蠟質(zhì)玉米淀粉制備乙?；矸哿姿狨サ墓に噧?yōu)化

西 芳，劉馨遠(yuǎn)，曹?chē)?guó)強(qiáng)

(黑龍江金象生化有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

隨著食品工業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)消費(fèi)者對(duì)高端食品的需求日趨增大，變性淀粉的不可替代性也逐漸凸顯。低端變性淀粉應(yīng)用在造紙、紡織領(lǐng)域，噸利潤(rùn)在15%～20%，中高端變性淀粉應(yīng)用在食品行業(yè)，噸利潤(rùn)在30%以上。變性淀粉產(chǎn)品市場(chǎng)的需求日新月異，更新?lián)Q代較快，單一的變性已不能夠完全滿(mǎn)足食品加工和貯藏的需要。因此，諸如交聯(lián)酯化等復(fù)合變性淀粉能夠綜合單一變性的優(yōu)點(diǎn)，呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。乙酰化二淀粉磷酸酯是一種重要的復(fù)合變性淀粉，同時(shí)具有交聯(lián)、酯化變性的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于果醬、沙司、調(diào)味醬、色拉調(diào)味料、酸奶、速凍食品、糕點(diǎn)、肉制品等食品中。

本研究以蠟質(zhì)玉米淀粉為原料，以三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑，醋酸酐為酯化劑，制備交聯(lián)酯化復(fù)合變性淀粉。重點(diǎn)研究了合成交聯(lián)酯化淀粉，以取代度為衡量指標(biāo)，確定制備復(fù)合變性淀粉的最優(yōu)工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：蠟質(zhì)玉米淀粉，吉林中糧(公主嶺)生化有限公司；醋酸酐，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；三偏磷酸鈉，廣州市商奇貿(mào)易有限公司；NaOH、HCL、NaCL、無(wú)水Na2SO4，北京化工廠(chǎng)；95%乙醇，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；無(wú)水磷酸二氫鉀，廣東光化學(xué)廠(chǎng)有限公司；鉬酸銨、抗壞血酸，上海伯奧生物科技有限公司；酚酞，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所。

實(shí)驗(yàn)儀器：5LWMC-9005L/A/S變性淀粉反應(yīng)器，上海萬(wàn)木春生物工程公司；PSB300型離心機(jī)，張家港市創(chuàng)格機(jī)械科技有限公司；FG-12沸騰干燥機(jī)，張家港艾國(guó)生物科技有限公司；E20 pH計(jì)，分析天平，JB90-D型強(qiáng)力攪拌器，梅特勒-托利多儀器有限公司；DHG-9140A干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；XMT-DA恒溫水浴鍋，北京市永興明醫(yī)療器械廠(chǎng)；YC-015實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī)，上海雅程儀器；SPECTRUMLUB 722 SP可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海棱光技術(shù)有限公司；Brabender連續(xù)粘度計(jì)，德國(guó)Brabender公司；DF-1015恒溫磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 先交聯(lián)后酯化樣品制備

將蠟質(zhì)玉米淀粉配制成38%(w/w)的淀粉乳，注入反應(yīng)器中，加入少量無(wú)水硫酸鈉和氯化鈉，防止淀粉糊化，設(shè)定交聯(lián)反應(yīng)參數(shù)，待淀粉乳攪拌均勻，用濃度為3%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH，加入定量的三偏磷酸鈉，啟動(dòng)反應(yīng)器，反應(yīng)結(jié)束后用0.5 mol/L的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH，再加入定量醋酸酐，設(shè)定酯化反應(yīng)參數(shù)，啟動(dòng)反應(yīng)器，反應(yīng)結(jié)束后用0.5mol/L的鹽酸溶液調(diào)pH為6.5，離心、洗滌后于45 ℃烘箱中干燥，粉碎，過(guò)100目篩，裝入聚乙烯密封袋中備用。

1.2.2 交聯(lián)取代度測(cè)定

采用分光光度法測(cè)定磷酸酯淀粉中的磷含量[1-2]。7個(gè)容量瓶分別加入0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、10.0 mL的4 μg/mL磷標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別對(duì)應(yīng)0 μg、4 μg、8 μg、12 μg、16 μg、20 μg和40 μg磷，加水定溶至30 mL。加入4 mL鉬酸銨溶液(50 g/L)和2 mL抗壞血酸溶液(50 g/L)，立即攪拌混勻，沸水浴10 min，迅速冷卻至室溫、定容，于波長(zhǎng)825 nm處測(cè)吸光度。以磷含量為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，其回歸方程為：Y=0.005X+0.0028，R2=0.999。

