高取代度淀粉醋酸酯合成工藝優化及結構表征

李海龍，陳 鵬，DIOP Cherif Ibrahima Khalil，謝筆鈞，孫智達*

高取代度淀粉醋酸酯合成工藝優化及結構表征

李海龍，陳 鵬，DIOP Cherif Ibrahima Khalil，謝筆鈞，孫智達*

(華中農業大學食品科技學院，湖北 武漢 430070)

以玉米淀粉為實驗材料，在催化劑用量、醋酸與醋酸酐體積比、反應時間、反應溫度4個單因素試驗基礎上，利用響應面試驗設計法進行試驗設計，獲得取代度與各單因素的函數關系，并建立高取代度淀粉醋酸酯合成工藝模型。通過回歸方程和響應曲面，得到淀粉醋酸酯最佳合成工藝為催化劑用量0.11mL、醋酸與醋酸酐體積比1:1.39、反應時間1.59h、反應溫度87.61℃。驗證實驗結果顯示，在此條件下淀粉醋酸酯取代度為2.95。傅里葉紅外光譜分析表明，淀粉醋酸酯葡萄糖單元上的羥基逐漸發生酯化，而且隨著取代度測定值升高，乙酰基含量增大。掃描電鏡照片顯示，淀粉醋酸酯表面變得更為粗糙，孔隙增多且呈蜂窩狀，說明酯化反應不僅發生在淀粉顆粒表面，同時也發生在淀粉顆粒內部。

淀粉醋酸酯；合成工藝；響應面法；取代度；紅外色譜；掃描電鏡

淀粉是一種來源豐富、價格低廉且可再生的天然高分子，然而由于含有大量羥基，限制了其在某些領域的利用，因此常常對淀粉進行改性使之獲得一些獨特的性質[1-3]。淀粉醋酸酯又名乙酰化淀粉，它是變性淀粉的一個重要類型，是淀粉大分子中的羥基在一定條件下，與醋酸或其他醋酸衍生物發生反應得到的一種衍生物[4-6]。低取代度淀粉醋酸酯主要應用于食品工業，具有糊化溫度降低、黏度及透明度高、不凝膠等特點[7]；高取代度淀粉醋酸酯主要在生物可降解材料等領域應用，成膜性好，熱塑性優良[8-11]。

本研究通過單因素試驗探討不同反應條件對合成淀粉醋酸酯取代度的影響，而后利用Design-Expert 7.0.1.0軟件建立正交試驗，以取代度為指標，優化淀粉醋酸酯合成工藝。同時，利用傅里葉紅外光譜、掃描電鏡等手段，表征改性淀粉的化學結構和微觀形態的變化。本研究通過單因素試驗和響應面試驗方法建立淀粉醋酸酯合成反應模型，突出反映多因素交互作用對于合成淀粉醋酸酯取代度的影響，從而細化出高取代度淀粉醋酸酯的最佳合成條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉(食品級，直鏈淀粉含量25%) 武漢淀粉廠；冰醋酸、醋酸酐、濃硫酸、無水乙醇、氫氧化鉀、濃鹽酸、酚酞均為分析純。

1.2 儀器與設備

BSA224S型分析天平 賽多利斯科學儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器 上海東璽制冷儀器設備公司；FE20型pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SHZ-C型真空抽濾機 鞏義市予華儀器有限公司；GZX-9140MBE數顯干燥箱 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；NEXU型紅外光譜儀 美國熱電公司；JSM-6390/LV型掃描電子顯微鏡 日本NTC公司。

1.3 方法

1.3.1 淀粉醋酸酯合成[8,12]

以玉米淀粉為實驗材料，濃硫酸為催化劑，醋酸酐為酯化劑，冰醋酸為活化劑進行淀粉醋酸酯的合成。稱取10.00g玉米淀粉于三口燒瓶中，加入一定量冰醋酸，在室溫下磁力攪拌3min。按一定體積比加入醋酸酐，然后緩慢加入一定體積比的濃硫酸和冰醋酸混合液，加入的冰醋酸和醋酸酐的總體積為50mL。將三口燒瓶密封并連接冷凝裝置后，置于水浴中，在一定溫度下磁力攪拌反應一定時間。反應結束，將反應液傾倒入裝有5倍反應液體積的蒸餾水的容器中，迅速攪拌，真空抽濾并用蒸餾水多次洗滌濾出物，至pH值呈中性，沉淀物于50℃烘干，研磨，過100目篩，封裝儲存在干燥器中，待用。

