響應面法優化蘋果酸淀粉酯工藝參數

田雙起,王子良,馬冰雪,趙仁勇,王新偉

(河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001)

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響應面法優化蘋果酸淀粉酯工藝參數

田雙起,王子良,馬冰雪,趙仁勇*,王新偉

(河南工業大學糧油食品學院,河南鄭州 450001)

以甘薯淀粉為原料,蘋果酸為酯化劑,制備了蘋果酸甘薯淀粉酯,考察了蘋果酸與淀粉質量比(M:S)、蘋果酸pH、反應時間、反應溫度對蘋果酸甘薯淀粉酯取代度的影響,在單因素基礎上,采用響應面法優化了影響甘薯淀粉酯化得工藝參數。結果表明,制備蘋果酸甘薯淀粉酯的最佳工藝條件為:蘋果酸與淀粉質量比0.57,蘋果酸pH2.0,反應時間6 h,反應溫度160 ℃。在最佳條件下蘋果酸甘薯淀粉酯的取代度可達0.354。

蘋果酸淀粉酯,響應面法,抗性淀粉

淀粉是人類飲食中的重要能量來源,也是具有良好化學性質的生物可降解聚合物,作為一個通用的可再生資源有著巨大的潛力[1]。隨著研究的加深及在實際生產中的應用,抗性淀粉在我們的日常生活中將會起到更大的作用[2]。抗性淀粉對人體有一定的生理益處,未來可應用于功能性食品[3]。且相對于傳統方法用硫酸或鹽酸制備變性淀粉來獲得抗性淀粉,蘋果酸處理方法很安全,具有很高的實用價值[4]。

酸淀粉酯是淀粉與酸在高溫下反應的產物,通過酸使淀粉分子交聯,從而具有很強的抗消化酶降解作用[5]。取代度升高,淀粉分子交聯程度隨之增加,不被健康正常人體小腸消化吸收[6]。本實驗采用干熱處理制備蘋果酸淀粉酯[7-8]，并通過單因素和響應面實驗,選取制備變性淀粉的最適條件,優化制備工藝;并分析原淀粉及不同取代度蘋果酸淀粉酯的性質差異,為蘋果酸淀粉酯的應用提供技術支撐[9-10]。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

甘薯淀粉市售;蘋果酸、氫氧化鈉、酚酞、鹽酸、溴化鉀等均為分析純。

101A-2鼓風干燥箱上海實驗儀器廠有限公司;BJ-150粉碎機上海拜杰實業有限公司;LFS-30粉篩布勒糧食檢驗儀器無錫公司;HJ-6A型恒溫磁力攪拌器金壇市杰瑞爾電器公司;PL2002分析天平、S20pH計梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1蘋果酸淀粉酯的制備配制質量分數為50%的蘋果酸溶液和濃度為10 mol/L的NaOH溶液。先用NaOH溶液將蘋果酸溶液pH調至1.5,然后將50 g甘薯淀粉和一定量的蘋果酸溶液充分混合,室溫下靜置16 h后,經50 ℃烘干、粉碎,過80目篩,再將混合物置于培養皿,于140 ℃烘箱中反應6 h。反應結束后取出,用2 L蒸餾水洗滌數次以除去多余的蘋果酸,濾餅再經45 ℃烘干、粉碎、過篩,得蘋果酸甘薯淀粉酯。

1.2.2取代度(DS)測定250 mL錐形瓶中按順序加入5 g 蘋果酸淀粉酯、50 mL蒸餾水、3滴酚酞指示劑,混勻。用10 mol/L和0.5 mol/L的NaOH滴定溶液至顏色為微紅色不消失。再加入25 mL 0.5 mol/L NaOH標準溶液皂化40 min。0.5 mol/L HCl標準溶液滴定至紅色消失,記錄消耗的HCl溶液體積V1(mL)。同時以原淀粉做空白實驗,記錄消耗體積V2(mL)。取代度按下式計算:

式中:A為蘋果酸取代基質量分數(%);V2、V1分別為原淀粉和改性淀粉滴定時所用HCl的體積(mL);m為蘋果酸淀粉酯的質量；117是蘋果酸取代基相對分子質量;162為淀粉相對分子質量;M為HCl的濃度(mol/L);DS為取代度[11]。

1.2.3單因素實驗設計首先進行單因素實驗,主要研究蘋果酸與淀粉的反應溫度、反應時間、pH和質量比(M:S)4個因素分別對制備蘋果酸甘薯淀粉酯的影響,進行單因素實驗,平行3次。

