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羟丙基羧甲基淀粉制备工艺的优化

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第1期(总第304期) 2013年1月 农产品加工(学刊) Academic Periodical of Farm Products Processing No.1 Jan. 文章编号:1671—9646(2013)01a一0027—04 羟丙基羧甲基淀粉制备工艺的优化 李明宇,张微,刘婧婷, 赵凯 (哈尔滨商业大学食品工程学院,黑龙江省高校食品科学与工程重点实验室,黑龙江哈尔滨150076) 摘要:以蜡质玉米淀粉为原料,对其进行先羟丙基化后羧甲基化处理,制备羟丙基羧甲基复合改性淀粉。研究一氯 乙酸添加量、NaOH添加量、醚化温度、醚化时间对复合淀粉取代度的影响,并通过单因素试验和中心组合试验优化 制备工艺。所得最佳制备工艺为:一氯乙酸添加量5.9 g,NaOH添加量5.7 g,醚化温度6O℃,醚化时间4 h,所得 产品取代度为0.32。 关键词:蜡质玉米淀粉;羟丙基羧甲基淀粉;复合改性;优化 中图分类号:TS236.9 文献标志码:A doi:10.3969/jissn.1671—9646(X).2013.01.007 Optimization of Hydroxypropylated Carboxymethyl Starch Preparation Technology LI Ming-yu,ZHANG Wei,LIU Jing-ting,*ZHAO Kai (Key Laboratory for Food Science and En ̄neeifng,CoHege of Food Engineering,Harbin University of Commerce, Harbin,Heilongjiang 150076,China) Abstract:W ith waxy corn strch.aaS raw material,hydroxypropylated carboxymethyl dual-modiifed starch is prepared.Effect of C1CH2COOH content,NaOH concentration,temperature,time on degree ofsubstitution(DS)is studied.The synthesis technology is optimized wih tsingle factor and Central Composite experiments.The optimal reaction conditions ate as follows:C1CH2COOH 59 g, NaOH 5.7 g,reaction temperature 60 oC,reaction time 4 k Under he tabove conditions,the highest DS is 032. Key wolds:waxy corn starch;hydroxypropylated cagboxymethyl starch;dual—modiifcation;optimization 基化,所以反应顺序确定为先羟丙基化再羧甲基化。 本文通过研究制备羟丙基羧甲基复合改性淀粉的影 蜡质玉米淀粉几乎全部由支链淀粉所组成,很 响条件,得出制备最佳工艺条件,为其在食品中的 适合食品加工,是一种生产改性淀粉的优质原料。 进一步应用提供理论基础。 它具有较大膨胀力、较高透明度、较强黏滞性及良 1材料与方法 好适口性【”,这些优良的特性赋予了蜡质玉米淀粉良 好的加工性能及广泛的用途。