醚化交聯淀粉變溫合成及其碘復合物吸收光譜分析

石海信，童張法，謝新玲，張友全

（1.欽州學院生物與化學系，廣西欽州535000；2.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004）

醚化交聯淀粉變溫合成及其碘復合物吸收光譜分析

石海信1，2，童張法2，*，謝新玲2，張友全2

（1.欽州學院生物與化學系，廣西欽州535000；2.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004）

以木薯淀粉為原料，環氧氯丙烷（ECH）為交聯劑，采用變溫交聯法制備醚化交聯淀粉，對淀粉交聯反應機理進行了分析。通過正交實驗探討了交聯劑用量、pH、反應溫度、反應時間對交聯淀粉沉降積的影響，確定了制備高交聯淀粉的最佳工藝條件為：pH11，ECH用量為0.3%（w/w），先在35℃下反應3h，然后升溫至50℃反應0.5h。應用淀粉-碘復合物吸收光譜對不同交聯度淀粉的結構進行表征，結果表明：交聯反應改變了直鏈淀粉構象，影響了碘分子進入其內部，相應的絡合碘分子數目減少，顏色變淺，吸光值減小，最大吸收波長向較短波長方向移動。

木薯淀粉，醚化交聯，變溫合成，淀粉-碘復合物

不同淀粉分子的醇羥基與交聯劑的多元官能團形成醚化鍵或酯化鍵而交聯起來，所得的衍生物稱為交聯淀粉［1］，通過醚化鍵交聯的則屬醚化交聯淀粉。交聯后的淀粉與原淀粉相比糊化溫度和粘度提高，糊的抗剪切、抗酸堿能力增強，使得交聯淀粉廣泛應用在粘度要求高且穩定的食品中。其中環氧氯丙烷交聯淀粉還具有突出的藥物控釋作用，在國外多被用作藥物的緩釋劑［2-3］。目前，醚化交聯淀粉的制備一般以環氧氯丙烷（epichlorohydrin，簡稱ECH）為交聯劑，以堿為催化劑，在室溫或略高于室溫的條件下進行交聯反應［4-5］。該工藝的缺點是交聯速率慢，一般需要16～24h才能完成交聯反應［6］，且產品質量不穩定，設備利用率低。因此，加快交聯反應速率，穩定產品的質量，提高設備利用率是交聯淀粉制備中一個亟待解決的問題。本文通過對淀粉與ECH的交聯反應機理分析，找出制約交聯反應速率快慢的因素，在此基礎上通過正交實驗方法尋找最佳變溫交聯工藝，并利用淀粉-碘復合物吸收光譜對交聯淀粉結構進行表征，為醚化交聯淀粉的研究開發提供實驗科學依據。

1 交聯淀粉制備機理

ECH分子中的氯和氧原子的吸電子誘導效應使ECH上的碳原子帶上部分正電荷，正電性的碳原子易朝向離子化的底物StO-，從而發生SN2親核取代反應，反應歷程如下［7］：

交聯過程中，同時進行的副反應是：

由于堿性淀粉（StO-）與ECH不互溶，因此淀粉的交聯屬非均相反應。反應速率除受溫度、濃度等因素影響外，還受擴散速度的影響。根據有關動力學研究，該反應的速率方程可表示如下［8-9］：

在反應體系中，當ECH的濃度很小，淀粉的濃度很大而基本上不變時，淀粉的交聯表現出假的一級反應：

從式（2）可見，提高交聯反應速率的途徑有：a.增加ECH的濃度。但增加ECH的濃度，會使生產成本增加，同時也使交聯淀粉的食用安全性降低，因為據美國食品及藥物管理局（FDA）標準，在對淀粉進行交聯化學處理時，所使用的交聯劑ECH的處理量＜0.3%才具有食用安全性［10］，因此靠增加ECH的濃度以加速反應的方法不可取；b.增大速率常數k值。根據Arrhenius方程［11-12］，當反應活化能大于零時，溫度升高，速率常數增加。但對于淀粉變性反應來說，起始溫度一般不宜超過40℃，否則在堿性條件下淀粉極易糊化造成反應難以繼續均勻地進行下去［13］，所以簡單地提高反應溫度不可行；c.提高擴散吸附速率。淀粉的交聯為多相反應，ECH在淀粉顆粒表面的擴散吸附是反應過程中很重要的一步，可采用相轉移催化劑［14］或提高攪拌速度來增加反應物之間的接觸機率從而加快反應進行。但采用相轉移催化劑也會造成產品食用安全性問題，生產上由于受設備所限，攪拌速度也不能過快。

從反應歷程來看，讓ECH與淀粉首先在較低的溫度下均勻而又緩慢地發生交聯反應，待淀粉發生一定程度交聯，淀粉顆粒膨脹需要更多的能量，糊化溫度升高，此時升高溫度可促使淀粉交聯反應速率加快。因此采用變溫交聯法合成交聯淀粉理論上是可行的。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

木薯淀粉 廣西明陽生化科技股份有限公司；環氧氯丙烷、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、95%乙醇 均為分析純。

