劉 潔，項(xiàng)寬寬，炊寧玉，劉亞偉

河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

豌豆淀粉顆粒多為橢圓形和球形，粒徑在2～40 μm之間[1]。豌豆淀粉的直鏈淀粉含量較高，使其具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，如高糊化溫度、抗剪切稀化、快速回生和凝膠的高彈性[2]。豌豆淀粉具有不同于谷物淀粉和薯類淀粉的組成、結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)[3]，開(kāi)展改性研究將有助于擴(kuò)大豌豆淀粉在工業(yè)中的應(yīng)用范圍，并提高其應(yīng)用品質(zhì)。

醚化淀粉是淀粉中的活性羥基與醚化劑通過(guò)氧原子連接起來(lái)的淀粉衍生物,增強(qiáng)了糊液黏度的穩(wěn)定性，在強(qiáng)堿性溶液中不易水解，相比原淀粉，醚化淀粉有著更為廣泛的應(yīng)用[4]。羧甲基淀粉是一種陰離子型醚化淀粉，與天然淀粉相比具有易溶于水、黏度高、透明度高、抗老化性強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[5]，可被應(yīng)用于紡織[6]、食品[7]、醫(yī)藥[8]等行業(yè)。但羧甲基淀粉具有不耐酸、不耐鹽及抗剪切能力差等缺點(diǎn)，限制了其在食品、日化等行業(yè)中的應(yīng)用[9]。羥丙基淀粉具有親水性好、黏度穩(wěn)定性好、耐鹽、耐酸堿性、耐生物分解性等特點(diǎn)[10]，豌豆淀粉經(jīng)羥丙基化后，抗性淀粉含量達(dá)到32.7%，起始糊化溫度下降了11～18 ℃，峰值黏度增加了74%～109%[11]。對(duì)淀粉進(jìn)行羥丙基羧甲基復(fù)合醚化可制備性質(zhì)優(yōu)良的新產(chǎn)品。玉米淀粉、馬鈴薯淀粉經(jīng)羥丙基羧甲基復(fù)合醚化可制得干黏性和滑動(dòng)性較好的膠黏劑[12-13]；將谷物淀粉(玉米淀粉、小麥淀粉、糯玉米淀粉)和根莖類淀粉(木薯淀粉)進(jìn)行復(fù)配再經(jīng)羥丙基羧甲基復(fù)合醚化，可制得質(zhì)量穩(wěn)定、綠色安全、流動(dòng)性和成膜性能好、黏結(jié)力強(qiáng)的膠黏劑[14]。

當(dāng)前研究雖然制得了性能良好的羥丙基羧甲基復(fù)合醚化淀粉，但仍存在取代度較低的問(wèn)題[13，15]。作者通過(guò)對(duì)豌豆淀粉進(jìn)行羥丙基化復(fù)合、羧甲基化改性引入羥丙基基團(tuán)提高豌豆淀粉的穩(wěn)定性，引入羧甲基基團(tuán)提高其持水性及溶液透明度，得到一種復(fù)合醚化豌豆淀粉，并以羥丙基取代度、羧甲基取代度和反應(yīng)效率為指標(biāo)，通過(guò)單因素及正交試驗(yàn)對(duì)制備羥丙基羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉的工藝進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳制備參數(shù)，為工業(yè)化生產(chǎn)高取代度的羥丙基羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豌豆淀粉：河南恒瑞淀粉科技股份有限公司；氫氧化鈉、鹽酸、氯乙酸、環(huán)氧丙烷、亞硫酸氫鈉、茚三酮、無(wú)水乙醇、硫酸、1,2-丙二醇、硝酸銀等：天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

pH計(jì)、電子分析天平：梅特勒-托利多國(guó)際有限公司；紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)：日本島津儀器有限公司；磁力攪拌器、數(shù)顯攪拌器：德國(guó)IKA儀器設(shè)備有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋：常州普天儀器制造公司；快速水分測(cè)定儀：奧豪斯儀器(上海)有限公司；Q20差示掃描量熱儀、Q50 熱重分析儀: 美國(guó) TA公司；快速黏度測(cè)定儀：瑞典Perten公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 羥丙基和羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉的制備

