醚化交聯(lián)淀粉變溫合成及其碘復合物吸收光譜分析

石海信，童張法，謝新玲，張友全

（1.欽州學院生物與化學系，廣西欽州535000；2.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004）

醚化交聯(lián)淀粉變溫合成及其碘復合物吸收光譜分析

石海信1，2，童張法2，*，謝新玲2，張友全2

（1.欽州學院生物與化學系，廣西欽州535000；2.廣西大學化學化工學院，廣西南寧530004）

以木薯淀粉為原料，環(huán)氧氯丙烷（ECH）為交聯(lián)劑，采用變溫交聯(lián)法制備醚化交聯(lián)淀粉，對淀粉交聯(lián)反應(yīng)機理進行了分析。通過正交實驗探討了交聯(lián)劑用量、pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間對交聯(lián)淀粉沉降積的影響，確定了制備高交聯(lián)淀粉的最佳工藝條件為：pH11，ECH用量為0.3%（w/w），先在35℃下反應(yīng)3h，然后升溫至50℃反應(yīng)0.5h。應(yīng)用淀粉-碘復合物吸收光譜對不同交聯(lián)度淀粉的結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果表明：交聯(lián)反應(yīng)改變了直鏈淀粉構(gòu)象，影響了碘分子進入其內(nèi)部，相應(yīng)的絡(luò)合碘分子數(shù)目減少，顏色變淺，吸光值減小，最大吸收波長向較短波長方向移動。

木薯淀粉，醚化交聯(lián)，變溫合成，淀粉-碘復合物

不同淀粉分子的醇羥基與交聯(lián)劑的多元官能團形成醚化鍵或酯化鍵而交聯(lián)起來，所得的衍生物稱為交聯(lián)淀粉［1］，通過醚化鍵交聯(lián)的則屬醚化交聯(lián)淀粉。交聯(lián)后的淀粉與原淀粉相比糊化溫度和粘度提高，糊的抗剪切、抗酸堿能力增強，使得交聯(lián)淀粉廣泛應(yīng)用在粘度要求高且穩(wěn)定的食品中。其中環(huán)氧氯丙烷交聯(lián)淀粉還具有突出的藥物控釋作用，在國外多被用作藥物的緩釋劑［2-3］。目前，醚化交聯(lián)淀粉的制備一般以環(huán)氧氯丙烷（epichlorohydrin，簡稱ECH）為交聯(lián)劑，以堿為催化劑，在室溫或略高于室溫的條件下進行交聯(lián)反應(yīng)［4-5］。該工藝的缺點是交聯(lián)速率慢，一般需要16～24h才能完成交聯(lián)反應(yīng)［6］，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)備利用率低。因此，加快交聯(lián)反應(yīng)速率，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量，提高設(shè)備利用率是交聯(lián)淀粉制備中一個亟待解決的問題。本文通過對淀粉與ECH的交聯(lián)反應(yīng)機理分析，找出制約交聯(lián)反應(yīng)速率快慢的因素，在此基礎(chǔ)上通過正交實驗方法尋找最佳變溫交聯(lián)工藝，并利用淀粉-碘復合物吸收光譜對交聯(lián)淀粉結(jié)構(gòu)進行表征，為醚化交聯(lián)淀粉的研究開發(fā)提供實驗科學依據(jù)。

1 交聯(lián)淀粉制備機理

ECH分子中的氯和氧原子的吸電子誘導效應(yīng)使ECH上的碳原子帶上部分正電荷，正電性的碳原子易朝向離子化的底物StO-，從而發(fā)生SN2親核取代反應(yīng)，反應(yīng)歷程如下［7］：

交聯(lián)過程中，同時進行的副反應(yīng)是：

由于堿性淀粉（StO-）與ECH不互溶，因此淀粉的交聯(lián)屬非均相反應(yīng)。反應(yīng)速率除受溫度、濃度等因素影響外，還受擴散速度的影響。根據(jù)有關(guān)動力學研究，該反應(yīng)的速率方程可表示如下［8-9］：