FA2004電子天平 上海上天精密儀器有限公司；101-1A型數顯式電熱恒溫干燥箱 上海滬越實驗儀器有限公司；pHS-3C精密pH計 上海精密科學儀器有限公司；SHB-III循環水式多用真空泵 鄭州長城科工貿有限公司；H1650高速臺式離心機長沙湘儀離心機儀器有限公司；722型可見分光光度計 上海恒平科學儀器有限公司；501BS超級恒溫水浴 上海梅香儀器有限公司；JJ-1型精密增力電動攪拌器 常州國華電器有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 醚化交聯淀粉的制備 在帶攪拌器的三口圓底燒瓶中加入木薯淀粉、適量蒸餾水和占干淀粉重6%的NaCl，開動攪拌器，向乳液中緩慢滴加1mol/L氫氧化鈉溶液，把乳液pH調至9～11，熟化10min后，滴加一定量ECH，用橡皮塞塞緊瓶口，保持攪拌，于30～40℃連續反應2.0～3.0h后，把乳液溫度升高至50℃，繼續攪拌反應0.5h，再用1mol/L鹽酸將乳液pH中和至6.5～7.0，使反應停止。將乳液抽濾，分別用蒸餾水、70%乙醇洗滌濾餅，把濾餅置于恒溫干燥箱在50℃下干燥，粉碎過篩即得產品。

2.2.2 交聯度的測定 根據交聯淀粉交聯度與沉降積（VSE）呈線性負相關的關系，即VSE越小，交聯度越大，采用VSE來表示交聯度的大小。測定方法為［15］：準確稱取0.5g絕干樣品于100mL燒杯中，用移液管加25mL蒸餾水配成濃度為2%（w/w）的溶液，將燒杯置于82～85℃的水浴中，稍加攪拌，保溫2min，取出冷卻至室溫，分別把糊液加入2支10mL刻度離心管中，對稱裝入離心機內，開動離心機，緩慢加速至4000r/min。用秒表計時，2min停轉。取出離心管，將上層清液倒入滴定管中，讀出清液體積，計算VSE。對同一樣品進行3次平行測定，取平均值。

式中，V-清液體積，mL。

2.2.3 交聯淀粉-碘復合物吸收光譜分析 取濃度為0.01%（w/w）淀粉糊8mL，加入0.2mL碘液（I22.0mg/mL+KI 20mg/mL），混勻靜置10min，以1cm比色皿在可見光波長下，測定淀粉-碘復合物的吸光度，以稀碘液（0.2mL碘液+8mL蒸餾水）作空白。

2.2.4 L9（34）正交實驗設計 田宗達等［16］研究表明，淀粉交聯受溫度、催化劑用量、ECH用量、電介質（防膨劑）用量、反應時間等多種因素的制約。為了找出淀粉交聯的最佳工藝條件，選ECH、pH、溫度、時間四個因素，每個因素各做三個水平的正交實驗L9（34），以VSE作為考察反應進行程度的指標，VSE越小，交聯反應進行得越徹底。正交實驗中各種原料的用量均為以淀粉干基為基準的重量百分比，固定淀粉乳濃度為40%。L9（34）正交實驗方案表頭設計見表1。

表1 交聯淀粉正交實驗因素水平表

3 結果與討論

3.1 正交實驗結果與分析

正交實驗方案及結果見表2。

表2 交聯工藝正交實驗方案與結果

根據表2結果，可作如下分析：

a.對于ECH來說，隨著ECH用量的增加，VSE呈下降趨勢，因此增加ECH用量，在一定范圍內的確可以增加交聯度，但考慮到交聯淀粉的食用安全性與生產成本，交聯劑ECH用量不宜增加太多。

b.pH在9～11范圍內，VSE呈下降趨勢，但pH從10下降至11，VSE下降趨勢稍緩。這是因為隨著堿性增強，淀粉葡萄糖殘基上羥基更容易失去氫原子變成親核性強的StO-，有助于對ECH進行親核進攻。但ECH在堿性條件下會因水解生成醇類物質而消耗，pH越大，水解作用越強，同時淀粉乳在強堿性條件下也易產生凝膠或局部糊化，致使反應不均勻，因此堿度不宜調得過高。

c.溫度對VSE的影響呈拋物線型。由于本工藝采用的是變溫交聯法，在交聯的第一階段溫度控制在30～40℃，第二階段溫度控制為50℃。第一階段溫度的升高對產品VSE影響是先降后升，在35℃時VSE最小。這可能是初始溫度較高時反應物分子運動速率加快，活化分子所占的比例增大，有效碰撞次數增加，有利于交聯反應的進行，但溫度過高也會使ECH汽化加劇水解副反應速率加快，導致ECH消耗，反而降低了交聯反應速率，因此在第一階段宜使反應在較低溫度下均勻進行，以節約能源，待淀粉發生一定程度交聯，再把溫度升高到50℃，促使剩余的ECH迅速與淀粉反應，生成高交聯度淀粉。

d.交聯時間的延長，VSE下降，可以使更多的ECH與淀粉反應，從而提高ECH的轉化率。

比較表2中各因素的極差值R，可知用ECH制備醚化交聯淀粉四個因素重要性大小順序為：B＞A＞D＞C，即pH＞ECH用量＞時間＞溫度。其中pH影響最大，在生產中，可根據需要，選擇在一定pH下進行交聯反應，以便制得所需交聯度的產品。變溫交聯法制備高交聯度木薯淀粉的最佳工藝條件為：A3B3C2D3，即pH為11，環氧氯丙烷用量為0.3%（w/w），先在35℃下反應3h，然后升溫至50℃反應0.5h。

