微波輔助與傳統加熱法合成植物油淀粉酯

王政洋，鄭麗娜，么婷婷，鄭洛昀，辛嘉英，2

（1.哈爾濱商業大學食品科學與工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150076；2.中國科學院蘭州化學物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

微波輔助與傳統加熱法合成植物油淀粉酯

王政洋1，鄭麗娜1，么婷婷1，鄭洛昀1，*辛嘉英1，2

（1.哈爾濱商業大學食品科學與工程重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150076；2.中國科學院蘭州化學物理研究所羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

以植物油和預處理玉米淀粉為反應底物，利用脂肪酶分別在微波輔助和傳統加熱的方式下催化合成植物油淀粉酯。通過篩選不同反應底物，探究影響合成植物油淀粉酯反應的因素，并考察反應時間、反應溫度、植物油添加量、反應轉速及微波功率對酯化反應的影響。結果表明，在單因素試驗的基礎上，傳統加熱的最佳反應條件為反應溫度65℃，反應時間20 h，植物油添加量20 g，反應轉速200 r/min，取代度可達0.033 4；微波輔助的最佳反應條件為反應溫度60℃，反應時間3 h，植物油添加量20 g，微波功率240 W，取代度可達0.036 2。

傳統加熱；微波輔助；脂肪酶；植物油淀粉酯

0 引言

脂肪酶催化合成植物油淀粉酯是近年興起的一種淀粉改性手段。植物油淀粉酯不僅具有良好的去污、乳化、洗滌、潤滑、起泡等性能[1-2]，還具有無毒無臭、無污染、無刺激等優良特性，在食品、醫藥、紡織、化妝品等行業有著廣泛的應用[3-4]。脂肪酶在催化酯化反應中具有優良的特性，使其變為了淀粉酯化改性的熱門酶類[5]。相對于化學法來說，脂肪酶催化可以在底物含量較低、較溫和的條件下進行，而且無需加入化學試劑，避免了有毒、有機溶劑的使用，副反應較少，符合當今“綠色化學”的要求。無溶劑體系中脂肪酶直接作用于底物，提高了底物和產物濃度及反應選擇性，純化過程簡便、步驟少[6-7]。植物油淀粉酯既能為食品提供優良的質構，同時還能延長食品貨架期[8-10]；植物油淀粉酯在化妝品護膚膜和護膚沫中是一種重要的有效成分，可以提高化妝品的親水性；在紡織工業中，低取代度的植物油淀粉酯能增加對合成纖維的黏結力，形成的漿膜耐彎曲、透明度好、穩定性強[11-12]。

試驗以脂肪酶Novozym 435作為催化劑，探究微波輔助與傳統加熱對植物油淀粉酯合成反應的影響。在單因素試驗的基礎上，應用正交試驗法對微波輔助和傳統加熱反應進行優化研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器

固定化南極假絲酵母脂肪酶Novozym435（L4777）10 000 U/g、玉米淀粉（AR），蘇州暢通化學有限公司提供；大豆油，九三糧油工業集團有限公司提供；棕櫚油，天津市聚龍糧油有限公司提供；椰子油，Family Farm提供；油酸淀粉酯（DS=0.05，GR）、月桂酸淀粉酯（DS=0.05，GR），國藥集團化學試劑有限公司提供；3A分子篩（AR），大連催化劑廠提供；二甲基亞砜（CP），天津嘉興化工有限公司提供。

YY-1型數量超級恒溫油浴鍋，天津市歐諾儀器儀表有限公司產品；MCR-3型常壓微波化學反應器，西安安泰儀器科技有限公司產品；GC7890F型氣相色譜儀，上海天美科學儀器有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 植物油的前處理

分別取市售大豆油、棕櫚油、椰子油500 mL，向其加入20 g分子篩，陰涼處放置24～48 h，備用。

1.2.2 淀粉的預處理

將質量比為2∶1的氫氧化鈉和尿素加入到100 mL的去離子水中，配置成質量分數為9%的混合液，置于冰箱中放置24 h。

將配好的混合液快速攪拌10 min后緩慢加入5 g干基玉米淀粉，滴加9%HCl至中性；滴加無水乙醇使淀粉析出，用95%乙醇洗3次，再用無水乙醇洗滌，以脫去水分；置于110℃干燥箱中干燥 24 h，研磨后放入70℃烘箱，備用。

