凍融穩(wěn)定型乙酰化羥丙基糯玉米淀粉的制備工藝研究

楊世雄，張玲*，張雪梅，李雪，梁葉星，張歡歡，熊家艷，高飛虎*，鄭韻

（1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329；2.重慶西南師范大學(xué)出版社有限公司，重慶 400716；3.重慶輕工職業(yè)學(xué)院，重慶 401329）

隨著人們生活水平的日益提高和生活節(jié)奏的加快，人們的飲食習(xí)慣也隨之發(fā)生改變，具有快捷方便、營養(yǎng)安全等諸多優(yōu)點的速凍食品受到越來越多人們的青睞，但是目前速凍食品面臨的主要難題是在生產(chǎn)、包裝、運輸、銷售等過程中因溫度頻繁波動而導(dǎo)致最終產(chǎn)品品質(zhì)的劣變[1-4]。 凍融穩(wěn)定性是衡量速凍食品品質(zhì)優(yōu)劣的一個至關(guān)重要的物理指標(biāo)，常用析水率來表征[5]。 淀粉糊經(jīng)過低溫冷凍之后，在淀粉的凝沉作用下，淀粉分子間會通過氫鍵的締合形成水不溶性的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，破壞了之前的膠體結(jié)構(gòu)，析出游離水[6]。 因此，析水率的高低決定淀粉凍融穩(wěn)定性的好壞， 凍融穩(wěn)定性越好，析水率就越低，速凍食品的品質(zhì)越穩(wěn)定[7]。

糯玉米淀粉因其支鏈淀粉含量高，相比普通玉米淀粉具有較好的凍融穩(wěn)定特性[8]，而在糯玉米淀粉分子中接入具有空間位阻作用的親水基團羥丙基會在很大程度上改善原淀粉的凍融穩(wěn)定性[9]，同樣將原淀粉通過乙酸酐酯化處理得到的乙酰化淀粉可增強其凍融穩(wěn)定性和淀粉糊透明度[10]。 而乙酰化和羥丙基復(fù)合可兼顧二者的優(yōu)點，其產(chǎn)品非常適合應(yīng)用于速凍食品中[11-12]。 以衡量凍融穩(wěn)定性好壞的析水率為主要評價指標(biāo)，優(yōu)化凍融穩(wěn)定型乙酰化羥丙基糯玉米淀粉的制備工藝，目前鮮有報道。 本文以糯玉米淀粉為原料，探討了凍融穩(wěn)定型淀粉的制備工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

糯玉米淀粉：山東福洋生物科技有限公司；硫酸、鹽酸、硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、茚三酮、1，2-丙二醇、酚酞、氫氧化鈉、環(huán)氧丙烷：成都科龍化工試劑廠；醋酸酐：重慶川東化工（集團）有限公司。 以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CP224C 電子天平：奧豪斯儀器（常州）有限公司；EX324ZH 電子分析天平：上海上天精密儀器有限公司；DHG-9140 恒溫鼓風(fēng)干燥箱、HWS-23 恒溫水浴鍋：上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；BCD-210N 冰箱：中山格蘭仕日用電器有限公司；GL-12A 離心機：上海菲恰爾分析儀器有限公司；UV-6000PC 紫外可見分光光度計：上海分析儀器有限公司；FE20 pH 計： 梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 羥丙基糯玉米淀粉的制備

參照何紹凱等[13-14]方法，略有修改。 將一定量的淀粉置于含有14%硫酸鈉和1.3%氫氧化鈉（添加量均按淀粉干基量進(jìn)行計算）溶液的反應(yīng)器中，配成40%淀粉乳。攪拌均勻后，將反應(yīng)器置入18 ℃水浴中，快速加入4.0%環(huán)氧丙烷，密封后，在此溫度下水浴振蕩30 min， 使環(huán)氧丙烷與糯玉米淀粉混合均勻。 然后轉(zhuǎn)入50 ℃恒溫水浴振蕩器中反應(yīng)25 h，最后用0.5 mol/L HCl 調(diào)pH 值至中性，經(jīng)5 次洗滌、沉淀，然后在40 ℃下干燥，即得羥丙基糯玉米淀粉成品。

