醋酸酯化芋艿改性淀粉的制備及其性質研究

王曉丹,陸國權,常銀子

(浙江農林大學農業與食品科學學院,浙江臨安 311300)

醋酸酯化芋艿改性淀粉的制備及其性質研究

王曉丹,陸國權,常銀子*

(浙江農林大學農業與食品科學學院,浙江臨安 311300)

本文以芋艿淀粉為原料,選取醋酸為酯化劑制備醋酸酯化改性淀粉,考察反應溫度、反應pH、醋酐用量及反應時間對醋酸酯改性淀粉中乙酰基質量百分比的影響,通過正交實驗設計確定醋酸酯法芋艿改性淀粉的最優工藝,并對原淀粉和醋酸酯化淀粉進行性質比較分析。結果表明:反應溫度、pH、反應時間對乙酰基質量分數有極顯著的影響(p<0.01),醋酸酐用量(0.16～0.37mL)對乙酰基質量分數的影響較顯著(p<0.01),醋酸酐用量(0.37～0.51mL)對乙酰基的影響不顯著(p>0.05)；通過正交實驗確定最佳制備條件為反應溫度25℃、pH8.0、醋酸酐用量0.44mL、反應時間1.5h,在此條件下制備得到的芋艿改性淀粉乙酰基質量分數為3.56%。理化性質的檢驗結果表明改性淀粉較原淀粉透明度提高41.28%、溶解度增大12.36%,膨脹率提高2.94%。改性淀粉的X-射線衍射圖和芋艿淀粉的特征譜線一致,晶型為A型；芋艿淀粉顆粒較完整,沒有裂縫,表面較光滑,形貌呈多面體,大顆粒淀粉周圍附著許多小顆粒。芋艿改性淀粉顆粒完整,較光滑、多孔,呈多面體。

芋艿淀粉,醋酸酐,酯化,改性淀粉

芋艿(ColocasiaesculentalSchott)俗稱“芋頭”,屬于天南星科(Araceae),多年生單子葉草本植物[1]。芋艿原產于中國、印度、馬來西亞等熱帶沼澤地區,目前主要產區有非洲,亞洲的中國、日本、印度、菲律賓等地,在中國尤以南方栽種較多[2]。芋艿中淀粉含量非常高,一般芋艿中淀粉質量分數約為53.71%～83.35%(干基),一般芋頭淀粉中直鏈淀粉的質量分數為 14.0%～40.4%[3]。

淀粉是一類天然高分子聚合物,被廣泛應用于食品、造紙、紡織等工業。但是隨著科學技術的迅速發展,原淀粉在化工生產中已顯露出各種缺陷,如現代食品加工技術中的機械攪拌、高溫殺菌等均要求淀粉具有耐熱性和耐剪切性[4]；冷凍食品要求糊化后的淀粉不易結塊、凝沉,并具有很強的親水性[5-6]等,這些是一般原淀粉不具有的。為了淀粉資源的充分利用,在天然淀粉的基礎上,采用物理、化學或酶處理,制得性質變化、加強或具有新的性質的淀粉衍生物[7],使其更加適合某些應用[8]。化學改性淀粉種類最多,生產中運用最廣。而應用醋酸酯法制備的改性淀粉穩定性好、透明度好、不易凝沉[9]。目前對于改性淀粉的研究主要集中在馬鈴薯,玉米,甘薯,山藥,葛根,對于芋艿改性淀粉的研究遠不及其他薯類。因此本實驗采用芋艿淀粉為原料,醋酸酐為醋化劑,以反應取代度為指標,制備交聯酯化淀粉,對醋酸酯化改性性淀粉的工藝條件進行優化,通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X-射線衍射儀(XRD)對酯化改性淀粉和原淀粉的結構和理化性質進行分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

醋酸酐、氫氧化鈉、鹽酸、乙醇 均為分析純,華東試劑有限公司。

芋艿淀粉按照下面工藝自制:芋艿→洗凈去皮→切塊→浸泡→打漿→過濾→二次過濾→靜置→下層淀粉乳離心→烘干→研磨→芋艿淀粉成品

JJ-2(2003-61)組織搗碎勻漿機、AL 104型電子天平 梅特勒-托科多儀器有限公司；HH-4型數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司；DGG-9053AD型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海森信實驗儀器有限公司；LXJ-IIB低速大容量多管離心機 上海安亭科學儀器廠；VIS-7220型分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；JJ300型精密電子天平 美國雙杰兄弟有限公司常熟雙杰測試儀器廠；pHB-4數顯酸度計 上海天呈科技有限公司；掃描電子顯微鏡,SS-550,日本島津；X-射線衍射儀,XRD-6000 型以及實驗室常規儀器。

