酶解預處理制備苯甲酸淀粉酯及其性能評價

楊小玲

(咸陽師范學院化學與化工學院，陜西咸陽 712000)

淀粉作為環境友好的天然高分子材料是近年來的研究熱點。但淀粉因糊化溫度高、易凝沉、穩定性差等缺點，限制了其廣泛應用，需對其進行改性處理。其中酯化反應是最普遍的改性方法之一［1－2］，酯化反應后淀粉分子葡萄糖單元上部分羥基被酯基取代，減弱了淀粉分子間氫鍵締合作用，宏觀上改善了淀粉物化性能，如糊化溫度降低，疏水性、凝沉穩定性、熱穩定性及凍融穩定性等提高，可廣泛應用于紡織、食品、造紙及醫藥等領域［3－5］。

淀粉顆粒結構包含結晶區和無定形區，外層主要為結晶區域且牢固，對水及化學試劑具有較強的抵抗能力，內層為無定形區，反應只在顆粒表面進行，試劑進入顆粒結晶區和無定形區均困難。因此，尋求通過改變淀粉顆粒結構的方法提高淀粉反應效率具有重要的研究價值。如，用酸、堿或酶對淀粉活化預處理破壞淀粉的顆粒結構，以提高淀粉進一步反應活性和效率［6－7］。本研究選取3種活化方式對可溶性淀粉預處理，再與苯甲酰氯進行酯化反應生成苯甲酸淀粉酯;用紅外光譜產物結構進行表征;以取代度為表征指標，確定苯甲酸淀粉酯的最佳合成條件。

1 實驗

1.1 試劑及儀器

可溶性淀粉，四川省彭州市軍樂化工廠;N，N'－二甲基甲酰胺，天津登豐化學品有限公司;吡啶，天津風船化學試劑有限公司;苯甲酰氯，上海同方精細化工有限公司;尿素，西安化學試劑廠;二甲基亞砜，成都金山化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

IR Prestige－21型傅里葉變換紅外光譜儀，日本島津公司;Quanta200型掃描電子顯微鏡，荷蘭Philips－FEI公司。

1.2 淀粉預處理

1)NaOH/尿素活化淀粉:稱取30 g可溶性淀粉，溶解于 100 mL水中，加入 pH為8～9的NaOH/尿素溶液中，30℃下攪拌反應1 h，乙醇洗滌，離心，干燥。

2)酸介質活化淀粉:稱取30 g可溶性淀粉，加入100 mL濃度為1%的鹽酸溶液中，50℃攪拌反應1 h，采用0.1 mol/L NaOH溶液調節至中性，乙醇洗滌，離心，干燥。

3)胰酶活化淀粉:稱取30 g可溶性淀粉，溶解于100 mL pH為6.8的胰酶溶液中，37℃攪拌反應30 min，調節溶液至中性，乙醇洗滌，離心，干燥。

1.3 苯甲酸淀粉酯的制備

準確稱取一定量活化淀粉，溶于N，N'－二甲基甲酰胺溶液中，加入至帶回流裝置的三頸瓶中，40℃下攪拌至溶解，加入少量吡啶和一定量的苯甲酰氯，一定溫度下反應一定時間，乙醇反復洗滌，干燥。

1.4 苯甲酸淀粉酯取代度測定方法

稱取樣品2 g，置于250 mL碘量瓶中，加入40 mL水混勻，加3滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微紅，紅色不消失即為終點，再加入25 mL 0.5mol/L NaOH溶液，振蕩30 min進行皂化反應，用0.5 mol/L HCl標準溶液滴定至紅色消失，記錄滴定消耗體積，同時做空白試驗對照，記錄滴定消耗體積，按如下公式計算苯甲酸淀粉酯的取代度 DS［9］。

式中，A為苯甲酸淀粉酯中每個葡萄糖單元含苯甲酰基的質量分數，%;V0為滴定原淀粉時鹽酸體積，mL;V1為滴定苯甲酸淀粉時所用鹽酸體積，mL;c為滴定時鹽酸標準溶液濃度，mol/L;m為苯甲酸淀粉酯樣品質量，g。

2 結果與討論

2.1 淀粉活化方法的選擇

對淀粉進行活化處理的目的是提高淀粉反應活性，選取3種活化方式:酸解、堿解和酶解，分別考察其對3種活化淀粉產率、苯甲酸淀粉酯產率及取代度的影響，結果見表1。

表1 活化方式對苯甲酸淀粉酯產率及取代度的影響

從表1看出，酸解的活化淀粉產率較高，但酯化產率最低;堿解的活化淀粉產率低，酯化產率高;酶解的活化淀粉產率及酯化產率均為中間，但酯化產物的取代度最高，為0.201 2。綜合考慮，選取胰酶活化淀粉進行酯化反應實驗。