結(jié)合磷含量測(cè)定：用蒸餾水-乙醇(V∶V=1∶1)洗滌磷酸酯淀粉除盡游離磷，烘至質(zhì)量恒定。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.2 g樣品，加入15 mL濃硫酸(98%)-濃硝酸(56%)(V∶V=1∶1)，煮沸至棕色氣體變成白色，液體變澄清為止；若液體暗色不退，可逐滴加入濃硝酸至液體澄清，冷卻后，加10 mL蒸餾水，加熱至白色蒸氣出現(xiàn)。定容消化液，并取10 mL加入容量瓶中，加水至30 mL，顯色后比色，從標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上查得磷含量并計(jì)算取代度。計(jì)算公式：取代度DS=5.23X/(100-3.32X)(DS為取代度；X為磷含量)。

1.2.3 酯化取代度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取經(jīng)充分干燥的樣品2.0000 g，置于250 mL碘量瓶中，加入50 mL去離子水混勻，再加3滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微紅色不消失為終點(diǎn)；再加入25.00 mL NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.5000 mol/L)，在40 ℃恒溫水浴中振蕩0.5 h，再用0.5000 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至粉紅色消失，所用的0.5000 mol/L鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V1mL。同時(shí)準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥的原淀粉2.0000 g(與樣品等質(zhì)量)進(jìn)行空白試驗(yàn)，記錄所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V2mL。乙酰基質(zhì)量分?jǐn)?shù)的W計(jì)算[3]如下：

酯化取代度DS計(jì)算如下：

式中：w——乙?；|(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

V1和V2——原淀粉和改性淀粉滴定時(shí)所用HCl的體積，mL

CHCl——HCl的濃度，mol/L

M——改性淀粉樣品的質(zhì)量，g

H——改性淀粉的水分，%

43——乙?；南鄬?duì)分子質(zhì)量

1.2.4 Brabender黏度曲線(xiàn)測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取6.00 g(干基)淀粉樣品置于Brabender黏度儀的回轉(zhuǎn)杯中，加入一定量去離子水，使淀粉乳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%(w/w)，設(shè)置扭矩為350 cmg，回轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速為250 r/min。淀粉乳以3.0 ℃/min速度升溫，從50 ℃開(kāi)始升溫至92 ℃，然后保溫10 min，再以3.0 ℃/min的速度從92 ℃降溫至50 ℃，保溫10 min。Brabender黏度儀連續(xù)記錄所有過(guò)程中淀粉糊黏度的變化，得到Brabender黏度曲線(xiàn)[4]。

1.2.5 單因素實(shí)驗(yàn)

選取4個(gè)影響因素，以取代度為目標(biāo)函數(shù)，固定其中3個(gè)因素，考察單一因素對(duì)成品取代度的影響，交聯(lián)反應(yīng)各因素水平如表1所示，固定第3水平；酯化反應(yīng)各因素水平如表2所示，固定第2水平。

表1 交聯(lián)反應(yīng)單因素設(shè)計(jì)表

表2 酯化反應(yīng)單因素設(shè)計(jì)表

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素對(duì)交聯(lián)反應(yīng)的分析

2.1.1 三聚磷酸鈉用量對(duì)交聯(lián)取代度的影響

由圖1可見(jiàn)，隨著三聚磷酸鈉用量的增加，樣品的取代度逐漸增大，原因?yàn)殡S著基液中的磷酸根離子數(shù)量增多，淀粉分與之反應(yīng)速度增加。當(dāng)三聚磷酸鈉超過(guò)0.7%時(shí)，取代度增加緩慢，反應(yīng)趨于穩(wěn)定，原因?yàn)榈矸壑幸肓姿峄鶊F(tuán)后，羥基陸續(xù)被磷酸根取代，大的基團(tuán)取代小的基團(tuán)，產(chǎn)生空間位阻，隨著大基團(tuán)在交聯(lián)淀粉分子上的占位增加，淀粉分子的活性降低，影響了后續(xù)磷酸根基團(tuán)的接入[5]，淀粉分子中可反應(yīng)的羥基數(shù)接近飽和狀態(tài)，故三聚磷酸鈉用量0.7%較合理。

圖1 三聚磷酸鈉用量對(duì)取代度的影響

2.1.2 pH對(duì)交聯(lián)取代度的影響

由圖2可見(jiàn)，隨pH升高，取代度呈明顯上升趨勢(shì)，當(dāng)pH高于10.0時(shí)，取代度呈下降趨勢(shì)，原因?yàn)閴A性條件促進(jìn)淀粉分子與磷酸鹽反應(yīng)，但pH過(guò)高會(huì)引起部分淀粉糊化[6]，影響反應(yīng)效率。故pH應(yīng)控制在10.0左右。

圖2 pH對(duì)取代度的影響

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)交聯(lián)取代度的影響

由圖3可見(jiàn)，隨溫度的升高而增加，交聯(lián)淀粉的取代度先升高然后趨于穩(wěn)定，原因是隨著溫度的提高，淀粉分子間的氫鍵斷裂加快，使更多的磷酸酯化分子與淀粉中羥基接觸，促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行[7]，從能源角度考慮溫度應(yīng)控制在45 ℃較為合理。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)取代度的影響

