微波輔助干法制備高吸水率檸檬酸淀粉酯

周 美， 路 軍， 牛黎莉， 王婷婷， 張盛貴*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

微波輔助干法制備高吸水率檸檬酸淀粉酯

周 美1， 路 軍2， 牛黎莉1， 王婷婷1， 張盛貴*1

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

以馬鈴薯淀粉為原料，吸水率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用微波輔助方法，研究不同因素對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，單因素實(shí)驗(yàn)顯示，pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、酯化劑添加量、微波功率和微波時(shí)間均對(duì)檸檬酸淀粉酯的吸水率產(chǎn)生影響。在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取4個(gè)主要因素進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)pH值為3.48、反應(yīng)溫度126℃、反應(yīng)時(shí)間6.0 h、微波時(shí)間7 min、酯化劑添加量15%、微波功率640 W時(shí)，制得的檸檬酸淀粉酯吸水率為760.83%，與預(yù)測(cè)值764.771%的相對(duì)誤差為0.518%，差異不顯著，回歸模型擬合良好。

馬鈴薯淀粉；微波；酯化；吸水率

酯化淀粉是化學(xué)變性中很重要的一種變性方法，醋酸、檸檬酸、蟻酸都有用于制備酯化淀粉[1-4]。對(duì)比許多其他的酯化劑，檸檬酸天然無毒[5]。檸檬酸淀粉酯是利用檸檬酸酐與淀粉內(nèi)葡萄糖羥基作用，發(fā)生酯化反應(yīng)而生成的淀粉衍生物，是一種具有抗老化作用的酯化變性淀粉，在國(guó)外廣泛應(yīng)用于面包、餅干及其他食品中，以改善食品品質(zhì)[6]。

檸檬酸淀粉酯制備的輔助技術(shù)主要是微波輔助和螺旋擠壓技術(shù)輔助。其中微波技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)有效的輔助技術(shù)，可以使制備工藝過程更加簡(jiǎn)單、快速、有效。而且微波技術(shù)已被證明能有效的減少處理時(shí)間、提高反應(yīng)速率。與傳統(tǒng)方法相比，能得到的純度更高，品質(zhì)更好的產(chǎn)品[7-10]?；谄渲T多優(yōu)點(diǎn)，有關(guān)微波輔助制備檸檬酸淀粉酯受到一些研究者的關(guān)注[11]，但其對(duì)吸水性影響的研究甚少。作者以吸水率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究pH值、微波時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，并通過響應(yīng)曲面法（RSM）優(yōu)化工藝參數(shù)，以期為檸檬酸淀粉酯在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原淀粉：甘肅騰勝農(nóng)產(chǎn)品集團(tuán)淀粉公司提供；檸檬酸、氫氧化鈉、鹽酸等均為分析純?cè)噭?/p>

DHG-9055A電熱鼓風(fēng)干燥箱：上海-恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；ML-2080EGC美的微波爐：美的集團(tuán)產(chǎn)品；DD-5M湘儀離心機(jī)：湘儀離心機(jī)儀器有限公司產(chǎn)品；SHB-Ⅲ型循環(huán)水式多用真空泵：鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司產(chǎn)品；PHS-3C型pH計(jì)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司產(chǎn)品；WK-200B小型高速中藥粉碎機(jī)：青州市富爾康制藥機(jī)械有限公司產(chǎn)品；JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡：日本電子光學(xué)公司產(chǎn)品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 檸檬酸淀粉酯的制備 取檸檬酸約5.0 g溶解于15 mL水中，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至3.0左右，加水定容至30 mL，與25 g馬鈴薯淀粉（絕干淀粉）充分混合，并在室溫下靜置16 h；然后將混合物放入50℃烘箱中干燥48 h，使脫水至水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%。用一定功率微波處理一定時(shí)間。再放入反應(yīng)容器中，置于設(shè)定溫度的烘箱中加熱一定時(shí)間，以使試劑與淀粉能充分反應(yīng)。取出并用蒸餾水洗滌以除去未反應(yīng)檸檬酸和反應(yīng)產(chǎn)生的鹽。洗后淀粉經(jīng)兩次抽濾后，在40～50℃烘箱中干燥48 h，粉碎并過200目篩即得樣品。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1）反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響反應(yīng)溫度130℃、pH 3、酯化劑添加量20%、微波功率640 W、微波時(shí)間5 min，分別測(cè)定反應(yīng)時(shí)間為5、6、7、8、9 h時(shí)的吸水率。

