乙酰化羟丙基淀粉制备工艺的优化研究

刘丽艳，李 君，赵 凯

(哈尔滨商业大学 食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨 150076)



乙酰化羟丙基淀粉制备工艺的优化研究

刘丽艳，李 君，赵 凯

(哈尔滨商业大学 食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨 150076)

以羟丙基淀粉为原料，对其进行乙酰化处理，制备乙酰化羟丙基复合改性淀粉.研究了乙酰化及羟丙基化反应程度控制、反应温度、反应时间、pH和淀粉乳体积分数对复合改性淀粉取代度的影响.采用中心组合实验设计确立了乙酰化羟丙基淀粉制备的数学模型，通过响应面法优化及预测乙酰化羟丙基淀粉的制备条件.结果表明, 最佳工艺条件为羟丙基淀粉的取代度为0.15，淀粉乳体积分数40%，醋酸酐添加量6.65%，pH值为8.30，反应温度25 ℃，反应时间30 min.

乙酰化羟丙基淀粉；复合改性；取代度；优化

羟丙基淀粉是在碱性条件下，使用环氧丙烷为醚化剂，与淀粉分子发生醚化反应，从而将羟丙基引入淀粉分子中[1].羟丙基淀粉属于非离子型淀粉，受电解质和pH的影响小，能在较宽的pH条件下使用[2]；糊液透明、流动性好，凝沉性弱，稳定性高[3-4].以上特性使其在食品工业中广泛应用于冷冻食品和方便食品中.乙酰化淀粉在其分子中引入了一些乙酰化基团，使淀粉侧链分子间的氢键不易缔合，提高淀粉稳定性.乙酰化改性淀粉糊化温度降低、糊的稳定性好、透明度高[5-6].

乙酰化羟丙基淀粉是在原淀粉的基础上，先后接入羟丙基基团和乙酰基基团，使其同时具有两种单一改性淀粉的共同特点.对该复合改性淀粉国内外相关研究较少[7-9].

响应曲面法结合数学应用、统计分析和试验设计技术，探讨影响因素与响应输出之间的数学模式关系[10].是以回归的方法作为函数估算的工具，把多因子试验中，因子与试验结果的相互关系，用多项式近似表示，把因子与试验结果(响应值)的关系函数化，研究因子与响应值之间、因子与因子之间的关系，进行优化[11].中心组合实验设计是拟合二阶响应曲面时使用最广泛的试验设计.本文利用中心组合设计，探讨了乙酰化羟丙基淀粉制备工艺，建立相应数学模型，优化制备的条件，为其进一步应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

羟丙基淀粉(实验室自制，取代度0.15)、浓硫酸、水合茚三酮、酚酞、亚硫酸氢钠、硫酸钠、氢氧化钠、环氧丙烷、醋酸酐、盐酸、无水乙醇，以上试剂均为分析纯.

1.2 仪器与设备

DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器 郑州市亚荣仪器有限公司；ZHWY-110型水浴振荡器 上海一恒科学仪器有限公司；PHS-25型PH计 上海雷磁有限公司；722E型可见分光光度计 上海光谱仪器有限公司；TDL-5-A型离心机 上海安亭科学仪器厂；DHG-9203A型电热恒温鼓风干燥箱 上海一恒科学仪器有限公司；FW80型高速万能粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司.

1.3 方 法

1.3.1 羟丙基淀粉的制备

将一定体积分数的淀粉乳置于三口瓶中，加入一定量的Na2SO4和NaOH溶液，混合，密闭，充入氮气，排出空气，在水浴加热条件下，加入环氧丙烷后密封三口瓶瓶口，搅拌后反应一段时间，所得产品用2 mol/L的硫酸滴定至中性，离心、洗涤、干燥、粉碎，得成品[12-13].

