響應面法優化芭蕉芋淀粉磷酸單酯制備

黃弼晨，張 娟，唐亞芳，徐 軍，吳金鴻，王正武,*

(1.上海交通大學農業與生物學院食品科學與工程系，上海 200240；2.南京金陵石化研究院有限公司，江蘇 南京 210046)

芭蕉芋，學名蕉藕(Canna edulis Ker.)，是美人蕉科美人蕉屬的多年生單子葉草本植物，主產于我國的云南、廣州、貴州、廣西等南部省區[1]，芭蕉芋塊莖富含淀粉，達66%以上，可將其加工制成芭蕉芋淀粉、粉條、食用白酒、乙醇等，產品附加值很低。因此運用高新技術開發芭蕉芋淀粉衍生物，提升其附加值，可促進芭蕉芋深加工產業的發展。

淀粉磷酸單酯是淀粉陰離子衍生物，具有糊化度低[2]、分散液透明、黏度高、抗老化、穩定性好和良好的保水性等特性。低溫長期儲存或重復冷凍、融化時也無水分析出[3-4]。不同取代度的淀粉磷酸單酯已廣泛應用于食品、醫藥、化工和其他工業。尤其是在冷凍食品加工方面，例如用作冰淇凌、果醬等冷味點心以及制冷魚、蝦和蔬菜的改進劑等[5]。姜紹通等[6]研究發現磷酸單酯淀粉對降低速凍水餃餃皮裂紋率和增加餃餡口感有一定的作用。目前生產淀粉磷酸單酯多采用玉米、馬鈴薯淀粉[7]，而關于芭蕉芋淀粉磷酸單酯的研究在國內外均報道不多。在前期研究中，已經發現酯化劑物質的量比、磷酸鹽與淀粉質量比和反應時間對芭蕉芋淀粉磷酸單酯的結合磷含量有明顯的影響，反應溫度的影響程度則較前三者低。

目前對淀粉磷酸單酯的制備常見方法有濕法[8]、干法[9]、微波法[10]及超聲波法[11]等。本實驗則以芭蕉芋淀粉為原料，一定物質的量比的NaH2PO4與Na2HPO4為酯化劑，對傳統的濕法工藝進行一定的改進，在真空條件下對淀粉進行磷酸單酯化，研究了芭蕉芋淀粉磷酸單酯在制備過程中不同因素(酯化劑物質的量比、磷酸鹽與淀粉質量比、反應時間、pH值[12]、反應溫度)對產物結合磷含量的影響，并通過利用Design-Expert 7.0軟件進行響應面試驗設計，從而確定最佳工藝條件，最終制備出具有較高結合磷含量的芭蕉芋淀粉磷酸單酯。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

芭蕉芋淀粉 貴州紫云化工有限責任公司；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、鉬酸銨四水化合物等均為分析純。

1.2 儀器與設備

DK-S26型電熱恒溫水浴鍋、DHG-9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；HDM-1000D型數顯攪拌電熱套 上海藍凱儀器儀表有限公司；DZF6020型真空干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司；5810A型離心機 德國Eppendorf公司；UV-2802S型紫外-可見分光光度計 美國Unico公司。

1.3 淀粉磷酸單酯的制備

將一定物質的量比的NaH2PO4與Na2HPO4加入到蒸餾水中，用鹽酸或氫氧化鈉調節pH值，再加入與磷酸鹽一定的質量比的淀粉，40℃水浴下攪拌20min，抽濾得到濾餅，將濾餅置于真空干燥箱中，一定溫度下干燥一定時間，冷卻，水洗2至3次，50℃鼓風干燥，粉碎過篩保存。

1.4 淀粉磷酸單酯結合磷含量的測定方法

1.4.1 磷含量標準曲線的制作

按GB/T 12092—89《淀粉及其衍生物磷總量測定方法》[13]上的方法制作磷標準曲線。得到吸光度-磷毫克數標準曲線方程為Y＝0.01275X＋0.01171，其中R2＝0.99696。

1.4.2 淀粉磷酸單酯結合磷含量測定

1.4.2.1 總磷測定

采用GB/T 12092—89《淀粉及其衍生物磷總量測定方法》中方法測定芭蕉芋淀粉磷酸單酯中的總磷含量。

1.4.2.2 游離磷測定

稱取0.5g樣品置于50mL燒杯中，用1mol/L的鹽酸溶解樣品，并用蒸餾水將樣品全部洗進100mL容量瓶中，充分搖勻5min，定容，過濾待用。移取2mL濾液進行顯色反應，方法同總磷測定[14]。

1.4.2.3 結合磷測定

淀粉磷酸單酯的結合磷質量分數＝總磷質量分數－游離磷質量分數。

1.5 單因素試驗

設定NaH2PO4與Na2HPO4物質的量比為1：0.6、磷酸鹽與淀粉質量比1.5：1、反應溫度140℃、反應時間2h、pH6。固定其他條件，考察不同物質的量比的磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉、質量比的正磷酸鹽和淀粉、反應時間、溫度和pH值對芭蕉芋淀粉磷酸單酯的結合磷含量的影響。