圖1為原淀粉及苯甲酸淀粉酯的紅外光譜圖。

圖1 原淀粉及苯甲酸淀粉酯的紅外光譜圖

由圖1可知，原淀粉及苯甲酸淀粉酯在3 400 cm－1處均有一寬峰為—OH的伸縮振動吸收峰，區別是苯甲酸淀粉酯由于分子結構中部分羥基發生酯化反應—OH吸收峰減弱;2 928 cm－1處為淀粉C—H的伸縮振動吸收峰;與原淀粉相比，苯甲酸淀粉酯在1 720 cm－1附近出現新吸收峰，歸屬為酯基的 C＝ O伸縮振動峰，1 280 cm－1出現苯環 C—H面外伸縮振動峰，1 603～1 503 cm－1間吸收峰為苯環骨架的伸縮振動峰。結果表明，苯甲酰氯與淀粉發生了酯化反應。

2.2 酯化淀粉制備最佳合成條件的確定

在有機溶劑中在有機堿催化下淀粉與苯甲酰氯進行酯化反應，反應溫度、反應時間、反應物濃度和有機堿用量對產物的取代度均有影響。

2.2.1 苯甲酰氯用量

固定其他條件不變，活化淀粉用量2.0 g，吡啶用量1.5 mL，反應溫度60℃，反應時間5 h，考察苯甲酰氯用量對苯甲酸淀粉酯產物取代度的影響，結果見圖2。

圖2 苯甲酸淀粉酯取代度隨苯甲酰氫用量的變化曲線

從圖2可知，隨著苯甲酰氯用量增加，產品取代度呈上升趨勢，當苯甲酰氯用量達3.0 mL后，取代度增加緩慢。這是因為隨著苯甲酰氯用量加大，即反應體系中反應物濃度增大，反應正向進行，取代度增加;當苯甲酰氯用量增加至3.0 mL后，由于空間位阻效應，阻礙了進一步的酯化反應。因此，不能繼續通過增加苯甲酰氯用量提高產物取代度。

2.2.2 催化劑吡啶用量

固定其他條件不變，苯甲酰氯3.0 mL，考察吡啶用量對產物取代度的影響，結果見圖3。

圖3 苯甲酸淀粉酯取代度隨催化劑吡啶用量的變化曲線

從圖3可知，隨著催化劑吡啶用量增加，產物取代度增加，這是基于吡啶氮上面的孤對電子，通過其親核進攻酰氯，增加酰基碳的正電性，得到穩定的羰基碳正離子過渡態，有利于淀粉的進攻，提高酯化反應效率。

2.2.3 反應溫度

固定其他條件不變，吡啶用量2.0 mL，考察反應溫度對產物取代度的影響，結果見圖4。

圖4 苯甲酸淀粉酯取代度隨反應溫度的變化曲線

從圖4可知，隨著反應溫度升高，產物取代度呈先增大后減小趨勢。這是因為，反應溫度升高，反應物碰撞幾率增大，反應正向進行，取代度增加較快;但反應溫度高于55℃，受可逆反應平衡和空間位阻的影響，產物水解程度亦增加，取代度下降。因此，反應溫度以55℃為宜。

2.2.4 反應時間

固定其他條件不變，反應溫度55℃，考察反應時間對產物取代度的影響，結果見圖5。產物取代度隨反應時間增加先增大后減小。這是由于隨著反應時間增加反應正向進行，生成產物速率大于產物水解速率，產物取代度亦上升;當反應5 h后，產物水解速率大于生成產物的速率，取代度降低。這是因為當淀粉酯取代度大于0.270 0，羥基取代基的空間位阻降低了酯化反應的程度，造成取代度降低。因此，反應時間以5 h為宜。

圖5 苯甲酸淀粉酯取代度隨反應時間的變化曲線

3 結論

1)3種預處理均可提高淀粉的反應活性，酯化產物取代度高于未處理的原淀粉酯化產物，而胰酶酶解的淀粉，酯化產物苯甲酸淀粉酯取代度最高。

2)確定了苯甲酸淀粉酯最佳合成條件:活化淀粉用量2.0 g，苯甲酰氯用量3.0 mL，吡啶用量2.0 mL，反應溫度55℃，反應時間5 h。此條件下，制備的苯甲酸淀粉酯取代度最高為0.289 8。

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