但未经改性的蜡质玉 1.1试验材料与设备 米淀粉应用范围有较大的限制圈,因此对其进行改性 蜡质玉米淀粉,黑龙江龙凤玉米开发有限公司 处理可提高其稳定性,从而广泛地应用于食品等行 提供;NaOH、硫酸钠、1,2一环氧丙烷、亚硫酸氢 业中。淀粉羟丙基化后糊的膨胀力、透明度以及稳 钠、浓硫酸、一氯乙酸、无水乙醇、茚三酮,均为 定性均优于原淀粉同;羧甲基淀粉是能溶于冷水的天 国产分析纯。 然高分子聚电解质醚,亲水性强,透明度高,冻融 DF一1O1s型集热式恒温加热磁力搅拌器,郑州 稳定性好,糊黏度高,糊化温度低于原淀粉。因此, 市亚荣仪器有限公司提供;PHS一25型pH计,上海 将淀粉羟丙基化和羧甲基化复合改性后,兼有两种 精科公司提供。 醚化淀粉的理化特性,性质更加稳定,糊的透明度、 1.2试验方法 2.1羟丙基淀粉的制备 黏度、稳定性等得到很大改善。由于DS大于0.1的 1.羧甲基淀粉遇冷水即糊化,不能再进行复合的羟丙 将蜡质玉米淀粉配制成一定浓度的淀粉乳放人三口 0引言 n 收稿日期:2012—09—01 基金项目:黑龙江省高校科技创新团队建设计划(2010td04);黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划(1251G025); 黑龙江省研究生创新科研项目资金(YJSCX201 1-158HIJ)。 作者简介:李明宇(1987一),男,黑龙江人,在读硕士,研究方向:淀粉化学与工艺学。 ‘为通讯作者:赵凯(1974一),男,博士,教授,硕士,研究生导师,研究方向:淀粉化学与加工机理。 农产品加工(学刊) 2013年第1期 瓶中,加入一定量的Na2SO 和NaOH溶液,充人氮气, 快速加入一定量的环氧丙烷,密封,同时置于45℃水浴 恒温振荡器中反应24 h,然后用浓度2 mol/L硫酸调节 pH值至中性,离心,汾涤,40℃烘干即得产品。 1.2.2羟丙基羧甲基淀粉的制备 羧甲基含量: 二 : 250 ——一×100%:×%: =—————————— 取代度: os. . 以1.2.1制备的羟丙基淀粉作为原料,对其进行 羧甲基化。称取14 g羟丙基淀粉,用体积分数95% 式中: 牢白——空白消耗EDTA的体积,mL; 乙醇作溶剂配制成质量分数14%的淀粉乳,置于 样品——样品消耗EDTA的体积,mL; 30℃的集热式恒温加热磁力搅拌器中均匀搅拌;滴 c DTA——溶液的浓度,mol/L; 加适量氢氧化钠乙醇溶液,密封,经过50 min碱化 一样品质量。 反应;再调整反应温度进行醚化反应,同时加入一 定量的一氯乙酸乙醇溶液,反应一定时间。反应结 束后用醋酸调节pH值至中性,离心,乙醇洗涤,4O℃ 烘干,得不同取代度产品。 1.2.3羟丙基淀粉取代度的测定 准确称取试样0.05 g于容量瓶中,加入25 mL 浓度为0.5 mol/L的HzSO ,置于沸水浴中加热至样 品溶解,呈透明溶液,冷却至室温,用蒸馏水稀释 至100 mL。吸取该溶液1 mL放入25 mL具塞试管 中,逐滴加人8 mL浓硫酸;混匀后,将试管置于沸 水浴中加热3 min,立即放人冰浴中冷却至5℃;加 入0.6 mL水合茚三酮溶液,立即摇匀,置于25℃ 水浴100 min;再用浓硫酸定容至25 mL,翻转混 匀;静置5 min后放入1 cm比色皿中,分光光度计 在波长595 am处测定吸光度 。 羟丙基含量: : ×100%; ‘‘ m×10。 取代度: …Ms  28 ・ 式中:Ms——取代度; ——羟丙基含量,%; p——试样中丙二醇质量浓度,mg/mL; m——取样质量,g; 0.776 3——转换系数。 