1.6 響應面試驗

根據單因素試驗結果，運用Design-Expert 7.0軟件，選取五因素二次正交旋轉組合試驗進行試驗設計，對試驗數據進行統計分析，建立回歸數學模型以確定產品結合磷含量和各因素之間的關系及各因素影響的主次順序，進而得出制備的最優條件。

五因素二次正交旋轉組合試驗是利用組合設計編制試驗方案，配列計算格式表，尋求二次回歸方程的一種非線性回歸設計。本試驗中設計方法可以尋求的回歸模型是：

本試驗設計表如表1所示。

表 1 響應面試驗因素水平編碼表Table 1 Variables and their coded values used in response surface analysis

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 酯化劑物質的量比

圖 1 酯化劑物質的量比對芭蕉芋淀粉磷酸單酯結合磷含量的影響Fig.1 Infl uence of molar ratio of NaH2PO4 to Na2HPO4 on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

從圖1可以看出，淀粉磷酸單酯結合磷含量隨著兩者物質的量比的增大先增后減，在兩者物質的量比為1：0.6時有最大，因此1：0.6被選擇為響應面設計的零水平。

2.1.2 磷酸鹽與淀粉質量比

圖 2 磷酸鹽與淀粉質量比對芭蕉芋淀粉磷酸單酯結合磷含量的影響Fig.2 Infl uence of weight ratio of total phosphates to starch on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖2可知，隨著磷酸鹽與淀粉質量比的增大，結合磷含量增加。然而，當質量比達到1.5：1時，增加速率下降，這表明了酯化反應完全。因此，從節約反應試劑的角度考慮，1.5：1被選為響應面設計的零水平。

2.1.3 反應溫度

圖 3 反應溫度對芭蕉芋淀粉磷酸單酯結合磷含量的影響Fig.3 Infl uence of reaction temperature on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖3可知，當反應溫度從120℃升高到160℃的過程中，結合磷含量保持穩定的增加。但當溫度高于150℃之后，產品外觀微微發黃。因此，為了得到較高質量的淀粉磷酸單酯，溫度需控制在130～140℃之間。

2.1.4 反應時間

11月23日2版《基層黨建擔當企業發展“指南”》，該標題有恙，擔當“指南”，此話不通。其“企業發展與黨建工作如鳥之雙翼，相輔相成”，也有語病；“鳥”意喻何物？

圖 4 反應時間對芭蕉芋淀粉磷酸單酯結合磷含量的影響Fig.4 Infl uence of reaction time on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖4可知，隨著反應時間的延長，結合磷含量逐漸增加。2h后，增加速率減小，表明了反應接近完全。且反應超過3h，淀粉顏色微黃。因此，從經濟利益和產品質量角度出發，2h為較佳的反應時間。以前研究則報道了淀粉磷酸單酯化的最佳溫度為160℃，這可能是有淀粉來源不同造成的[16]

2.1.5 pH值

圖 5 pH值對芭蕉芋淀粉磷酸單酯結合磷含量的影響Fig.5 Influence of pH on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

由圖5可知，產品結合磷含量隨著pH值的升高先變大后變小，且當pH6時最大，因此該pH值被選擇為響應面設計的零水平。

2.2 響應面設計試驗

基于響應面法制備芭蕉芋淀粉磷酸單酯的五因素二次正交旋轉組合試驗設計方案及試驗結果列于表2，其中結合磷含量最高的是試驗24號達0.518%。

表 2 五因素二次正交旋轉組合試驗設計方案和結果Table 2 Quadratic orthogonal rotation combination design matrix and results

2.3 響應面方差分析

由Design-Expert7.0軟件得到對應結合磷質量分數Y的回歸方程為：

該模型對應的方差分析結果見表3。

表 3 五因素二次正交旋轉組合試驗方差分析結果Table 3 Analysis of variance for the experimental results of quadratic orthogonal rotation combination design

從表3可以看出，酯化劑物質的量比、磷酸鹽與淀粉質量的比、反應時間和pH值的P值均小于0.05，說明在0.05水平上它們對淀粉磷酸單酯的結合磷含量影響均是顯著的，反應溫度的P值為0.0768稍大于0.05，對結合磷含量影響不大。且從P值大小可看出，各因素的影響程度為酯化劑物質的量比＞＞反應時間＞＞pH值＞磷酸鹽與淀粉質量比＞反應溫度。交互項中，AB、AD、AE、BC、BD和CD的P值均小于0.05，因此它們對產物結合磷含量都有顯著的影響。

方程失擬值＝81.08，P＜0.0001，0.05水平上顯著，說明模型的擬合度較好，適合用二次方程來擬合。從判定系數R2＝0.9193也可看出較好的擬合程度[17]。