2）反應(yīng)溫度對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響pH 3、酯化劑添加量20%、微波功率640 W、微波時(shí)間5 min和前一步做出的最佳反應(yīng)時(shí)間，分別測(cè)定反應(yīng)溫度為115、120、125、130、135℃時(shí)的吸水率。

3）酯化劑添加量對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響 pH 3、微波功率640 W、微波時(shí)間5 min和前一步做出的最佳反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度，分別測(cè)定酯化劑添加量（以淀粉干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算）為5%、10%、15%、20%和25%時(shí)的吸水率。

4）反應(yīng)pH值對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響微波功率640 W、微波時(shí)間5 min和前一步做出的最佳反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和酯化劑添加量，測(cè)定pH為2.5、3.0、3.5、4.0和4.5時(shí)的吸水率。

5）微波時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響微波功率640 W和前一步做出的最佳反應(yīng)時(shí)間、最佳反應(yīng)溫度、最佳pH和酯化劑添加量，分別測(cè)定微波時(shí)間為1、3、5、7、9 min時(shí)的吸水率。

6）微波功率對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響在前一步做出的最佳反應(yīng)時(shí)間、最佳反應(yīng)溫度、最佳pH值、最佳酯化劑添加量和微波時(shí)間，分別測(cè)定微波功率為213、373、480、640、800 W時(shí)的吸水率。

1.2.3 吸水率的測(cè)定 稱取2 g淀粉樣品于100 mL小燒杯中，加水40 mL，攪拌均勻后將其混濁液倒入離心管中，以3 600 r/min，離心5 min，棄去上清液，稱取沉淀物的質(zhì)量。

吸水率計(jì)算公式如下：吸水率（%）=淀粉樣品吸水前后的質(zhì)量差/淀粉樣品原來干基質(zhì)量×100%。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用通用旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)，選擇反應(yīng)時(shí)間（h）、反應(yīng)溫度（℃）、pH值和微波時(shí)間（min）為自變量（Xi），吸水率為響應(yīng)值（Y），運(yùn)用Box-Behnken模型設(shè)計(jì)四因素三水平二次回歸方程，擬合自變量與復(fù)配體系吸水率之間的函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)因素水平見表1。

在單因素的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，微波功率對(duì)檸檬酸淀粉酯的吸水率是成正比的，微波功率越大，檸檬酸淀粉酯吸水率就越大，但是當(dāng)微波功率超過640 W時(shí)，淀粉因受太大瞬時(shí)功率的影響而發(fā)生糊化甚至褐變。綜合考慮微波功率在響應(yīng)面設(shè)計(jì)時(shí)直接去可行性最大值640 W。酯化劑的添加量對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響沒有顯著性的差異，所以直接選擇pH、微波時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度4個(gè)因素進(jìn)行響應(yīng)面設(shè)計(jì)。

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素與水平Table 1 Independent variables and their corresponding levels by Box-Behnken design

1.2.5 模型驗(yàn)證 通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化微波輔助生產(chǎn)高吸水率檸檬酸淀粉酯的工藝條件。在優(yōu)化條件下測(cè)定復(fù)配體系的吸水率，比較預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值，驗(yàn)證模型的有效性。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

在溫度125℃，pH為3，酯化劑添加量20%，微波時(shí)間5 min，微波功率640 W的條件下，研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，由圖1可看出，反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸水率有顯著的影響，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，越來越多的檸檬酸酐與淀粉中的羥基反應(yīng)，生成大量的檸檬酸淀粉酯，從而使淀粉的吸水率顯著增加。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間6 h時(shí)，吸水率達(dá)到最大值432.83%，與原淀粉88.5%相比提高了344.33%，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，吸水率逐步降低，合成的檸檬酸酯又有一部分的分解。因此時(shí)間為6 h時(shí)吸水率較好。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.1 Effection of time on water absorption of citrate starch

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

采用干法反應(yīng)，反應(yīng)溫度對(duì)檸檬酸淀粉酯的吸水率存在一定的影響（見圖2），隨著溫度的升高，檸檬酸淀粉酯的吸水率呈顯著上升的趨勢(shì)，且在125℃時(shí)，達(dá)到最大470%，之后隨著溫度的升高而降低。這可能是由于溫度過低時(shí)檸檬酸酐與淀粉中的羥基很難脫水，沒有達(dá)到反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)需求，檸檬酸淀粉酯生成量較低，吸水率較低；而溫度過高則會(huì)造成檸檬酸淀粉酯的降解或者異構(gòu)化，而導(dǎo)致吸水率的降低。

