星點設計-響應面法探究玉米淀粉壬酸包合的最優工藝及表征

李珊珊，梁 坪，湯鵬宇，陳 青*

（貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽 550025）

玉米淀粉是膳食中主要的碳水化合物之一。作為一種傳統食品原料，玉米淀粉在釀酒行業中的應用歷史悠遠。早在古代，西南地區少數民族就用玉米釀造包谷酒，包谷酒營養豐富，味道甘甜，是重要的中度甜酒品種。現在玉米淀粉還廣泛運用在淀粉糖、味精、檸檬酸等行業，加工工藝已相對成熟[1]。壬酸呈淡的脂肪和椰子香氣，是飽和脂肪酸的一種，主要在食品工業中作為食用香料使用。玉米淀粉與脂肪酸復合形成的包合物可以抑制淀粉顆粒的膨脹，并提高其結構穩定性，也可以作為脂肪替代物、食品穩定劑、藥物輔料、化妝品組分和降解包裝材料等，在食品、醫藥和化工領域應用，有著很好的開發前景[2]。

目前，關于脂肪酸淀粉包合物的研究主要集中在性質討論方面，王雨生等[3-4]利用了玉米淀粉和不飽和脂肪酸包合，探究了包合物的熱力學性質，但是關于玉米淀粉與壬酸包合物的研究未見報道。星點設計-響應面法是一種試驗設計方法，主要用于優化處方或工藝[5-7]。近年來，在優化包合物制備工藝方面的應用也越來越深入[8-11]。該方法具有簡單、試驗次數少、精度高的特點，采用非線性模型擬合，通過復相關系數對建立的數學模型進行評價，可以很好的考察收率和多個自變量之間的關系，具有很好的可信度。星點設計-響應面法在脂肪酸-淀粉包合物制備工藝優化上的應用也未見報道。鑒于此，研究利用星點設計-響應面法[12]對玉米淀粉-壬酸包合物的制備工藝條件進行優化，通過紅外（infrared radiation，IR）、熱重（thermalgravimetric，TG）和電鏡掃描（scanning electronmicroscope，SEM）對包合物進行表征。以期為拓展飽和脂肪酸壬酸的應用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉、壬酸（純度98%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鉀（分析純）：成都金山化學試劑有限公司；鹽酸（分析純）：重慶川東化工（集團）有限公司。

1.2 儀器與設備

JD200-4電子天平：沈陽龍騰電子有限公司；電熱恒溫水浴鍋：天津市泰斯特儀器有限公司；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市科瑞儀器有限公司；GL-20G-I1高速冷凍離心機：上海安亭科學儀器廠；CTFD-12S冷凍干燥機：青島永合創信電子科技有限公司；Vertex-70傅里葉變換紅外光譜儀：日本島津公司；STA449C差熱分析儀：日本島津公司；INSPECT F50掃描電鏡：美國FEI公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 玉米淀粉-壬酸包合物的制備

參照ZABARS等[13]的方法，分別稱取3.0 g、4.2 g、5.4 g、6.0 g、6.6 g、7.8 g、9.0 g的玉米淀粉溶于80m L預熱至90 ℃的KOH（0.01mol/L）溶液。稱取0.676m L壬酸溶于120m L預熱至60℃的KOH（0.01mol/L）溶液中。將淀粉溶液與壬酸溶液混合，于60℃水浴中，用0.15mol/LHCl調節pH值至4.7，攪拌1 h，冷卻至室溫后，以3 000 r/m in離心20m in，沉淀用體積分數50%的乙醇洗滌3次，經冷凍干燥即得玉米淀粉-壬酸包合物。包合物收得率計算公式如下：

1.3.2 玉米淀粉-壬酸包合物制備工藝優化單因素試驗

按1.3.1試驗方案，分別選取玉米淀粉和壬酸的不同投料比（4∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1）、包合時間（40m in、50min、60min、70min、80min、90min）、包合溫度（40 ℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃）作為考察因素，以包合物收得率（Y）作為評價指標，確定最佳單因素條件。

