孙晓莉 郭 丽 杜先锋 朱 玉

(安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

响应面法优化大米多孔磷酸酯淀粉的制备工艺

孙晓莉 郭 丽 杜先锋 朱 玉

(安徽农业大学茶与食品科技学院，合肥 230036)

对多孔淀粉进行磷酸酯化改性处理，使其既具有磷酸酯淀粉的特性，又具有多孔淀粉的吸附性质。以自制的大米多孔淀粉为原料，三聚磷酸钠为酯化剂，通过单因素试验和响应面试验，经SAS软件分析，确定了制备大米多孔磷酸酯淀粉的最佳条件，并对其进行验证。结果表明，磷酸盐用量4%、温度150℃、时间150 min、pH 6是合成大米多孔磷酸酯的最佳工艺条件。此法制得的大米多孔磷酸酯淀粉取代度为0.09，并且通过SEM观察验证它仍然具有大米多孔淀粉的完整结构。

磷酸酯淀粉 响应面 红外光谱 多孔结构

磷酸酯淀粉是一种应用广泛的阴离子淀粉，由原淀粉与磷酸盐酯化而成，即使很低程度的取代也能够使原淀粉的性质发生改变［1］。在一定条件下，用正磷酸盐、偏磷酸盐、焦磷酸盐或多聚磷酸盐均能把磷酸酯基团引入淀粉中。淀粉磷酸酯有单酯和双酯两种类型，在淀粉磷酸单酯中，淀粉的羟基只与磷酸三个酸性官能团发生中的一个发生酯化反应;而淀粉磷酸双酯中，羟基可以与磷酸的两个酸性官能团发生反应，是一种交联淀粉［2］。

多孔淀粉是一种新型的改性淀粉，其表面有许多伸向淀粉颗粒中心的小孔，具有比原淀粉更大的比表面积，具有良好的吸附作用［3］，但是淀粉结构经过多孔处理后容易坍塌，会影响多孔淀粉的吸附效果［4］。

本试验采用大米多孔淀粉为原料，以三聚磷酸钠为磷酸酯化剂，研究不同反应条件对淀粉磷酸酯取代度的影响，通过响应曲面法确定最佳试验条件，为进一步开发利用多孔淀粉提供良好的试验基础。

1 材料与方法

1.1 主要材料与设备

1.1.1 试验材料

大米多孔淀粉:试验室自制［5］;无水正磷酸二氢钾、钼酸铵、96%硫酸、65%硝酸、抗坏血酸、磷酸、三聚磷酸钠等均为分析纯。

1.1.2 仪器

MA110型电子天平:上海良平仪器仪表有限公司;UV－2102C型紫外可见分光光度计:尤尼柯(上海)仪器有限公司;DHG－9140A型电热恒温鼓风干燥箱:上海一恒科技有限公司;SKD－08S2红外智能消化炉:上海沛欧分析仪器有限公司;DF－101S集热式恒温加热磁力搅拌器:巩义市英峪予华仪器厂;SHB－Ⅲ循环水式多用真空泵:郑州长城科工贸有限公司;Nicolet 8700傅里叶红外变换光谱仪:美国Thermo Scientific Instrument公司;Sirion 200场发射扫描电子显微镜:FEI。

1.2 试验方法

1.2.1 大米多孔磷酸酯淀粉的制备

工艺流程如图1所示。

图1 大米多孔磷酸酯淀粉制备工艺流程图

将三聚磷酸钠溶于水中，配置不同浓度的磷酸盐溶液，用稀磷酸调节pH，把制备好的大米多孔淀粉加入磷酸盐溶液中配置成40%的淀粉乳，磁力搅拌30 min。用布氏漏斗抽滤，得到的滤饼用适量95%乙醇浸泡洗涤，再次抽滤，所得滤饼40℃干燥至水分质量分数为5% ～10%，控制时间温度进行酯化反应，粉碎过200目筛，即得成品。

1.2.2 单因素试验

在反应体系pH为5，反应时间为120 min和反应温度为140℃保持不变的情况下，三聚磷酸钠添加量分别取淀粉干基的3%、4%、5%、6%、7%、8%6个水平;在反应体系pH为5，反应时间为120 min和三聚磷酸钠用量为6%保持不变的情况下，反应温度分别取120、130、140、150、160 ℃ 5 个水平;在反应体系pH为5，反应温度为150℃和三聚磷酸钠用量为6%保持不变的情况下，反应时间分别取30、60、90、120、150 min 5个水平;在反应时间为150 min，反应温度为150℃和三聚磷酸钠用量为6%保持不变的情况下，反应体系 pH 分别取3、4、5、6、7 5 个水平，分别考察三聚磷酸钠用量、反应温度、反应时间、pH等4个因素对取代度的影响。

