離子液體中酶催化合成硬脂酸淀粉酯及其流變學特性研究

盧　玥,代飛云,湯曉智

(南京財經大學食品科學與工程學院 江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,南京 210023)

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離子液體中酶催化合成硬脂酸淀粉酯及其流變學特性研究

盧玥,代飛云,湯曉智*

(南京財經大學食品科學與工程學院 江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室,南京 210023)

以1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽([BMIM]Ac)和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF4)的混合離子液體為介質,脂肪酶催化淀粉硬脂酸甲酯合成硬脂酸淀粉酯,并采用核磁共振(1H NMR)、X-射線衍射對其進行結構表征。通過快速黏度儀及動態流變儀分析了硬脂酸淀粉酯的流變學特性。結果表明:和原淀粉相比,硬脂酸淀粉酯的峰值黏度顯著降低,并隨著取代度的增大,黏度呈下降趨勢;動態流變學測定結果顯示酯化后的淀粉儲能模量和損失模量比原淀粉顯著下降(p<0.05);靜態流變學測定結果顯示淀粉(包括酯化淀粉)為非牛頓流體,出現了剪切稀化的現象,且取代度越高,黏度越低,表明長鏈硬脂酸基團的引入,削弱了淀粉分子之間氫鍵作用。

離子液體,脂肪酶,硬脂酸淀粉酯,動態流變學,靜態流變學

淀粉來源豐富、價格低廉、易于生物降解并且具有一定的粘結性和成膜性,而被廣泛應用于工業生產和人們日常生活中。但隨著現代工業技術的發展以及一些特殊需求的出現,原淀粉由于其天然性能的缺陷已經無法滿足其在工業中的應用,比如原淀粉糊化后穩定性差、易凝沉,成膜后拉伸強度和彎曲強度差、透水性高等[1]。

酯化是改變淀粉特性的最常用手段。硬脂酸淀粉酯是在淀粉的葡萄糖殘基上引入長鏈硬脂酸基團,通常由淀粉及其衍生物與硬脂酸[2]、硬脂酸甲酯[3]、硬脂酸酰氯[4]、或硬脂酸酐[5]反應制得。因其具有特殊的疏水性、熱塑性、乳化性和可生物降解性而被廣泛應用于食品、材料、醫藥、化工等領域。

高級脂肪酸的直接酯化得到的產品通常取代度較低,淀粉在反應過程中還會有一定程度的降解[6]。高取代度的產品通常是在二甲亞砜、吡啶中與酸酐制得,然而所用到的有機溶劑和化學試劑均存在著毒性大、易揮發、操作性差等缺點。離子液體的出現帶來了一個新的契機[7-8]。與傳統的有機溶劑相比,“綠色溶劑”離子液體具有不揮發,溶解范圍廣,均相催化效率高,穩定性好等一系列優點。已有研究證明多種離子液體對淀粉有良好的溶解性[9-10],同時多種脂肪酶在離子液體中表現出強的催化活性[11-13]。

表1　不同脂肪酶添加量下硬脂酸淀粉酯的取代度

注:相同字母表示差異不顯著,不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

本文以離子液體作為反應介質,脂肪酶催化大米淀粉與硬脂酸甲酯合成硬脂酸淀粉酯,采用核磁共振(1H NMR)及X-射線衍射對產品結構進行鑒定,研究硬脂酸淀粉酯的流變特性。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

大米淀粉蕪湖好亦快食品有限公司;褶皺假絲酵母脂肪酶(700 U/mg)Sigma-Aldrich;硬脂酸甲酯國藥集團化學試劑有限公司;離子液體[BMIM]Ac、[BMIM]BF4上海成捷化學有限公司。

磁力攪拌器WSJB-03河南中良科學儀器有限公司;電熱鼓風干燥箱101-3AS上海蘇進儀器設備廠;核磁共振儀AVANCE 400瑞士Bruker公司;X-射線衍射分析儀D/max 2500/PC型日本理學公司;快速黏度儀(RVA)澳大利亞Newport Scientific儀器公司;動態流變儀Anton Paar MCR 302奧地利安東帕有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1不同取代度硬脂酸淀粉酯的合成取烘干的大米淀粉12 g加入到1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽(50 g)和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(190 g)的混合離子液體中120 ℃恒溫攪拌1 h;將溶解后的混合體系降溫至60 ℃,加入硬脂酸甲酯和脂肪酶CRL,硬脂酸甲酯與淀粉(葡萄糖單元AGU)的摩爾比為3∶1,60 ℃下反應3 h;脂肪酶CRL的添加量分別為0、0.25、0.5、0.75、1 g,反應結束,待溶液冷卻后加入無水乙醇洗滌、抽濾,重復3次,得到的沉淀物在40 ℃下干燥48 h。采用酸堿滴定法測定所得產物的取代度[14]。

1.2.2核磁共振譜分析(1H NMR)測試方法及條件將10 mg的樣品溶于約0.5 mL DMSO-d6中,觀測核:1H;觀測頻率為100 MHz,室溫下掃描16次。