1.3.3 星點設計試驗

在單因素試驗的基礎上，選取投料比（A）、包合時間（B）、包合溫度（C）作為考察因素，以收得率（Y）為評價指標，根據星點設計原理，對考察的3個因素分別設置5個水平，用-α、-1、0、+1、+α表示（α=1.682），投料比、包合時間以及包合溫度中心點取值根據單因素試驗結果取值。

1.3.4 玉米淀粉-壬酸包合物的表征

IR分析：取適量的玉米淀粉、壬酸、物理混合物、玉米淀粉-壬酸包合物，除壬酸KBr涂片，其他樣品采用KBr壓片法，壓制成樣品薄片進行紅外掃描，波數掃描范圍為400～4 000 cm-1，每個樣品平行測定2次。采用Origin軟件對紅外分析數據進行處理。

熱重分析：參照謝濤等[14]的方法，取玉米淀粉-壬酸包合物3～5mg，置于坩堝中，氮氣速率為50m L/min，升溫速率為10℃/min，加熱溫度范圍為30～800℃，測定樣品熱分解曲線。采用STARe V13.0軟件對熱重分析數據進行處理。

電鏡掃描：為了證明包合物的形成及形成包合物后表面微觀結構的變化，分別對玉米淀粉-壬酸包合樣和淀粉進行SEM測定。使用導電的雙面膠將少量淀粉及玉米淀粉-壬酸包合物固定在樣品臺，用洗耳球吹去多余的樣品后，進行30 s鍍金使得樣品導電性增強，將樣品臺置于SEM機器上，在3 kV，2 000倍的條件下進行掃描電鏡觀察[15]。分別測得直徑為50μm的玉米淀粉外貌及直徑分別為100μm、10μm、5μm的淀粉包合物外貌，進行比較。

2 結果與分析

2.1 玉米淀粉-壬酸包合物制備工藝優化單因素試驗結果

2.1.1 投料比對包合工藝的影響

圖1 投料比對包合工藝的影響Fig.1 Effect of feeding ratio on inclusion process

從圖1可知，隨著投料比的增加，收得率呈緩慢上升，在投料比為10∶1（g∶mL）時，收得率達到最高；此后，投料比繼續增加，收得率開始減小。推測在投料比為10∶1時，淀粉對壬酸的包合量達到飽和，達到玉米淀粉的最大利用率。因此，選擇最佳投料比為10∶1（g∶m L）。

2.1.2 包合溫度對包合工藝的影響

從圖2可知，隨著包合溫度的升高，收得率也隨之增加，在包合溫度升至60℃時，收得率達到最高；此后，繼續升高包合溫度，收得率開始下降。這是由于淀粉需溶解于水中才能夠起到包合作用，溫度升高有利于提高淀粉的溶解度，且可以增加其與壬酸相互碰撞的幾率，故而使反應的收得率增大。但包合反應同時也是放熱反應[16]，當達到包合平衡后，繼續升溫則不利于壬酸的包合而使收得率下降。因此，選擇最佳包合溫度為60℃。

圖2 包合溫度對包合工藝的影響Fig.2 Effect of inclusion tem perature on inclusion process

2.1.3 包合時間對包合工藝的影響

從圖3可知，隨著包合時間的延長，收得率也隨之增加，在包合時間至60min時，收得率達到最高；此后，繼續延長包合時間，收得率開始下降。推測原因是包合反應是可逆過程，在開始時，包合速度高于解包合速度，所以收得率不斷增加。當包合時間60m in時，包合過程和解包合過程趨向動態平衡，收得率達到最大值。繼續延長包合時間，部分包合物可能會發生解絡，使得收得率下降。因此，選擇最佳包合時間60min。

圖3 包合時間對包合工藝的影響Fig.3 Effect of inclusion time on inclusion process

2.2 星點設計試驗結果

2.2.1 星點設計試驗結果

根據單因素試驗結果，投料比、包合時間以及包合溫度中心點取值為投料比1∶10（m L∶g）、包合時間60m in、包合溫度60℃。編碼值與實際值對應如表1。按照單因素試驗中包合物的制備法進行。

表1 星點設計編碼值與實際值對照Table 1 Comparison of coding values of central composite design with actualvalues