1.2.3 响应面试验

在单因素试验的基础上，以取代度为指标选取各因素范围如表1所示。

表1 响应面试验因素与水平对照表

1.2.4 淀粉磷酸酯取代度的测定

1.2.4.1 总磷含量的测定

采用分光光度法对大米多孔磷酸酯淀粉进行总磷含量的测定［6］。

1.2.4.2 游离磷含量的测定

采用姜元荣［7］的方法对大米多孔磷酸酯淀粉进行游离磷含量的测定。

1.2.4.3 结合磷含量的测定

结合磷含量=总磷含量－游离磷含量。

1.2.4.4 淀粉磷酸酯取代度(DS)的计算［8］

式中:K1为游离磷换算成磷酸盐的系数，以磷酸钠计，K1=3.873 4;K2为结合磷酸酯基团的换算系数，以磷酸钠计，K2=3.292 2。

1.2.5 红外光谱检测

采用KBr压片法对大米多孔磷酸酯淀粉进行红外光谱检测。

1.2.6 多孔淀粉磷酸酯微观形态观察

采用场发射扫描电子显微镜观察大米多孔磷酸酯淀粉的微观形态。

剪取少许静电双面胶带贴在扫描电镜载物台上，挑取微量试样(干燥)洒在双面胶上，轻微晃动，使其分布均匀，用吸耳球吹去多余的试样，使试样尽量不堆积在一处，放入镀金器中喷碳镀金。电子枪加速为20 kV，在不同的放大倍数下扫描、拍照。

1.3 数据分析

试验数据采用Excel 2000和SAS分析软件处理。

2 结果与分析

2.1 单因素试验测定结果

2.1.1 三聚磷酸钠用量对取代度的影响

由图2a可以看出，三聚磷酸钠用量对淀粉磷酸酯的取代度有较大影响。随着三聚磷酸钠量的增加，取代度逐渐增加。当三聚磷酸钠添加量从3%增加到6%时，取代度增长较快，但是随着三聚磷酸钠量的继续增加，取代度的增长速度减小，反应效率减慢，对三聚磷酸钠利用率减小，基于成本和反应效率考虑，选取三聚磷酸钠的用量为6%。

2.1.2 反应温度对取代度的影响

由图2b可以看出，淀粉磷酸酯的取代度随着反应温度的升高而升高，且升高幅度较大。这是因为温度的升高能够促进淀粉分子间氢键的断裂，使淀粉裸露出更多的羟基，从而使更多的磷酸盐接触到羟基而发生酯化反应，所以取代度也相应的增加，但是在反应温度达到150℃时，生成的试样颜色发黄，反应温度在160℃时，不仅试样颜色发黄，而且部分试样发生了焦化现象，所以反应温度不应该超过150℃。

2.1.3 反应时间对取代度的影响

由图2c可以看出取代度随着反应时间的延长而增大，增长速度由快变慢。这是由于随着反应时间的延长，反应物双方的接触时间增加，酯化反应得以充分进行，酯化程度也随之增加，但反应一段时间后，随着磷酸盐的消耗，反应物浓度下降，反应效率减小，取代度增长缓慢。从经济角度考虑，反应时间不宜超过150 min。

2.1.4 pH 对取代度的影响

图2 各因素对取代度的影响

由图2d可以看出，在pH值较低的情况下，淀粉磷酸酯的取代度较低，随着反应体系pH的增大，取代度增大并且在pH为5时达到最大值，继续增大pH，取代度下降，这是因为反应体系中pH值为5时，体系中氢离子浓度比较大，能够促进酯化反应的发生;pH过低会使淀粉中糖苷键水解，pH过高会使淀粉发生交联［9］。所以，调节反应体系的pH为5。

2.2 响应面试验结果分析

根据单因素试验结果，采用四因素二次通用旋转设计，以淀粉磷酸酯的取代度为响应面，考察上述四因素对取代度的协同影响来确定试验的最佳条件，该设计采用SAS数据处理中的响应面分析。

表2 响应面试验设计及结果

2.2.1 响应面法试验结果

响应面法的试验设计及结果见表2，运用SAS数据统计分析软件对试验数据进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果见表3，得到A(磷酸盐用量)、B(温度)、C(时间)和 D(pH)的二次多项回归模型:

DS= －0.279 54 －0.003 38 × A+0.005 86 ×B －0.002 38 ×C+0.220 91 ×D －0.001 41 ×A2+0.000 12×A×B －0.000 04×A×C+0.000 94×A×D －0.000 03×B2+0.000 02×B ×C －3.812 6×B ×D+2.262 6×C2+0.000 02×C ×D －0.002 60×D2

表3 DS的估计回归数学模型

响应数据的方差分析结果见表4，由其可知，模型的 F 值 =7.034 ＞ F0.05(14，6)=2.85，P=0.000 2 ＜0.01，模型显著;失拟项 F=3.661 ＞ F0.05(14，10)=2.60，P=0.062 9 ＞0.05，不显著，所以可以用此回归方程说明各因子与响应值之间的关系(R2=73.80%)。由表3可知方程的A、C、D的影响是都高度显著的。回归方程中一次项、二次项和交互项是显著的(P＜0.001)，这说明响应面分析所选用的4个主效应显著。其中因素之间的交互作用也比较大(P=0.046 3＜0.05)。同时，由F值和P值可以看出，在磷酸盐用量、温度、时间和pH这4因素中，对DS影响较大的是温度和时间，其次是磷酸盐用量和pH。由失拟项不显著可知，该数据模型拟合程度较好，试验误差较小，可以用此模型来分析和预测产品的DS。