1.2.3X-射線衍射分析(XRD)測試方法及條件將待測樣品在50 ℃下干燥12 h,取出冷卻至室溫。將樣品裝填到樣品板上進行檢測。X射線衍射測試條件為40 kV,40 mA,測量角度2θ范圍為3°～60°,所用掃描步長為0.02°,掃描速度為17.7 s/步。

1.2.4硬脂酸淀粉酯RVA糊化特性的測定RVA所用條件為:取3.5 g樣品,加蒸餾水25 mL,在50 ℃下保溫1 min,后以6 ℃/min的速度升溫至95 ℃,保溫5 min,再以6 ℃/min的速度降至50 ℃,保溫2 min。前10 s內攪拌速率為960 r/min,而后以160 r/min攪拌速率進行黏度測試。

1.2.5硬脂酸淀粉酯流變學測定

1.2.5.1動態流變學測定將上述RVA制備的淀粉糊置于流變儀上,平板直徑5 cm,設置間隙0.5 mm,測定溫度25 ℃,掃描應變1%,頻率掃描范圍為1～100 rad/s(0.1～10 Hz)。記錄樣品的儲能模量和損失模量隨角頻率的變化曲線。

1.2.5.2靜態流變學測定將上述測定RVA制備的淀粉糊置于流變儀上,平板直徑5 cm,設置間隙0.5 mm,測定溫度25 ℃,測定剪切速率0～300 s-1范圍內樣品黏度的變化。記錄樣品黏度隨剪切速率的變化曲線。

2　結果與分析

2.1硬脂酸淀粉酯的合成

通過改變脂肪酶用量,合成得到了不同取代度的硬脂酸淀粉酯,如表1所示。

2.2核磁共振譜分析

圖1　原淀粉和硬脂酸淀粉酯1H NMR譜圖Fig.1　1H NMR spectra of raw starch and starch stearate注:從下往上依次為原淀粉、取代度0.032、取代度0.076的硬脂酸淀粉酯。

圖1為原淀粉和硬脂酸淀粉酯的1H NMR譜圖,其中選擇具有代表性的中間取代度(0.032)和高取代度(0.076)的硬脂酸淀粉酯進行比較。圖1中,2.5 ppm處為溶劑d6-DMSO的質子峰,3.34 ppm處為水的質子峰,而3.15、3.31、3.58、3.65 ppm處的質子峰分別對應淀粉葡萄糖殘基AGU上的H-2,H-3,H-4,H-5,葡萄糖殘基AGU上余下的H-1和OH-2,3,6質子峰分布在4.58～5.50 ppm之間[15]。與原淀粉相比,在硬脂酸淀粉酯的1H NMR譜圖中,在0～2.4 ppm之間出現了四個增強的的質子峰,歸屬于酯化反應后淀粉鏈上引入的脂肪酰基上的氫原子,其中0.91 ppm對應的是脂肪酰基鏈上末端甲基的三個氫,2.04 ppm對應的是酰基鏈上與羰基相連的亞甲基氫,1.75 ppm對應的是緊隨其后的亞甲基氫,1.24 ppm對應酰基鏈上剩余的氫[16]。隨著硬脂酸淀粉酯取代度的增加,脂肪酰基所對應的質子峰的振動信號逐漸增強。1H NMR譜圖的結果證明淀粉分子上成功接枝了硬脂酸酰基,合成了硬脂酸淀粉酯。

2.3X-射線衍射分析

如圖2所示,原大米淀粉在衍射角2θ為15°、17°、18°和23°附近存在衍射峰,屬于典型的A型結晶[17]。而取代度為0.032、0.076的硬脂酸淀粉酯的X射線-衍射曲線與原淀粉明顯不同,上述2θ范圍內的特征衍射峰消失或者明顯降低,在13°、19°附近產生了彌散峰,峰強度較低,峰寬增大,表明改性后原淀粉的晶型結構遭到破壞,形成無定型結構。這種晶型結構的破壞可能是由于溶解過程中離子液體的影響[18-19]。

圖2　原淀粉及硬脂酸淀粉酯的X射線衍射圖Fig.2　X-ray diffraction pattern of raw starch and starch stearate

2.4硬脂酸淀粉酯RVA糊化特性

從圖3可以看出,和原淀粉相比,硬脂酸淀粉酯的峰值黏度明顯降低,并隨著取代度的增大,黏度呈下降趨勢。主要原因在于離子液體溶解以及酯化反應后原淀粉的結晶結構遭到破壞,硬脂酸基團的引入增強了疏水性,削弱了淀粉分子之間的氫鍵結合力,從而降低了其黏度。在糊化結束后,原淀粉由于回生現象而導致黏度增加,而硬脂酸淀粉酯黏度幾乎保持不變,且最終粘度遠遠低于起始黏度,可能由于剪切稀化作用致使黏度下降。

