響應面法優(yōu)化大米多孔磷酸酯淀粉的制備工藝

孫曉莉 郭 麗 杜先鋒 朱 玉

(安徽農(nóng)業(yè)大學茶與食品科技學院，合肥 230036)

響應面法優(yōu)化大米多孔磷酸酯淀粉的制備工藝

孫曉莉 郭 麗 杜先鋒 朱 玉

(安徽農(nóng)業(yè)大學茶與食品科技學院，合肥 230036)

對多孔淀粉進行磷酸酯化改性處理，使其既具有磷酸酯淀粉的特性，又具有多孔淀粉的吸附性質(zhì)。以自制的大米多孔淀粉為原料，三聚磷酸鈉為酯化劑，通過單因素試驗和響應面試驗，經(jīng)SAS軟件分析，確定了制備大米多孔磷酸酯淀粉的最佳條件，并對其進行驗證。結(jié)果表明，磷酸鹽用量4%、溫度150℃、時間150 min、pH 6是合成大米多孔磷酸酯的最佳工藝條件。此法制得的大米多孔磷酸酯淀粉取代度為0.09，并且通過SEM觀察驗證它仍然具有大米多孔淀粉的完整結(jié)構(gòu)。

磷酸酯淀粉 響應面 紅外光譜 多孔結(jié)構(gòu)

磷酸酯淀粉是一種應用廣泛的陰離子淀粉，由原淀粉與磷酸鹽酯化而成，即使很低程度的取代也能夠使原淀粉的性質(zhì)發(fā)生改變［1］。在一定條件下，用正磷酸鹽、偏磷酸鹽、焦磷酸鹽或多聚磷酸鹽均能把磷酸酯基團引入淀粉中。淀粉磷酸酯有單酯和雙酯兩種類型，在淀粉磷酸單酯中，淀粉的羥基只與磷酸三個酸性官能團發(fā)生中的一個發(fā)生酯化反應;而淀粉磷酸雙酯中，羥基可以與磷酸的兩個酸性官能團發(fā)生反應，是一種交聯(lián)淀粉［2］。

多孔淀粉是一種新型的改性淀粉，其表面有許多伸向淀粉顆粒中心的小孔，具有比原淀粉更大的比表面積，具有良好的吸附作用［3］，但是淀粉結(jié)構(gòu)經(jīng)過多孔處理后容易坍塌，會影響多孔淀粉的吸附效果［4］。

本試驗采用大米多孔淀粉為原料，以三聚磷酸鈉為磷酸酯化劑，研究不同反應條件對淀粉磷酸酯取代度的影響，通過響應曲面法確定最佳試驗條件，為進一步開發(fā)利用多孔淀粉提供良好的試驗基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與設(shè)備

1.1.1 試驗材料

大米多孔淀粉:試驗室自制［5］;無水正磷酸二氫鉀、鉬酸銨、96%硫酸、65%硝酸、抗壞血酸、磷酸、三聚磷酸鈉等均為分析純。

1.1.2 儀器

MA110型電子天平:上海良平儀器儀表有限公司;UV－2102C型紫外可見分光光度計:尤尼柯(上海)儀器有限公司;DHG－9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱:上海一恒科技有限公司;SKD－08S2紅外智能消化爐:上海沛歐分析儀器有限公司;DF－101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器:鞏義市英峪予華儀器廠;SHB－Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵:鄭州長城科工貿(mào)有限公司;Nicolet 8700傅里葉紅外變換光譜儀:美國Thermo Scientific Instrument公司;Sirion 200場發(fā)射掃描電子顯微鏡:FEI。

1.2 試驗方法

1.2.1 大米多孔磷酸酯淀粉的制備

工藝流程如圖1所示。

圖1 大米多孔磷酸酯淀粉制備工藝流程圖

將三聚磷酸鈉溶于水中，配置不同濃度的磷酸鹽溶液，用稀磷酸調(diào)節(jié)pH，把制備好的大米多孔淀粉加入磷酸鹽溶液中配置成40%的淀粉乳，磁力攪拌30 min。用布氏漏斗抽濾，得到的濾餅用適量95%乙醇浸泡洗滌，再次抽濾，所得濾餅40℃干燥至水分質(zhì)量分數(shù)為5% ～10%，控制時間溫度進行酯化反應，粉碎過200目篩，即得成品。

1.2.2 單因素試驗

在反應體系pH為5，反應時間為120 min和反應溫度為140℃保持不變的情況下，三聚磷酸鈉添加量分別取淀粉干基的3%、4%、5%、6%、7%、8%6個水平;在反應體系pH為5，反應時間為120 min和三聚磷酸鈉用量為6%保持不變的情況下，反應溫度分別取120、130、140、150、160 ℃ 5 個水平;在反應體系pH為5，反應溫度為150℃和三聚磷酸鈉用量為6%保持不變的情況下，反應時間分別取30、60、90、120、150 min 5個水平;在反應時間為150 min，反應溫度為150℃和三聚磷酸鈉用量為6%保持不變的情況下，反應體系 pH 分別取3、4、5、6、7 5 個水平，分別考察三聚磷酸鈉用量、反應溫度、反應時間、pH等4個因素對取代度的影響。