1.2.3 油浴無溶劑體系酶促植物油淀粉酯的合成

將處理好的植物油與預處理淀粉按照質量比20∶1的比例加入到50 mL的三角瓶中，待底物完全混合后，向其加入預處理淀粉質量10%的Novozym 435脂肪酶，2 g分子篩，放入65℃恒溫油浴鍋中進行反應；待反應一段時間后，用65℃無水乙醇反復洗滌，除去未反應的植物油；于70℃條件下烘干至恒質量，然后用80目篩子將固定化脂肪酶篩除，密封保存。

1.2.4 微波輔助無溶劑體系酶促植物油淀粉酯的合成

將處理好的植物油與預處理淀粉按照質量比20∶1的比例加入到50 mL的微波反應瓶中，待底物完全混合后，向其加入預處理淀粉質量10%的Novozym 435脂肪酶，2 g分子篩，放入微波反應器中進行反應；待反應結束后加入10 mL 95%乙醇使得植物油淀粉酯析出，然后用65℃無水乙醇反復洗滌，除去未反應的植物油；于70℃條件下烘干至恒質量，然后用80目篩子將固定化脂肪酶篩除，密封保存。

1.2.5 植物油淀粉酯取代度的測定

試驗采用氣象色譜法進行產物取代度的測定，首先進行產物的甲酯化，通過氣相色譜掃描，利用內標法進行相關計算。

（1）植物油淀粉酯甲酯化。取0.8 g甲醇鈉，加入到200 mL甲醇溶液中配置成0.4 g/mL甲醇鈉溶液，備用。取植物油淀粉酯樣品0.03 g，加入1 mL的二甲基亞砜進行溶解，待充分溶解后，加入1 mL 0.4 g/mL的甲醇鈉溶液進行混合。將混合物在65℃下攪拌回流60 min，冷卻后加入1 mL去離子水和1 mL正庚烷，置于磁力攪拌器上，強力攪拌1 min，靜置分層，上層有機相即為植物油甲酯。

（2）氣相色譜分析。取植物油甲酯0.5 mL，向其加入50 μL內標溶液后進行氣相色譜掃描。氣相色譜條件：DM-FFAP型石英毛細管色譜柱，30 mm×0.32 mm×0.25 μm；柱溫220℃，進樣口溫度250℃，檢測器溫度260℃；載氣：高純氮；柱流速2.0 mL/min；尾吹流速40 mL/min；氫氣流速35 mL/min；空氣流速350 mL/min；分流比50∶1；進樣量1 μL。

取代度計算公式：

式中：n——脂肪酸淀粉酯中脂肪酸物質的量，mol；

M0——樣品的質量，g；

M1——葡萄糖殘基相對分子質量，162；

M2——植物油中脂肪酸的摩爾質量，236。

2 結果與討論

2.1 傳統加熱條件下不同植物油淀粉酯的結構

油浴加熱式酶促反應紅外光譜見圖1。

圖1 油浴加熱式酶促反應紅外光譜

由圖1可知，NaOH-尿素法預處理淀粉及其與不同植物油分別在油浴加熱和微波輔助下酶催化反應合成的植物油淀粉酯紅外分析圖譜。紅外圖譜的特征峰歸屬：在特征光譜的區間內，3 146～3 631 cm-1區域內的較大寬峰帶由-OH的伸縮振動產生，在2 932 cm-1附近的峰帶由C-H的伸縮振動產生；在1 364，1 167，1 050，857 cm-1處的吸收峰由葡萄糖殘基的伸縮振動產生；在植物油淀粉酯紅外光譜圖的1 725～1 750 cm-1處出現一個新的特征峰，這是羰基的特征吸收峰，從而證明了酯鍵的形成，也從側面證明了油浴加熱條件下脂肪酶催化反應可以合成植物油淀粉酯。

2.2 傳統加熱不同植物油對淀粉酯合成的影響

植物油是由不飽和脂肪酸和甘油化合而成的化合物，廣泛存在于自然界中，是從植物的果實、種子等中得到的油脂，如花生油、大豆油、棕櫚油、椰子油等。植物油的主要成分是直鏈高級脂肪酸和甘油生成的酯，脂肪酸除軟脂酸、硬脂酸和油酸外，還含有多種不飽和酸，如月桂酸、棕櫚酸等。試驗使用市售大豆油、棕櫚油、椰子油。

