正交试验优化交联乙酰化葛根淀粉工艺条件及性能

唐洪波1，董四清1，李艳平1，孙 敏2

(1.沈阳工业大学理学院，辽宁 沈阳 110870；2.沈阳航空航天大学图书馆，辽宁 沈阳 110136)

摘 要：为改善葛根淀粉性能，拓宽应用领域，对葛根淀粉进行交联乙酰化复合改性。采用湿法研究醋酸酐用量、反应温度、反应时间、pH值对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响，从而优化其工艺参数。用红外光谱仪、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)分别对交联乙酰化葛根淀粉的结构与热特性进行了表征与测试。结果表明，制备交联醋酸酯葛根淀粉的最佳工艺条件为：反应温度30℃、反应时间60min、pH8.5。葛根淀粉经交联、乙酰化后，其冻融稳定性、热黏度稳定性、抗酸性、抗碱性增强。葛根淀粉经乙酰化后，其膨胀能力增加，而葛根淀粉经交联后，其膨胀能力降低。与葛根淀粉相比，交联乙酰化葛根淀粉的DSC曲线吸收峰的起始温度、峰值温度、结束温度、焓变降低，但热稳定性增加。

关键词：葛根淀粉；交联；乙酰化；工艺；性能

Optimization of Preparation Conditions for Cross-Linked Acetylated Kudzu Starch by

Orthogonal Array Design and Its Properties

TANG Hong-bo1，DONG Si-qing1，LI Yan-ping1，SUN Min2

(1. School of Science, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China；

2. Library of Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Abstract：Kudzu starch was acetylated and cross-linked to improve its properties and thus broaden its applications. The effect of amount of acetic anhydride, reaction temperature, reaction time and pH on the substitution degree of cross-linked acetylated kudzu starch (CLAKS) was investigated by the wet method to establish the optimum conditions for forming CLAKS. The structure and thermal properties of CLAKS were characterized by infrared spectroscopy (IR), differential scanning calorimeter (DSC) and thermogravimetric analyzer (TGA). The results indicated that the optimum conditions for preparing the modified starch were reaction temperature 30 ℃, reaction time 60 min and pH 8.5. After acetylation and cross-linking, kudzu starch showed improvements in freeze/thaw stability, thermal viscosity stability, acid resistance and alkali resistance. Its swelling powder was increased by acetylation but reduced by cross-linking. DSC analysis showed that the peak onset temperature, peak temperature, peak end temperature and enthalpy change of the modified starch reduced, but its thermal stability increased compared with those of the native starch.

Key words：kudzu starch；cross-linking；acetylation；process；property

中图分类号：TS202.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)18-0103-06

doi:10.7506/spkx1002-6630-201318021

葛根属豆科藤本植物，在我国分布很广，除新疆、西藏外，全国大部分省区均有分布。葛根的主要成分包括淀粉、纤维素、黄酮类物质，是一种开发前景广阔的药、食两用植物[1]。为满足淀粉应用要求，提高其应用品质，可采用不同方法对淀粉进行改性，如酯化、醚化、氧化等，以使其具有不同的性能[2]。交联和酯化是淀粉改性的两种常用方法。与原淀粉相比，交联淀粉具有糊化温度高、冻融稳定性好、抗酸碱性强等特点[3-4]，醋酸酯淀粉具有糊化温度低、黏度大、凝沉性弱、成膜性好等特点[5-6]。而交联乙酰化淀粉兼具交联淀粉与乙酰化淀粉特点，可在保持糊化温度基本不变的情况下，提高乙酰化淀粉冻融稳定性、抗酸性及抗碱性等，更好地适应工业应用要求。本实验以葛根淀粉为原料，三氯氧磷为交联剂，醋酸酐为乙酰化试剂，对葛根淀粉进行交联、乙酰化复合改性，并对其性能进行研究，旨在为葛根淀粉在工业上应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

葛根淀粉 武冈市和鑫农产品有限责任公司；交联葛根淀粉、乙酰化葛根淀粉 实验室自制；盐酸(AR) 沈阳力诚试剂厂；氢氧化钠(AR) 天津市博迪化工有限公司；三氯氧磷(AR) 成都市科龙化工试剂厂；乙酸酐(AR) 辽宁恒星精细化工有限公司；溴化钾(SP) 美国PIKE公司。

1.2 仪器与设备

SHZ-D真空泵 河南凡义市英谷豫华仪器厂；PHS-25酸度计 金坛市大地自动化仪器厂；1010-2烘箱 金坛市大地自动化仪器厂；BS334S电子天平 北京赛斯特仪器有限公司；TDL80-2B离心机 上海安亭科学仪器厂；IRPrestige-21红外光谱仪 日本岛津公司；Q50 V20.10 Build 36热重分析仪、Q20 V24.4 Build 116差示扫描量热分析仪 美国Thermal Analysis公司。

