王晓丹,陆国权,常银子

(浙江农林大学农业与食品科学学院,浙江临安 311300)

醋酸酯化芋艿改性淀粉的制备及其性质研究

王晓丹,陆国权,常银子*

(浙江农林大学农业与食品科学学院,浙江临安 311300)

本文以芋艿淀粉为原料,选取醋酸为酯化剂制备醋酸酯化改性淀粉,考察反应温度、反应pH、醋酐用量及反应时间对醋酸酯改性淀粉中乙酰基质量百分比的影响,通过正交实验设计确定醋酸酯法芋艿改性淀粉的最优工艺,并对原淀粉和醋酸酯化淀粉进行性质比较分析。结果表明:反应温度、pH、反应时间对乙酰基质量分数有极显著的影响(p<0.01),醋酸酐用量(0.16～0.37mL)对乙酰基质量分数的影响较显著(p<0.01),醋酸酐用量(0.37～0.51mL)对乙酰基的影响不显著(p>0.05)；通过正交实验确定最佳制备条件为反应温度25℃、pH8.0、醋酸酐用量0.44mL、反应时间1.5h,在此条件下制备得到的芋艿改性淀粉乙酰基质量分数为3.56%。理化性质的检验结果表明改性淀粉较原淀粉透明度提高41.28%、溶解度增大12.36%,膨胀率提高2.94%。改性淀粉的X-射线衍射图和芋艿淀粉的特征谱线一致,晶型为A型；芋艿淀粉颗粒较完整,没有裂缝,表面较光滑,形貌呈多面体,大颗粒淀粉周围附着许多小颗粒。芋艿改性淀粉颗粒完整,较光滑、多孔,呈多面体。

芋艿淀粉,醋酸酐,酯化,改性淀粉

芋艿(ColocasiaesculentalSchott)俗称“芋头”,属于天南星科(Araceae),多年生单子叶草本植物[1]。芋艿原产于中国、印度、马来西亚等热带沼泽地区,目前主要产区有非洲,亚洲的中国、日本、印度、菲律宾等地,在中国尤以南方栽种较多[2]。芋艿中淀粉含量非常高,一般芋艿中淀粉质量分数约为53.71%～83.35%(干基),一般芋头淀粉中直链淀粉的质量分数为 14.0%～40.4%[3]。

淀粉是一类天然高分子聚合物,被广泛应用于食品、造纸、纺织等工业。但是随着科学技术的迅速发展,原淀粉在化工生产中已显露出各种缺陷,如现代食品加工技术中的机械搅拌、高温杀菌等均要求淀粉具有耐热性和耐剪切性[4]；冷冻食品要求糊化后的淀粉不易结块、凝沉,并具有很强的亲水性[5-6]等,这些是一般原淀粉不具有的。为了淀粉资源的充分利用,在天然淀粉的基础上,采用物理、化学或酶处理,制得性质变化、加强或具有新的性质的淀粉衍生物[7],使其更加适合某些应用[8]。化学改性淀粉种类最多,生产中运用最广。而应用醋酸酯法制备的改性淀粉稳定性好、透明度好、不易凝沉[9]。目前对于改性淀粉的研究主要集中在马铃薯,玉米,甘薯,山药,葛根,对于芋艿改性淀粉的研究远不及其他薯类。因此本实验采用芋艿淀粉为原料,醋酸酐为醋化剂,以反应取代度为指标,制备交联酯化淀粉,对醋酸酯化改性性淀粉的工艺条件进行优化,通过扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)对酯化改性淀粉和原淀粉的结构和理化性质进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

醋酸酐、氢氧化钠、盐酸、乙醇 均为分析纯,华东试剂有限公司。

芋艿淀粉按照下面工艺自制:芋艿→洗净去皮→切块→浸泡→打浆→过滤→二次过滤→静置→下层淀粉乳离心→烘干→研磨→芋艿淀粉成品

JJ-2(2003-61)组织捣碎匀浆机、AL 104型电子天平 梅特勒-托科多仪器有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅 国华电器有限公司；DGG-9053AD型电热恒温鼓风干燥箱 上海森信实验仪器有限公司；LXJ-IIB低速大容量多管离心机 上海安亭科学仪器厂；VIS-7220型分光光度计 北京普析通用仪器有限责任公司；JJ300型精密电子天平 美国双杰兄弟有限公司常熟双杰测试仪器厂；pHB-4数显酸度计 上海天呈科技有限公司；扫描电子显微镜,SS-550,日本岛津；X-射线衍射仪,XRD-6000 型以及实验室常规仪器。