1.2.3 響應面試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以取代度為指標選取各因素范圍如表1所示。

表1 響應面試驗因素與水平對照表

1.2.4 淀粉磷酸酯取代度的測定

1.2.4.1 總磷含量的測定

采用分光光度法對大米多孔磷酸酯淀粉進行總磷含量的測定［6］。

1.2.4.2 游離磷含量的測定

采用姜元榮［7］的方法對大米多孔磷酸酯淀粉進行游離磷含量的測定。

1.2.4.3 結(jié)合磷含量的測定

結(jié)合磷含量=總磷含量－游離磷含量。

1.2.4.4 淀粉磷酸酯取代度(DS)的計算［8］

式中:K1為游離磷換算成磷酸鹽的系數(shù)，以磷酸鈉計，K1=3.873 4;K2為結(jié)合磷酸酯基團的換算系數(shù)，以磷酸鈉計，K2=3.292 2。

1.2.5 紅外光譜檢測

采用KBr壓片法對大米多孔磷酸酯淀粉進行紅外光譜檢測。

1.2.6 多孔淀粉磷酸酯微觀形態(tài)觀察

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察大米多孔磷酸酯淀粉的微觀形態(tài)。

剪取少許靜電雙面膠帶貼在掃描電鏡載物臺上，挑取微量試樣(干燥)灑在雙面膠上，輕微晃動，使其分布均勻，用吸耳球吹去多余的試樣，使試樣盡量不堆積在一處，放入鍍金器中噴碳鍍金。電子槍加速為20 kV，在不同的放大倍數(shù)下掃描、拍照。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2000和SAS分析軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗測定結(jié)果

2.1.1 三聚磷酸鈉用量對取代度的影響

由圖2a可以看出，三聚磷酸鈉用量對淀粉磷酸酯的取代度有較大影響。隨著三聚磷酸鈉量的增加，取代度逐漸增加。當三聚磷酸鈉添加量從3%增加到6%時，取代度增長較快，但是隨著三聚磷酸鈉量的繼續(xù)增加，取代度的增長速度減小，反應效率減慢，對三聚磷酸鈉利用率減小，基于成本和反應效率考慮，選取三聚磷酸鈉的用量為6%。

2.1.2 反應溫度對取代度的影響

由圖2b可以看出，淀粉磷酸酯的取代度隨著反應溫度的升高而升高，且升高幅度較大。這是因為溫度的升高能夠促進淀粉分子間氫鍵的斷裂，使淀粉裸露出更多的羥基，從而使更多的磷酸鹽接觸到羥基而發(fā)生酯化反應，所以取代度也相應的增加，但是在反應溫度達到150℃時，生成的試樣顏色發(fā)黃，反應溫度在160℃時，不僅試樣顏色發(fā)黃，而且部分試樣發(fā)生了焦化現(xiàn)象，所以反應溫度不應該超過150℃。

2.1.3 反應時間對取代度的影響

由圖2c可以看出取代度隨著反應時間的延長而增大，增長速度由快變慢。這是由于隨著反應時間的延長，反應物雙方的接觸時間增加，酯化反應得以充分進行，酯化程度也隨之增加，但反應一段時間后，隨著磷酸鹽的消耗，反應物濃度下降，反應效率減小，取代度增長緩慢。從經(jīng)濟角度考慮，反應時間不宜超過150 min。

2.1.4 pH 對取代度的影響

圖2 各因素對取代度的影響

由圖2d可以看出，在pH值較低的情況下，淀粉磷酸酯的取代度較低，隨著反應體系pH的增大，取代度增大并且在pH為5時達到最大值，繼續(xù)增大pH，取代度下降，這是因為反應體系中pH值為5時，體系中氫離子濃度比較大，能夠促進酯化反應的發(fā)生;pH過低會使淀粉中糖苷鍵水解，pH過高會使淀粉發(fā)生交聯(lián)［9］。所以，調(diào)節(jié)反應體系的pH為5。

2.2 響應面試驗結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用四因素二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計，以淀粉磷酸酯的取代度為響應面，考察上述四因素對取代度的協(xié)同影響來確定試驗的最佳條件，該設(shè)計采用SAS數(shù)據(jù)處理中的響應面分析。

表2 響應面試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2.1 響應面法試驗結(jié)果

響應面法的試驗設(shè)計及結(jié)果見表2，運用SAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，回歸模型系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果見表3，得到A(磷酸鹽用量)、B(溫度)、C(時間)和 D(pH)的二次多項回歸模型:

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的估計回歸數(shù)學模型

響應數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果見表4，由其可知，模型的 F 值 =7.034 ＞ F0.05(14，6)=2.85，P=0.000 2 ＜0.01，模型顯著;失擬項 F=3.661 ＞ F0.05(14，10)=2.60，P=0.062 9 ＞0.05，不顯著，所以可以用此回歸方程說明各因子與響應值之間的關(guān)系(R2=73.80%)。由表3可知方程的A、C、D的影響是都高度顯著的。回歸方程中一次項、二次項和交互項是顯著的(P＜0.001)，這說明響應面分析所選用的4個主效應顯著。其中因素之間的交互作用也比較大(P=0.046 3＜0.05)。同時，由F值和P值可以看出，在磷酸鹽用量、溫度、時間和pH這4因素中，對DS影響較大的是溫度和時間，其次是磷酸鹽用量和pH。由失擬項不顯著可知，該數(shù)據(jù)模型擬合程度較好，試驗誤差較小，可以用此模型來分析和預測產(chǎn)品的DS。

表4 對DS模型的方差分析

2.2.2 響應面直觀分析

由表3可知，各個因素之間的交互作用中，B、C之間的交互作用最為顯著，其模型的響應曲面和等值線圖見圖3、圖4。

從圖3、圖4可以看出，A(磷酸鹽用量)和 D(pH)一定時，在選定的范圍內(nèi)，DS較高的值落在B(溫度)150℃，C(時間)150 min，此時，反應體系的pH為5，磷酸鹽用量為6%。由此可見，溫度和時間這兩個因素的改變都會引起DS的改變，隨著時間的延長和溫度的提高，DS增加較快，足夠的反應時間和較高的反應溫度有利于磷酸酯淀粉的生成，但是過高的反應溫度和加熱時間會使生成的產(chǎn)品顏色發(fā)黃且焦化而影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以應該在限定的范圍內(nèi)尋找最佳條件，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況下使DS最大化。

2.2.3 最佳條件的確定

運用SAS軟件的響應曲面優(yōu)化設(shè)計對試驗結(jié)果進行分析優(yōu)化，在DS目標值期望最大的條件下，當DS 值達到0.092 時，A、B、C、D 對應值分別是4、150、150、6。即當DS達到0.092時，最佳工藝參數(shù)為:磷酸鹽用量4%、溫度150℃、時間150 min、pH 6。

以最佳條件做3次平行驗證試驗，結(jié)果見表5。實際DS與預測DS的偏差為0.34%，說明可以利用上述回歸方程對淀粉磷酸酯DS進行預測。

表5 優(yōu)化條件下的驗證試驗

2.3 紅外光譜分析

圖5為大米多孔磷酸酯淀粉的紅外光譜圖，其特征吸收峰為1 008 cm－1(P—O—C反對稱伸縮)，856 cm－1(P—O—C對稱伸縮)，表明有磷酸酯鍵P—O—C 的存在［10］。

圖5 大米多孔磷酸酯淀粉的紅外光譜圖

2.4 多孔淀粉磷酸酯微觀形態(tài)觀察

從圖6可以看出，將大米多孔淀粉制成磷酸酯化淀粉后，其表面結(jié)構(gòu)沒有明顯改變，多孔結(jié)構(gòu)沒有坍塌凹陷，這說明對多孔淀粉進行磷酸酯化改性不會破壞其多孔結(jié)構(gòu)，是可行的。

圖6 不同淀粉的SEM圖

3 結(jié)論

采用SAS試驗設(shè)計進行響應面分析，建立了大米多孔淀粉磷酸酯化工藝中磷酸鹽用量、溫度、時間和pH對取代度DS的數(shù)學模型。通過方差和可信度分析表明，模型擬合度較好，可以用此模型來分析和預測產(chǎn)品的DS。

通過單因素和響應面試驗，確定了磷酸酯化大米多孔淀粉的最佳條件為:磷酸鹽用量4%、溫度150℃、時間150 min、pH 6。所得產(chǎn)品的取代度高達0.09，在×40 000的放大倍數(shù)下觀察，此法制得的淀粉磷酸酯仍然具有多孔淀粉的完整結(jié)構(gòu)。

［1］張力田.變性淀粉［M］.廣州:華南理工大學出版社，1992:198－212

［2］張友松.變性淀粉生產(chǎn)與應用手冊［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2001:352－355

［3］姚衛(wèi)蓉，姚惠源.多孔淀粉的研究Ⅰ:酶和原料粒度對形成多孔淀粉的影響［J］.中國糧油學報，2001，16(1):36－38

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［6］GB 12092—1989淀粉及其衍生物磷總含量的測定方法［S］

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［9］李書華，劉亞偉.高取代度玉米磷酸單酯淀粉的制備［J］.糧油加工，2006(11):87－90

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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

國家自然科學基金(20776002)，上海煙草集團重點煙氣實驗室開放性基金(SZBCW2010－00538)

2011－02－23

孫曉莉，女，1982年出生，碩士，農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程

杜先鋒，男，1963年出生，教授，博士生導師，食品生物技術(shù)及農(nóng)副產(chǎn)品深加工技術(shù)