在反應(yīng)體系中，當ECH的濃度很小，淀粉的濃度很大而基本上不變時，淀粉的交聯(lián)表現(xiàn)出假的一級反應(yīng)：

從式（2）可見，提高交聯(lián)反應(yīng)速率的途徑有：a.增加ECH的濃度。但增加ECH的濃度，會使生產(chǎn)成本增加，同時也使交聯(lián)淀粉的食用安全性降低，因為據(jù)美國食品及藥物管理局（FDA）標準，在對淀粉進行交聯(lián)化學處理時，所使用的交聯(lián)劑ECH的處理量＜0.3%才具有食用安全性［10］，因此靠增加ECH的濃度以加速反應(yīng)的方法不可??；b.增大速率常數(shù)k值。根據(jù)Arrhenius方程［11-12］，當反應(yīng)活化能大于零時，溫度升高，速率常數(shù)增加。但對于淀粉變性反應(yīng)來說，起始溫度一般不宜超過40℃，否則在堿性條件下淀粉極易糊化造成反應(yīng)難以繼續(xù)均勻地進行下去［13］，所以簡單地提高反應(yīng)溫度不可行；c.提高擴散吸附速率。淀粉的交聯(lián)為多相反應(yīng)，ECH在淀粉顆粒表面的擴散吸附是反應(yīng)過程中很重要的一步，可采用相轉(zhuǎn)移催化劑［14］或提高攪拌速度來增加反應(yīng)物之間的接觸機率從而加快反應(yīng)進行。但采用相轉(zhuǎn)移催化劑也會造成產(chǎn)品食用安全性問題，生產(chǎn)上由于受設(shè)備所限，攪拌速度也不能過快。

從反應(yīng)歷程來看，讓ECH與淀粉首先在較低的溫度下均勻而又緩慢地發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，待淀粉發(fā)生一定程度交聯(lián)，淀粉顆粒膨脹需要更多的能量，糊化溫度升高，此時升高溫度可促使淀粉交聯(lián)反應(yīng)速率加快。因此采用變溫交聯(lián)法合成交聯(lián)淀粉理論上是可行的。

2 材料與方法

2.1 材料與儀器

木薯淀粉 廣西明陽生化科技股份有限公司；環(huán)氧氯丙烷、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、95%乙醇 均為分析純。

FA2004電子天平 上海上天精密儀器有限公司；101-1A型數(shù)顯式電熱恒溫干燥箱 上海滬越實驗儀器有限公司；pHS-3C精密pH計 上海精密科學儀器有限公司；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；H1650高速臺式離心機長沙湘儀離心機儀器有限公司；722型可見分光光度計 上海恒平科學儀器有限公司；501BS超級恒溫水浴 上海梅香儀器有限公司；JJ-1型精密增力電動攪拌器 常州國華電器有限公司。

2.2 實驗方法

2.2.1 醚化交聯(lián)淀粉的制備 在帶攪拌器的三口圓底燒瓶中加入木薯淀粉、適量蒸餾水和占干淀粉重6%的NaCl，開動攪拌器，向乳液中緩慢滴加1mol/L氫氧化鈉溶液，把乳液pH調(diào)至9～11，熟化10min后，滴加一定量ECH，用橡皮塞塞緊瓶口，保持攪拌，于30～40℃連續(xù)反應(yīng)2.0～3.0h后，把乳液溫度升高至50℃，繼續(xù)攪拌反應(yīng)0.5h，再用1mol/L鹽酸將乳液pH中和至6.5～7.0，使反應(yīng)停止。將乳液抽濾，分別用蒸餾水、70%乙醇洗滌濾餅，把濾餅置于恒溫干燥箱在50℃下干燥，粉碎過篩即得產(chǎn)品。

2.2.2 交聯(lián)度的測定 根據(jù)交聯(lián)淀粉交聯(lián)度與沉降積（VSE）呈線性負相關(guān)的關(guān)系，即VSE越小，交聯(lián)度越大，采用VSE來表示交聯(lián)度的大小。測定方法為［15］：準確稱取0.5g絕干樣品于100mL燒杯中，用移液管加25mL蒸餾水配成濃度為2%（w/w）的溶液，將燒杯置于82～85℃的水浴中，稍加攪拌，保溫2min，取出冷卻至室溫，分別把糊液加入2支10mL刻度離心管中，對稱裝入離心機內(nèi)，開動離心機，緩慢加速至4000r/min。用秒表計時，2min停轉(zhuǎn)。取出離心管，將上層清液倒入滴定管中，讀出清液體積，計算VSE。對同一樣品進行3次平行測定，取平均值。

式中，V-清液體積，mL。

2.2.3 交聯(lián)淀粉-碘復合物吸收光譜分析 取濃度為0.01%（w/w）淀粉糊8mL，加入0.2mL碘液（I22.0mg/mL+KI 20mg/mL），混勻靜置10min，以1cm比色皿在可見光波長下，測定淀粉-碘復合物的吸光度，以稀碘液（0.2mL碘液+8mL蒸餾水）作空白。