1.2 实验方法

1.2.1 醋酸酯芋艿改性淀粉制备工艺 按照参考文献[10]进行制备:称取4g芋艿淀粉,倒入6mL水中,搅拌调配成40%的淀粉乳液,置于50mL的烧杯中，置于20～45℃温度的水浴锅中,边搅拌边加入3%的NaOH溶液控制淀粉乳液的pH在7.5～10.0。同时匀速滴加0.16～0.51mL醋酸酐,滴加醋酸酐的同时用3% NaOH溶液始终控制pH在相应恒定范围内。反应1.0～3.5h后加入0.5mol/L HCl将反应混合物中和至pH6.0～7.0,停止搅拌。过滤,用蒸馏水洗3次,放入45℃干燥箱干燥。磨碎后过100目,装袋。

在单因素的基础上,选择对醋酸酯乙酰基质量分数有影响的各因素进行正交实验。采用L18(37)正交表,做反应温度、反应pH、反应时间和醋酸酐用量的四因素三水平的正交实验,对结果进行分析,正交实验表见表1。

1.2.2 乙酰基质量分数的测定 称取0.5g制备好的醋酸酯化改性淀粉和原淀粉分别放于250mL的烧杯中,加入50mL蒸馏水并把其放在磁力搅拌器上,依次加入2滴酚酞指示剂,用0.1mol/L的NaOH标准溶液滴到溶液出现稳定的粉红色),用移液管移取25.0 mL 0.5mol/L的NaOH溶液,磁力搅拌30min后,用0.5mol/L的HCl溶液滴定至粉红色消失,实验平行三次[11]。按下式分别计算乙酰基质量分数:

式(1)

式中:ω-乙酰基质量分数(%)；V1-空白实验消耗的盐酸(mL)；V2-样品溶液消耗的盐酸(mL)；N-盐酸浓度(mol/L)；W-样品质量(g)；43-CH3CO-的分子量。

表1 醋酸酯法芋艿改性淀粉制备因素及水平表Table 1 The factor and level of orthogonal design

1.2.3 理化指标测定

1.2.3.1 透明度的测定 准确称取干燥恒重的改性淀粉和原芋艿淀粉各0.5g,分别加入35mL蒸馏水,配制成淀粉乳,沸水浴中加热30min并不断搅拌,然后冷却至室温。将样液全部转移至50mL容量瓶并定容至刻度。以蒸馏水为空白,在620nm处平行测定三次样品的透光率%[12]。

1.2.3.2 膨胀率和溶解度 称取0.5g改性淀粉(干基)和0.5g原芋艿淀粉,分别加入35mL蒸馏水中,在95℃水浴中加热搅拌30min,在3000r/min离心15min,糊下沉部分为膨胀淀粉,将上清液分离干燥,即得水溶淀粉的量,按公式2和公式3计算出溶解度和膨胀率。

溶解度(%)=水溶淀粉干重/淀粉样品干重×100

式(2)

膨胀率(%)=膨胀淀粉干重/[淀粉样品干重×(100-溶解度)]×100

式(3)

1.2.3.3 扫描电镜实验 将干燥后的原淀粉和最优条件下制备的改性淀粉样品,分别用导电胶粘在样品座上,并置于离子溅射仪中,在样品表面蒸镀一层10～20nm厚的铂金膜,轻微晃动,使其分布均匀,用吸耳球吹去多余的试样,在不同放大倍数下用高分辨分析投射电子显微镜JEM2010进行电镜观察并拍摄照片。

1.2.3.4 X-射线衍射测定 样品准备:称取样品2g,用无水乙醇洗涤后在50℃干燥5h,研磨后用自动X-射线衍射仪分析。测定条件:粉末法,特征射线CuKα,电压40kV,电流30mA,扫描范围5°～70°,扫描速度2°,放射狭缝1°,放极射狭缝1°,接受狭缝0.3min[13]。

1.2.4 数据分析 实验数据采用SPSS17.0软件进行显著性分析(p<0.05)。

2 结果与讨论

2.1 反应条件对醋酸酯化反应的影响

2.1.1 反应温度对改性淀粉乙酰基质量分数的影响 控制反应pH8.0、醋酸酐用量0.37mL、反应时间2.5h,研究反应温度分别在20、25、30、35、40、45℃对乙酰基质量百分比的影响。结果见图1。

图1 反应温度对改性淀粉乙酰基质量的影响Fig.1 Effeet of the reaction temperature on the acetyl content