圖3　原淀粉和不同取代度硬脂酸淀粉酯的RVA曲線圖Fig.3　RVA curves of raw starch and starch stearate

2.5硬脂酸淀粉酯的流變學特性

2.5.1動態流變學特性儲能模量(G′)與周期形變中能量的儲存與釋放有關,反映的是形變和應力同相位的部分,表征聚合物的彈性;損耗模量(G″)反映的是聚合物材料在形變過程中發生黏性流動而產生的內耗,反映了形變與應力相差90°的部分,表征聚合物的黏性。動態流變學測定結果如圖4所示:

圖4　原淀粉和不同取代度硬脂酸淀粉酯動態流變特性Fig.4　Dynamic rheological properties of raw starch and starch stearate注:a. 原淀粉儲能模量;b. 硬脂酸淀粉酯儲能模量;c. 原淀粉損失模量;d. 硬脂酸淀粉酯損失模量。

由圖4比較可以看出,酯化后的淀粉儲能模量相比原淀粉顯著下降。且隨著取代度的增大,硬脂酸淀粉酯儲能模量呈下降趨勢,可能是由于隨著取代度的增大,淀粉分子上接入的長鏈硬脂酸基團增多,空間位阻增大,淀粉分子之間由于氫鍵形成的締合作用減弱,所以形成的凝膠彈性較小,也反應了硬脂酸淀粉酯形成凝膠的能力較弱;酯化后的淀粉損失模量也比原淀粉明顯下降。且隨著取代度的增大,硬脂酸淀粉酯損失模量逐漸下降。一方面可能由于離子液體的溶解作用,淀粉的結晶結構遭到破壞,另一方面可能是由于長鏈脂肪酸基團的引入,酯化淀粉的疏水性增強淀粉分子間的氫鍵結合力變的松弛,表現為黏性降低。

2.5.2靜態流變學特性從圖5可以看出,原淀粉與硬脂酸淀粉酯均為非牛頓流體,表現出剪切稀化現象。當施加剪切力時,剪切作用使淀粉分子間的作用力減弱,其相互纏繞的網絡結構被破壞。隨著剪切速率的增大,分子結構重塑的速率要小于這種網絡結構被破壞的速率導致分子對流動抵抗的能力減弱,從而使得表觀黏度降低[20]。在同一剪切速率下,硬脂酸淀粉酯的黏度遠遠低于原淀粉,且取代度越高,黏度越低,這主要也歸因于長鏈硬脂酸基團的引入,削弱了淀粉分子之間通過氫鍵結合的力,以致黏度降低。

圖5　原淀粉和不同取代度硬脂酸淀粉酯靜態流變特性Fig.5　Static rheological properties of raw starch and starch stearate

3　結論

以1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽([BMIM]Ac)和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF4)的混合離子液體為介質,通過調節脂肪酶的添加量,合成了不同取代度的硬脂酸淀粉酯。和原淀粉相比,硬脂酸淀粉酯的峰值黏度顯著降低,并隨著取代度的增大,黏度呈下降趨勢;動態流變學測定顯示酯化后的淀粉儲能模量和損失模量比原淀粉顯著下降,且隨著取代度的增大,硬脂酸淀粉酯儲能模量和損失模量逐漸下降;靜態流變學測定結果顯示淀粉(包括變性淀粉)均為非牛頓流體,出現了剪切稀化的現象,且取代度越高,黏度越低,表明離子液體溶解以及酯化反應后,原淀粉的結晶結構遭到破壞,硬脂酸基團的引入增強了疏水性,削弱了淀粉分子之間的氫鍵結合力。

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Lipase-catalyzed synthesis of starch stearate in ionic liquids and its rheological properties

LU Yue,DAI Fei-yun,TANG Xiao-zhi*

(College of Food Science and Engineering Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing,Nanjing University of Finance and Economics,Nanjing 210023,China)

The synthesis of starch stearate with lipase in the mixed ionic liquids of[BMIM]Ac and[BMIM]BF4was investigated. The structure of the starch stearate was characterized by1H NMR and XRD and the rheological properties were studied by rapid viscosity analyzer(RVA)and dynamic rheometer. The results showed that the peak viscosity of starch stearate significantly decreased compared to raw starch. Dynamic rheology studies showed that the storage modulus and the loss modulus of starch significantly dropped after esterification. Static rheology studies showed that starch and modified starch were both non-Newtonian fluids,which exhibited shear thinning. With the increase of the degree of substitution,the viscosity decreased,indicating introduction of long chain stearic acid weakened the hydrogen bond forces between starch molecules.

ionic liquids;lipase;starch stearate;dynamic rheology;static rheology

2015-04-13

盧玥(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：糧油加工，E-mail：1528451833@qq.com。

湯曉智(1977- )，男，博士，教授，研究方向：糧油加工，E-mail：warmtxz@njue.edu.cn。

江蘇省自然科學基金項目(BK2012471)；江蘇高校優秀科技創新團隊(蘇教科【2013】10號)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000