1.2 實驗方法

1.2.1 醋酸酯芋艿改性淀粉制備工藝 按照參考文獻[10]進行制備:稱取4g芋艿淀粉,倒入6mL水中,攪拌調配成40%的淀粉乳液,置于50mL的燒杯中，置于20～45℃溫度的水浴鍋中,邊攪拌邊加入3%的NaOH溶液控制淀粉乳液的pH在7.5～10.0。同時勻速滴加0.16～0.51mL醋酸酐,滴加醋酸酐的同時用3% NaOH溶液始終控制pH在相應恒定范圍內。反應1.0～3.5h后加入0.5mol/L HCl將反應混合物中和至pH6.0～7.0,停止攪拌。過濾,用蒸餾水洗3次,放入45℃干燥箱干燥。磨碎后過100目,裝袋。

在單因素的基礎上,選擇對醋酸酯乙酰基質量分數有影響的各因素進行正交實驗。采用L18(37)正交表,做反應溫度、反應pH、反應時間和醋酸酐用量的四因素三水平的正交實驗,對結果進行分析,正交實驗表見表1。

1.2.2 乙酰基質量分數的測定 稱取0.5g制備好的醋酸酯化改性淀粉和原淀粉分別放于250mL的燒杯中,加入50mL蒸餾水并把其放在磁力攪拌器上,依次加入2滴酚酞指示劑,用0.1mol/L的NaOH標準溶液滴到溶液出現穩定的粉紅色),用移液管移取25.0 mL 0.5mol/L的NaOH溶液,磁力攪拌30min后,用0.5mol/L的HCl溶液滴定至粉紅色消失,實驗平行三次[11]。按下式分別計算乙酰基質量分數:

式(1)

式中:ω-乙酰基質量分數(%)；V1-空白實驗消耗的鹽酸(mL)；V2-樣品溶液消耗的鹽酸(mL)；N-鹽酸濃度(mol/L)；W-樣品質量(g)；43-CH3CO-的分子量。

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

1.2.3 理化指標測定

1.2.3.1 透明度的測定 準確稱取干燥恒重的改性淀粉和原芋艿淀粉各0.5g,分別加入35mL蒸餾水,配制成淀粉乳,沸水浴中加熱30min并不斷攪拌,然后冷卻至室溫。將樣液全部轉移至50mL容量瓶并定容至刻度。以蒸餾水為空白,在620nm處平行測定三次樣品的透光率%[12]。

1.2.3.2 膨脹率和溶解度 稱取0.5g改性淀粉(干基)和0.5g原芋艿淀粉,分別加入35mL蒸餾水中,在95℃水浴中加熱攪拌30min,在3000r/min離心15min,糊下沉部分為膨脹淀粉,將上清液分離干燥,即得水溶淀粉的量,按公式2和公式3計算出溶解度和膨脹率。

溶解度(%)=水溶淀粉干重/淀粉樣品干重×100

式(2)

膨脹率(%)=膨脹淀粉干重/[淀粉樣品干重×(100-溶解度)]×100

式(3)

1.2.3.3 掃描電鏡實驗 將干燥后的原淀粉和最優條件下制備的改性淀粉樣品,分別用導電膠粘在樣品座上,并置于離子濺射儀中,在樣品表面蒸鍍一層10～20nm厚的鉑金膜,輕微晃動,使其分布均勻,用吸耳球吹去多余的試樣,在不同放大倍數下用高分辨分析投射電子顯微鏡JEM2010進行電鏡觀察并拍攝照片。

1.2.3.4 X-射線衍射測定 樣品準備:稱取樣品2g,用無水乙醇洗滌后在50℃干燥5h,研磨后用自動X-射線衍射儀分析。測定條件:粉末法,特征射線CuKα,電壓40kV,電流30mA,掃描范圍5°～70°,掃描速度2°,放射狹縫1°,放極射狹縫1°,接受狹縫0.3min[13]。

1.2.4 數據分析 實驗數據采用SPSS17.0軟件進行顯著性分析(p<0.05)。

2 結果與討論

2.1 反應條件對醋酸酯化反應的影響

2.1.1 反應溫度對改性淀粉乙酰基質量分數的影響 控制反應pH8.0、醋酸酐用量0.37mL、反應時間2.5h,研究反應溫度分別在20、25、30、35、40、45℃對乙酰基質量百分比的影響。結果見圖1。

圖1 反應溫度對改性淀粉乙酰基質量的影響Fig.1 Effeet of the reaction temperature on the acetyl content

