盧　玥,代飛云,湯曉智

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心江蘇高校糧油質(zhì)量安全控制及深加工重點實驗室,南京 210023)

?

離子液體中酶催化合成硬脂酸淀粉酯及其流變學(xué)特性研究

盧玥,代飛云,湯曉智*

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心江蘇高校糧油質(zhì)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(zhì),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(jié)構(gòu)表征。通過快速黏度儀及動態(tài)流變儀分析了硬脂酸淀粉酯的流變學(xué)特性。結(jié)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(tài)流變學(xué)測定結(jié)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(tài)流變學(xué)測定結(jié)果顯示淀粉(包括酯化淀粉)為非牛頓流體,出現(xiàn)了剪切稀化的現(xiàn)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(tài)流變學(xué),靜態(tài)流變學(xué)

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(jié)性和成膜性,而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪?。但隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及一些特殊需求的出現(xiàn),原淀粉由于其天然性能的缺陷已經(jīng)無法滿足其在工業(yè)中的應(yīng)用,比如原淀粉糊化后穩(wěn)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(yīng)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(yīng)用于食品、材料、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。

高級脂肪酸的直接酯化得到的產(chǎn)品通常取代度較低,淀粉在反應(yīng)過程中還會有一定程度的降解[6]。高取代度的產(chǎn)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(xué)試劑均存在著毒性大、易揮發(fā)、操作性差等缺點。離子液體的出現(xiàn)帶來了一個新的契機[7-8]。與傳統(tǒng)的有機溶劑相比,“綠色溶劑”離子液體具有不揮發(fā),溶解范圍廣,均相催化效率高,穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)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(xiàn)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(yīng)介質(zhì),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(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(xué)試劑有限公司;離子液體[BMIM]Ac、[BMIM]BF4上海成捷化學(xué)有限公司。

磁力攪拌器WSJB-03河南中良科學(xué)儀器有限公司;電熱鼓風(fēng)干燥箱101-3AS上海蘇進儀器設(shè)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(xué)公司;快速黏度儀(RVA)澳大利亞Newport Scientific儀器公司;動態(tài)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(yīng)3 h;脂肪酶CRL的添加量分別為0、0.25、0.5、0.75、1 g,反應(yīng)結(jié)束,待溶液冷卻后加入無水乙醇洗滌、抽濾,重復(fù)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(chǎn)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(nèi)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(xué)測定

1.2.5.1動態(tài)流變學(xué)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(shè)置間隙0.5 mm,測定溫度25 ℃,掃描應(yīng)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(tài)流變學(xué)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(shè)置間隙0.5 mm,測定溫度25 ℃,測定剪切速率0～300 s-1范圍內(nèi)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(jié)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(zhì)子峰,3.34 ppm處為水的質(zhì)子峰,而3.15、3.31、3.58、3.65 ppm處的質(zhì)子峰分別對應(yīng)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(zhì)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(xiàn)了四個增強的的質(zhì)子峰,歸屬于酯化反應(yīng)后淀粉鏈上引入的脂肪?；系臍湓?其中0.91 ppm對應(yīng)的是脂肪?；溕夏┒思谆娜齻€氫,2.04 ppm對應(yīng)的是?；溕吓c羰基相連的亞甲基氫,1.75 ppm對應(yīng)的是緊隨其后的亞甲基氫,1.24 ppm對應(yīng)?；溕鲜Ｓ嗟臍鋄16]。隨著硬脂酸淀粉酯取代度的增加,脂肪?；鶎?yīng)的質(zhì)子峰的振動信號逐漸增強。1H NMR譜圖的結(jié)果證明淀粉分子上成功接枝了硬脂酸?；?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(jié)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(nèi)的特征衍射峰消失或者明顯降低,在13°、19°附近產(chǎn)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(jié)構(gòu)遭到破壞,形成無定型結(jié)構(gòu)。這種晶型結(jié)構(gòu)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(yīng)后原淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(jié)合力,從而降低了其黏度。在糊化結(jié)束后,原淀粉由于回生現(xiàn)象而導(dǎo)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(xué)特性

2.5.1動態(tài)流變學(xué)特性儲能模量(G′)與周期形變中能量的儲存與釋放有關(guān),反映的是形變和應(yīng)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(fā)生黏性流動而產(chǎn)生的內(nèi)耗,反映了形變與應(yīng)力相差90°的部分,表征聚合物的黏性。動態(tài)流變學(xué)測定結(jié)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(tài)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(yīng)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(jié)晶結(jié)構(gòu)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(jié)合力變的松弛,表現(xiàn)為黏性降低。