表4 对DS模型的方差分析

2.2.2 响应面直观分析

由表3可知，各个因素之间的交互作用中，B、C之间的交互作用最为显著，其模型的响应曲面和等值线图见图3、图4。

从图3、图4可以看出，A(磷酸盐用量)和 D(pH)一定时，在选定的范围内，DS较高的值落在B(温度)150℃，C(时间)150 min，此时，反应体系的pH为5，磷酸盐用量为6%。由此可见，温度和时间这两个因素的改变都会引起DS的改变，随着时间的延长和温度的提高，DS增加较快，足够的反应时间和较高的反应温度有利于磷酸酯淀粉的生成，但是过高的反应温度和加热时间会使生成的产品颜色发黄且焦化而影响产品质量，所以应该在限定的范围内寻找最佳条件，在不影响产品质量的情况下使DS最大化。

2.2.3 最佳条件的确定

运用SAS软件的响应曲面优化设计对试验结果进行分析优化，在DS目标值期望最大的条件下，当DS 值达到0.092 时，A、B、C、D 对应值分别是4、150、150、6。即当DS达到0.092时，最佳工艺参数为:磷酸盐用量4%、温度150℃、时间150 min、pH 6。

以最佳条件做3次平行验证试验，结果见表5。实际DS与预测DS的偏差为0.34%，说明可以利用上述回归方程对淀粉磷酸酯DS进行预测。

表5 优化条件下的验证试验

2.3 红外光谱分析

图5为大米多孔磷酸酯淀粉的红外光谱图，其特征吸收峰为1 008 cm－1(P—O—C反对称伸缩)，856 cm－1(P—O—C对称伸缩)，表明有磷酸酯键P—O—C 的存在［10］。

图5 大米多孔磷酸酯淀粉的红外光谱图

2.4 多孔淀粉磷酸酯微观形态观察

从图6可以看出，将大米多孔淀粉制成磷酸酯化淀粉后，其表面结构没有明显改变，多孔结构没有坍塌凹陷，这说明对多孔淀粉进行磷酸酯化改性不会破坏其多孔结构，是可行的。

图6 不同淀粉的SEM图

3 结论

采用SAS试验设计进行响应面分析，建立了大米多孔淀粉磷酸酯化工艺中磷酸盐用量、温度、时间和pH对取代度DS的数学模型。通过方差和可信度分析表明，模型拟合度较好，可以用此模型来分析和预测产品的DS。

通过单因素和响应面试验，确定了磷酸酯化大米多孔淀粉的最佳条件为:磷酸盐用量4%、温度150℃、时间150 min、pH 6。所得产品的取代度高达0.09，在×40 000的放大倍数下观察，此法制得的淀粉磷酸酯仍然具有多孔淀粉的完整结构。

［1］张力田.变性淀粉［M］.广州:华南理工大学出版社，1992:198－212

［2］张友松.变性淀粉生产与应用手册［M］.北京:中国轻工业出版社，2001:352－355

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［6］GB 12092—1989淀粉及其衍生物磷总含量的测定方法［S］

［7］姜元荣，倪巧儿.淀粉磷酸酯取代度的分析方法［J］.无锡轻工大学学报，1999，18(3):70 －73

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Optimization of Preparation Technology of Porous Phosphated Rice Starch by Response Surface Analysis

Sun Xiaoli Guo Li Du Xianfeng Zhu Yu
(College of Tea and Food Science and Technology，Anhui Agricultural University，Hefei230036)

The porous starch was treated by phosphoric acid－esterified modification，so that it might have both the characteristics of phosphate starch and the adsorption properties of porous starch.With raw material of self－made porous rice starch and the esterifying agent of sodium tripolyhosphate，the single factor test and response surface analysis were carried out in this paper.As analyzed by SAS software，the optimum conditions for preparation of porous rice phosphate starch were determined and verified accordingly.The results indicated that the concentration of phosphate 4%，temperature 150℃，time 150 min and pH 6 were optimum technical conditions for synthesis of porous rice phosphate starch.The degree of substitution of porous rice phosphate starch prepared by the said method was 0.09.SEM was used to observe and verify that it still had a complete structure of porous rice starch.

phosphate starch，response surface，IR spectrum，porous structure

TS231

A

1003－0174(2011)12－0049－06

国家自然科学基金(20776002)，上海烟草集团重点烟气实验室开放性基金(SZBCW2010－00538)

2011－02－23

孙晓莉，女，1982年出生，硕士，农产品加工与贮藏工程

杜先锋，男，1963年出生，教授，博士生导师，食品生物技术及农副产品深加工技术