2.2.1 反應時間對取代度的影響

油浴加熱式酶促植物油淀粉酯的合成見圖2。

圖2 油浴加熱式酶促植物油淀粉酯的合成

由圖2可知，隨著反應時間的延長，產物的取代度緩慢下降。這是因為在反應過程中，由于長時間攪拌，會使脂肪酶從載體上脫落，磨損也會引起粒度的減小而影響脂肪酶的穩定性，導致脂肪酶催化效率的降低，甚至失活。隨著反應時間的延長，已生成的產物又部分水解，致使取代度緩慢降低。在油浴加熱式酶促植物油淀粉酯的合成反應中，3種植物油與NaOH-尿素法預處理淀粉在最佳反應條件下反應24 h處反應的取代度分別達到最高，其中棕櫚油與NaOH-尿素法預處理淀粉在該反應條件下取代度為最高的0.028 6。因此，油浴加熱式酶促植物油淀粉酯合成選擇棕櫚油，反應時間應為24 h。

2.2.2 反應溫度對取代度的影響

反應溫度分別為55，60，65，70，75℃，脂肪酶添加量為10%，反應時間為24 h，已平衡水活度的預處理玉米淀粉與大豆油質量比為1∶20，反應時加入3A分子篩2 g。

反應溫度對淀粉酯取代度的影響見圖3。

由圖3可知，反應溫度65℃時取代度最大，為0.026 8，超過此反應溫度取代度反而下降。試驗所用的固定化脂肪酶Novozym 435在55～75℃內具有較高的反應活性，這可能是溫度過高導致酶的部分失活。所以，選用的反應溫度為65℃。

圖3 反應溫度對淀粉酯取代度的影響

2.2.3 棕櫚油添加量對取代度的影響

加入已平衡水活度的預處理玉米淀粉與大豆油質量比為1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，脂肪酶添加量為10%，反應溫度為65℃，反應時間為24 h，反應時加入3A分子篩2 g。

棕櫚油添加量對淀粉酯取代度的影響見圖4。

圖4 棕櫚油添加量對淀粉酯取代度的影響

由圖4可知，棕櫚油添加量20 g時取代度最大，為0.025 2，棕櫚油添加量從5 g開始逐漸增加時，取代度也隨之增加。這是因為棕櫚油添加量過低時，參加反應的脂肪酸可以提供過量的脂肪酰基供體，是反應平衡向有利于產物生成的方向發展，從而取代度增加。當棕櫚油添加量為20 g時，取代度達到最大值0.025 2；當繼續增大棕櫚油添加量時，取代度開始下降，直至平緩。這是因為過量的棕櫚油將脂肪酶分子完全包圍，致使其活性位點無法發生催化反應，導致取代度下降。因此，試驗中棕櫚油添加量定為20 g。

2.2.4 油浴反應轉速對取代度的影響

加入已平衡水活度的預處理玉米淀粉與大豆油質量比為1∶20，脂肪酶添加量為10%，反應溫度為65℃，反應時間為24 h，反應時加入3A分子篩2 g，油浴反應轉速分別為100，150，200，250，300 r/min。

油浴反應轉速對淀粉酯取代度的影響見圖5。

由圖5可知，隨著油浴反應轉速的增加，棕櫚油淀粉酯的取代度上升，但是在轉速超過200 r/min時，棕櫚油淀粉酯取代度的上升趨勢趨于平緩。這是因為在轉速上升后，棕櫚油與脂肪酶的接觸更充分，脂肪酶的效率逐步升高，所以棕櫚油淀粉酯的取代度上升；但是當油浴反應轉速過高時，反應體系中的分子篩對體系的攪拌不均勻，反應底物與脂肪酶之間傳質不充分，棕櫚油淀粉酯的取代都下降。因此，試驗中油浴反應轉速選擇為200 r/min，棕櫚油淀粉酯的取代度較為理想。

圖5 油浴反應轉速對淀粉酯取代度的影響

2.3 傳統加熱棕櫚油淀粉酯的條件優化

在單因素試驗的基礎上，對油浴加熱式酶促反應的反應時間、反應溫度、棕櫚油添加量和反應轉速安排L9（34）正交試驗，以植物油淀粉酯的取代度作為指標。

正交試驗結果見表1。

表1 正交試驗結果

通過對正交試驗的結果分析可以得出，各個因素對棕櫚油淀粉酯取代度的主次順序為反應溫度、反應時間、反應轉速、棕櫚油添加量。同時，可以得出傳統加熱式酶促棕櫚油淀粉酯合成的最佳反應條件為反應溫度65℃，反應時間20 h，棕櫚油添加量20 g，反應轉速200 r/min，在該反應條件下的取代度為0.033 4。