2.5.2靜態(tài)流變學(xué)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(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞。隨著剪切速率的增大,分子結(jié)構(gòu)重塑的速率要小于這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞的速率導(dǎo)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(jié)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(tài)流變特性Fig.5　Static rheological properties of raw starch and starch stearate

3　結(jié)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(zhì),通過調(diào)節(jié)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(tài)流變學(xué)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(tài)流變學(xué)測定結(jié)果顯示淀粉(包括變性淀粉)均為非牛頓流體,出現(xiàn)了剪切稀化的現(xiàn)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(yīng)后,原淀粉的結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(jié)合力。

[1]Tang X Z,Alavi S,Herald T J. Barrier and mechanical properties of starch-clay nanocomposite films[J]. Cereal Chemistry,2008,85(3):433-439.

[2]Singh J,Singh N,Saxena S K. Effect of fatty acids on the rheological properties of corn and potato starch[J]. Journal of food engineering,2002,52(8):9-16.

[3]程發(fā),張曉紅. 淀粉硬脂酸酯的制備[J]. 天津大學(xué)學(xué)報,1995,28(6):814-819.

[4]Whister R L,Madson M A,Zhao J,et al. Surface derivatization of corn starch granules[J]. Cereal Chemistry,1998,75(1):72-74.

[5]Martin M T,Robert L B. Preparation of starch esters[J]. Journal of environmental polymer degradation 1996,4(2):85-89.

[6]劉鳳茹. 擠壓法制備硬脂酸玉米淀粉酯的工藝、性質(zhì)及應(yīng)用研究[D]. 無錫:江南大學(xué),2009.

[7]Bonhote P,Dias A P,Papageorgiou N,et al. Hydrophobic,highly conductive ambient-temperature molten salts[J]. Inorganic Chemistry,1996,35(5):1168-1178.

[8]Endres F. Ionic liquids:solvents for the electrodeposition of metals and semiconductors[J]. ChemPhysChem,2002,3(2):144-154.

[9]Seoud E O A,Koschella A,Fidale L C,et al. Applications of ionic liquids in carbohydrate chemistry:a window of opportunities[J]. Biomacromolecules,2007(8):2629-2647.

[10]Liu Q B,Janssen M H A,Van R F,et al. Room-temperature ionic liquids that dissolve carbohydrates in high concentration[J].Green Chemistry,2005,7(1):39-42.

[11]Rantwijk F V,Lau R M,Sheldon R A. Biocatalytic transformations in ionic liquids[J]. Trends in Biotechnology,2003,21(3):131-138.

[12]夏詠梅,吳紅平,張玥,等. 離子液體的制備及其在酶催化反應(yīng)中的應(yīng)用[J].化學(xué)進展,2006,18(12):1660-1667.

[13]Kragl U,Eckstein M,Kaftzik N. Enzyme catalysis in ionic liquids[J]. Current Opinion in Biotechnology,2002,13(6):565-571.

[14]Miladinov V D,Hanna M A. Physical and molecular properties of starch acetates extruded with water and ethanol[J]. Industrial&Engineering Chemistry Research,1999,38(10):3892-3897.

[15]Goheen S M,Wool R P. Degradation of polyethylene starch blends in soil[J]. Journal of Applied Polymer Science,1991,42(10):2691-2701.

[16]Namazi H,Fathi F,Dadkhah A. Hydrophobically modified starch using long-chain fatty acids for preparation of nanosized starch particles[J]. Iranian Journal of Science and Technology,2011,18(3):439-445.

[17]Zobel H F.Starch crystal transformation and their industrial importance[J]. Starch,1988,40(1):1-7.

[18]Biswas A,Shogren R L,Stevenson D G,et al. Ionic liquids as solvents for biopolymers:Acylation of starchand zein protein[J]. Carbohydrate Polymers,2006(66):546-550.

[19]Xie W L,Li S,Liu Y W. Synthesis of Starch Esters in Ionic Liquids[J]. Journal of Applied Polymer Science,2010,116(1):218-224.

[20]Yoo D,Yoo B. Rheology of rice starch-sucrose composites[J]. Starch,2005,57(6):254-261.

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(xué)基金項目(BK2012471)；江蘇高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊(蘇教科【2013】10號)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目。

TS

A

1002-0306(2016)01-0000-00

10.13386/j.issn1002-0306.2016.01.000