1.3.2 羥丙基分子取代度的測定

1.3.2.1 羥丙基取代度標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

參照李學(xué)紅等[15-16]的測定方法，稍作修改。 配制0.01 g/mL 1，2-丙二醇標(biāo)準(zhǔn)溶液， 分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mL 于100 mL 容量瓶中， 加水定容， 制得含1，2-丙二醇10、20、30、40、50 mg/mL 的標(biāo)液。 分別取5種標(biāo)液1.00 mL 于25 mL 具塞試管中，將試管置于水中，沿壁緩慢加入濃硫酸8 mL 混勻，擰緊管塞，在沸水浴中加熱3 min，立即放入冰水中冷卻，然后加入0.5 mL 3%的茚三酮溶液，搖勻，放入25 ℃水浴中恒溫靜置100 min，使之顯色，再用濃硫酸定容到25 mL，反轉(zhuǎn)至均勻，放入比色皿中，5 min 后以試劑空白作參比，在595 nm 處測定其吸光度。

1.3.2.2 樣品檢測

稱取樣品0.05 g～0.10 g 于100 mL 容量瓶中，加入0.5 mol/L 的H2SO4溶液25 mL， 沸水浴中加熱至試樣溶解呈透明，冷卻后用蒸餾水定容至100 mL。 量取該溶液1 mL 于25 mL 具塞試管中， 將其浸入冷水中，沿壁緩慢加入濃硫酸8 mL，擰緊管塞，在沸水浴中加熱3 min，立即放入冰水中冷卻，然后加入0.5 mL3%茚三酮溶液，搖勻，放入25 ℃水浴中恒溫靜置100 min，使之顯色，再用濃硫酸定容至25 mL，反轉(zhuǎn)均勻，放入比色皿中，5 min 后以試劑空白作參比，在595 nm 處測定其吸光度，糯玉米原淀粉用同樣方法進(jìn)行測定。

1.3.2.3 羥丙基含量和羥丙基取代度

羥丙基含量和羥丙基取代度計算公式分別如下。

式中：WH為羥丙基含量，%；C 為試樣中丙二醇的含量，mg/mL；m 為取樣量，g；0.776 3 為丙二醇含量轉(zhuǎn)換成羥丙基含量的轉(zhuǎn)換系數(shù)；MS 為羥丙基取代度；2.84 為羥丙基百分含量轉(zhuǎn)換成取代度的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.3.3 乙酰基糯玉米淀粉的制備

綜合PAN A 等[17-19]的方法，略有修改。 稱取一定量的糯玉米淀粉，用蒸餾水配成40%淀粉乳，置于恒溫水浴振蕩器中振蕩，向其中滴入3.0%NaOH 溶液將淀粉乳pH 值調(diào)節(jié)到8.0，之后緩慢加入6%醋酸酐，為防止生成的醋酸酯水解，同時加入3.0%的NaOH 以保持溶液pH 值在8.0～8.4 之間，在30 ℃水浴中反應(yīng)90 min后， 用0.5 mol/L HCl 調(diào)節(jié)溶液pH 值為6.0～7.0 之間，加水洗滌，沉淀5 次，然后在40℃下干燥，即得乙酰基糯玉米淀粉成品。

1.3.4 乙酰基取代度的測定

參照ZHAO K 等[20-21]的測定方法。 分別稱取乙酰化糯玉米淀粉和糯玉米淀粉2 g 于250 mL 三角瓶中， 加入50 mL 蒸餾水，3 滴1%酚酞， 混合均勻后用0.1 mol/L NaOH 滴至微紅色，然后加入25 mL0.5 mol/L NaOH 標(biāo)液，機械振蕩30 min 后，再用0.5 mol/L 的鹽酸標(biāo)液滴至紅色消失即為終點，分別記錄體積為V1和V2，計算公式如下。