1.3.2 淀粉醋酸酯取代度的測定[13]

1.3.2.1 測定步驟

準確稱取樣品0.5g(干基)，置于250mL碘量瓶中，加入25mL 75%去離子水乙醇溶液。蓋住瓶塞，在50℃水浴搖床中振蕩30min。冷卻到室溫后，準確加入20mL 0.5mol/L氫氧化鉀標準溶液，輕微振蕩，塞緊瓶口，于室溫下放置72h，并不時振蕩。用0.5mol/L標準鹽酸溶液滴定剩余堿，以酚酞為指示劑。同時用原淀粉做空白滴定，步驟同上。

1.3.2.2 乙酰基含量、取代度(DS)計算

式中：w為淀粉醋酸酯每個乙酰基葡萄糖單元中含有的乙酰基質量分數；V2、V1分別為原淀粉和改性淀粉滴定時所用標準鹽酸溶液的體積/mL；c為標準鹽酸溶液的濃度/(mol/L)；m為所測淀粉醋酸酯樣品的質量；43和162分別為乙酰基和原淀粉每個葡萄糖單元的相對分子質量。

1.3.3 單因素試驗

研究對酯化反應影響較大的4個因素即催化劑用量、醋酸與醋酸酐體積比、反應時間、反應溫度對合成淀粉醋酸酯的影響，以取代度為評價指標。

1.3.4 高取代度淀粉醋酸酯合成工藝優化響應面試驗

根據單因素試驗結果設計四因素三水平的響應面試驗。

1.3.5 統計與分析方法

利用Design-Expert 7.0.1.0軟件進行設計和分析[14]。

1.3.6 淀粉醋酸酯的化學結構分析

采用傅里葉紅外光譜儀分析原淀粉和淀粉醋酸酯的化學結構。實驗采用KBr壓片法，將原淀粉和新合成的淀粉醋酸酯分別分散在KBr中，淀粉與KBr質量比為1:50，將混合粉末于50℃烘箱中干燥過夜，再置于紅外燈下干燥2h，研磨后壓成透明薄片，在傅里葉紅外光譜儀上進行測定，掃描范圍400～4000cm-1。

1.3.7 淀粉醋酸酯的表面形貌分析

淀粉的表面微觀形貌通過掃描電子顯微鏡顯微照相表征。將少量50℃干燥過夜的樣品均勻涂在樣品臺的雙面膠上，噴金10nm左右，然后于掃描電鏡下分別放大500倍和2000倍，以觀察淀粉顆粒表面形貌，掃描電鏡工作電壓為10kV。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 催化劑用量對淀粉醋酸酯取代度的影響

固定醋酸與醋酸酐體積比2:3、反應時間1.5h、反應溫度60℃，從圖1可以看出，適當的提高催化劑濃硫酸用量可以使取代度提高，在濃硫酸用量0.19mL時取代度達到最大值，隨著催化劑用量的繼續提高，由于淀粉降解加劇，取代度趨于下降。

圖1 催化劑用量對取代度的影響Fig.1 Effect of catalyst amount on substitution degree

2.1.2 醋酸與醋酸酐體積比對淀粉醋酸酯取代度的影響

圖2 醋酸與醋酸酐體積比對取代度的影響Fig.2 Effect of acetic acid/acetic anhydride volume ratio on substitution degree

固定催化劑用量0.19mL、反應時間1.5h、反應溫度60℃，從圖2可以看出，適當的提高醋酸酐的比例可以使取代度增加，在醋酸與醋酸酐體積比為2:3時取代度達到最大值，隨著醋酸酐比例的繼續增加，取代度趨于下降，這主要是因為醋酸酐的穿透能力較弱，無法與淀粉內部反應基團充分接觸，而醋酸的穿透能力較強，可以使淀粉結構溶脹，從而暴露出更多的反應位點與醋酸酐進行反應。由此可說明醋酸酐是主要的乙酰化劑，而醋酸的主要作用是使淀粉溶脹，進而促進催化劑和乙酰化劑與淀粉的接觸，起到活化的作用。