从图1可以看出,当反应温度从20℃上升至25℃,乙酰基质量分数呈上升趋势(p<0.01)。反应温度超过25℃乙酰基质量分数下降(p<0.01),反应温度超过40℃后,乙酰基质量分数又上升(p>0.05)。这是由于在淀粉的酯化过程中,淀粉醋酸酯生成的同时还伴随着淀粉醋酸酯和醋酸酐的水解反应发生。随着温度的升高,淀粉酯化反应速率与淀粉醋酸酯及酸酐的水解反应速率都会加快,但高温更利于淀粉醋酸酯及醋酸酐的水解反应的进行[14],从而使乙酰基质量分数有所降低。此外,高温不利于淀粉分子对氢氧化钠的吸附及其活性中心Starch-O-Na+的形成。因此,反应温度从20℃上升至25℃时淀粉的酯化反应速率大于淀粉醋酸酯及酸酐的水解反应速率,乙酰基含量呈上升趋势,超过35℃则有利于淀粉醋酸酯和醋酸酐的水解反应,从而使乙酰基含量下降。故后续实验中,反应温度选择25℃。

2.1.2 反应pH对改性淀粉乙酰基质量分数的影响 采用反应温度25℃、醋酸酐用量0.37mL、反应时间2.5h,考察pH为7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0对乙酰基质量分数的影响。从图2看出,pH在7.5～8.0,乙酰基质量分数上升(p<0.01)；pH在8.0～10.0,随着pH的增大,乙酰基质量分数比下降(p<0.01),在pH>9.5时下降速度最大。这可能是因为淀粉酯化过程在碱性条件下才能进行,改性淀粉对pH的变化及其敏感[15]。pH过高容易使改性淀粉发生碱水解；相反pH过低,改性淀粉会发生酸水解。因此制备醋酸酯改性淀粉的pH选择在8.0。

2.1.3 醋酸酐用量对改性淀粉乙酰基质量分数的影响 利用得到的反应温度和反应pH,并控制其他反应条件不变,研究醋酸酐用量在0.16、0.23、0.30、0.37、0.44、0.51mL对酯化反应的影响,结果如图3所示。

图2 反应pH对乙酰基含量的影响Fig.2 Effeet of the pH on the acetyl content

图3 醋酸酐用量对乙酰基含量的影响Fig.3 Effeet of the aeetieanhydridedosa on the acetyl content

图3显示,随着酸酐用量的增加,乙酰基质量分数呈上升趋势(p<0.05),最后趋于平缓(p>0.05)。这是因为随着醋酸酐用量的增加,醋酸酐与活性中心Starch-O-Na+之间的碰撞概率增加,反应的有效碰撞也随之增加,从而引起酯化反应取代基含量的增加。但是随着醋酸酐用量的增加,当醋酸酐用量到0.37mL时,醋酸酐的水解几率也增大,导致乙酰基质量分数增加缓慢[16]。因此,确定最适醋酸酐用量为0.37mL。

2.1.4 反应时间对改性淀粉乙酰基质量分数的影响 利用得到的醋酸酐用量、反应pH与反应温度,研究反应时间分别在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5h对乙酰基质量分数的影响,结果见图4。由图4看出,随着反应时间的延长,乙酰基质量分数先上升后下降(p<0.01)。这是因为淀粉颗粒的溶解膨胀和酯化反应均需要一定的时间,因此改性淀粉乙酰基质量分数随反应时间的延长而增加。但是当反应达到平衡后,淀粉醋酸酯发生水解的速度大于淀粉醋酸酯生成速度,因此乙酰基质量分数会降低[17]。所以酯化反应的时间控制在1.5h较适宜。

表2 正交实验极差分析表Table 2 The results of extreme difference analysis

图4 反应时间对乙酰基含量的影响Fig.4 Effeet of the reaction time on the acetyl content

2.2 正交实验

根据单因素实验,通过正交实验对反应温度、反应pH、醋酸酐用量和反应时间做七因素三水平正交实验,正交实验结果见表2。

从表2的正交实验结果看,影响主次因素C>B>D>A,即醋酸酐用量对改性淀粉乙酰基质量分数的影响最大,其后依次是pH、反应时间,影响最小的因素是反应温度。通过比较K值,可确定各因素最优水平组合为A2B2C3D2,即反应温度25℃、pH8.0、醋酸酐用量0.44mL、反应时间1.5h。由表3的正交实验方差分析可知,B因素(反应pH)和C因素(醋酸酐用量)对改性淀粉乙酰基质量分数的影响达到了极显著水平,相比之下反应温度和反应时间的影响则较小。