1.2.3.1質量比的確定在反應時間6 h,pH為1.5,反應溫度140 ℃條件下,蘋果酸和淀粉的質量比為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8對取代度的影響。

1.2.3.2pH的確定在反應時間6 h,質量比為0.5,反應溫度140 ℃條件下,pH分別為1、1.5、2、2.5和3對取代度的影響。

1.2.3.3反應時間的確定在質量比為0.5,反應溫度140 ℃,pH為2.0條件下,反應時間為3、4、5、6、7和8對取代度的影響。

1.2.3.4反應溫度的確定在質量比為0.5,反應時間6 h,pH為2.0條件下,反應溫度為120、130、140、150、160、170 ℃對取代度的影響。

1.2.4響應面實驗設計以取代度為響應值,依次改變反應溫度、反應時間、蘋果酸pH和蘋果酸與甘薯淀粉的質量比,依據單因素確定四因素三水平進行響應面優化實驗。四個單因素水平分別用A、B、C、D因子代碼進行表示。響應面實驗設計的因素與水平編碼如表1所示。

表1　相應面實驗因素水平編碼表

1.2.5數據的統計與分析Design-Expert V.8.0.5b進行Box-Behnken設計和分析,運用Origin8.0進行圖形繪制。

2　結果與分析

2.1單因素實驗結果與分析

2.1.1蘋果酸與淀粉質量比對取代度的影響如圖1所示,隨著蘋果酸與甘薯淀粉質量比的增加,蘋果酸甘薯淀粉酯的取代度一直上升至0.32。當蘋果酸與甘薯淀粉質量比小于0.6時,蘋果酸甘薯淀粉酯取代度增加速率快;當蘋果酸與甘薯淀粉質量比大于0.6時,取代度增加速度放緩。當蘋果酸添加量較少時,反應程度主要受蘋果酸含量影響,即反應體系中淀粉顆粒與蘋果酸分子的碰撞幾率低。而當蘋果酸含量較大時,蘋果酸與淀粉產生交聯,增加了空間位阻。從而減少了消化酶與淀粉蘋果酸酯之間的接觸,阻礙了反應的發生[12]。

圖1　質量比對取代度的影響Fig.1　Effect of malic acid-starch ratio on DS

此外,實驗過程表明,添加過多的蘋果酸會在前期制粉過程中生成凝膠,粘度增加,不易干燥,且蘋果酸與甘薯淀粉質量比為0.6時,得到的產品顏色明顯黃于蘋果酸與甘薯淀粉質量比為0.5的產品。因此,適宜的蘋果酸與甘薯淀粉質量比為0.5。

2.1.2pH對取代度的影響由圖2可知,當蘋果酸pH由1.0增加至2.0時,產品取代度隨著蘋果酸pH的增加而增加;當蘋果酸pH大于2.0后,產品取代度則隨蘋果酸pH的增加而下降。這可能是由于蘋果酸pH較低時,淀粉顆粒的溶脹程度增大,增加了與酸酐的接觸,且酸性環境有利于蘋果酸脫水形成酸酐和淀粉羥基的活化,從而導致在一定范圍內隨著蘋果酸pH的增大,產品取代度增大。然而當pH較大時,酸性下降,不利于酯化反應的進行,產品取代度開始下降。因此,適宜的蘋果酸pH為2.0。

圖2　pH對取代度的影響Fig.2　Effect of pH on DS

2.1.3反應時間對取代度的影響如圖3所示。由圖可知,當反應時間小于6 h時,蘋果酸甘薯淀粉酯的取代度隨著反應時間的增加而增加;當反應時間大于6 h后,蘋果酸甘薯淀粉酯的取代度隨著反應時間的增加略有下降。這可能是由于反應時間的延長可以使蘋果酸酸酐與淀粉羥基更加充分的接觸,而隨著時間過長時,且酸酐濃度降低,進一步反應的難度增加[13]。反應時間過長可能會導致熱降解,也不排除一部分酯鍵斷裂的可能性。因此,適宜的反應時間為6 h。