2.4 交互作用對芭蕉芋淀粉磷酸單酯結合磷含量的影響

如圖6a所示，隨著酯化劑物質的量比從1：0.4到1：0.8，結合磷含量先變大后變小，最優比是在1：0.45左右。這可能是因為不同的磷酸鹽配比可以形成不同pH值的緩沖液，而在最優比下，不需加入過多的鹽酸或氫氧化鈉來調節pH值，此時體系內的氫離子濃度達到一個最適值，使底物反應活性增加[18]。而隨著磷酸鹽與淀粉質量比的增加，結合磷含量不斷上升，因為淀粉分子的羥基基團是固定不動的，其活性取決于接近羥基的酯化劑的多少。因此，更高的酯化劑濃度，更多的接近淀粉輕基的酯化劑的數量能導致較高的結合磷含量，即反應底物的濃度提高，使反應速度增加。但當酯化劑用量增大，上升速度變緩，這是因為隨著酯化劑用量的增大，淀粉濃度相對減小，反應效率降低[19]。

圖 6 各因素交互作用的響應面圖Fig.6 Response surface of the effects of reaction conditions on LP content of phosphate monoester of C. edulis Ker starch

如圖6 b 所示， 隨著酯化劑物質的量比為1：0.4～1：0.8，結合磷的含量同樣先變大后變小。而隨著反應時間的增加，結合磷的含量不斷上升。這是因為隨著反應時間的延長，酯化反應進行得越充分，但在2.25h以后，結合磷含量增加趨于平緩，這可能是因為隨著酯化反應的進行，淀粉濃度相對降低，反應效率減小，并且反應雖是在真空條件下，但過長的加熱時間會使產品微微發黃，影響產品的質量，故反應時間可控制在2～3h為宜。

如圖6c所示，隨著pH值的增大，結合磷的含量先變大后變小，這是因為，當pH值較低時，由于淀粉糖苷鍵水解而使得產品的黏度降低，得不到理想產品。當pH值較高時，不僅反應效率降低，而且淀粉會在堿性環境下糊化，產生溶脹交聯形成磷酸雙酯淀粉，所以即使能達到一定的結合磷含量，也得不到所需產物[20]。因此pH值控制在5.5～6.0之間為宜。

如圖6d所示，溫度對產品結合磷含量影響不明顯，但是隨著磷酸鹽與淀粉質量比不斷變大時，產品的結合磷含量明顯變大，當質量比為1.50：1～1.75：1之間時，結合磷含量達到最大。

如圖6e所示，磷酸鹽與淀粉質量比和反應時間對結合磷含量的影響和之前的討論一樣，并且從圖中可看出這兩個因素之間的交互作用對產品結合磷含量的影響十分顯著。

如圖6f可知，隨著反應時間的延長和溫度的提高，產品的結合磷含量增加較快，較長的反應時間和較高的溫度對淀粉磷酸單酯的生成都是有利的，但過高的反應溫度和過長加熱時間會使產品微微發黃，影響產品質量。故在某限定的范圍內可找到最佳的條件，在不影響質量的前提下使結合磷含量達到最大。

而酯化劑物質的量比和反應溫度、磷酸鹽與淀粉質量比和pH值、反應溫度和pH值、反應時間和pH值的互作都不顯著，所以不加以探討。

2.5 最優條件的確定

最終，利用Design-Expert 7.0軟件，約束條件為：130℃≤反應溫度≤140℃和1h≤反應時間≤2h，得出的最優制備條件為n(NaH2PO4)：n(Na2HPO4)＝1：0.4、m(磷酸鹽)：m(淀粉)＝1.66：1、反應溫度139.86℃、反應時間2h、pH5.5，在此條件下進行3次驗證實驗，所得產品結合磷含量為0.511%、0.502%、0.508%，平均值為0.507%，與預測值0.506%相符。

3 結 論

在芭蕉芋淀粉酯化改性過程中，酯化劑物質的量比、磷酸鹽與淀粉質量比、反應時間和pH值對產品結合磷含量都有明顯的影響，反應溫度的影響程度不大。其中酯化劑摩爾比和反應時間的影響效果最為顯著，因此，在制備過程中必須注意這對這兩個因素的控制，才能制得高結合磷含量的淀粉磷酸單酯。

在響應面設計的32個試驗方案中，所得產品結合磷含量最高的是0.518%，但此試驗方案的酯化溫度為150℃，酯化時間為2.5h，較高的反應溫度和較長的反應時間使得該產品外觀發黃。因此，在約束條件為130℃≤反應溫度≤140℃和1h≤反應時間≤2h的情況下，最佳制備條件下所制得的產品結合磷含量為0.507%，雖較0.518%低，但和其余31個試驗方案得到的結合磷含量相比都明顯要高。由此可見，在芭蕉芋淀粉磷酸單酯的制備過程中，控制酯化劑物質的量比、磷酸鹽與淀粉質量比、反應時間、pH值和反應溫度在某一特定值或范圍內，對提高產品結合磷含量是有效的。

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