1.3.2 乙酰化淀粉的制备

将一定体积分数的淀粉乳，在25 ℃下搅拌1 h，用3%的NaOH调pH值至8.0，加入乙酸酐，同时用3%的NaOH将pH值保持在8.0～8.4范围内，反应一定时间，用0.5 mol/L的HCl将pH值调至6.5，离心，水洗，醇洗， 40 ℃的烘干、粉碎、即得成品[14].

1.3.3 乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备

按1.3.1制备羟丙基淀粉，以羟丙基淀粉为原料，对其进行乙酰化改性，具体操作同1.3.2.

1.3.4 羟丙基淀粉取代度的测定

[15].

1.3.5 羟丙基淀粉反应效率测定

反应效率(RE%)：

其中：MS为每个葡萄糖残基中羟基被取代基团取代的平均数；n1为表示淀粉的摩尔数(淀粉重量/162)；n2为醚化剂摩尔数(环氧丙烷重量/58.08).

1.3.6 乙酰化淀粉取代度的测定

见参考文献[14-16].

1.3.7 反应温度对取代度的影响

以取代度为0.15的羟丙基淀粉为原料，固定淀粉乳体积分数40%，醋酸酐添加量6%，反应时间60 min，pH=8.0，考察温度分别为25、30、35、40 ℃，45 ℃对取代度的影响.

1.3.8 反应时间对取代度的影响

以取代度为0.15的羟丙基淀粉为原料，固定淀粉乳体积分数40%，反应温度25 ℃，醋酸酐添加量6%，pH=8.0，考察时间分别为30、60、90、120 min及150 min对取代度的影响.

1.3.9 pH对取代度的影响

以取代度为0.15的羟丙基淀粉为原料，固定淀粉乳体积分数40%，反应温度25 ℃，醋酸酐添加量6%，反应时间60 min，考察pH值分别为7、8、9、10、11时，对取代度的影响.

1.3.10 淀粉乳体积分数对取代度的影响

以取代度为0.15的羟丙基淀粉为原料，固定反应时间60 min，反应温度25 ℃，醋酸酐添加量6%，pH=8.0，考察淀粉乳体积分数分别为25%、30%、35%、40%、45%对取代度的影响.

1.3.11 中心组合实验设计及结果分析

通过前面研究表明醋酸酐添加量以及pH为影响乙酰化羟丙基淀粉制备的主要因素.以乙酰化羟丙基淀粉的醋酸酯取代度(DS)为响应值.用中心组合实验设计二因素五水平实验.优化实验的水平及因素见表1.

表1 实验因素水平编码表

因 素编码-α-101α醋酸酐添加量/%X14．595677．41pHX27．59891010．41

1.3.12 数据分析

采用SPSS18.0、Design Expert软件进行数据处理、统计分析，使用Origin 8.0软件进行绘图.

2 结果与分析

2.1 羟丙基化程度的确定

对于使用玉米淀粉为原料制备羟丙基淀粉的文献很多[17-18]，但在制备过程中环氧丙烷的用量却不一致，为进一步验证羟丙基淀粉制备过程中环氧丙烷的用量，在6%～14%范围内考察环氧丙烷用量对羟丙基化的影响，结果如图1所示.可以看出：随着环氧丙烷用量的增加，羟丙基淀粉的取代度逐渐增加，但在环氧丙烷用量为10%(v/w，w为淀粉干重)以后增加缓慢，而随着环氧丙烷用量的增加，反应效率呈现先增加后下降的趋势，在环氧丙烷用量为10%时，反应效率达到最高值.再增加环氧丙烷用量，MS提高很小(仅0.01左右)但是反应效率却迅速降低，说明超过该体积分数，在实际上产中，会大大增加生产成本，所以综合评价，取10%的环氧丙烷体积分数(该体积分数下MS值可达0.15).这主要是因为随着环氧丙烷用量的增加，其与淀粉分子的碰撞机率增大，从而使取代度逐渐增加，但增加到一定程度后，淀粉中的部分羟基被羟丙基基团取代，使基团的空间位阻增大，从而使环氧丙烷与淀粉分子的碰撞机率下降，所以取代度增加缓慢，反应效率下降.