1.2.4羧甲基淀粉取代度的测定 准确称取0.5 g样品于100 mL烧杯中,用l mL 体积分数95%乙醇溶液将其润湿,使其在50 mL蒸 馏水中完全溶解。之后转移到250 mL容量瓶中,再 加入50 mL浓度为O.05 mol/L硫酸铜溶液,蒸馏水 稀释至刻度线,摇匀静置15 min后离心(转速 3 000 r/min),准确移取50 mL上清液于锥形瓶中, 加几滴紫尿酸氨指示剂,用浓度0.05 mol/L的EDTA 标准溶液滴定,溶液由橙黄变为蓝紫色为滴定终点, 记下所消耗的EDTA体积。同时做空白试验阁。计算 公式如下: 1.2.5中心组合试验设计 采用中心组合试验考察一氯乙酸用量、NaOH用 量、醚化温度和醚化时间4个因素及其交互作用对 羟丙基羧甲基淀粉取代度的影响。 响应面设计因素及水平设计见表1。 表1 响应面设计因素及水平设计 OOOOO0OOO0O0柏 弘 ∞ 2结果与讨论 2.1复合改性程度对取代度的影响 对不同取代度的羟丙基淀粉进行不同改性程度 的羧甲基化处理。 不同复合改性程度的羟丙基羧甲基淀粉DS测定 见图1。 理 ∽ 0 MS I-一高DS;— 一中DS;◆一低Ds 图1 不同复合改性程度的羟丙基羧甲基淀粉DS测定 随着羟丙基化程度的增加,羟丙基羧甲基淀粉 取代度逐渐增大,当MS在0.1~0.12时,取代度无明 显变化。可能因为羧甲基化发生在结晶区和非结晶 区,羟丙基化发生在淀粉颗粒非结晶区,已经使淀 加 0O0OH 2013年第1期 李明宇,等:羟丙基羧甲基淀粉制备工艺的优化 ・29・ 粉表面产生孑L洞和缝隙,再进行羧甲基化时,有利 于反应在颗粒表面和内部进行,导致DS增加。当羟 丙基化程度一定时,随着羧甲:基化程度不断增加, 复合淀粉取代度增大,说明不同改性程度羟丙基淀 粉与羧甲基复合时没有阻碍羧甲基基团的接人,DS 值取决于羧甲基化过程的条件,所以后续采用稳定 性较高的高取代度(MS 0.12)羟丙基淀粉为原料进 行复合改性。 2.2一氯乙酸用量对取代度的影响结果与分析 氯乙酸用量对羟丙基羧甲基淀粉取代度影响 一NaOH用量小于6 g时,羟丙基羧甲基淀粉取代 度随NaOH用量的增加而不断增大,达到最大后趋于 平缓,如果继续增加NaOH用量,样品则呈现胶化状 态。因为NaOH既是碱化剂又是催化剂,适当增加 NaOH用量,羟丙基淀粉氧负离子和C1CH2COONa增 加,有利于取代反应进行;当NaOH用量过大时,过 量的NaOH与C1CH2COONa反应生成HOCH2COONa, 附着在淀粉颗粒表面,使淀粉部分糊化而表面黏稠, 阻碍了反应的进行,导致样品糊化。因此,NaOH用 量控制在6 g,取代度最大,可获得最佳样品。 结果见图2。 CICH2COOH用量m/g 图2一氯乙酸用量对取代度的影响 C1CH2COOH用量低于6 g时,随着C1CH2COOH 用量的增加,复合淀粉取代度不断增加并达到最大 值,此后随着C1CH COOH的继续增加,样品的取代 度下降。可能由于C1CH COOH作为醚化剂,其添加 量在一定范围内增加能促进与淀粉氧负离子的接触 几率,有利于进攻c—cl极性键,因此取代度呈现上 升趋势;当添加量过高时,副反应发生,大量的 C1CH2COOH与NaOH反应生成大量HOCH2COONa, 阻碍了淀粉与NaOH的充分接触,从而生成的淀粉 氧负离子减少。 2.3 NaOH用量对取代度的影响结果与分析 NaOH用量对取代度影响结:果见图3。 O.30 O.28 O.26 O.24 趔0.22 旨o.20 O.18 O.16 0.14 O.12 NaOH用量m/g 图3 NaOH用量对取代度的影响 2.4醚化温度对取代度的影响结果与分析 醚化温度对取代度影响结果见图4。 O-30 O.28 0.26 0.24 。