陳櫻,汪之禾,王亞娟,仇丹

（寧波工程學院 材料與化學工程學院,浙江 寧波 315211）

0 引言

籽粒莧（Amaranthus）是一類古老的可糧飼兼用的、莧科莧屬的草本植物，主要有A.hypochondriacus，A.cruentus和A.caudates等品種，常見的有K112、R104和K45等[1]。因其適應性廣、抗逆性強、營養(yǎng)豐富和產量大等特點，在國外，籽粒莧制作出的食品被視為極富營養(yǎng)價值，從而得到很多消費者青睞，因此關于籽粒莧的研究已成為國內外研究的熱點之一[2-5]。籽粒莧的籽實中含有約15%～22%的蛋白質、58%～66%的淀粉、6.88%左右的脂肪、9%～16%的膳食纖維，及豐富的維生素和礦物質[6]，而籽粒莧的品種是造成這些營養(yǎng)素含量不同的主要原因，因此目前國內外研究領域主要致力于籽粒莧的育種栽培，及其中蛋白質、脂肪等的研究。

也有部分學者將關注點放在作為淀粉的使用上，比如夏雪娟等人[7]研究比較了玉米、木薯、紅薯和籽粒莧淀粉的理化性，結果發(fā)現(xiàn)：K112品種籽粒莧淀粉的溶解度、透明度及沉降速率均低于其他三種淀粉，且其凍融穩(wěn)定性較差；BHOSALE等學者[8-9]使用辛烯基琥珀酸酐（OSA）對籽粒莧淀粉進行改性，發(fā)現(xiàn)其凍融穩(wěn)定性有較大幅度的提升，且改性后粘度增加；吳媛莉等人[10]探究了籽粒莧淀粉經OSA疏水化改性后用作Pickering乳化劑，發(fā)現(xiàn)高取代度的OSA改性籽粒莧淀粉可得到穩(wěn)定性較好的乳液。但是對于籽粒莧淀粉的酯化工藝優(yōu)化方面的研究未見涉及，而籽粒莧淀粉顆粒呈多角形，粒徑較小在0.5～3μm[7]，將其使用OSA酯化后有望作為顆粒乳化劑使用。同時，在這些研究者的工作中涉及到的OSA與淀粉反應得到產物的取代度（DS）均使用滴定法測定，而該方法忽略了游離辛烯基琥珀酸的含量，從而降低了結果的準確性。因此，本研究采用高效液相法為檢測手段，以籽粒莧淀粉酯的DS為響應值，通過單因素試驗確定影響規(guī)律，然后采用響應面法優(yōu)化最佳酯化參數(shù)，以期為高效、經濟地生產OSA改性莧菜籽淀粉提供參考。

1 試驗條件與方法

1.1 材料與試劑

籽粒莧籽實（R104），山東省曹縣草業(yè)科技研究中心；辛烯基琥珀酸酐，分析純，上海能源化工有限公司；乙腈和甲醇，色譜純，天津賽?？萍加邢薰荆黄渌瘜W品為分析純。

1.2 儀器與設備

HR2094粉碎機，飛利浦；TDZ5-WS臺式低速離心機，湘儀儀器有限公司；GZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海一恒科技有限公司；Agilent 1260高效液相色譜儀，Waldbronn，Germany；ZD-2型自動滴定儀，上海精密科學公司；KMS-181E型水浴鍋，上海崇豐科學儀器有限公司。

1.3 籽粒莧淀粉的提取

淀粉的提取參考KONG[11]的研究方法，從籽粒莧籽實中提取淀粉。具體操作如下：在0.1 mol/L氫氧化鈉水溶液中加入籽粒莧籽實，4℃的條件下浸泡24 h；用粉碎機打漿約3 min，然后過濾，用去離子水洗滌濾渣，直至不能洗出白色淀粉；于3 000 r/min下離心10 min，下層沉淀于50℃烘箱中干燥并研磨，得到籽粒莧淀粉（Amaranth starch,簡稱AS）。

1.4 辛烯基琥珀酸籽粒莧淀粉酯（OSAS）的制備

試驗方法參照ZHU[12]等人，并做適量修改。具體為：稱取10.0 g AS于四口燒瓶中，加適量去離子水配成一定濃度的淀粉乳，用3%NaOH溶液調節(jié)淀粉乳pH至一定值，繼續(xù)攪拌20 min；而后在5 min內緩慢加入淀粉重3%的OSA，期間使用自動電位滴定儀檢測并維持反應的pH。在設定溫度下反應一定時間后，使用0.1 mol/L鹽酸調節(jié)pH至7.0，過濾并用去離子水及無水乙醇各洗3次，后將沉淀置于80℃的烘箱中干燥得OSAS。OSAS的取代度使用QIU等[13]的方法測定，液相色譜參數(shù)：安捷倫Agilent1260高效液相色譜儀，ZORBAX-SB-C18柱；流動相：乙腈和水（0.1%三氟乙酸（TFA））的混合物（45:55，v/v）；檢測波長為200 nm；流速1 mL/min；檢測溫度為30℃；進樣量20μL。

1.4.1 單因素試驗

以淀粉酯中DS為指標，進行單因素試驗，研究淀粉濃度、反應溫度、pH及反應時間四個因素對反應效率的影響。

1.4.2 響應面設計

利用Box-Behnken的方法對影響DS值的重要參數(shù)的水平和變量間的交互作用進行分析和優(yōu)化，其因素和水平見表1。

表1 響應面試驗因素與水平

1.4.3 數(shù)據(jù)分析

試驗所得數(shù)據(jù)均為3次試驗的平均值。使用軟件Design-Expert（Version 10.0.5，State-Ease Inc.,Minneapolis,Minnesota,USA）對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 淀粉乳濃度對OSAS取代度的影響