图1 环氧丙烷用量对取代度的影响

2.2 乙酰化淀粉取代度测定

由图2可知，醋酸酐添加量对乙酰化羟丙基淀粉取代度的影响极其显著，随着醋酸酐用量的增加，取代度逐渐增加，这主要是由于醋酸酐用量的增大，使其与淀粉分子的碰撞机率增加，使淀粉分子与醋酸酐分子反应机会增加，从而使酯化程度提高，取代度随之增加.但FDA规定食用级乙酰化淀粉中乙酰基百分含量2.5%，即取代度低于0.097[19].当醋酸酐添加量为7%时，取代度已经达到0.099，所以醋酸酐添加量不宜超过7%.

图2 醋酸酐添加量对取代度的影响

由图3可知，当反应温度从25 ℃上升至35 ℃时，产物的取代度并没有显著的差异，当温度上升到40 ℃时，产物的取代度降低，这主要是由于随着温度的升高，副反应加剧，醋酸酐和乙酰化羟丙基淀粉的水解速度增大，从而使产物取代度降低.当反应温度继续增加，反应体系黏度变大，不利于反应的进行.所以综合各方面方面考虑，反应温度选择25 ℃为宜.

图3 反应温度对取代度的影响

2.3 反应时间对取代度的影响

由图4可知，当反应时间从30 min上升到60 min时，产物的取代度并没有变化，随后略有升高，但变化并不显著.当反应超过90 min后，产物的取代度随着时间的延长逐渐降低.这是由于反应时间过长，乙酰化羟丙基淀粉水解脱酯所引起的.这是乙酰化羟丙基淀粉进行酯化反应时应当避免的，所以将反应时间定为30 min.

图4 反应时间对取代度的影响

2.4 pH对取代度的影响

从图5可以看出，pH是影响酯化反应的一个重要因素，当pH值为7～9时，随着pH的提高，产物的取代度显著升高，酯化程度增大，这表明弱碱性环境对羟丙基淀粉乙酰化反应有一定的催化作用；但当体系pH值大于9时，产品的取代度反而会降低.这是由于过高的pH会导致乙酰化羟丙基淀粉的水解[20].为了避免水解等副反应，反应体系的pH值应控制在8.0～10.0之间.

图5 pH对取代度的影响

2.5 淀粉乳体积分数对取代度的影响

由于此反应过程中需向体系中不断地滴加NaOH，来维持体系的pH，因此所谓的淀粉乳体积分数实为淀粉乳的初始体积分数.从图6可以看出，随着淀粉乳体积分数的提高，产物的取代度随之升高.淀粉乳体积分数由25%增至40%时，产物的取代度显著提高，淀粉乳体积分数由40%增至45%时，产物的取代度略有提高，但是差异不显著.这一结果表明在一定范围内，增加淀粉乳体积分数可促进淀粉与醋酸酐的酯化反应.但是淀粉乳体积分数过高，体系黏度增大，导致操作困难，而且容易造成反应均一性降低，因此适宜的淀粉乳体积分数应为40%左右.

图6 淀粉乳体积分数对取代度的影响

2.6 中心组合实验设计及结果分析

采用中心组合实验设计对醋酸酐添加量、pH这两个因素进行优化，以复合改性淀粉的取代度为响应值，实验结果见表2.利用Design experter对数据进行分析整理，得到该模型的响应值DS对自变量醋酸酐添加量和pH的二次多项回归方程为：

Y=-1.0014+0.0518X1+0.2042X2-1.5000E-003X1X2-1.9625E-003X12-0.0112X22

对回归模型进行方差分析(见表3)：F=27.99，P=0.000 2<0.01，说明此二次多项式模型具有高度显著性.通过对回归方程中各项方差分析得到模型中X1(醋酸酐添加量)、X2(pH)和X22对响应值影响显著.失拟项P=0.190 8>0.05，不显著.模型确定系数为R2=0.952 4，调整确定系数为R2=0.918 3，说明在试验范围内能很好地解释响应值的变化.因此该模型拟合程度较好，可用此模型对乙酰化羟丙基淀粉的制备工艺进行分析和预测[21-22].

