氧丙烷含量為15.39%。

表9 響應(yīng)值的擬合模型統(tǒng)計(jì)分析

2.2.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證響應(yīng)面法所得結(jié)果的可靠性，采用上述最優(yōu)條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，測得羥丙基含量平均值為15.11%，說明預(yù)測值和實(shí)際值之間存在較高的擬合度，所建立的模型是可靠的，可以用來模擬和預(yù)測羥丙基含量。

2.3 Brabender曲線

圖2為三個(gè)樣品的BU曲線圖，顯示了各淀粉隨溫度程序變化的連續(xù)黏度變化，黏度曲線的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)如表10所示。樣品蠟質(zhì)玉米淀粉、常規(guī)羥丙基淀粉(羥丙基含量4.5%)、該工藝制備的冷水可溶羥丙基淀粉編號(hào)分別為a、b、c(下文用a、b、c代表三種淀粉)。

圖2 不同淀粉的Brabender黏度曲線

由圖2可看出，樣品c的B點(diǎn)黏度高于其他兩種淀粉，且走勢有所不同。|B-D|/B值表示改性淀粉在高溫剪切下的熱穩(wěn)定性，值小表示淀粉黏度熱穩(wěn)定性好。(E-D)/D值表示改性淀粉的凝膠性，該值越大表示該淀粉越易回生，由表10可以看出幾種淀粉熱穩(wěn)定性高低依次為c>b>a，凝膠性強(qiáng)弱依次為c

表10 不同淀粉在黏度曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)

2.4 透明度和凍融穩(wěn)定性測定

三種淀粉的透明度和凍融穩(wěn)定性對(duì)比如表11所示。

表11 三種淀粉的透明度和凍融穩(wěn)定性對(duì)比

由表11可看出，該實(shí)驗(yàn)制備的冷水可溶羥丙基淀粉c較a、b具有透光率高、凍融穩(wěn)定性強(qiáng)的特性。這是由于經(jīng)過高度羥丙基化后，糊中的淀粉顆粒由于親水性強(qiáng)，和水分子締合占大部分，光線能通過淀粉糊，糊的透明度大大提高，取代度越高氫鍵作用力越弱，分子在水中充分分散舒展，糊的透光率也越大，因此該實(shí)驗(yàn)制備的樣品透光率最高[14-15]。淀粉的析水凍融次數(shù)越多表明淀粉的凍融穩(wěn)定性越好，a經(jīng)過1次凍融，b經(jīng)過4次凍融后淀粉糊變成海綿狀開始析水，而c經(jīng)9次凍融后才開始析水，表明c具有更好的凍融穩(wěn)定性，這是由于c淀粉中引入的羥丙基一方面減弱了淀粉分子間的氫鏈形成，阻止了淀粉分子間相互聚合引起的老化；另一方面羥丙基本身具有較強(qiáng)的親水性，起到保護(hù)淀粉糊中水分的作用[16]。

2.5 老化特性

三種淀粉的老化特性見圖3。

淀粉的凝沉與淀粉的老化有關(guān)系，淀粉糊化后在放置過程中由于淀粉的老化作用而產(chǎn)生凝沉。本實(shí)驗(yàn)主要反映了在充足水分條件下羥丙基含量對(duì)淀粉老化的影響，上層液體積的變化反映了淀粉糊的

圖3 三種淀粉的老化特性

回生趨勢，上清液體積越大說明淀粉的回生程度高。由圖3可以看出，羥丙基含量的增加，淀粉糊的上清液體積減小，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，所有淀粉糊的上清液體積比逐漸增加，并且在4 ℃靜置36 h后基本不再凝沉。蠟質(zhì)玉米原淀粉a糊的沉降速度明顯高于b、c淀粉糊，這說明在充足的水分條件下羥丙基基團(tuán)的引入對(duì)淀粉的老化有一定抑制作用。羥丙基基團(tuán)的接入使得淀粉分子間的氫鍵變?nèi)?，不易將水分排擠出來，從而阻礙了淀粉糊的凝沉。

2.6 淀粉對(duì)果凍膠性能影響

三種淀粉成膜性和黏結(jié)力測定見表12。

表12 三種淀粉成膜性和黏結(jié)力測定

由表12可得出，該工藝制備的樣品形成的膜透明度好、韌性好、脆性弱及黏結(jié)力高，這是由于高取代羥丙基淀粉引入的羥丙基基團(tuán)親水性更強(qiáng)，使水分更容易滲透到淀粉分子內(nèi)部，使糊液糊化充分，形成的膜性能良好，黏結(jié)力更強(qiáng)。

3 結(jié)論

采用 Plackett-Burman 設(shè)計(jì)對(duì)7個(gè)因素進(jìn)行了篩選試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧丙烷用量、醚化溫度、乙醇濃度和加堿量對(duì)羥丙基含量有顯著影響。采用Box-Behnken設(shè)計(jì)對(duì)4個(gè)顯著因素進(jìn)行優(yōu)化，確定了制備冷水可溶羥丙基淀粉的最佳反應(yīng)條件為環(huán)氧丙烷添加量19 %、醚化溫度43 ℃、乙醇濃度55%、加堿量1.8 %，此時(shí)環(huán)氧丙烷含量為15.39%。該工藝制備的冷水可溶羥丙基淀粉透明度、凍融穩(wěn)定性、抗老化性好，用于果凍膠中，能賦予產(chǎn)品良好的透明度、韌性、黏結(jié)力，為果凍膠提供了新原料。