籽粒莧淀粉乳濃度對其酯化產物DS的影響見圖1。如圖1所示，在淀粉乳濃度為10%～30%范圍內，隨著籽粒莧淀粉濃度的增加，相應的OSAS的DS幾乎呈線性增加；而當濃度大于30%后，因濃度的增加使得淀粉乳液的粘度增大，進而導致淀粉酯中的DS降低。因此反應淀粉乳濃度優(yōu)選30%，該濃度較美人蕉、秈稻和糯玉米淀粉的最佳濃度都低[14-15]，原因為籽粒莧淀粉顆粒較小，隨著粒徑的減小，淀粉的表面能增加，使淀粉顆粒更容易團聚。

2.1.2 酯化溫度對OSAS取代度的影響

酯化反應溫度的升高可增加OSA的溶解度，同時也會促進淀粉顆粒的溶脹性，使得OSA與淀粉顆粒接觸的幾率增加，從而可在一定程度上加快反應速率[14]。圖2結果顯示：隨著酯化反應溫度從30℃升高到60℃，OSAS的DS值不斷增加。但由于溫度超過60℃，籽粒莧淀粉會糊化，進而破壞淀粉的顆粒結構，同時當反應溫度在60℃時，OSAS的取代度為0.017 3，可達到大部分淀粉酯作為乳化劑的使用要求，故本試驗研究酯化溫度為60℃。

圖1 淀粉乳濃度對取代度的影響

圖2 酯化溫度對取代度的影響

2.1.3 pH對OSAS取代度的影響

pH對取代度的影響如圖3所示。隨著pH的增加，取代度先增大后減小，當pH為8.5時，DS達到最大值。該結果可表明：當pH小于8.5時，不能充分活化籽粒莧淀粉的羥基以進行酸酐部分的親核反應，而選pH大于8.5則有利于酸酐水解[15]。因此，選擇pH為8.5進行進一步研究。

2.1.4 反應時間對OSAS取代度的影響

圖4展示了反應時間對OSAS取代度的影響。當反應時間從30 min增加到90 min，DS值顯著增加，主要借助于OSA在淀粉顆粒中的擴散和吸附作用[16]；而超過90 min后，反應時間對DS無明顯影響。對比美人蕉和大米淀粉的酯化條件，籽粒莧淀粉酯化達到平衡的時間相對較短[17]，主要還是由于其粒徑較小，OSA擴散到淀粉顆粒表面所需的時間短。

圖3 pH對取代度的影響

圖4 反應時間對取代度的影響

2.2 響應面試驗及結果

在單因素試驗結果的基礎上，以反應時間（A）、反應溫度（B）和反應pH（C）三個因素做自變量，以OSAS的取代度DS為響應值（Y），采用響應面法探究籽粒莧淀粉在不同條件下的取代度，試驗方案及結果見表2。

表2 響應面試驗設計及結果

使用Design-Expert軟件對DS進行回歸分析，得到響應值（YDS）與反應時間（A）、溫度（B）和pH值（C）之間的二次多元回歸方程：

該方程的相關系數(shù)R2為0.950 6，表明該模型對試驗結果擬合度高，數(shù)據(jù)可靠。通過ANOVA對上述結果進行方差分析，結果見表3。

表3 方差分析

如果模型中每個項的F值較大且P值較小，則響應變量是顯著的。因此，回歸方程的方差分析結果表明，因子A（時間）、B（溫度）、C（pH）、A2（時間的平方）和C2（pH的平方）是顯著的模型項（P＜0.05)。在試驗所選的三個因素中，對DS的影響順序為：反應時間＞pH＞反應溫度。

采用Design-Expert10.0分析軟件獲得兩因素交互作用的響應面圖見圖5，兩因素交互項的三維圖越陡峭，等高線呈橢圓形則表明對響應值的影響越顯著。圖5中的陡峭順序為：AC＞BC＞AB，即時間與pH的交互項最陡峭，表明反應時間與pH的交互作用對OSAS的酯化程度影響最顯著，這與模型的方差分析相符。

圖5 兩因素的交互作用對OSAS的取代度的響應面圖：

利用Design-Expert 10.0軟件進行工藝參數(shù)的優(yōu)化組合，得到預測的籽粒莧淀粉酯化最佳工藝條件為：反應pH 8.3、反應時間84 min及溫度48.1℃，預測的DS為0.020 4。為了驗證模型的有效性，考慮到實際情況將最佳提取條件定為：反應pH 8.3、反應時間90 min及溫度48.0℃，在此工藝下，淀粉酯的取代度為HPLC法測定為0.020 2，滴定法測定為0.021 1，與預測值總體吻合，說明該模型合理。

3 結論

本研究利用堿提法從籽粒莧籽實中提取了籽粒莧淀粉顆粒，通過響應面分析建立了水相法制備籽粒莧淀粉酯的二次多項式數(shù)學模型，結果如下：

（1）反應時間對籽粒莧淀粉酯的反應效率影響最顯著，其次是pH。在所選的3個因素中，反應溫度的影響最小。

（2）淀粉酯的取代度（DS）與反應時間（A）、溫度（B）和pH（C）間的多元回復方程為：

（3）辛烯基琥珀酸籽粒莧淀粉酯的最佳工藝條件為：淀粉濃度30%，反應時間84 min，pH 8.3，反應溫度48.1℃。在此條件下得到的籽粒莧淀粉酯的理論取代度為0.020 4，驗證試驗中OSAS的取代度為0.020 2，與預測值相對誤差為0.98%。

綜上說明可以用此回歸模型對籽粒莧淀粉的辛烯基琥珀酸酯化進行分析和預測。