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

2.1.4反應溫度對取代度的影響如圖4所示,當反應溫度小于150 ℃時,產品取代度隨著反應溫度的增加而增加;當反應溫度大于150 ℃時,產品取代度隨著反應溫度的增加而略有下降。反應溫度過低時,酯化反應無法越過能壘,且溫度升高后淀粉顆粒增加了溶脹性,酸酐在淀粉中的擴散速率也增加,從而增加了酸酐與淀粉的接觸幾率。反應溫度過高時,產品顏色呈現明顯的黃色,且也可能易使淀粉酯發生酯鍵斷裂,而引起取代度下降[14]。

圖4　反應溫度對取代度的影響Fig.4　Effect of reaction temperature on DS2

2.2工藝參數優化

2.2.1Box-Behnken的設計方案及結果在單因素實驗的基礎上,采用用Design-Expert中的 Box-Behnken軟件,以取代度為響應值,優化甘薯淀粉酯化工藝參數,其響應面實驗設計及結果如表2所示。

2.2.2模型建立與方差分析利用Design-Expert 8.0.6對表2實驗數據進行多元回歸擬合,得到蘋果酸甘薯淀粉酯取代度與蘋果酸與甘薯淀粉質量比、蘋果酸pH、反應時間、反應溫度的二次多項回歸模型為:

DS=0.30+4.82×10-2A+0.35B+0.75D+0.01AD-1.71×10-4A2-2.83×10-2B2-1.78C2-1.83D2

表2　Box-Behnken設計方案及響應值結果

表3　回歸模型方差分析結果

注:p<0.01,表示影響極顯著;p<0.05表示影響顯著。

為了檢驗方程的有效性,對甘薯淀粉蘋果酸酯化模型進行方差分析,方差分析結果見表3。

由表3可見,模型項F值為20.88,說明該模型是顯著的。失擬項F=5.13,p=0.0681>0.05,表示失擬項不顯著,說明該方程對蘋果酸酯制備實驗擬合情況好,誤差小。因此可用該模型方程代替實驗真實點對實驗結果進行分析與預測。回歸模型的一次項A、D極顯著,B顯著,C不顯著,交互項AD顯著,AB、AC、BC、BD、CD不顯著,二次方項A2、B2、C2、D2均極顯著,說明不同制備工藝與淀粉酯取代度之間不是簡單的線性關系。另從 F 值及p值都可看出,影響因子的主效應主次順序為:D>A>B>C,即質量比>反應溫度>反應時間>pH。

2. 2.3響應面分析經Design-Expert V.8.0.5b處理后所得圖形如圖所示。圖5是質量比和溫度交互對蘋果酸淀粉酯取代度的影響,由圖5可得，質量比的坡面更陡,對取代度影響更大。蘋果酸和溫度的增加都提升了取代度,但過高的溫度和過多的蘋果酸都會使產品呈現明顯的黃色。因此應合理控制蘋果酸含量。

圖5　交互作用對蘋果酸淀粉酯取代度的影響Fig.5　Response surface plots for effects of malic acid-starch ratio and reaction temperature on DS

2.2.4模型驗證通過Design Expert軟件得到最優制備工藝參數為:反應溫度160 ℃,反應時間6.05 h,蘋果酸pH1.97,蘋果酸與甘薯淀粉質量比0.57,蘋果酸淀粉酯取代度為0.359。考慮到制備實驗過程中工藝條件操作的可行性,將工藝條件修正為:質量比0.57,pH2.0,反應時間6 h,反應溫度160 ℃。在此最優制備條件下進行3次平行驗證實驗,得到的取代度為0.354,與理論預測值相比,相對誤差為1.4%,驗證了該模型的有效性,說明該方程的模擬理論值與驗證值的相對誤差較小,因此可以利用響應面對甘薯淀粉蘋果酸酯工藝進行預測與分析。

2.3淀粉蘋果酸酯紅外光譜分析

在單因素實驗的基礎上研究淀粉蘋果酸酯的化學鍵變化,選擇原淀粉和最優制備條件下(DS 0.354)的淀粉蘋果酸樣品進行傅里葉紅外光譜分析,3400～2900 cm-1是羥基吸收峰,從圖6可以看出,淀粉蘋果酸酯在此段波數峰吸收有所降低,表明原淀粉的羥基被部分取代;酯化后的淀粉均在1739 cm-1處出現了新的吸收峰,這是酯鍵中羰基振動的特征峰,表明酯化反應確實發生;SPS在1632 cm-1處的吸收峰隨著蘋果酸的取代也逐漸減弱。其中3430、2932 cm-1分別是是締合O—H和C—H伸縮振動,1739 cm-1是酯鍵C=O伸縮振動,1632 cm-1是C—O伸縮振動。