2.2.4 L9（34）正交實驗設(shè)計 田宗達等［16］研究表明，淀粉交聯(lián)受溫度、催化劑用量、ECH用量、電介質(zhì)（防膨劑）用量、反應(yīng)時間等多種因素的制約。為了找出淀粉交聯(lián)的最佳工藝條件，選ECH、pH、溫度、時間四個因素，每個因素各做三個水平的正交實驗L9（34），以VSE作為考察反應(yīng)進行程度的指標，VSE越小，交聯(lián)反應(yīng)進行得越徹底。正交實驗中各種原料的用量均為以淀粉干基為基準的重量百分比，固定淀粉乳濃度為40%。L9（34）正交實驗方案表頭設(shè)計見表1。

表1 交聯(lián)淀粉正交實驗因素水平表

3 結(jié)果與討論

3.1 正交實驗結(jié)果與分析

正交實驗方案及結(jié)果見表2。

表2 交聯(lián)工藝正交實驗方案與結(jié)果

根據(jù)表2結(jié)果，可作如下分析：

a.對于ECH來說，隨著ECH用量的增加，VSE呈下降趨勢，因此增加ECH用量，在一定范圍內(nèi)的確可以增加交聯(lián)度，但考慮到交聯(lián)淀粉的食用安全性與生產(chǎn)成本，交聯(lián)劑ECH用量不宜增加太多。

b.pH在9～11范圍內(nèi)，VSE呈下降趨勢，但pH從10下降至11，VSE下降趨勢稍緩。這是因為隨著堿性增強，淀粉葡萄糖殘基上羥基更容易失去氫原子變成親核性強的StO-，有助于對ECH進行親核進攻。但ECH在堿性條件下會因水解生成醇類物質(zhì)而消耗，pH越大，水解作用越強，同時淀粉乳在強堿性條件下也易產(chǎn)生凝膠或局部糊化，致使反應(yīng)不均勻，因此堿度不宜調(diào)得過高。

c.溫度對VSE的影響呈拋物線型。由于本工藝采用的是變溫交聯(lián)法，在交聯(lián)的第一階段溫度控制在30～40℃，第二階段溫度控制為50℃。第一階段溫度的升高對產(chǎn)品VSE影響是先降后升，在35℃時VSE最小。這可能是初始溫度較高時反應(yīng)物分子運動速率加快，活化分子所占的比例增大，有效碰撞次數(shù)增加，有利于交聯(lián)反應(yīng)的進行，但溫度過高也會使ECH汽化加劇水解副反應(yīng)速率加快，導致ECH消耗，反而降低了交聯(lián)反應(yīng)速率，因此在第一階段宜使反應(yīng)在較低溫度下均勻進行，以節(jié)約能源，待淀粉發(fā)生一定程度交聯(lián)，再把溫度升高到50℃，促使剩余的ECH迅速與淀粉反應(yīng)，生成高交聯(lián)度淀粉。

d.交聯(lián)時間的延長，VSE下降，可以使更多的ECH與淀粉反應(yīng)，從而提高ECH的轉(zhuǎn)化率。

比較表2中各因素的極差值R，可知用ECH制備醚化交聯(lián)淀粉四個因素重要性大小順序為：B＞A＞D＞C，即pH＞ECH用量＞時間＞溫度。其中pH影響最大，在生產(chǎn)中，可根據(jù)需要，選擇在一定pH下進行交聯(lián)反應(yīng)，以便制得所需交聯(lián)度的產(chǎn)品。變溫交聯(lián)法制備高交聯(lián)度木薯淀粉的最佳工藝條件為：A3B3C2D3，即pH為11，環(huán)氧氯丙烷用量為0.3%（w/w），先在35℃下反應(yīng)3h，然后升溫至50℃反應(yīng)0.5h。

3.2 驗證與對比實驗

按正交實驗選出的最佳條件組合進行平行重復實驗，3次平行實驗所得產(chǎn)物的VSE分別為0.72、0.75、0.75mL，實驗重現(xiàn)性好；同時進行恒溫對比實驗，即pH為11，ECH用量為0.3%（w/w），在恒定溫度35℃下反應(yīng)3.5h，此時所得產(chǎn)物VSE為1.35mL。由此證明變溫交聯(lián)法制備醚化交聯(lián)淀粉的工藝條件A3B3C2D3是合理的。