將豌豆淀粉與質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的乙醇混合，配制成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的淀粉乳，并在恒溫條件下攪拌，緩慢加入NaOH溶液堿化反應(yīng)1 h，然后將一定量環(huán)氧丙烷緩慢加入三口燒瓶中，在一定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間。羥丙基化反應(yīng)結(jié)束后，將淀粉乳用布氏漏斗抽干，用乙醇溶液洗滌濾餅并用無(wú)水乙醇攪拌脫水，將抽干的濾餅與乙醇溶液混合，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%的淀粉乳，恒溫?cái)嚢?，緩慢滴加NaOH溶液堿化1 h，然后緩慢滴加氯乙酸乙醇溶液，在一定溫度下密閉反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，用鹽酸乙醇溶液中和剩余的堿，使用乙醇溶液洗滌樣品至無(wú)氯離子，再用無(wú)水乙醇脫水2次，最后將濾餅置于50 ℃的烘箱中干燥24 h，過(guò)100目篩，即可得到成品。

1.3.2 單因素試驗(yàn)

控制單因素基礎(chǔ)條件：羥丙基化反應(yīng)體系淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(W)為25%、環(huán)氧丙烷(PO)用量(占淀粉干基百分比)15%、NaOH用量(占淀粉干基百分比)1%、溫度(T1)40 ℃、反應(yīng)時(shí)間(H1)24 h；羧甲基反應(yīng)體系中n(NaOH)∶n(AGU)為3.75、n(MCA)∶n(AGU)為1.5、反應(yīng)溫度(T2)55 ℃、反應(yīng)時(shí)間(H2)3 h。單因素試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表1。

表1 單因素試驗(yàn)因素與水平

1.3.3 羥丙基取代度的測(cè)定[16]

羥丙基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)參照GB 29930—2013 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 羥丙基淀粉》測(cè)定。羥丙基取代度(MS)用式(1)計(jì)算。

式中：ω0為羥丙基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M為羥丙基基團(tuán)(C3H6O)的摩爾質(zhì)量，58g/mol。

1.3.4 羧甲基取代度和反應(yīng)效率的測(cè)定[17]

羧甲基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WC)參照GB/T20375—2006 《變性淀粉 羧甲基淀粉中羧甲基含量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。羧甲基取代度(DS)用式(2)計(jì)算。

式中：Wc為羧甲基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ma為脫水葡萄糖的摩爾質(zhì)量，162g/mol；Mc為羧甲基(—CH2COOH)的摩爾質(zhì)量，58g/mol。

羧甲基化反應(yīng)效率(RE)的計(jì)算用式(3)計(jì)算。

式中：DS為羧甲基取代度；n(MCA)為氯乙酸的物質(zhì)的量；n(AGU)為淀粉的物質(zhì)的量。

1.3.5 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，固定羥丙基化反應(yīng)體系淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)其他8個(gè)因素進(jìn)行八因素四水平的正交試驗(yàn)，確定最優(yōu)的制備工藝。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次測(cè)定結(jié)果的平均值。數(shù)據(jù)分析軟件為SPSS20.0，Origin9.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 羥丙基淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)MS、DS及RE的影響如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)?shù)矸廴橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～45%時(shí)，MS與DS 均表現(xiàn)出先增高后下降的趨勢(shì)。DS隨著MS的升高而升高，RE呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并在40%處達(dá)到最高點(diǎn)。RE的變化趨勢(shì)表明羥丙基取代后淀粉顆粒結(jié)構(gòu)松散，第二階段的催化劑更容易作用于淀粉分子，使RE提高[18]。因此，選取淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%作為最佳參數(shù)。

圖1 羥丙基淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)MS、DS及RE的影響

2.2 環(huán)氧丙烷用量對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

環(huán)氧丙烷用量對(duì)MS、DS及RE的影響如圖2所示。由圖2可知，隨著環(huán)氧丙烷用量由5%提高至15%，MS快速提高，曲線斜率陡峭，而后用量由15%提高到25%，曲線斜率平緩，MS增速減慢。DS隨著MS的升高持續(xù)升高，RE在變化范圍內(nèi)持續(xù)提高。足量的環(huán)氧丙烷對(duì)淀粉的滲透作用增強(qiáng)，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，但當(dāng)環(huán)氧丙烷用量提高到一定程度后，RE由于堿量限制，增速減緩。因此，選擇環(huán)氧丙烷用量20%作為最佳參數(shù)。