圖6　原淀粉與不同取代度抗性淀粉的紅外光譜圖Fig.6　Infrared spectrum of native starch and different DS resistant starch

3　結論

以甘薯淀粉、蘋果酸為原料,變性淀粉取代度為指標,采用干熱處理制備蘋果酸復合變性淀粉，并探究和優化了其制備工藝。建立了蘋果酸抗性淀粉酯的四元二次回歸方程,經驗證,該方程對實驗結果擬合情況好,誤差小,能夠較好地預測蘋果酸抗性淀粉酯的取代度。干熱法制備甘薯淀粉蘋果酸酯的最佳工藝參數為:質量比0.57,pH2.0,反應時間6 h,反應溫度160 ℃,該條件下制備的淀粉蘋果酸酯取代度為0.354,與理論值(0.359)基本吻合,相對誤差為1.4%,充分驗證了該模型的有效性。

[1]Yuan Y,Leng Y,Shao H,et al. Solubility of dl-malic acid in water,ethanol and in mixtures of ethanol+water[J]. Fluid Phase Equilibria,2014,377:27-32.

[2]Muryanto S,Bayuseno A P,Ma’mun H,et al. Calcium carbonate scale formation in pipes:effect of flow rates,temperature,and malic acid as additives on the mass and morphology of the scale[J]. Procedia Chemistry,2014,9:69-76.

[3]李潤澤,夏楊毅,楊瑞學. 甘薯改性淀粉研究進展技術[J].淀粉工程,2011,20(34):130-133.

[4]田文欣. 復合變性淀粉合成與性能評價[J].化學工業與工程技術,2013,34(7):45-48.

[5]蹇華麗,高群玉,梁世中. 抗性淀粉結晶性質的研究[J].食品科學,2003,24(7):44-47.

[6]李德富,李宏利,林 煒,穆暢道.改性淀粉的制備與應用研究進展[J].中國皮革,2007,36(1):32-37.

[7]吳軍林,吳清平,張菊梅. L-蘋果酸的生理功能研究進展[J].食品科學,2008,29(11):692-695.

[8]劉建軍,姜魯燕,趙祥穎,等. L-蘋果酸的應用及研究進展[J].中國食品添加劑,2003(3):53-56.

[9]Lian X,Li L,Zhang K,et al. A new proposed sweet potato starch granule structure—Pomegranate concept[J].International Journal of Biological Macromolecules,2012,50:471-475.

[10]羅志剛,高群玉,楊連生. 甘薯淀粉性質的研究[J].食品科技,2004,2(5):15-17.

[11]柳志強,楊鑫,高嘉安,等. 辛烯基琥珀酸淀粉酯研究展[J].食品與發酵工業,2002,29(4):81-85.

[12]鄒建,劉潔. 兩種復合改性淀粉特性及其在面條中的應用[J].中國糧油學報,2011,26(2):33-37.

[13]Menon R,Padmaja G,Sajeev M S. Cooking behavior and starch digestibility of nutriose(resistant starch)enriched noodles

from sweet potato flour and starch[J]. Food Chemistry,2015,182:217-223.

[14]王步樞,鄔應龍. 檸檬酸甘薯淀粉酯制備工藝優化及性質研究[J].食品科學,2012,33(24):86-91.

Optimization of development processing parameters of malic acid-modified starch by using RSM

TIAN Shuang-qi,WANG Zi-liang,MA Bing-xue,ZHAO Ren-yong*,WANG Xin-wei

(College of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

In this study,sweet potato starch was reacted with malic acid to prepare modified starch with high degree of substitution(DS). Reaction conditions,which include malic acid and starch mass ratio,reaction temperature,pH and reaction time,were optimized by response surface methodology to obtain maximum DS. The optimizing reaction conditions were obtained using RSM. The optimum reaction conditions were found to be reaction at 160 ℃ and pH 2.0 for 6 h with a malic acid-to-starch ratio of 0.57(m/m),resulting in a DS as high as 0.354.

malate starch;response surface method;resistant starch

2015-09-14

田雙起(1984-)男，博士，研究方向：食品科學與工程，E-mail：tianshuangqi2002@126.com。

趙仁勇(1969-)男，教授，研究方向：糧食資源轉化與利用，E-mail：zry8600@126.com。

河南工業大學校高層次人才基金(2012BS049)。

TS235.1

A

1002-0306(2016)10-0279-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.048