3.3 淀粉-碘復合物吸收光譜分析

淀粉遇碘顯藍色是鏈淀粉分子與碘形成絡(luò)合結(jié)構(gòu)導致的顏色反應(yīng)，如果淀粉分子的大小和構(gòu)象發(fā)生了變化，吸附碘的顏色反應(yīng)也會發(fā)生變化，因此根據(jù)可見光最大吸收波長與吸光度可以推斷交聯(lián)對淀粉分子大小與構(gòu)象的影響情況［17］。實驗測定了木薯淀粉及VSE為4.6、2.6、1.1、0.75mL四個交聯(lián)淀粉的碘復合物在不同波長下的吸光度，結(jié)果見圖1。

圖1 交聯(lián)淀粉-碘復合物的吸收光譜

由圖1可見，VSE不同，交聯(lián)淀粉碘復合物吸收光譜也不同。VSE較大的交聯(lián)淀粉碘復合物的吸收光譜與木薯淀粉的相似，吸光度在低波長段較小，隨著波長的增加而上升，在610～620nm范圍內(nèi)達到最高值，測定波長再增大，吸光值以較緩的速度下降。隨著VSE的減小，λmax依次減小，吸光值也依次下降。如VSE為0.75mL的高交聯(lián)淀粉，其λmax移至598nm，比木薯淀粉減少了22nm，與文獻［18］報道的相符，同時最大吸光值也減少到0.070（木薯淀粉最大吸光值為0.676）。這可能是交聯(lián)反應(yīng)使淀粉形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變了直鏈淀粉分子構(gòu)象，影響了碘分子進入其內(nèi)部，相應(yīng)的絡(luò)合碘分子數(shù)目較少，顏色呈淺紫色，吸光度變小，λmax向較短波長方向移動。

4 結(jié)論

4.1 由正交實驗可知，反應(yīng)體系pH對交聯(lián)淀粉VSE影響最大，其次是ECH用量、時間、溫度。變溫交聯(lián)法制備高交聯(lián)度淀粉的最佳工藝條件為：pH11，ECH用量0.3%（w/w），先在35℃下反應(yīng)3h，然后升溫至50℃反應(yīng)0.5h。采用變溫工藝制備交聯(lián)淀粉，可使交聯(lián)時間比傳統(tǒng)方法縮短3～4倍，提高了設(shè)備利用率，節(jié)約能源。

4.2 淀粉-碘復合物可見光吸收光譜結(jié)構(gòu)分析表明，交聯(lián)反應(yīng)使淀粉形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改變了直鏈淀粉分子構(gòu)象，影響了碘分子進入其內(nèi)部，相應(yīng)的絡(luò)合碘分子數(shù)目較少，顏色呈淺紫色，吸光值變小，最大吸收波長向較短波長方向移動。

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Study on synthesis of etherified cross-linked starch by variable temperature method and absorption spectrum analysis of starch-iodine complex

SHI Hai-xin1，2，TONG Zhang-fa2，*，XIE Xin-ling2，ZHANG You-quan2
（1.Department of Biology and Chemistry，Qinzhou College，Qinzhou 535000，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Etherification cross-linking starch were prepared through variable temperature cross-linking of cassava starch and epichlorohydrin（ECH）.The mechanism of cross-linking of starch by ECH was analyzed.The effects of the amount of cross-linking agent，pH value，reaction temperature and time on the sediment volume（VSE）of cross -linking starch were investigated.The optimal conditions for synthesis of high cross-linked starch were obtained by orthogonal experiment as follows：pH 11，amount of ECH 0.3%（w/w），first，3h of reaction at the temperature of 35℃，then 0.5h at 50℃.The cross-linked starch’s structures were characterized at different degrees of crosslinking with absorption spectrum of starch-iodine complex.The results indicated that cross-linking reaction changed the conformation of amylose，and affected iodine to get into it.The number of corresponding starch-iodine complex decreased，the color became shallow，absorbance decrease and maximum absorption wavelength shift towards shortwave direction.

cassava starch；etherification cross-linking；variable temperature synthesis；starch-iodine complex

TS231

B

1002-0306（2010）11-0265-04

2009-07-27 *通訊聯(lián)系人

石海信（1962-），男，碩士研究生，副教授，研究方向：淀粉化學品的合成與應(yīng)用。

廣西科學基金資助項目（桂科自0991274）；廣西教育廳科研項目（200807LX349）。