式中：WA為乙酰基含量，%；DS 為乙酰基取代度；V1為樣品消耗鹽酸的體積，mL；V2為空白消耗鹽酸的體積，mL；m 為樣品的質(zhì)量，g；C 為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L；0.043 為與1 mL 濃度為1.000 mol/L 的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)所相當(dāng)?shù)囊阴；馁|(zhì)量。

1.3.5 凍融析水率的測定

參照陳業(yè)寶等[22-24]的方法，略作修改。 稱取一定量樣品，置于燒杯中，配成3%的淀粉乳，置入沸水浴中20 min，冷卻至25℃，將其倒入預(yù)先已稱重為G0的50 mL 離心管內(nèi)3 mL 左右，稱重G1，置入-18 ℃冰箱內(nèi)，冷凍18 h，取出室溫25 ℃自然解凍6 h。每種樣品制備5個， 冷凍/解凍一次離心各樣品其中的一個，在3 500 r/min 離心20 min，去上清液后稱重G2，計算析水率，公式如下。

式中：G0為離心管重，g；G1為離心管和淀粉糊總重，g；G2為離心管和沉淀總重，g。

1.3.6 乙酰化羥丙基糯玉米淀粉的工藝研究

按1.3.1 方法制得羥丙基淀粉，稱取一定量后置于反應(yīng)器中，然后向其中加入蒸餾水，在25 ℃下攪拌1 h后，用3.0%NaOH 溶液調(diào)pH 8.0，緩慢加入一定量的醋酸酐， 同時用3.0%NaOH 將pH 值保持在一定范圍內(nèi)，置于一定溫度的恒溫水浴振蕩器中反應(yīng)一段時間后，用0.5 mol/L HCl 調(diào)pH 6.0～7.0。 加水洗滌，沉淀5次，然后將其放入40 ℃烘箱中干燥。

1.4 單因素試驗

1.4.1 羥丙基取代度對析水率和乙酰基取代度的影響

選擇羥丙基取代度分別為0.002、0.004、0.006、0.008、0.010，固定醋酸酐添加量為6.0%，羥丙基淀粉乳濃度為40%，反應(yīng)時間為1.5 h，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)pH 9.0，研究不同羥丙基取代度對乙酰化羥丙基淀粉析水率和乙酰基取代度的影響。

1.4.2 醋酸酐添加量對析水率和乙酰基取代度的影響

選擇醋酸酐添加量分別為4.0%、5.0%、6.0%、7.0%、8.0%，固定羥丙基取代度為0.004，羥丙基淀粉乳濃度為40%，反應(yīng)時間為1.5 h，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)pH 9.0， 研究不同醋酸酐添加量對乙酰化羥丙基淀粉析水率和乙酰基取代度的影響。

1.4.3 羥丙基淀粉乳濃度對析水率和乙酰基取代度的影響

選擇羥丙基淀粉乳濃度分別為30%、35%、40%、45%、50%，固定羥丙基取代度為0.004，醋酸酐添加量為6.0%，反應(yīng)時間為1.5 h，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)pH 9.0，研究不同羥丙基淀粉乳濃度對乙酰化羥丙基淀粉析水率和乙酰基取代度的影響。

1.4.4 反應(yīng)時間對析水率和乙酰基取代度的影響

選擇反應(yīng)時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h，固定羥丙基取代度為0.004，醋酸酐添加量為6.0%，羥丙基淀粉乳濃度為40%，反應(yīng)溫度為30℃，反應(yīng)pH 9.0，研究不同反應(yīng)時間對乙酰化羥丙基淀粉析水率和乙酰基取代度的影響。