2.2.2模型擬合與方差分析

表2 方差分析結果Table2Resultsofvarianceanalysis

對表1的數據采用Design-Expert8.05統計分析軟件進行數據分析，得到收得率對投料比、包合時間和包合溫度的多元線性回歸和二次多項式擬合方程：Y=78.80+1.68A+0.59B-0.25C-1.20AB+0.70AC+0.11BC-1.28A2-2.44B2-0.31C2，P＜0.0001，R2=0.9464，對二次多項式擬合方程中各項系數分別進行方差分析，結果見表2。

從二次多項式擬合方程中的P值和R2值來看，所選的3個自變量與3個考察指標的線性擬合相關性大，擬合程度高，預測性好，所以采用二次多項式擬合效果好，且3個考察因素對考察指標均有影響，P＜0.0001、R2=0.9464表示擬合程度較高，可作為分析預測模型。

由表2可知，在單因素試驗中，投料比對玉米淀粉-壬酸包合的影響最為顯著，包合溫度的影響次之，包合時間的影響最弱。

2.2.3 響應面圖分析

用Design-Expert8.05軟件繪制考察指標與考察因素的三維曲面圖，結果見圖4。

圖4 料液比、包合溫度、包合時間交互作用對收得率影響的響應曲面及等高線Fig.4Responsesurfaceplotsandcontourlineofeffectsofinteractionbetweenmaterialtoliquidratio,inclusiontemperatureandtimeonyield

從圖4可以直觀的觀察到壬酸和玉米淀粉的投料比、包合溫度和包合時間對收得率的影響顯著，運用Design-Expert8.05軟件分析，可得到優化條件為液料比1∶11（mL∶g），包合時間68min，包合溫度60℃。

2.2.4 工藝優化結果及驗證試驗

按照優化條件：投料比1∶11（mL∶g），包合時間68min，包合溫度60℃，進行3次驗證試驗，平均收得率為77.09%，與預測值之間的偏差為2.31%，說明本條件優化試驗是可行的。

表3 包合工藝驗證試驗結果Table3Resultsofverifiedtestofinclusionprocess

2.3 包合物表征

2.3.1 IR分析結果

圖5 玉米淀粉-壬酸包合物、物理混合物、玉米淀粉、壬酸紅外光譜圖Fig.5Infraredspectrumofcornstarch-nonanoicacidinclusion compound,physicalmixture,cornstarchandnonanoicacid

由玉米淀粉、壬酸、物理混合物、玉米淀粉-壬酸包合物紅外光譜圖（圖5）可知，壬酸在1 240～1 289 cm-1處有-COOH中C-O-C的伸縮振動峰，1 710～1 760 cm-1處有-CO鍵的伸縮振動峰[17]，而玉米淀粉-壬酸包合物中未出現表明玉米淀粉與壬酸形成了包合物。

3 423 cm-1處出現的寬而強的吸收峰為玉米淀粉中-OH的伸縮振動峰。振動峰的波數反映化學鍵的強弱，波數越低，說明該基團的含量越多，或該作用力越強[18]。玉米淀粉-壬酸包合物中-OH伸縮振動峰向低波數方向移動，可能是由于壬酸中的-OH伸縮振動峰與玉米淀粉中的-OH伸縮振動峰發生締合疊加，使玉米淀粉-壬酸包合物在3 423 cm-1處吸收峰向低波數方向移動。

2 930 cm-1處出現的是-CH鍵的吸收峰，由于壬酸的絡合，使得玉米淀粉在此處的峰向低波數方向移動，表明玉米淀粉與壬酸復合后-CH基團數量增加，這可能是由于壬酸與玉米淀粉中的-CH發生締合疊加。游離壬酸在2856 cm-1處表現出羧酸的-OH伸縮振動，而在玉米淀粉-壬酸包合物的吸收峰中幾乎沒有出現，這可能是由于玉米淀粉與壬酸的-COOH基團中的-OH鍵發生相互作用。以上結果表明，壬酸與玉米淀粉相互作用形成了包合物而不是二者簡單的混合。隨著壬酸的加入，1 159 cm-1處的吸收峰會逐漸向低波數方向移動，說明壬酸對玉米淀粉的絡合作用，使羥基數量減少。