因素與指標關系趨勢見圖6。

將處理好的棕櫚油與預處理淀粉按照質量比20∶1的比例加入到50 mL的三角瓶中，待底物完全混合后，向其加入預處理淀粉質量10%的Novozym 435脂肪酶，2 g分子篩，放入65℃油浴鍋內反應20 h，反應轉速為200 r/min，在此條件下制備獲得的棕櫚油淀粉酯取代度為0.031 6。

圖6 因素與指標關系趨勢

3 微波輔助酶促棕櫚油淀粉酯的合成及優化

3.1 微波輔助條件下不同植物油淀粉酯的結構

微波輔助酶促反應紅外光譜見圖7。

圖7 微波輔助酶促反應紅外光譜

由圖7可知，原淀粉在1 160，1 025，930 cm-1處出現的峰是非對稱C-O-C伸縮振動峰和骨架振動峰，在1 650 cm-1處有1個烯醇式C-O鍵的伸縮振動峰，在3 000～3 700 cm-1處出現長而寬的-OH伸縮振動峰；而大豆油淀粉酯、棕櫚油淀粉酯、椰子油淀粉酯在1 725～1 750 cm-1處有典型的酯鍵特征吸收峰，從側面說明微波輔助酶促植物油淀粉酯是可以合出產物的。

3.2 微波輔助酶促不同植物油對淀粉酯合成的影響以及反應時間對取代度的影響

微波輔助酶促植物油淀粉酯的合成見圖8。

圖8 微波輔助酶促植物油淀粉酯的合成

由圖8可知，用微波輔助法進行的酶促植物油淀粉酯合成的反應中，同樣是棕櫚油在反應進行3 h處取代度達到最高的0.032 4，這說明用微波輔助法可以有效地提高植物油淀粉酯合成的取代度。因此，試驗中使用棕櫚油與NaOH-尿素法預處理淀粉在微波輔助條件下進行酶促植物油淀粉酯的合成反應。

3.3 反應溫度對取代度的影響

反應溫度分別為55，60，65，70，75℃，脂肪酶添加量為10%，反應時間為3 h，已平衡水活度的預處理玉米淀粉與棕櫚油質量比為1∶20，反應時加入3A分子篩2 g。

微波輔助法反應溫度對淀粉酯取代度的影響見圖9。

圖9 微波輔助法反應溫度對淀粉酯取代度的影響

由圖9可知，反應溫度為65℃時，取代度最大0.034 2，超過此反應溫度取代度反而下降。試驗所用的固定化脂肪酶Novozym 435在60～65℃內具有較高的反應活性，當反應溫度過高時可能導致酶的部分失活。同時，過高溫度會使反應平衡逆向移動，已經生成的淀粉酯再次水解，導致反應平衡向逆向發展，從而使得取代度下降。所以，選用的反應溫度為65℃。

3.4 微波功率對取代度的影響

采用MCR-3型常壓微波化學反應器，微波功率可調至為80，160，240，320，400，480，560，640 W，棕櫚油與NaOH-尿素法預處理淀粉在微波輔助條件下進行酶促棕櫚油淀粉酯的取代度。

微波功率對棕櫚油淀粉酯取代度的影響見圖10。

圖10 微波功率對棕櫚油淀粉酯取代度的影響

由圖10可知，當微波功率小于240 W時，棕櫚油淀粉酯的取代度隨微波功率升高而增大；但是當微波功率大于240 W以后，再升高微波功率時反而使得棕櫚油淀粉酯的取代度下降。這主要是因為，當微波功率較低時脂肪酶的催化活性較低，微波功率緩慢增大時有利于底物的分散與分子碰撞；當微波功率過高時會導致脂肪酶的結構發生改變，致使脂肪酶失活，從而使得產物的取代度降低。

3.5 棕櫚油添加量對取代度的影響

加入已平衡水活度的預處理玉米淀粉與棕櫚油質量比為1∶10，1∶15，1∶20，1∶25，1∶30，脂肪酶添加量為10%，反應溫度為65℃，反應時間為24 h，反應時加入3A分子篩2 g。