2.1.3 反應時間對淀粉醋酸酯取代度的影響

圖3 反應時間對取代度的影響Fig.3 Effect of reaction time on substitution degree

固定催化劑用量0.19mL、醋酸與醋酸酐體積比2:3、反應溫度60℃。從圖3可以看出，適當增加反應時間可以使取代度提高，在2.0h時取代度達到最大值，隨著時間繼續延長，取代度逐漸下降。原因可能如下，醋酸可以破壞淀粉表面結構，但若反應時間過短，乙酰化劑醋酸酐無法與淀粉內部反應基團充分接觸，造成反應不充分，因而適度延長時間，可以使酯化充分，進而提高取代度。但若反應時間過長，酯化淀粉降解程度加劇，又將導致取代度下降。

2.1.4 反應溫度對淀粉醋酸酯取代度的影響

圖4 反應溫度對取代度的影響Fig.4 Effect of reaction temperature on substitution degree

固定催化劑用量0.19mL、醋酸與醋酸酐體積比2:3、反應時間2.0h。從圖4可以看出，隨著溫度升高，淀粉取代度增加。這是因為隨著溫度升高，淀粉結構變得更加疏松，同時分子熱運動加快有助于反應基團間的接觸；此外，酯化反應是吸熱反應，溫度升高有利于反應進行。當反應溫度達到90℃時，其取代度達到最大值，但產物顏色變得較深，說明其他副反應也逐漸增加。

2.2 淀粉醋酸酯合成響應面試驗

2.2.1 響應面試驗設計及結果

根據響應面正交組合設計的原則，綜合單因素試驗所得結果，采用四因素三水平(表1)的響應面分析法，數據處理采用統計軟件Design-Expert 7.0.1.0來完成，需29組試驗求解，試驗設計及結果見表2。

表1 淀粉醋酸酯合成響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels in response surface design for the optimization of starch acetate synthesis

表2 淀粉醋酸酯合成響應面試驗設計和結果L29(34)Table 2 Response surface design matrix and experimental results

2.2.2 模型的建立及其顯著性檢驗[15-16]

利用Design-Expert 7.0.1.0軟件對表2試驗數據進行多元回歸擬合，得到合成淀粉醋酸酯取代度對催化劑用量(A)、醋酸與醋酸酐體積比(B)、反應時間(C)、反應溫度(D)的二次多項回歸模型為：

DS=2.46＋0.15A-0.48B＋0.15C＋0.80D-0.47A2-0.86B2-0.34C2-0.048D2-0.42AB＋0.096AC-0.19AD＋0.18BC＋0.039BD-0.0075CD

響應值(淀粉醋酸酯的取代度)的試驗值與回歸方程預測值的相關系數R2=0.9920，即擬合情況良好，說明采用響應面法優化淀粉醋酸酯合成工藝的試驗設計所得的回歸方程模型可行。

各因素與響應值之間線性關系的顯著性由F值檢驗判定，概率P值越小，則其相應變量的顯著性越高。由表3方差分析可以看出，回歸模型F=124.30＞F0.01(14,4)=14.24，P＜0.0001，表明二次多元回歸模型極顯著：失擬F=2.67＜F0.05(14,10)=2.86，失擬項P=0.1786＞0.05，模擬失擬不顯著；模擬的調整確定系數R2=0.9840，說明該模型能解釋98.40%響應值變化。綜上所述，該模型擬合程度比較好，試驗誤差小，適合用來進行淀粉醋酸酯合成的分析和預測。模型中一次項A、B、C、D極顯著，從F值看出單因素的影響順序D＞B＞C＞A；二次項A2、B2、C2極顯著；交互項AB、AD、BC極顯著，AC、BD、CD不顯著。

表3 回歸模型方差分析表Table 3 Variance analysis of developed quadratic regression model

圖5 各因素交互作用對取代度的影響Fig.5 Response surface plot showing the effects of catalyst amount, acetic acid/acetic anhydride ratio and reaction time on substitution degree

由圖5可以看出，AB、AD、BC的交互作用均顯著。為了進一步確定最佳條件的取值，結合回歸數學模型，對回歸方程進行一階求導，以取代度為響應值，得到最佳合成條件為催化劑用量0.11mL、醋酸與醋酸酐體積比1:1.39、反應時間1.59h、反應溫度87.61℃，預測此反應條件合成的淀粉醋酸酯取代度為2.97，為進一步驗證淀粉醋酸酯的最佳合成條件，利用上述最佳條件進行3次重復實驗，得到淀粉醋酸酯的平均取代度為2.95，表明預測值和試驗值之間有較好的擬合性，進一步證明了該模型的有效性。