0.18 O.16 O.14 O.12 0.10 图4醚化温度对取代度的影响 反应温度低于6O cI=时,羟丙基羧甲基淀粉取代 度随着醚化温度的升高迅速增加,6O cC时达到最大, 反应温度继续升高,复合淀粉的取代度下降。原因 是提高醚化温度会增大Na ̄向颗粒内部的扩散速率, 加快了羧甲基化速率,使取代度增加;而温度高于 60℃时,由于羟丙基淀粉的碱化反应为放热的可逆 反应,温度过高阻碍碱化反应的进行,导致淀粉氧 负离子减少,使碰撞C1CH2COONa几率减小,因此 取代度降低。 2.5醚化时间对取代度的影响结果与分析 醚化时间对取代度影响结果见图5。 醚化时间 图5醚化时间对取代度的影响 农产品加工(学刊) 2013年第1期 反应时间低于4 h时,随着醚化时间的增长,羟 丙基羧甲基淀粉的取代度不断增加。当反应时间超 过4 h后,取代度随着时间的延长反而降低,可能由 于羟丙基羧甲基淀粉在4 h内充分醚化,所形成的氧 负离子能够充分进攻C1CH COONa,从而使取代度增 加,时间继续延长,副反应增加,使亲核取代反应 减少,淀粉的取代度又开始减小。 2.6中心组合试验结果与分析 通过单因素试验及SPSS统计分析结果显示,一 氯乙酸用量、NaOH用量、醚化温度和醚化时间4个 因素对羟丙基羧甲基淀粉取代度影响显著。采用响 应曲面分析对其进行优化,以羟丙基羧甲基淀粉的 取代度为响应值。 试验安排及试验结果见表2,二次多项模型方差 分析见表3。 利用Design Expert软件,通过表2中试验数据 表2试验安排及试验结果 序号 1 2 3 4 5 6 7 l —1 1 一l 1 —1 1 —1 2 —1 —1 1 1 —1 —1 1 3 —1 —1 —1 —1 1 1 1 x4 一l 一l 一l 一l —1 一l —1 DS 0.245 2 0.215 2 0.266 l 0.256 2 0.252 6 0.2305 0.2996 序号16 17 18 19 2O 21 22 X.1 —2 1 O 0 0 0 X2 1 0 0 一2 2 O O X l 0 O 0 0 一2 2 丘1 0 0 0 O O O DS 0.283 1 0.219 6 0.230 8 0.165 6 0.293 8 0.2666 0-211 9 8 9 lO 1 一l 1 1 一1 —1 1 —1 —1 —1 1 1 0.268 9 O.2409 0.22l 3 23 24 25 0 0 0 0 0 0 O O O 一2 2 O 0.273 4 0.267 2 O311 9 11 12 13 14 15 —1 1 —1 1 —1 1 1 —1 —1 1 —1 —1 1 1 1 1 1 l 1 l 0.303 3 0.257 4 0.2766 O.1944 0.263 4 26 27 28 29 3O 0 0 0 0 0 0 0 0 O O 0 0 0 0 0 O 0 O 0 0 0.290 6 0.301 1 O3199 0.320 8 0.3224 表3二次多项模型方差分析 复合淀粉取代度最高达O.32。 2.7验证试验 为了进一步确定方程的可靠性,做4组验证试 验来验证方程的可靠程度。 验证试验见表4。 表4验证试验 对方程进行多元回归拟合,获得取代度对自变量一 氯乙酸用量X ,NaOH用量 :,醚化温度 ,醚化 时间 的二次多项回归方程: 】,=一4.014+0.22Xi+O.159X2+0.083X3+0.375X4- 验证试验的实际值和预测值的误差在l%~4%, 5.444×10-3X1X2—1.238×10— 1X3—4.413×10— 1 4+ 残差的正态分布图在一条直线上,通过残差对预测 6.25×10 3+3.338×10-3X2 4-1.86×10-3X 4. 值作图残差分布无规律。