羥丙基和羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉的制備

劉 潔，項寬寬，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]，開展改性研究將有助于擴大豌豆淀粉在工業(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氧原子連接起來的淀粉衍生物,增強了糊液黏度的穩(wěn)定性，在強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、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點[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，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[10]，豌豆淀粉經(jīng)羥丙基化后，抗性淀粉含量達到32.7%，起始糊化溫度下降了11～18 ℃，峰值黏度增加了74%～109%[11]。對淀粉進行羥丙基羧甲基復(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、流動性和成膜性能好、黏結(jié)力強的膠黏劑[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題[13，15]。作者通過對豌豆淀粉進行羥丙基化復(fù)合、羧甲基化改性引入羥丙基基團提高豌豆淀粉的穩(wěn)定性，引入羧甲基基團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)，通過單因素及正交試驗對制備羥丙基羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉的工藝進行優(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、電子分析天平：梅特勒-托利多國際有限公司；紫外可見光分光光度計：日本島津儀器有限公司；磁力攪拌器、數(shù)顯攪拌器：德國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 TA公司；快速黏度測定儀：瑞典Perten公司。

1.3 試驗方法

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)量分數(shù)80%的乙醇混合，配制成一定質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為12%的淀粉乳，恒溫攪拌，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氯離子，再用無水乙醇脫水2次，最后將濾餅置于50 ℃的烘箱中干燥24 h，過100目篩，即可得到成品。

1.3.2 單因素試驗

控制單因素基礎(chǔ)條件：羥丙基化反應(yīng)體系淀粉乳質(zhì)量分數(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)時間(H2)3 h。單因素試驗因素與水平見表1。

表1 單因素試驗因素與水平

1.3.3 羥丙基取代度的測定[16]

羥丙基的質(zhì)量分數(shù)參照GB 29930—2013 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 羥丙基淀粉》測定。羥丙基取代度(MS)用式(1)計算。

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

1.3.4 羧甲基取代度和反應(yīng)效率的測定[17]

羧甲基的質(zhì)量分數(shù)(WC)參照GB/T20375—2006 《變性淀粉 羧甲基淀粉中羧甲基含量的測定》進行測定。羧甲基取代度(DS)用式(2)計算。

式中：Wc為羧甲基的質(zhì)量分數(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)的計算用式(3)計算。

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

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，固定羥丙基化反應(yīng)體系淀粉質(zhì)量分數(shù)，對其他8個因素進行八因素四水平的正交試驗，確定最優(yōu)的制備工藝。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)均為3次測定結(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)量分數(shù)對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對MS、DS及RE的影響如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)?shù)矸廴橘|(zhì)量分數(shù)為25%～45%時，MS與DS 均表現(xiàn)出先增高后下降的趨勢。DS隨著MS的升高而升高，RE呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并在40%處達到最高點。RE的變化趨勢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)量分數(shù)40%作為最佳參數(shù)。

圖1 羥丙基淀粉乳質(zhì)量分數(shù)對MS、DS及RE的影響

2.2 環(huán)氧丙烷用量對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

環(huán)氧丙烷用量對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)氧丙烷對淀粉的滲透作用增強，有利于反應(yīng)的進行，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MS、DS及RE的影響

2.3 羥丙基化NaOH用量對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基化NaOH用量對復(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。 隨著堿量的提升，大量的氫氧根離子破壞了淀粉顆粒無定形區(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)堿量達到5%時，催化劑過剩，環(huán)氧丙烷相對不足，導(dǎo)致環(huán)氧丙烷自聚作用增強，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MS、DS及RE的影響

2.4 羥丙基化溫度對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基化溫度對MS、DS及RE的影響如圖4所示。當(dāng)反應(yīng)溫度為35～55 ℃時，MS先上升，在55 ℃后趨勢平緩；DS先上升，在40 ℃后趨于平緩，RE與DS變化趨勢相一致。分子熱運動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，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 羥丙基化時間對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

羥丙基化時間對MS、DS及RE的影響如圖5所示。當(dāng)羥丙基化反應(yīng)時間為8～16 h時，MS緩慢增加，當(dāng)達到20 h時，MS顯著提高，在20～24 h過程中曲線平緩，增量不大。DS隨著反應(yīng)時間的延長逐漸升高，20 h時到達最高點，之后趨勢保持平緩。RE的變化趨勢同DS曲線趨勢相似。原因是更長的反應(yīng)時間增強了淀粉的醇堿處理強度，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)時間20 h作為最佳參數(shù)。

圖5 羥丙基化時間對MS、DS及RE的影響

2.6 n(NaOH)∶ n(AGU)對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

n(NaOH)∶n(AGU)對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，DS則持續(xù)下降。RE與DS曲線趨勢一致，先升高后降低，在3.75處達到最大值。MS在變量影響下無顯著改變。堿量的增加對淀粉顆粒的侵蝕作用加強，更多的分子鏈暴露，導(dǎo)致烷氧基負離子與氯乙酸的質(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MS、DS及RE的影響

2.7 n(MCA)∶ n(AGU)對復(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，分別在n(MCA)∶n(AGU)為2和1.5時達到最高點。在堿量不變的情況下，提高氯乙酸的用量可以促進氯乙酸鈉的形成，使淀粉烷氧基陰離子與氯乙酸鈉有效碰撞次數(shù)提高，促進主反應(yīng)的進行。在堿性條件下，當(dāng)過量的氯乙酸存在時，體系更傾向于向副反應(yīng)方向進行，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顯著改變。RE與DS曲線趨勢一致，隨著溫度的上升而逐漸上升，當(dāng)溫度達到55 ℃時RE趨于平緩。升溫使烷氧基陰離子活性提高，分子動能的提升使質(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 羧甲基化時間對復(fù)合醚化反應(yīng)的影響

由圖9可知，DS隨著反應(yīng)時間的延長呈現(xiàn)出先升高后平緩的趨勢，在3 h左右反應(yīng)達到限值，隨后趨勢保持平緩。MS在變量影響下無顯著改變。RE與DS變化趨勢一致，均表現(xiàn)為先升高后平緩。隨著反應(yīng)時間的延長，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，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)時間繼續(xù)增加時，RE與DS均沒有明顯的增大。因此，選擇羧甲基化時間3 h作為制備工藝的最佳參數(shù)。

2.10 正交優(yōu)化試驗結(jié)果與討論

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

表2 正交試驗因素與水平

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。由于試驗工藝的特殊性，正交考慮了所有因素對每個指標(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)，對羧甲基化最優(yōu)組合E3F2G4H1及E2F1G4H4進行驗證，每組平行試驗3次，驗證結(jié)果見表4。

表3 正交試驗結(jié)果

續(xù)表3

表4 驗證試驗結(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

對羥丙基和羧甲基復(fù)合醚化豌豆淀粉的制備進行了研究。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)量分數(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)時間5 h。制備的樣品MS達到0.197 9，DS達到0.780 2，羧甲基化反應(yīng)效率78.02%。