2.3 淀粉醋酸酯的紅外光譜分析[17-18]

圖6 原淀粉和淀粉醋酸酯紅外圖譜Fig.6 Infrared spectra of native starch and starch acetate

由圖6可見，原淀粉在3423cm-1處出現締合羥基的吸收峰，在1647cm-1出現多糖類羥基的吸收峰。合成的淀粉醋酸酯均在1751cm-1出現新的吸收峰，這是羰基的特征吸收峰。在1372cm-1和1240cm-1處也出現新的吸收峰，它們都是醋酸酯的特征吸收峰，由此說明淀粉中出現了乙酰基，淀粉醋酸酯合成成功。同時，隨著取代度的增大，3423cm-1附近的締合羥基峰逐漸減小，說明締合羥基數量逐漸減小，1647cm-1附近的多糖類羥基峰也逐漸減小，說明淀粉葡萄糖單元上的羥基也逐漸減少。1751cm-1附近的羰基峰逐漸增強，1372cm-1和1240cm-1附近的醋酸酯特征峰也逐漸增強，由此說明，淀粉葡萄糖單元羥基上的氫原子經反應后逐漸被乙酰基取代而發生酯化，同時隨著取代度測定值的升高，乙酰基含量增大，這也一定程度上驗證了取代度測定值的準確性。

2.4 淀粉醋酸酯的表面形貌分析[5,18]

圖7 原淀粉和淀粉醋酸酯(DS=1.23)的掃描電鏡照片Fig.7 SEM photos of native starch and starch acetate with substitution degree of 1.23

由圖7可以看出，原淀粉與合成的淀粉醋酸酯的形貌差別。圖7中原淀粉顆粒呈規整且光滑的圓形或橢圓形，而淀粉醋酸酯顆粒規整度變差，呈現片狀或細小顆粒狀，同時淀粉表面孔隙增多，在2000倍放大條件下，呈現蜂窩狀，由此可見，淀粉的酯化反應不僅發生在淀粉顆粒表面，同時還發生在淀粉顆粒內部。由于顆粒呈現疏松多孔狀，因而進一步增大了淀粉反應基團和乙酰化劑的接觸面積，促進了酯化反應的進行，從而能夠得到較高取代度的淀粉醋酸酯。此外，由圖7還可以看出，改性淀粉的平均粒徑大于原淀粉，但同時也有一些細小的顆粒存在，這是由于酯化反應優先發生在淀粉內部的非晶區，使得淀粉溶漲，但隨著酯化反應的進一步進行，溶脹的淀粉顆粒破裂成了較小的碎片。

3 結 論

根據響應面法對淀粉醋酸酯合成中4個主要影響因素進行分析，以取代度為評價指標，可以確定最佳合成工藝為催化劑用量0.11mL、醋酸與醋酸酐體積比1:1.39、反應時間1.59h、反應溫度87.61℃，在此條件下合成的淀粉醋酸酯取代度可達到2.95。用響應面法對淀粉醋酸酯合成工藝進行優化，科學合理，準確可靠，該方法能為淀粉醋酸酯合成工藝的研究提供一定的參考。經過反應，乙酰基逐漸取代淀粉葡萄糖單元羥基上的氫而使淀粉酯化，而且隨著取代度測定值的升高，乙酰基含量增大。相對于原淀粉，新合成的淀粉醋酸酯表面結構變得更為粗糙，孔隙增多且呈蜂窩狀，淀粉顆粒的平均粒徑也有所增大，說明酯化反應不僅發生在淀粉顆粒表面，而且同時發生在淀粉顆粒內部。

[1]張燕萍. 變性淀粉制造與應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2001: 269-300.

[2]張力田. 變性淀粉[M]. 廣州: 華南理工大學出版社, 1999: 167-176.

[3]黃強, 李琳, 羅發興. 淀粉疏水改性研究進展[J]. 糧食與飼料工業, 2006(4): 28-29.

[4]FANG J M, FOWLER P A, TOMKINSON J, et al. The preparation and characterisation of a series of chemically modified potato starches[J]. Carbohydrate Polymer, 2002, 47(3): 245-252.

[5]WANG Xu, GAO Wenyuan, ZHANG Liming, et al. Study on the morphology, crystalline structure and thermal properties of yam starch acetates with different degrees of substitution[J]. Science in China Series B: Chemistry, 2008, 51(9): 859-865.