3.2 驗證與對比實驗

按正交實驗選出的最佳條件組合進行平行重復實驗，3次平行實驗所得產物的VSE分別為0.72、0.75、0.75mL，實驗重現性好；同時進行恒溫對比實驗，即pH為11，ECH用量為0.3%（w/w），在恒定溫度35℃下反應3.5h，此時所得產物VSE為1.35mL。由此證明變溫交聯法制備醚化交聯淀粉的工藝條件A3B3C2D3是合理的。

3.3 淀粉-碘復合物吸收光譜分析

淀粉遇碘顯藍色是鏈淀粉分子與碘形成絡合結構導致的顏色反應，如果淀粉分子的大小和構象發生了變化，吸附碘的顏色反應也會發生變化，因此根據可見光最大吸收波長與吸光度可以推斷交聯對淀粉分子大小與構象的影響情況［17］。實驗測定了木薯淀粉及VSE為4.6、2.6、1.1、0.75mL四個交聯淀粉的碘復合物在不同波長下的吸光度，結果見圖1。

圖1 交聯淀粉-碘復合物的吸收光譜

由圖1可見，VSE不同，交聯淀粉碘復合物吸收光譜也不同。VSE較大的交聯淀粉碘復合物的吸收光譜與木薯淀粉的相似，吸光度在低波長段較小，隨著波長的增加而上升，在610～620nm范圍內達到最高值，測定波長再增大，吸光值以較緩的速度下降。隨著VSE的減小，λmax依次減小，吸光值也依次下降。如VSE為0.75mL的高交聯淀粉，其λmax移至598nm，比木薯淀粉減少了22nm，與文獻［18］報道的相符，同時最大吸光值也減少到0.070（木薯淀粉最大吸光值為0.676）。這可能是交聯反應使淀粉形成了網狀結構，改變了直鏈淀粉分子構象，影響了碘分子進入其內部，相應的絡合碘分子數目較少，顏色呈淺紫色，吸光度變小，λmax向較短波長方向移動。

4 結論

4.1 由正交實驗可知，反應體系pH對交聯淀粉VSE影響最大，其次是ECH用量、時間、溫度。變溫交聯法制備高交聯度淀粉的最佳工藝條件為：pH11，ECH用量0.3%（w/w），先在35℃下反應3h，然后升溫至50℃反應0.5h。采用變溫工藝制備交聯淀粉，可使交聯時間比傳統方法縮短3～4倍，提高了設備利用率，節約能源。

4.2 淀粉-碘復合物可見光吸收光譜結構分析表明，交聯反應使淀粉形成了網狀結構，改變了直鏈淀粉分子構象，影響了碘分子進入其內部，相應的絡合碘分子數目較少，顏色呈淺紫色，吸光值變小，最大吸收波長向較短波長方向移動。

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Study on synthesis of etherified cross-linked starch by variable temperature method and absorption spectrum analysis of starch-iodine complex

SHI Hai-xin1，2，TONG Zhang-fa2，*，XIE Xin-ling2，ZHANG You-quan2
（1.Department of Biology and Chemistry，Qinzhou College，Qinzhou 535000，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Etherification cross-linking starch were prepared through variable temperature cross-linking of cassava starch and epichlorohydrin（ECH）.The mechanism of cross-linking of starch by ECH was analyzed.The effects of the amount of cross-linking agent，pH value，reaction temperature and time on the sediment volume（VSE）of cross -linking starch were investigated.The optimal conditions for synthesis of high cross-linked starch were obtained by orthogonal experiment as follows：pH 11，amount of ECH 0.3%（w/w），first，3h of reaction at the temperature of 35℃，then 0.5h at 50℃.The cross-linked starch’s structures were characterized at different degrees of crosslinking with absorption spectrum of starch-iodine complex.The results indicated that cross-linking reaction changed the conformation of amylose，and affected iodine to get into it.The number of corresponding starch-iodine complex decreased，the color became shallow，absorbance decrease and maximum absorption wavelength shift towards shortwave direction.

cassava starch；etherification cross-linking；variable temperature synthesis；starch-iodine complex

TS231

B

1002-0306（2010）11-0265-04

2009-07-27 *通訊聯系人

石海信（1962-），男，碩士研究生，副教授，研究方向：淀粉化學品的合成與應用。

廣西科學基金資助項目（桂科自0991274）；廣西教育廳科研項目（200807LX349）。