圖2 環(huán)氧丙烷用量對(duì)MS、DS及RE的影響

2.3 羥丙基化NaOH用量對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基化NaOH用量對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響如圖3所示。由圖3可知，MS、DS和RE均隨NaOH用量的增加而增加，然后有下降的趨勢(shì)。 隨著堿量的提升，大量的氫氧根離子破壞了淀粉顆粒無(wú)定形區(qū)的氫鍵相互作用，淀粉的殼層結(jié)構(gòu)松散，有效提高了后續(xù)溶劑及醚化劑滲透程度。當(dāng)堿量達(dá)到5%時(shí)，催化劑過(guò)剩，環(huán)氧丙烷相對(duì)不足，導(dǎo)致環(huán)氧丙烷自聚作用增強(qiáng)，MS降低。因此，選擇4%的NaOH用量作為制備的最佳參數(shù)。

圖3 NaOH用量對(duì)MS、DS及RE的影響

2.4 羥丙基化溫度對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基化溫度對(duì)MS、DS及RE的影響如圖4所示。當(dāng)反應(yīng)溫度為35～55 ℃時(shí)，MS先上升，在55 ℃后趨勢(shì)平緩；DS先上升，在40 ℃后趨于平緩，RE與DS變化趨勢(shì)相一致。分子熱運(yùn)動(dòng)的加快提高了烷氧基陰離子與環(huán)氧丙烷醇鹽陰離子的有效接觸次數(shù)，RE伴隨著溫度的提高逐漸升高[19]。當(dāng)繼續(xù)增加溫度時(shí)，RE不再明顯增加。因此，選擇羥丙基化溫度最佳參數(shù)為50 ℃。

2.5 羥丙基化時(shí)間對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基化時(shí)間對(duì)MS、DS及RE的影響如圖5所示。當(dāng)羥丙基化反應(yīng)時(shí)間為8～16 h時(shí)，MS緩慢增加，當(dāng)達(dá)到20 h時(shí)，MS顯著提高，在20～24 h過(guò)程中曲線平緩，增量不大。DS隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高，20 h時(shí)到達(dá)最高點(diǎn)，之后趨勢(shì)保持平緩。RE的變化趨勢(shì)同DS曲線趨勢(shì)相似。原因是更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間增強(qiáng)了淀粉的醇?jí)A處理強(qiáng)度，導(dǎo)致更多的分子間及分子內(nèi)氫鍵被破壞，淀粉雙螺旋解聚，使醚化劑與催化劑深層次的滲透作用于淀粉分子，第1階段的充分反應(yīng)有效提高了第2階段初始反應(yīng)效率[20]。但當(dāng)時(shí)間增加到一定程度，MS、DS、RE均不再明顯增加。因此，選擇羥丙基化反應(yīng)時(shí)間20 h作為最佳參數(shù)。

圖5 羥丙基化時(shí)間對(duì)MS、DS及RE的影響

2.6 n(NaOH)∶ n(AGU)對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

n(NaOH)∶n(AGU)對(duì)MS、DS及RE的影響如圖 6所示。當(dāng)n(NaOH)∶n(AGU)由2.75升高至3.75，DS持續(xù)升高，當(dāng)n(NaOH)∶n(AGU)由3.75繼續(xù)提高至4.75時(shí)，DS則持續(xù)下降。RE與DS曲線趨勢(shì)一致，先升高后降低，在3.75處達(dá)到最大值。MS在變量影響下無(wú)顯著改變。堿量的增加對(duì)淀粉顆粒的侵蝕作用加強(qiáng)，更多的分子鏈暴露，導(dǎo)致烷氧基負(fù)離子與氯乙酸的質(zhì)子交換概率提高，RE隨之升高，DS提高明顯。過(guò)量的NaOH導(dǎo)致反應(yīng)副產(chǎn)物羥基乙酸鈉增加，RE降低[21-22]。因此，選擇n(NaOH)∶n(AGU)為3.75作為制備工藝的最佳參數(shù)。

圖6 n(NaOH)∶ n(AGU)對(duì)MS、DS及RE的影響

2.7 n(MCA)∶ n(AGU)對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

由圖7可知，DS和RE都呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，分別在n(MCA)∶n(AGU)為2和1.5時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)。在堿量不變的情況下，提高氯乙酸的用量可以促進(jìn)氯乙酸鈉的形成，使淀粉烷氧基陰離子與氯乙酸鈉有效碰撞次數(shù)提高，促進(jìn)主反應(yīng)的進(jìn)行。在堿性條件下，當(dāng)過(guò)量的氯乙酸存在時(shí)，體系更傾向于向副反應(yīng)方向進(jìn)行，生成羥基乙酸鈉，降低了主反應(yīng)取代效率[23]。因此，選擇n(MCA)∶n(AGU)為1.5作為制備工藝的最佳參數(shù)。