1.4.5 反應(yīng)溫度對析水率和乙酰基取代度的影響

選擇反應(yīng)溫度分別為20、25、30、35、40 ℃，固定羥丙基取代度為0.004，醋酸酐添加量為6.0%，羥丙基淀粉乳濃度為40%，反應(yīng)時間為1.5 h，反應(yīng)pH 9.0，研究不同反應(yīng)溫度對乙酰化羥丙基淀粉析水率和乙酰基取代度的影響。

1.4.6 pH 值對析水率和乙酰基取代度的影響

選擇pH 值分別為7.0、8.0、9.0、10.0、11.0，固定羥丙基取代度為0.004，醋酸酐添加量為6.0%，羥丙基淀粉乳濃度為40%，反應(yīng)時間為1.5 h，反應(yīng)溫度為30 ℃，研究不同pH 值對乙酰化羥丙基淀粉析水率和乙酰基取代度的影響。

1.5 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果， 選取羥丙基淀粉乳濃度、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度及pH 值4 個條件為因素，每個因素選取3 個水平，以析水率為主要考察指標(biāo)，因素水平見表1。

表1 試驗因素和水平Table 1 Test factors and levels

1.6 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel 統(tǒng)計所有數(shù)據(jù)， 采用SPSS17.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并采用Origin7.5 軟件進(jìn)行繪圖，所有試驗重復(fù)3 次。

2 結(jié)果與討論

2.1 羥丙基分子取代度標(biāo)準(zhǔn)曲線

羥丙基糯玉米淀粉羥丙基分子取代度的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1 所示。

圖1 羥丙基糯玉米淀粉取代度標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 The standard curve of substitution degree of hydroxypropyl waxy corn starch

2.2 不同反應(yīng)條件對析水率和乙酰基取代度的影響

2.2.1 羥丙基取代度對析水率和乙酰基取代度的影響

不同羥丙基取代度對析水率和乙酰基取代度的影響如圖2。

圖2 MS 對析水率和乙酰基取代度的影響Fig.2 Effect of MS on separate water's velocity and DS

從圖2 中可看出，起初隨著羥丙基淀粉中羥丙基分子取代度的增加，乙酰化羥丙基糯玉米淀粉中的乙酰基的取代度明顯降低，析水率也隨著羥丙基取代度的增大而明顯減小，而當(dāng)羥丙基取代度繼續(xù)增大至超過0.004 時，析水率和乙酰基取代度雖然有所下降，但下降趨勢變得平緩。 因此綜合考慮最適羥丙基取代度為0.004。

2.2.2 醋酸酐添加量對析水率和乙酰基取代度的影響不同醋酸酐添加量對析水率和乙酰基取代度的影響如圖3。

圖3 醋酸酐添加量對析水率和乙酰基取代度的影響Fig.3 Effect of acetic anhydride addition on separate water's velocity and DS

如圖3 所示，隨著醋酸酐添加量的增加，羥丙基淀粉分子與醋酸酐分子間的碰撞幾率也隨之增大，導(dǎo)致乙酰基取代度隨著醋酸酐添加量的增加而不斷增大。而析水率隨著醋酸酐添加量的增加而減小，由于乙酰基是親水性基團， 一方面可與水分子更好地水合，另一方面和支鏈淀粉的脫水葡萄糖羥基形成分子內(nèi)氫鍵，阻礙了支鏈淀粉分子間氫鍵的形成，分子間空間位阻增大，使其不易重新排列和締合，凍融穩(wěn)定性得到改善[25]。 當(dāng)醋酸酐添加量為6%時，乙酰基分子取代度較低，析水率也較低，此時乙酰化羥丙基中乙酰基取代度為0.093， 符合美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）食品級乙酰化淀粉中規(guī)定的乙酰基最大取代度0.097，當(dāng)繼續(xù)增大醋酸酐用量至7%時，乙酰基取代度為0.104，不符合FDA 對食品級乙酰化淀粉的規(guī)定[27]，并且析水率下降不明顯。因此綜合分析醋酸酐最適添加量為6%。