2.3.2 熱重分析結果

玉米淀粉、物理混合物及玉米淀粉-壬酸包合物的TG的熱降解曲線見圖6。

由圖6可以看出，玉米淀粉及玉米淀粉-壬酸包合物的熱重曲線可分為三個階段，物理混合物的熱重曲線有兩個階段，第一階段溫度范圍為35～130℃，質量損失了9%～14%，主要是由于樣品內存在的水分及樣品表面結合水分的除去和小分子碳氫化合物的分解造成的；第二階段溫度范圍為240～350℃，主要是玉米淀粉或玉米淀粉-壬酸包合物的解聚和分解過程[19]，總的質量損失為71%～79%；第三階段可能是中間產物的完全分解，對應的溫度范圍為350～500℃，這一階段的總重量損失和平均降解速率均低于第二階段，樣品的熱分解在500℃基本完成。玉米淀粉-壬酸包合物的第二階段（240～350℃）起始分解溫度小于玉米淀粉和其物理混合物，表明壬酸的包合降低了玉米淀粉的熱分解穩定性，這可能是由于玉米淀粉與壬酸復合后使玉米淀粉的晶體類型的改變所致。此外，由圖6還可以看出，第二階段的玉米淀粉-壬酸包合物的質量損失略高于對應的原淀粉；玉米淀粉-壬酸包合物的最快反應速率對應的溫度低于對應的原淀粉；800℃時剩余的質量主要為灰分。玉米淀粉與壬酸形成的包合物的灰分含量大于玉米淀粉和其物理混合物。

圖6 玉米淀粉、物理混合物、玉米淀粉-壬酸包合物熱重圖（A）、差熱分析圖（B）Fig.6 Thermogravim etry diagram(A)and differential thermalanalysis diagram(B)of corn starch,physicalm ixture and corn starch-nonanoic acid inclusion compound

2.3.3 SEM分析結果

玉米淀粉、玉米淀粉-壬酸包合物的SEM結果如圖7所示。

圖7 玉米淀粉及玉米淀粉-壬酸包合物掃描電鏡圖譜Fig.7 Scanning electron m icrograph of corn starch and corn starch-nonanoic acid inclusion compound

由文獻和電鏡掃描照片得到玉米淀粉顆粒形狀為多邊形和球形，且表面光滑[20]；當與壬酸包合以后，包合物外觀形貌沒有顯著變化。然而更高的放大倍數下可以看到，包合物顆粒各個表面均分布了納米級的小孔。這可能是在溶液狀態下，玉米淀粉分子鏈與壬酸結合，形成的包合物與游離的玉米淀粉分子鏈的界面作用差異所致，間接地證明了包合物的形成。

3 結論

通過單因素及星點設計-響應面試驗確定玉米淀粉-壬酸包合物最佳制備工藝條件為壬酸和玉米淀粉投料比1∶11（m L∶g），包合時間68m in，包合溫度60 ℃，在此條件下收得率為77.09%，各因素對包合收得率的影響次序為投料比＞包合溫度＞包合時間。采用星點設計-響應面優化得到的工藝參數可靠，具有一定的理論和實際指導意義。玉米淀粉和壬酸主要應用在食品工業中，玉米淀粉是重要的食品原料，壬酸是食品添加劑。將玉米淀粉和壬酸制備成包合物，提高了玉米淀粉結構的穩定性，便于玉米淀粉的儲存和運輸。此外，壬酸作為食品添加劑使用時，由于是液體，運輸和使用不是非常方便。壬酸和玉米淀粉形成的包合物為白色粉末，完全保留了壬酸特有的香氣，這對于壬酸的應用，提供了更加方便、安全的新途徑。因此，在玉米淀粉、壬酸的食品加工過程中，可以考慮采用包合物的形式參與，以獲得更好的加工使用結果和經濟效應。通過對玉米淀粉-壬酸包合物外觀形貌研究，發現包合物表面具有多孔特征，這種多孔結構可不可以應用在吸附上，值得進一步研究和探討。