圖2 溫度對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.2 Effection of temperature on water absorption of citrate starch

2.3 酯化劑添加量對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

酯化劑添加量對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率也存在一定的影響，由圖3可以看到，隨著酯化劑添加量的增加，檸檬酸淀粉酯的吸水率略有提高，在酯化劑添加量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為15%時(shí)，達(dá)到最大值523.5%，隨后，吸水率降低，不利于檸檬酸淀粉酯的合成。因此，酯化劑的添加量為15%為宜。

圖3 酯化劑添加量對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.3 Effection of concentration of citric acid on water absorption of citrate starch

2.4 pH值對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

如圖4所示，隨著pH的增加，檸檬酸淀粉酯的吸水率顯著升高，在pH為3.5時(shí)，達(dá)到最大值643.67%，這是因?yàn)殡S著pH的增加，檸檬酸形成酸酐的條件就越有利，從而有更多的酸酐形成，而獲得更高的吸水率。隨后，吸水率顯著降低，不利于檸檬酸淀粉酯的合成，因?yàn)檫^高的pH值會(huì)直接中和掉檸檬酸，而生成雜質(zhì)檸檬酸鈉。因此，反應(yīng)pH值應(yīng)該控制在3.5左右。

圖4 pH值對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.4 Effection of pH on water absorption of citrate starch

2.5 微波時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

由圖5可以看出，微波處理時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯的吸水率有著顯著的影響，主要原因可以分析是由于兩方面的，一是因?yàn)槲⒉ㄌ幚淼臅r(shí)候，微波的能量能夠?qū)⒌矸垲w粒打出小孔，甚至是讓淀粉形成斷面，從而使淀粉的吸水率增加；二是因?yàn)槲⒉ǖ淖饔米尩矸鄣牧u基暴露出來，從而使酸酐與淀粉更容易反應(yīng)，而使淀粉的吸水率增加。由于這兩個(gè)因素，隨著微波時(shí)間的延長(zhǎng)，檸檬酸淀粉酯的吸水率顯著增加，在7 min的時(shí)候達(dá)到最大值662.5%。而隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，由于微博作用時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致淀粉顆粒的徹底崩潰，而使吸水率顯著降低。

2.6 微波功率對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

由圖6可以看出，微波功率對(duì)檸檬酸淀粉酯的吸水率有著顯著的影響，主要原因是因?yàn)殡S著微波功率的增加，淀粉顆粒的小孔會(huì)隨之增加，使淀粉的比表面積增大，讓更多的羥基暴露出來，而且微波有分子活化的作用，從而使酸酐與淀粉更容易反應(yīng)，而使淀粉的吸水率增加。由于這兩個(gè)因素，隨著微波功率的增加，檸檬酸淀粉酯的吸水率顯著增加，在640 W的時(shí)候達(dá)到最大值690.67%。而隨著微波功率的增加，淀粉顆粒會(huì)徹底崩潰，而且由于微波功率過高，淀粉會(huì)出現(xiàn)糊化的現(xiàn)象，而使吸水率降低。

圖5 微波時(shí)間對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.5 Effection of microwave time on water absorption of citrate starch

圖6 微波功率對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.6 Effection of microwave power on water absorption of citrate starch

2.7 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模型的建立

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面法確定復(fù)配體系最佳工藝條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。采用Design Expert軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得二次多元回歸模型：

Y=761.21+5.11X1-25.54X2+24.60X3+8.26X4+ 39.49X1X2-53.34X1X3-7.54X1X4+37.58X2X3-33.72X2X4+22.15X3X4-105.45X12-103.86X22-101.52X32-60.67X42

由回歸模型的方差分析（表3）可以看出：模型P＜0.000 1，模型極顯著；失擬項(xiàng)P=0.076 7＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著；決定系數(shù)R2為0.945 9，校正系數(shù)Adj R2為0.891 9，該模型能解釋89.19%響應(yīng)值的變化，因而該模型擬合程度良好，實(shí)驗(yàn)誤差小。且該回歸模型一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交互項(xiàng)中的X1X2、X1X3、X2X4、X3X4均表現(xiàn)出顯著水平。各因素對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響依次為微波時(shí)間＞反應(yīng)時(shí)間＞反應(yīng)溫度＞pH。

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Result and condition of response surface experiment

2.8 響應(yīng)面分析

根據(jù)回歸方程，獲得反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、溶液pH和微波時(shí)間兩兩相互作用對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，結(jié)果見圖7。