2.8 羧甲基化溫度對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

由圖8可知，MS在羧甲基化溫度的影響下無(wú)顯著改變。RE與DS曲線趨勢(shì)一致，隨著溫度的上升而逐漸上升，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)RE趨于平緩。升溫使烷氧基陰離子活性提高，分子動(dòng)能的提升使質(zhì)子交換速率顯著提高，反應(yīng)效率隨之升高，直至反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)[24]。因此，選擇羧甲基化溫度55 ℃作為制備工藝的最佳參數(shù)。

2.9 羧甲基化時(shí)間對(duì)復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

由圖9可知，DS隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先升高后平緩的趨勢(shì)，在3 h左右反應(yīng)達(dá)到限值，隨后趨勢(shì)保持平緩。MS在變量影響下無(wú)顯著改變。RE與DS變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為先升高后平緩。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞釋放出更多分子鏈，反應(yīng)深度提高，淀粉羥基的質(zhì)子電離作用增強(qiáng)，生成大量活性烷氧基陰離子，主反應(yīng)底物濃度升高提高了取代反應(yīng)效率[25]。但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，RE與DS均沒(méi)有明顯的增大。因此，選擇羧甲基化時(shí)間3 h作為制備工藝的最佳參數(shù)。

2.10 正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，固定羥丙基化反應(yīng)體系淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，其余反應(yīng)條件進(jìn)行八因素四水平的正交試驗(yàn)，選用L32(49)正交表。優(yōu)化指標(biāo)為MS、DS、RE。正交試驗(yàn)因素與水平見(jiàn)表2，正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

根據(jù)表3可知：以MS為衡量指標(biāo)，最優(yōu)組合為A4B4C4D2E1F1G1H2;以DS為衡量指標(biāo)，最優(yōu)組合為A2B4C4D3E3F2G4H1;以RE為衡量指標(biāo)，最優(yōu)組合為A2B4C4D1E2F1G4H4。由于試驗(yàn)工藝的特殊性，正交考慮了所有因素對(duì)每個(gè)指標(biāo)的影響，但正交組合中以DS與RE為指標(biāo)的直觀分析并不能篩選出MS取代度最高的組合，以MS為指標(biāo)的正交分析結(jié)果也不能為DS與RE篩選出最優(yōu)工藝。故羥丙基工藝部分最優(yōu)組合以MS直觀分析為準(zhǔn)，羧甲基化最優(yōu)組合以DS及RE結(jié)果為準(zhǔn)。所以以羥丙基最優(yōu)組合A4B4C4D2為基礎(chǔ)，對(duì)羧甲基化最優(yōu)組合E3F2G4H1及E2F1G4H4進(jìn)行驗(yàn)證，每組平行試驗(yàn)3次，驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，A4B4C4D2E2F1G4H4為最優(yōu)工藝組合， 即環(huán)氧丙烷用量為23%，羥丙基化堿用量為5.5%，羥丙基化反應(yīng)溫度為60 ℃，羥丙基化反應(yīng)時(shí)間為16 h，n(NaOH)∶n(AGU)=3.25，n(MCA)∶n(AGU)=1，羧甲基化反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h。在此條件下能夠制得MS=0.197 9，DS=0.780 2的羥丙基羧甲基豌豆淀粉。

3 結(jié)論

對(duì)羥丙基和羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉的制備進(jìn)行了研究。復(fù)合醚化豌豆淀粉的最優(yōu)制備工藝：羥丙基化反應(yīng)體系中的淀粉乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，環(huán)氧丙烷用量23%，羥丙基化堿用量5.5%，羥丙基化反應(yīng)溫度60 ℃，羥丙基化反應(yīng)時(shí)間16 h，n(NaOH)∶n(AGU)=3.25，n(MCA)∶n(AGU)=1，羧甲基化反應(yīng)溫度60 ℃、反應(yīng)時(shí)間5 h。制備的樣品MS達(dá)到0.197 9，DS達(dá)到0.780 2，羧甲基化反應(yīng)效率78.02%。