2.2.3 羥丙基淀粉乳濃度對析水率和乙酰基取代度的影響

不同羥丙基淀粉乳濃度對析水率和乙酰基取代度的影響如圖4。

圖4 羥丙基淀粉乳濃度對析水率和乙酰基取代度的影響Fig.4 Effect of starch slurry concentration on hydroxypropyl separate water's velocity and DS

從圖4 可看出， 羥丙基淀粉乳濃度小于40%時，隨著羥丙基淀粉乳濃度的增加，乙酰基取代度也隨著增大，羥丙基淀粉乳濃度的增加，有助于醋酸酐分子與淀粉分子之間接觸，從而提高了其與羥丙基淀粉的碰撞幾率，乙酰基取代度也隨之增大，析水率也明顯降低；當(dāng)羥丙基淀粉乳濃度增加至40%時，乙酰基取代度增加至最大值，析水率最低。 當(dāng)繼續(xù)增大羥丙基淀粉乳濃度時，乙酰基反而會隨著羥丙基淀粉乳濃度的增加而減小，析水率逐漸增大，可能是因羥丙基淀粉含量過高，無法與水形成均勻的反應(yīng)體系，因此降低了醋酸酐和羥丙基淀粉顆粒的碰撞幾率。 因此選擇羥丙基淀粉乳濃度為40%是因羥丙基淀粉含量過高與水無法形成均勻的反應(yīng)體系，不利于其反應(yīng)，因此降低了醋酸酐和羥丙基淀粉顆粒的碰撞幾率。 因此選擇羥丙基淀粉乳濃度為40%為最適濃度。

2.2.4 反應(yīng)時間對析水率和乙酰基取代度的影響

不同反應(yīng)時間對析水率和乙酰基取代度的影響如圖5。

圖5 反應(yīng)時間對析水率和乙酰基取代度的影響Fig.5 Effect of reaction time on separate water's velocity and DS

從圖5 可看出， 延長反應(yīng)時間可以降低淀粉析水率并提高乙酰基取代度，隨著反應(yīng)時間的延長，改性淀粉析水率明顯下降。 這是因為隨著反應(yīng)時間的延長，淀粉分子可以充分的膨脹，反應(yīng)物之間可以進(jìn)行更為充分的接觸，當(dāng)反應(yīng)時間到達(dá)1.5 h 時，淀粉析水率最低，乙酰基取代度達(dá)到最大值。 當(dāng)反應(yīng)時間繼續(xù)延長時，析水率有上升趨勢，乙酰基取代度有下降趨勢。 因為隨著反應(yīng)時間的再延長，酯化反應(yīng)平衡逆向移動加強，這說明1.5 h 已滿足反應(yīng)的進(jìn)行，這與劉麗艷等[26]以羥丙基淀粉為原料制備乙酰化羥丙基淀粉的最佳反應(yīng)時間為0.5 h 有較大差異，可能是因為原料不同等因素所致。因此選擇反應(yīng)時間為1.5 h 為最適反應(yīng)時間。

2.2.5 反應(yīng)溫度對析水率和乙酰基取代度的影響

不同反應(yīng)溫度對析水率和乙酰基取代度的影響如圖6。

圖6 反應(yīng)溫度對析水率和乙酰基取代度的影響Fig.6 Effect of reaction temperature on separate water's velocity and DS

從圖6 可看出，當(dāng)反應(yīng)溫度低于30 ℃時，隨著反應(yīng)溫度的升高，乙酰基取代度明顯增大，由于隨著反應(yīng)體系溫度的升高， 淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)就會發(fā)生溶脹，使結(jié)晶區(qū)被破壞成為無定形態(tài)，同時溫度升高會加速酯化劑與NaOH 在淀粉顆粒中的滲透， 促使淀粉的部分結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)化到無定形區(qū)，當(dāng)體系反應(yīng)溫度達(dá)到30 ℃并繼續(xù)升高時則不利于反應(yīng)的進(jìn)行，即使化學(xué)平衡向反方向移動并會促使其它副反應(yīng)發(fā)生[27]。因此，當(dāng)反應(yīng)溫度持續(xù)增大， 乙酰基取代度反而會降低，而析水率也會隨著反應(yīng)溫度的升高而逐漸增大。 這與馬冰潔等[28]在低取代度糯玉米淀粉醋酸酯制備中的最佳反應(yīng)溫度為30 ℃的研究結(jié)果一致。因此選擇反應(yīng)溫度為30 ℃為最適反應(yīng)溫度。