根據(jù)回歸方程預(yù)測(cè)4個(gè)因素對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的響應(yīng)曲面圖7直觀地反映了各因素對(duì)響應(yīng)值的影響，由響應(yīng)曲面和等高線圖以及回歸方程分析可知，響應(yīng)面的坡度越陡說明單因素的交互作用對(duì)類檸檬酸淀粉酯吸水率的影響越顯著[12]。反應(yīng)時(shí)間和pH（圖7（a））的交互作用對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響極顯著（p＜0.01），微波時(shí)間和pH（圖7（c））、微波時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間（圖7（e））、微波時(shí)間和反應(yīng)溫度（圖7（f））交互作用對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響顯著（p＜0.05），反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間（圖7（d））、pH和反應(yīng)溫度（圖7（b））、交互作用對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響不顯著（p＞0.05）。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis for regression model

圖7 響應(yīng)面圖Fig.7 Response surface

2.9 掃描電鏡觀察結(jié)構(gòu)

圖8（a）和（b）所展示的結(jié)構(gòu)特征是原淀粉在放大500倍和放大2 000倍的條件下所拍攝到的，（c）和（d）的結(jié)構(gòu)特征是檸檬酸淀粉酯在放大500倍和放大2 000倍的條件下所拍攝到的。由圖8（b）可以看出，馬鈴薯原淀粉顆粒基本上呈圓形或者橢圓形，表面光滑平整、結(jié)構(gòu)緊密、輪廓清晰。圖8所展示的結(jié)構(gòu)特征是樣品在放大2 000倍的條件下所拍攝到的。由圖8（d）可以看出微波輔助制備的檸檬酸淀粉酯表面被破損的很嚴(yán)重，已經(jīng)沒有了光滑的顆粒，并且大部分的顆粒已經(jīng)完全破損解體了。這說明微波、酯化變性以及高溫反應(yīng)條件會(huì)破壞淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)，表面變得粗糙，從而增加淀粉顆粒表面的比表面積，提高淀粉吸水率。

圖8 原淀粉與檸檬酸淀粉酯的掃描電鏡圖Fig.8 SEM images of starch and citrate starch

3 結(jié)語

微波功率與檸檬酸淀粉酯的吸水率成正比，但微波功率超過640 W時(shí)，淀粉發(fā)生糊化甚至變褐；酯化劑的添加量對(duì)檸檬酸淀粉酯吸水率的影響不顯著，但pH值、微波時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)其均有一定影響；實(shí)驗(yàn)得到制備高吸水性檸檬酸淀粉酯最優(yōu)工藝參數(shù)為反應(yīng)時(shí)間6.12 h（調(diào)整為6.0 h），反應(yīng)溫度為126.28℃（調(diào)整為126℃），反應(yīng)pH為3.48，微波時(shí)間為6.74 min（調(diào)整為7 min）酯化劑添加量為15%，微波功率為640 W，在該條件下檸檬酸淀粉酯吸水率為764.771%，實(shí)際獲取的檸檬酸淀粉酯吸水率為760.83%，通過掃描電鏡可以看出淀粉的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用微波輔助干法制備高吸水率檸檬酸淀粉酯是可行的。

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Optimized Production of the Highly Moisture-Absorbing Citrate Starch by the Utilization of Microwave-Ass

ZHOU Mei1， LU Jun2， NIU Lili1， WANG Tingting1， ZHANG SHenggui*1
（1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.College of Physics，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China）

It is known from single factor test that reaction temperature，reaction time，pH value，concentration of citric acid，microwave time and microwave power all affect the water absorption ratio of the citrate starch.Four main factors was selected to carry out the response surface methodology analysis baesd on the single factor test.The results show that at the following conditions：pH 3.48，reaction temperature 126℃，reaction time 6.0 h，microwave reaction time 7min，addition amount of citric acid 15%and reaction of microwave power 640 W，the water absorption ratio of the prepared citrate starch reaches 760.83%.The relative error is 0.518% compared with predicted value 764.771%.There is no significant deference between the predicted and the experiment value，which indicates that the degree of fitting was good.

potato starch，microwave，esterification，water absorption ratio

TS 236.9

A

1673—1689（2015）07—0756—08

2014-09-07

甘肅省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（GNCX-2012-43）。

*通信作者：張盛貴（1970—），男，甘肅景泰人，農(nóng)學(xué)博士，教授，主要從事食品科學(xué)研究。E-mai：zhangshenggui@gsau.edu.cn