根据模型回归方程计算出制备乙酰化羟丙基淀粉的最佳工艺条件为：醋酸酐添加量6.65%、pH=8.30，在此条件下的预测值为DS=0.096.

表2 中心组合实验设计

序号X1X2取代度(DS)1-1-10．05921-10．0953-110．0544110．0845-1．41400．06761．41400．10470-1．4140．080801．4140．0549000．08810000．09311000．08912000．08513000．084

表3 二次多项模型方差分析表

变异源平方和自由度均方F值P值模型2．984E-00355．967E-00427．990．0002X11．750E-00311．750E-00382．10<0．0001X23．841E-00413．481E-00416．330．0049X1X29．000E-00619．000E-0060．420．5366X122．679E-00512．679E-0051．260．2992X228．746E-00418．746E-00441．030．0004Residual1．492E-00472．132E-005失拟项9．842E-00533．281E-0052．580．1908误差项5．080E-00541．270E-005总和3．133E-00312R2=0．9524R2adj=0．9183

2.7 验证实验

通过分析中心试验得到的二次方程能够较好的预测在实验范围内不同单因素条件下的响应值.为进一步确定其可靠性，做验证实验来验证方程的可靠程度.实验见表4.

由表4可知：三组实验的实际值与理论预测值符合度较好，说明采用响应面法优化得到的工艺条件参数准确可靠, 具有实用价值.

表4 验证实验

X1X2DS预测值实际值差值误差/%6．658．300．0960．0910．0050．255．608．380．0810．0790．0030．15．109．980．0570．0530．0040．20

采用中心组合实验设计得到了制备乙酰化羟丙基淀粉的数学模型，可知醋酸酐添加量及pH对取代度的影响显著.

3 结 语

制备乙酰化羟丙基淀粉的的最佳工艺条件为：羟丙基淀粉的取代度为0.15，淀粉乳体积分数为40%，醋酸酐添加量为6.65%，pH值为8.30，在25 ℃下反应30 min.此时制得的乙酰化羟丙基淀粉的取代度为MS=0.15，DS=0.091.并通过中心试验的分析及验证实验表明，可以用中心试验优化及预测乙酰化羟丙基淀粉的制备过程.

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Optimization on preparation of acetylated and hydroxypropylated starch

LIU Li-yan, LI Jun, ZHAO Kai

(Key Laboratory for Food Science and Engineering, Harbin University of Commerce,Harbin 150076, China)

With hydroxypropyl starch as raw material, acetylated and hydroxypropylated starch (AHS) was prepared. The effects of acetic anhydride and propylene oxide concentrations, temperature, reaction time, pH and starch concentration on degree of substitution (DS) were studied. The mathematical model of the preparation of AHS was acquired through the central composite experimental design. Response Surface Method (RSM) was applied to optimize and predict the preparation conditions of AHS. Results showed that he optimum synthesizing conditions of the dual-modified starch were as follows: molar substitution (MS) of hydroxypropyl starch of 0.15, starch concentration of 40%, acetic anhydride concentration of 6.65%, pH=8.30, temperature 25 ℃, reaction time of 30 min.

acetylated and hydroxypropylated starch; dual-modification; degree of substitution (DS); optimization

2016-07-09.

哈尔滨市科技创新人才项目(2014RFXXJ068)

刘丽艳(1985-)，女，硕士，研究方向：淀粉化学与工艺学.

赵 凯(1974-)，男，博士，教授，研究方向：淀粉化学与加工机理.

TS231

A

1672-0946(2017)03-0314-05