2.3 最佳工艺参数的确定

在最佳工艺条件下重复三次制备得到的平均芋艿改性淀粉乙酰基质量分数3.56%。

2.4 理化性质

2.4.1 醋酸酯化淀粉和原淀粉透明度、溶解度和膨胀率分析 由表4看出,与原淀粉比较,改性淀粉的透光率有极显著差异(p<0.01),酯化后的淀粉溶解度和膨胀率均有较显著差异(p<0.05),二者分别提高了12.36%、2.94%。主要原因是通过酯化反应,引入了乙酰基,淀粉分子内部因乙酰基基团的排斥力而发生膨胀,导致膨胀淀粉颗粒尺寸的增大,使得光透过的空隙加大。同时由于亲水性乙酰基团的存在,阻碍了淀粉分子之间的缔合作用,减弱了光的折射和反射强度,大大提高了淀粉糊的透明度[14]。另外乙酰基基团空间位阻较大,使一部分水溶性大分子降解成可溶性小分子,故极性增强、亲水能力增大,溶解度、膨胀率较原淀粉高[15]。

表3 正交实验方差分析表Table 3 The ANOVA of orthogonal design

注：**表示极显著(p<0.01)。

2.4.2 淀粉颗粒形态 用高分辨分析透射电子显微镜JEM2010拍摄的原淀粉与改性淀粉颗粒的照片,结果见图5、图6。芋艿淀粉颗粒较完整,没有裂缝,表面较光滑,形貌呈多面体,大颗粒淀粉周围附着许多小颗粒。芋艿改性淀粉颗粒完整,较光滑、多孔,呈多面体。

表4 醋酸酯化淀粉和原淀粉透明度、 溶解度和膨胀率比较分析Table 4 The transparence,expansibility and solubility of starch from taro

注:**表示与原淀粉比较差异极显著(p<0.01)；*表示与原淀粉比较差异较显著(p<0.05)。

图5 芋艿淀粉电镜图Fig.5 SEM of taro starch注:A:放大500倍；B:放大2400倍；C:放大3000倍。

图6 醋酸酯化改性淀粉电镜图Fig.6 SEM of taro starch acetate注:A:放大500倍；B:放大1000倍；C:放大5000倍。

2.4.3 芋艿淀粉颗粒的结晶结构 用粉末衍射法测定淀粉样品的结晶结构,得到淀粉颗粒衍射图样,其实验测试结果见图7。

图7 芋艿淀粉与其改性淀粉的X-射线衍射图Fig.7 X-Ray diffraction patterns for native and modified starches

由图7可知芋艿淀粉在2θ为15.26°、17.14°、18.18°、19.92°、23.30°、25.46°、31.34°和改性淀粉在2θ为15.26°、17.58°、18.36°、19.86°、23.43°、25.74°、30.56°处分别有强吸收峰,这说明芋艿淀粉和改性淀粉的结晶性均为A型,说明醋酸酯淀粉没有破坏淀粉的结晶区。

3 结论与讨论

由正交实验结果分析可知,醋酸酐用量对酯化改性淀粉乙酰基质量分数的影响最大,其次是pH,影响较小的是反应时间和反应温度。

本实验得出的最佳工艺参数组合为是:反应温度25℃、pH8.0、醋酸酐用量0.44mL、反应时间1.5h,在此条件下制备得到的芋艿改性淀粉乙酰基质量分数3.56%。

由正交最优组制备得到的改性淀粉经过理化指标测定,透光率提高41.28%；溶解度增大12.36%；膨胀率提高2.94%；改性淀粉的X-射线衍射图和芋艿淀粉的特征谱线一致,晶型为A型；芋艿淀粉颗粒较完整,没有裂缝,表面较光滑,形貌呈多面体,大颗粒淀粉周围附着许多小颗粒。芋艿改性淀粉颗粒完整,较光滑、多孔,呈多面体。

对于改性淀粉作为食品添加剂添加到饮料、糖果、果冻中有重大意义。添加后,可以改善食品的光泽度,使得饮料,果冻等产品澄清、透明,增强食欲。溶解度提高意味对于添加入食品后的溶解、分散性能也有重大意义。因此醋酸酯法制备芋艿改性淀粉对于芋艿的综合利用以及改性淀粉的生产具有一定的理论指导意义。

[1]高瑞莲. 芋艿营养价值剖析[J]. 食品科学,2000,10(2):19-21.