2.2.6 pH 值對析水率和乙酰基取代度的影響

不同pH 值對析水率和乙酰基取代度的影響如圖7。

由圖7 可知，當(dāng)pH 值從7.0 增大至9.0 時，乙酰基取代度逐漸增大到最大值，而析水率逐漸降低。 這是因為淀粉在酯化反應(yīng)過程中，pH 值增加會讓NaOH迅速滲入到淀粉顆粒中，與其發(fā)生反應(yīng)，并且酯化反應(yīng)破壞了淀粉分子間的氫鍵，使得水分子進(jìn)入到淀粉顆粒中，淀粉顆粒發(fā)生膨脹，分子間的締合作用被破壞，這樣淀粉分子中的羥基和醋酸酐的作用機會就會增加[29]。因此乙酰基取代度會不斷增大，析水率也隨之減小，但繼續(xù)升高pH 值會使析水率增大和乙酰基取代度減小，因為較高的pH 反應(yīng)體系會使得乙酰化羥丙基淀粉的水解[30]。 并且羥丙基淀粉表面容易形成糊化層， 從而降低了醋酸酐對羥丙基淀粉的滲透作用，致使乙酰基取代度減小和析水率增大[28]。因此，反應(yīng)體系是最佳pH 值為9.0。

2.3 正交試驗

2.3.1 正交試驗結(jié)果與分析

正交試驗結(jié)果見表2。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 The results of orthogonal experiment

由表2 可知，本試驗中A、B、C、D 4 個因素的主次關(guān)系是C＞D＞A＞B，即C（反應(yīng)溫度）＞D（pH 值）＞A（羥丙基淀粉乳濃度）＞B（反應(yīng)時間）。 可以從正交試驗中看出制備乙酰化羥丙基糯玉米淀粉的最優(yōu)條件組合為A3B3C1D3， 故最后可以確認(rèn)的最佳工藝為羥丙基淀粉乳濃度45%，反應(yīng)時間2.0 h，反應(yīng)溫度25 ℃，pH 10.0。

2.3.2 最優(yōu)條件驗證試驗

以正交試驗得出最佳工藝的條件為試驗條件，進(jìn)行驗證性試驗，結(jié)果見表3。

表3 最佳工藝驗證性試驗結(jié)果Table 3 The results of replication experiment about optimum process

由表3 可知， 通過驗證試驗得出A3B3C1D3條件下的DS 為0.049， 析水率為17.48%。 因此最終確定A1B2C2D2為最佳工藝組合，即淀粉乳濃度為35%，反應(yīng)時間為1.5 h， 反應(yīng)溫度為30 ℃，pH 值為9.0。 此條件下，復(fù)合淀粉的析水率最低15.10%，乙酰基取代度也最高，達(dá)到0.063。

3 結(jié)論

此試驗主要研究了凍融穩(wěn)定型乙酰化羥丙基糯玉米淀粉的最優(yōu)制備工藝條件， 考察了羥丙基取代度、醋酸酐添加量、羥丙基淀粉乳濃度、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度及pH 值對其析水率和乙酰基取代度的影響。 通過正交設(shè)計試驗得到了乙酰化羥丙基糯玉米淀粉的最佳制備條件為羥丙基淀粉乳濃度35%， 反應(yīng)時間1.5 h，反應(yīng)溫度30 ℃，pH9.0。此條件下，改性淀粉析水率為15.10%，乙酰基取代度也達(dá)到最高0.063。