[6]遲惠, 邙志國, 薛冬樺, 等. 高取代度玉米淀粉醋酸酯的合成與表征[J]. 精細化工, 2007, 24(2): 178-181.

[7]SAJILATA M G, SINGHAL R S. Specialty starches for snack foods[J]. Carbohydrate Polymers, 2005, 59(2): 131-151.

[8]SHOGREN R L, BISWAS A. Preparation of water-soluble and waterswellable starch acetates using microwave heating[J]. Carbohydrate Polymers, 2006, 64(4): 16-21.

[9]GUAN Junjie, HANNA M A. Functional properties of extruded foam composites of starch acetate and corn cob fiber[J]. Industrial Crops and Products, 2004, 19(3): 255-269.

[10]張光華, 周小豐, 來智超. 交聯劑對玉米淀粉醋酸酯/PVA可降解復合膜性能的影響[J]. 高分子材料科學與工程, 2007, 23(8): 164-167.

[11]黃曉杰, 張春紅, 趙前程, 等. 高直鏈玉米淀粉-PVA共混塑料薄膜的制作工藝的研究[J]. 食品工業科技, 2006(3): 160-161.

[12]CHI Hui, XU Kun, WU Xiuli, et al. Effect of acetylation on the properties of corn starch[J]. Food Chemistry, 2008, 106(3): 923-928.

[13]ELOMAA M, ASPLUND T, SOININEN P, et al. Determination of the degree of substitution of acetylated starch by hydrolysis,1H NMR and TGA/IR[J]. Carbohydrate Polymers, 2004, 57(9): 261-267.

[14]MUTHUKUMAR M, MOHAN D, RAJENDRAN M. Optimization of mix proportions of mineral aggregates using Box Behnken design of experiments[J]. Cement and Concrete Composites, 2003, 25(7): 751-758.

[15]于智峰, 王敏, 張家峰. 大孔樹脂精制苦蕎黃酮工藝條件的優化研究[J]. 農業工程學報, 2007, 23(4): 253-257.

[16]凌秀梅, 邱樹毅, 胡鵬剛. 響應面法優化從啤酒廢酵母中提取谷胱甘肽工藝條件[J]. 中國釀造, 2007(7): 35-37.

[17]陸婉珍. 現代近紅外光譜分析技術[M]. 北京: 中國石化出版社, 2007: 35-88.

[18]XU Yixiang, MILADINOV V, HANNA M A. Synthesis and characterization of starch acetates with high substitution[J]. Cereal Chemistry, 2004, 81(6): 735-740.

Highly Substituted Starch Acetate: Optimization of Synthesis Process and Structural Characterization

LI Hai-long，CHEN Peng，DIOP Cherif Ibrahima Khalil，XIE Bi-jun，SUN Zhi-da*
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

To optimize the process for the synthesis of starch acetate from corn starch, the effects of catalyst amount, the volume mixing ratio of acetic acid to acetic anhydride, and reaction time and temperature on the degree of substitution (DS) of starch were evaluation by single factor experiments, and a mathematical model describing the functional relationship between starch DS and the above four variables was set up based on a 29-run, 4-factor, 3-level response surface design coupled with multiple regression fitting. The model was subjected to analysis of variance and response surface analysis, and the results showed that the optimum conditions for the synthesis of starch acetate were as follows: catalyst amount of 0.11 mL and the mixing ratio of acetic acid to acetic anhydride of 1:1.39 by volume for a reaction period of 1.59 h at 87.61 ℃. Validation experiments indicated that the maximum substitution degree of starch acetate was 2.95 under these conditions. FTIR results indicated that the hydroxyl groups in each glucose unit of starch acetate were gradually esterified, and meanwhile the content of acetyl group became higher with the increase of substitution degree. Scanning electron microscopic (SEM) observations revealed that the surface of starch acetate was much rougher, had increased porosity and displayed cellular structure, indicating that the esterification occurred not only on the surface but also inside of starch granule.

starch acetate；synthesis process；response surface methodology；substitution degree；infrared spectroscopy；scanning electron microscope

TS236.9

A

1002-6630(2011)04-0001-06

2010-04-05

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD27B09-4)

李海龍(1986—)，男，碩士研究生，研究方向為食品化學與天然產物化學。E-mail：gegy202@sina.com

*通信作者：孫智達(1963—)，男，教授，博士，研究方向為食品化學。E-mail：sunzhida@mail.hzau.edu.cn