從圖1可以看出,當反應溫度從20℃上升至25℃,乙酰基質量分數呈上升趨勢(p<0.01)。反應溫度超過25℃乙酰基質量分數下降(p<0.01),反應溫度超過40℃后,乙酰基質量分數又上升(p>0.05)。這是由于在淀粉的酯化過程中,淀粉醋酸酯生成的同時還伴隨著淀粉醋酸酯和醋酸酐的水解反應發生。隨著溫度的升高,淀粉酯化反應速率與淀粉醋酸酯及酸酐的水解反應速率都會加快,但高溫更利于淀粉醋酸酯及醋酸酐的水解反應的進行[14],從而使乙酰基質量分數有所降低。此外,高溫不利于淀粉分子對氫氧化鈉的吸附及其活性中心Starch-O-Na+的形成。因此,反應溫度從20℃上升至25℃時淀粉的酯化反應速率大于淀粉醋酸酯及酸酐的水解反應速率,乙酰基含量呈上升趨勢,超過35℃則有利于淀粉醋酸酯和醋酸酐的水解反應,從而使乙酰基含量下降。故后續實驗中,反應溫度選擇25℃。

2.1.2 反應pH對改性淀粉乙酰基質量分數的影響 采用反應溫度25℃、醋酸酐用量0.37mL、反應時間2.5h,考察pH為7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0對乙酰基質量分數的影響。從圖2看出,pH在7.5～8.0,乙酰基質量分數上升(p<0.01)；pH在8.0～10.0,隨著pH的增大,乙酰基質量分數比下降(p<0.01),在pH>9.5時下降速度最大。這可能是因為淀粉酯化過程在堿性條件下才能進行,改性淀粉對pH的變化及其敏感[15]。pH過高容易使改性淀粉發生堿水解；相反pH過低,改性淀粉會發生酸水解。因此制備醋酸酯改性淀粉的pH選擇在8.0。

2.1.3 醋酸酐用量對改性淀粉乙酰基質量分數的影響 利用得到的反應溫度和反應pH,并控制其他反應條件不變,研究醋酸酐用量在0.16、0.23、0.30、0.37、0.44、0.51mL對酯化反應的影響,結果如圖3所示。

圖2 反應pH對乙酰基含量的影響Fig.2 Effeet of the pH on the acetyl content

圖3 醋酸酐用量對乙酰基含量的影響Fig.3 Effeet of the aeetieanhydridedosa on the acetyl content

圖3顯示,隨著酸酐用量的增加,乙酰基質量分數呈上升趨勢(p<0.05),最后趨于平緩(p>0.05)。這是因為隨著醋酸酐用量的增加,醋酸酐與活性中心Starch-O-Na+之間的碰撞概率增加,反應的有效碰撞也隨之增加,從而引起酯化反應取代基含量的增加。但是隨著醋酸酐用量的增加,當醋酸酐用量到0.37mL時,醋酸酐的水解幾率也增大,導致乙酰基質量分數增加緩慢[16]。因此,確定最適醋酸酐用量為0.37mL。

2.1.4 反應時間對改性淀粉乙酰基質量分數的影響 利用得到的醋酸酐用量、反應pH與反應溫度,研究反應時間分別在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5h對乙酰基質量分數的影響,結果見圖4。由圖4看出,隨著反應時間的延長,乙酰基質量分數先上升后下降(p<0.01)。這是因為淀粉顆粒的溶解膨脹和酯化反應均需要一定的時間,因此改性淀粉乙酰基質量分數隨反應時間的延長而增加。但是當反應達到平衡后,淀粉醋酸酯發生水解的速度大于淀粉醋酸酯生成速度,因此乙酰基質量分數會降低[17]。所以酯化反應的時間控制在1.5h較適宜。

表2 正交實驗極差分析表Table 2 The results of extreme difference analysis

圖4 反應時間對乙酰基含量的影響Fig.4 Effeet of the reaction time on the acetyl content

2.2 正交實驗

根據單因素實驗,通過正交實驗對反應溫度、反應pH、醋酸酐用量和反應時間做七因素三水平正交實驗,正交實驗結果見表2。

從表2的正交實驗結果看,影響主次因素C>B>D>A,即醋酸酐用量對改性淀粉乙酰基質量分數的影響最大,其后依次是pH、反應時間,影響最小的因素是反應溫度。通過比較K值,可確定各因素最優水平組合為A2B2C3D2,即反應溫度25℃、pH8.0、醋酸酐用量0.44mL、反應時間1.5h。由表3的正交實驗方差分析可知,B因素(反應pH)和C因素(醋酸酐用量)對改性淀粉乙酰基質量分數的影響達到了極顯著水平,相比之下反應溫度和反應時間的影響則較小。