[2]李雅臣,李德玉,吴寿金. 芋头化学成分的研究[J]. 中草药,2005,26(10):555.

[3]孙忠伟,张燕萍,向传万. 芋头淀粉的分离和纯化[J],食品与发酵业,2004,30(3):117-121.

[4]Bemiller J.N,West. Lafayette Starch Modification[J]. Challenges and Prospects Starch/Starke,1997(49):127-131.

[5]Randa l.L. Shogren,Atanu Bisw as Preparation of water-soluble and water ellable starch acetates using microwave heating[J]. Carbohydr Polym,2006,64:16-21.

[6]李光磊. 玉米磷酸单酯的制备及特性研究[J]. 粮油加工与食品机械,2001(3):31-33.

[7]章毅鹏,廖建和. 浅析我国变性淀粉的应用现状[J]. 中国粮油学报,2007,22(6):181.

[8]R.A. de Graef. The Kinetics of The Acetylation of Gelationised Potato Starch[J]Carbohydrate Polymers,2005(28):137-144.

[9]Mahmoud Z,Sitohy,Said S EI-Saadony. Physicochemicalproperties of different types of starch phosphate monoesters[J]. Starch/Starke,2000,52(4):101-105.

[10]王飞,董海洲. 食用糯玉米淀粉醋酸酯制备和性质研究[J]. 粮食与油脂，2008(4):19-21.

[11]刘勋,胡敏,田春美,等. 葛根淀粉醋酸酯的制备研究[J].西南大学学报：自然科学版,2010,10(32):35-39.

[12]孙晓莉,郭丽,杜先锋,等. 响应面法优化大米多孔磷酸酯淀粉的制备工艺[J]. 中国粮油学报,2011,12(26):49-54.

[13]石海信,谭铭基,黄妍,等. 木薯淀粉与交联酯化木薯淀粉理化性质比较[J]. 中国粮油学报,2012,3(27):33-37.

[14]汪建平,李芬芬,张本山. 西米醋酸酯淀粉物化性质研究[J]. 粮食与油脂,2011,7:14-16.

[15]丁志刚,高红梅,施雯,等. 小麦淀粉焦磷酸钠改性工艺研究[J]. 中国粮油学报,2013,8(28):72-77.

[16]马晓军,梁万礼,朱丽丹,等. 变性对大米淀粉热膨化性质的影响[J]. 中国粮油学报,2012,3(27):29-33.

[17]毛海锋,吴卫国,胡元斌,等. 大米淀粉及其磷酸酯的理化性质研究[J]. 中国粮油学报,2012,1(27):33-38.

Study on the preparation and physicochemical characteristicsof taro starch acetate

WANG Xiao-dan,LU Guo-quan,CHANG Yin-zi*

(College of Food and Agriculture,Zhejiang Forestry University,Lin’an 311300,China)

Taro starch was esterify with acetate,using acetic anhydride as the reagent. The influences of reaction temperature,pH,the amount of acetic anhydride and reaction time on the acetyl content of the product were studied and the preparation conditions were optimized. SEM and XRD were applied to determine the properties of taro starch acetate,and comparitions were made with taro starch. Reaction temperature,pH,and reaction time had the most significant effect on the acetyl content(p<0.01),the amount of acetic anhydride(0.16～0.37mL)had significant effect on the acetyl content(p<0.05),and the amount of acetic anhydride(0.37～0.51mL)had no significant effect on the acetyl content(p>0.05). In an orthogonal experiment,the optimum technological conditions were determined:reaction temperature 25℃,pH8.0,the amount of acetic anhydride 10% and reaction time 2h. Under the condition,the acetyl content of the resulting product was 3.56%. Physical and chemical properties test showed that the transparency increased by 41.28%,the solubility increased by 12.36% and the expansion increased by 2.94%. XRD spectra indicated that the diffraction diagram of taro starch was concordant with taro starch,and type crystal starch was formed A type. SEM showed taro starch granules were intact,no cracks,the surface was smooth,the morphology of polyhedral,there were many small particles around large granular starch. Taro starch acetate granules were alike with taro starch but porous.

taro starch；acetic anhydride；esterification；modified starch

2014-05-04

王晓丹(1993-),女,本科,研究方向:保健食品的开发与评价。

*通讯作者:常银子(1977-),女,硕士,讲师,研究方向：保健食品的开发与评价。

TS255.1

B

1002-0306(2015)03-0128-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.018