根据上述的分析得出,通 对回归模型作显著检验和方差分析,P值越小, 过试验得到的回归方程的精确度很高【7J。 说明影响越显著,模型回归效果显著。模型的 3结论 R =0.816 8,说明有81.68%的变量可以用回归模型 解释。通过回归方程各项方差分析得到一次项 :, 以蜡质淀粉为原料,对其进行先羟丙基化后羧 二次项 。 , 22, 和 42对响应值影响显著。失拟 甲基化处理,得到羟丙基羧甲基复合改性淀粉。通 项p=0.054 5>0.05,失拟项不显著,说明真实值和预 过单因素试验分析得一氯乙酸添加量、NaOH添加 测值拟合结果较好昀,对模型影响显著。 量、醚化温度和醚化时间对取代度的影响,并采用 利用软件对回归方程求解并结合实际生产条件 中心组合试验设计优化羟丙基羧甲基淀粉的制备工 得到的最佳工艺条件为:一氯乙酸用量5.87 g, 艺和数学模型,通过Design Expert软件分析得出制 NaOH用量5.65 g,醚化温度60℃,醚化时间4 h, (下转第41页) 0.019X12-0.0l8 22—6.283×10"X32—0.O32 42+ 2013年第1期 谢三都,等:响应面法优化金银花水溶性多糖提取工艺条件 ・41・ 间33 S,微波功率285 W,装载量为89 mL,此时金 银花水溶性多糖提取率的理论值为2.6%。为验证 Box—behnken试验设计所得结果的可靠性,采用上述 优化的提取工艺条件进行试验,所得金银花水溶性 多糖提取率为2.54%,与理论预测值相比,相对误差 为2-3 1%。该研究结果对金银花水溶性多糖在各领域 的深入开发提供了一定的理论基础和参考。 参考文献: 刘雄,高建德.金银花质量控制、化学成分及药理学研 究进展[J].甘肃中医学院学报,2006,21(2):91—92. 张军,赵光莉,庄桂东,等.SFE—MD技术分离提纯金银 花挥发油及其成分分析[J].精细化工,2000,25(1): 图6微波功率和丙酮体积分数对金银花水溶性 多糖提取率的响应面 50-53. 马彦芳.金银花中总黄酮的含量测定[J】.青海科技, 2007(4):29. 取率有极显著影响,而微波功率和装载量之间的交 互作用较小。微波功率的影响最大,装载量次之。 表明各因素对金银花水溶性多糖提取率的影响不是 简单的线性关系。 Ⅲ 2.4工艺验证试验 采用Design—Expert 7.1.3软件分析回归模型,在 各因素编码水平范围内,得出金银花水溶性多糖的 最优提取工艺参数:液料比1:32,微波时间33 s, 微波功率285 W,装载量为89 mL,此时金银花水溶 性多糖的得率为2.6%。为验证Box—behnken试验设 计所得结果的可靠性,采用上述优化的提取工艺条 件进行试验,所得金银花水溶性多糖提取率为 2.54%,与理论预测值相比,相对误差为2.31%,结 果较理想。 3结语 张倩,江萍,秦礼康,等.鱼腥草水溶性多糖的提取及 鉴定[J].食品科学,2000,21(3):49—50. 张准杰.复合多糖的生化研究技术[M】.杭州:浙江大 学出版社,1999. 同 网 郑宝东,曾绍校,郑桂成.福建余甘可溶性多糖提取工 艺研究[J].中国食品学报,2003(1):37—40. 岳喜庆,李健.响应曲面法优化卵白蛋白提取条件研 究[J].食品工业,2011(2):63—66. 肖卫华,韩鲁佳,杨增玲,等.响应面法优化黄芪黄酮提 取工艺的研究[J].中国农业大学学报,2007,12(5): 52—56. 乔小瑞,烟利亚,刘兴岚,等.荔枝壳多酚提取工艺的 响应面法优化及自由基清除活性研究[J]. 中国食品学 报,2010,10(5):22—29. 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