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)交聯(lián)取代度的影響

由圖4可見(jiàn)，隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，取代度上升明顯，當(dāng)超過(guò)2.0 h時(shí)趨于平穩(wěn)，取代度變化不大，時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，取代度反而下降，原因?yàn)殡S反應(yīng)的進(jìn)行，底物濃度的下降，導(dǎo)致反應(yīng)效率降低。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)3.0 h時(shí)，取代度有所下降，原因?yàn)槌霈F(xiàn)產(chǎn)物熱分解或其他副反應(yīng)發(fā)生，故反應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在2.0 h較為合理。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度的影響

2.2 各因素對(duì)酯化反應(yīng)的分析

2.2.1 醋酸酐用量對(duì)酯化取代度的影響

由圖5可見(jiàn)：隨醋酸酐用量增加，取代度明顯升高，當(dāng)用量達(dá)到3.5%時(shí)，取代度達(dá)到最高。原因?yàn)殡S著醋酸酐用量增加，有效濃度提升，反應(yīng)效率加快，淀粉分子上的羥基與乙?；焖俳Y(jié)合，側(cè)鏈長(zhǎng)度增加，空間位阻增大[8]，反應(yīng)趨于平衡。故醋酸酐用量3.5%較為理想。

圖5 醋酸酐用量對(duì)取代度的影響

2.2.2 pH對(duì)酯化取代度的影響

從圖6可見(jiàn)：產(chǎn)品的取代度隨著pH的增加顯著提高，當(dāng)達(dá)到8.0時(shí)達(dá)到最高，而后略有下降。原因?yàn)閴A性狀態(tài)下淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)被破壞，充分溶脹，氫氧化鈉與羥基鍵合成活性中心，活性中心越多[9]，催化醋酸酐開(kāi)環(huán)反應(yīng)越快，反應(yīng)效率越高，pH繼續(xù)升高，淀粉顆粒過(guò)度溶脹，黏度增加，發(fā)生糊化反應(yīng)，導(dǎo)致取代度降低。故理想的pH應(yīng)為8.0。

圖6 pH對(duì)取代度的影響

2.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)酯化取代度的影響

由圖7可見(jiàn)：取代度隨溫度升高而增加，當(dāng)溫度超過(guò)35 ℃時(shí)，取代度下降，原因?yàn)榉磻?yīng)溫度升高，淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)發(fā)生溶脹，破壞結(jié)晶區(qū)，形成無(wú)定形區(qū)[10]，淀粉分子與醋酸酐的碰撞機(jī)率增大，反應(yīng)效率提高。酯化反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)[11]，溫度繼續(xù)升高，不利于反應(yīng)活性中心的形成[12]，導(dǎo)致化學(xué)平衡向反方向移動(dòng)。故理想的反應(yīng)溫度為35 ℃。

圖7 溫度對(duì)取代度的影響

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化取代度的影響

由圖8可見(jiàn)：產(chǎn)品的取代度隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)明顯增加，而后趨于穩(wěn)定。原因?yàn)殡S反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉分子上的羥基陸續(xù)被醋酸酐基團(tuán)取代，當(dāng)?shù)矸鄯鄯肿由系牧u基被取代完全后，酯化反應(yīng)完成，如繼續(xù)反應(yīng)會(huì)生成副反應(yīng)產(chǎn)物，還會(huì)使產(chǎn)品的的顏色加深。故理想的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)為1.8 h。

圖8 時(shí)間對(duì)取代度的影響

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)室以蠟質(zhì)玉米淀粉制備乙?；矸哿姿狨?，先交聯(lián)后酯化，最佳反應(yīng)條件為三偏磷酸鈉加量0.7%，pH為10.0、反應(yīng)時(shí)間2.0 h，反應(yīng)溫度45 ℃；醋酸酐加量3.5%、pH為8.0、反應(yīng)時(shí)間1.8 h、反應(yīng)溫度35 ℃，此條件下制備的乙酰化二淀粉磷酸酯磷含量可達(dá)0.45%，乙酰基含量可達(dá)0.95%。

隨著食品行業(yè)的發(fā)展，單一變性得到的變性淀粉已不能滿(mǎn)足高端食品行業(yè)的特殊要求，復(fù)合變性法可以?xún)纱位蚨啻胃淖冊(cè)矸鄣姆肿咏Y(jié)構(gòu)，使之獲得兩個(gè)或兩個(gè)以上的新型官能團(tuán)或取代基，新的官能團(tuán)或取代基的引入，改變了原淀粉的分子結(jié)構(gòu)，從而賦予其更多的功能特性，賦予多種性能的復(fù)合變性法淀粉將成為目前食品行業(yè)新需求，也將成為學(xué)者和專(zhuān)家重點(diǎn)關(guān)注和競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。