棕櫚油添加量對淀粉酯取代度的影響見圖11。

圖11 棕櫚油添加量對淀粉酯取代度的影響

由圖11可知，因為試驗中采用Novozym 435脂肪酶是固定化脂肪酶，其在非水相中的催化反應為非均相反應，比在水相中的分子擴散限制大，所以棕櫚油添加量會影響脂肪酶的催化反應。在微波功率為240 W，反應時間為3 h這2個因素不變的條件下，棕櫚油添加量從5 g開始逐漸增加時，取代度也隨之增加，這是因為棕櫚油添加量過低時，參與反應的脂肪酸可以提供過量的脂肪?；w，使反應平衡向有利于產物生成的方向發展，從而取代度增加。當棕櫚油添加量為20 g時，取代度達到最大值0.031 8；當繼續增大棕櫚油添加量時，取代度開始下降，直至平緩，這可能是因為過量的棕櫚油將脂肪酶分子完全包圍，致使其活性位點無法發生催化反應，導致取代度下降。因此，試驗中棕櫚油添加量定為20 g。

3.6 微波輔助酶促棕櫚油淀粉酯合成正交試驗結果與分析

在單因素試驗的基礎上，對微波輔助酶促反應的反應時間、反應溫度、棕櫚油添加量、微波功率安排L9（34）正交試驗，以植物油淀粉酯的取代度作為指標。

正交試驗結果見表2。

由表2可知，微波輔助酶促棕櫚油淀粉酯合成中各個因素對棕櫚油淀粉酯取代度的主次順序為反應溫度、棕櫚油添加量、微波功率、反應時間。同時，可以得出微波輔助酶促棕櫚油淀粉酯合成的最佳反應條件為反應溫度60℃，反應時間3 h，棕櫚油添加量20 g，微波功率240 W，在該反應條件下的取代度為0.034 6。

因素與指標關系趨勢見圖12。

3.7 驗證試驗

將處理好的棕櫚油與預處理淀粉按照質量比20∶1的比例加入到50 mL的三頸燒瓶中，待底物完全混合后，向其加入預處理淀粉質量10%的Novozym 435脂肪酶，2 g分子篩，將微波反應器的溫度設定為60℃，微波功率為240 W，將三頸燒瓶放入微波反應器反應3 h，在此條件下制備獲得的棕櫚油淀粉酯取代度為0.036 2。

表2 正交試驗結果

圖12 因素與指標關系趨勢

4 結論

試驗中，首先選定一種植物油（棕櫚油），以棕櫚油和預處理淀粉為底物，利用脂肪酶Novozym 435為催化劑，分別以傳統加熱和微波輔助的方式進行植物油淀粉酯的酶促合成反應。由FT-IR圖譜分析可知，該反應確實可以合成棕櫚油淀粉酯，與傳統加熱相比，微波輔助不僅可以少量的提高棕櫚油淀粉酯取代度，而且縮短了反應時間；在單因素試驗的基礎上，通過正交試驗獲得微波輔助酶促棕櫚油淀粉酯合成的最佳反應條件。

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Conventional Heating and Microwave-assited Synthesis of Vegetable Oil Starch Ester

WANG Zhengyang1，ZHENG Li'na1，YAO Tingting1，ZHENG Luoyun1，*XIN Jiaying1，2（1.Key Laboratory for Food Science&Engineering，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150076，China；2.State Key Laboratory for Oxo Syntinesis&Selective Oridation，Lanzhou Insititute of Chemical Physics Chinese Academy of Sciences，Lanzhou，Gansu 730000，China）

With vegetable oil and pretreatment of corn starch as substrate，synthesis of plant oil starch ester by lipase are investigated under microwave irradiation and conventional heating mode.On the different substrates are screened，and the influence factors in the synthesis of vegetable oil starch ester reaction is discussed，the reaction time，the reaction temperature，adding the amount of vegetable oil，reaction speed and effect of microwave power on the esterification reaction.On the basis of single factor，the optimum reaction conditions of traditional heating 65℃ of reaction temperature，20 h of reaction time，20 g of vegetable oil content，the reaction speed of 200 r/min.Substitution degree can be up to 0.033 4.The best microwave assisted reaction conditions are as follows 60℃ of reaction temperature，3 h of reaction time，20 g of vegetable oil content，microwave power 240 W.Substitution degree can be up to 0.036 2.

conventional heating；microwave assisted；lipase；vegetable oil starch ester

TS236.9

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.11.032

1671-9646（2016）11b-0013-06

2016-09-23

王政洋（1990—），男，在讀碩士，研究方向為農產品加工及貯藏。

*通訊作者：辛嘉英（1966—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為農產品加工及貯藏。