2.3 最佳工藝參數的確定

在最佳工藝條件下重復三次制備得到的平均芋艿改性淀粉乙酰基質量分數3.56%。

2.4 理化性質

2.4.1 醋酸酯化淀粉和原淀粉透明度、溶解度和膨脹率分析 由表4看出,與原淀粉比較,改性淀粉的透光率有極顯著差異(p<0.01),酯化后的淀粉溶解度和膨脹率均有較顯著差異(p<0.05),二者分別提高了12.36%、2.94%。主要原因是通過酯化反應,引入了乙酰基,淀粉分子內部因乙酰基基團的排斥力而發生膨脹,導致膨脹淀粉顆粒尺寸的增大,使得光透過的空隙加大。同時由于親水性乙酰基團的存在,阻礙了淀粉分子之間的締合作用,減弱了光的折射和反射強度,大大提高了淀粉糊的透明度[14]。另外乙酰基基團空間位阻較大,使一部分水溶性大分子降解成可溶性小分子,故極性增強、親水能力增大,溶解度、膨脹率較原淀粉高[15]。

表3 正交實驗方差分析表Table 3 The ANOVA of orthogonal design

注：**表示極顯著(p<0.01)。

2.4.2 淀粉顆粒形態 用高分辨分析透射電子顯微鏡JEM2010拍攝的原淀粉與改性淀粉顆粒的照片,結果見圖5、圖6。芋艿淀粉顆粒較完整,沒有裂縫,表面較光滑,形貌呈多面體,大顆粒淀粉周圍附著許多小顆粒。芋艿改性淀粉顆粒完整,較光滑、多孔,呈多面體。

表4 醋酸酯化淀粉和原淀粉透明度、 溶解度和膨脹率比較分析Table 4 The transparence,expansibility and solubility of starch from taro

注:**表示與原淀粉比較差異極顯著(p<0.01)；*表示與原淀粉比較差異較顯著(p<0.05)。

圖5 芋艿淀粉電鏡圖Fig.5 SEM of taro starch注:A:放大500倍；B:放大2400倍；C:放大3000倍。

圖6 醋酸酯化改性淀粉電鏡圖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 芋艿淀粉顆粒的結晶結構 用粉末衍射法測定淀粉樣品的結晶結構,得到淀粉顆粒衍射圖樣,其實驗測試結果見圖7。

圖7 芋艿淀粉與其改性淀粉的X-射線衍射圖Fig.7 X-Ray diffraction patterns for native and modified starches

由圖7可知芋艿淀粉在2θ為15.26°、17.14°、18.18°、19.92°、23.30°、25.46°、31.34°和改性淀粉在2θ為15.26°、17.58°、18.36°、19.86°、23.43°、25.74°、30.56°處分別有強吸收峰,這說明芋艿淀粉和改性淀粉的結晶性均為A型,說明醋酸酯淀粉沒有破壞淀粉的結晶區。

3 結論與討論

由正交實驗結果分析可知,醋酸酐用量對酯化改性淀粉乙酰基質量分數的影響最大,其次是pH,影響較小的是反應時間和反應溫度。

本實驗得出的最佳工藝參數組合為是:反應溫度25℃、pH8.0、醋酸酐用量0.44mL、反應時間1.5h,在此條件下制備得到的芋艿改性淀粉乙酰基質量分數3.56%。

由正交最優組制備得到的改性淀粉經過理化指標測定,透光率提高41.28%；溶解度增大12.36%；膨脹率提高2.94%；改性淀粉的X-射線衍射圖和芋艿淀粉的特征譜線一致,晶型為A型；芋艿淀粉顆粒較完整,沒有裂縫,表面較光滑,形貌呈多面體,大顆粒淀粉周圍附著許多小顆粒。芋艿改性淀粉顆粒完整,較光滑、多孔,呈多面體。

對于改性淀粉作為食品添加劑添加到飲料、糖果、果凍中有重大意義。添加后,可以改善食品的光澤度,使得飲料,果凍等產品澄清、透明,增強食欲。溶解度提高意味對于添加入食品后的溶解、分散性能也有重大意義。因此醋酸酯法制備芋艿改性淀粉對于芋艿的綜合利用以及改性淀粉的生產具有一定的理論指導意義。

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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

王曉丹(1993-),女,本科,研究方向:保健食品的開發與評價。

*通訊作者:常銀子(1977-),女,碩士,講師,研究方向：保健食品的開發與評價。

TS255.1

B

1002-0306(2015)03-0128-06

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.018