1.3 方法

1.3.1 交联醋酸酯淀粉制备

交联葛根淀粉的制备方法参考文献[7]。准确称取22.6g交联葛根淀粉(沉降体积为0.75mL，含水量为11.42%，三氯氧磷为交联剂，下同)，将其配制成质量分数为40%的淀粉乳，置于四口烧瓶中，搅拌，水浴加热至所需温度后，用质量分数4%氢氧化钠溶液将乳液pH值调至8.5，开始缓慢滴加一定量醋酸酐，并以4%氢氧化钠溶液维持乳液pH值恒定，反应一定时间。反应结束后，用质量分数10%的盐酸将乳液pH值调至6～7，乳液经抽滤得滤饼，滤饼再经洗涤、干燥、粉碎、筛分得交联乙酰化葛根淀粉，备用[8]。制备乙酰化葛根淀粉用的原料淀粉为葛根淀粉，而制备交联乙酰化葛根淀粉用的原料为交联葛根淀粉乙酰化葛根淀粉的制备方法与交联乙酰化葛根淀粉的制备方法相同。

1.3.2 取代度测定

准确称取5g折合成干质量的试样于250mL碘量瓶，加50mL蒸馏水，滴加3滴酚酞，用0.1mol/L氢氧化钠溶液调至微红色不消失，用25mL移液管吸取25mL 0.5mol/L氢氧化钠溶液加入碘量瓶中，盖上瓶塞，搅拌1h后，用少量蒸馏水冲洗瓶塞及内壁，以0.1mol/L盐酸标准溶液滴定至红色消失为终点[9-10]。按式(1)计算乙酰基含量，并代入(2)计算取代度。

(1)

(2)

式中：WAC为乙酰基含量/%；V2为空白消耗盐酸的体积/mL；V1为样品消耗盐酸的体积/mL；C为盐酸标准溶液浓度/(mol/L)；m为绝干样品质量/g；DS为取代度。

1.3.3 单因素及正交试验

设定醋酸酐用量6%(占干交联葛根淀粉质量)、反应温度30℃、反应时间 60min、pH8.5。固定其他条件，分别考察反应温度、pH值、醋酸酐用量对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响。

固定醋酸酐用量6%，设定三因素三水平联葛根淀粉乙酰化正交试验，如表1所示。

表 1 正交试验因素与水平

Table 1 Factors and levels for orthogonal array design

1.3.4 冻融稳定性的测定

以析水率表示。将样品用蒸馏水配成质量分数为4%的乳液，在沸水浴加热糊化15min，然后缓慢冷却至室温。称取一定量的试样于离心管中，并盖紧管盖，称取离心管以及加入样品糊的离心管质量。在温度为－19℃的条件下放置24h后，将离心管置于室温中自然化冻，重复上述条件下冷冻、解冻操作5次，在最后一次自然解冻后，以3000r/min离心20min，称取沉淀物质量，按式(3)计算析水率[11]。

(3)

1.3.5 抗酸、碱性的测定

将样品用蒸馏水配成质量分数为4%的乳液，在沸水浴中加热搅拌至完全糊化后，将糊液放入冷水浴中冷却至室温(25℃)，用旋转黏度计测其黏度。然后用酸或碱将溶液pH值调至3或10，并用玻璃棒搅拌5min，再次用旋转黏度计测定其黏度。平均测定3次并求出平均值。黏度的计算如式(4)所示[12-13]：

η=Kα (4)

式中：η为绝对黏度；K为系数；α为指针读数。

1.3.6 膨胀能力的测定

准确称取绝干样品0.4g于离心管中，加入10mL水在85℃条件下，搅拌加热30min，冷却至室温，然后在3000r/min的转速下离心30min，试管下沉淀部分为膨胀样品，将上层清液分离、置于表面皿中，在105℃干燥180min即得水溶样品量，按式(5)计算膨胀度[14]。

(5)

式中：S为溶解度/%；W为绝干样品质量/g；P为离心后沉淀物质量/g。

1.3.7 热黏度稳定性的测定

称取一定量的样品，加蒸馏水配成质量分数为4%的淀粉乳，置于500mL三口烧瓶中，在沸水浴中加热搅拌10min使样品充分糊化后，测其在95℃条件下保温1h所测得的黏度值，并按式(6)确定样品热黏度稳定性。

黏度稳定性/%=(1－黏度波动率)×100 (6)

黏度波动率按式(7)计算，样品从升到95℃保温开始计时，在95℃保温60、90、120、150、180min测定的黏度值极差与95℃保温1h测定的黏度值比值[15-16]。

(7)

式中：max|η－η’|为分别在95℃保温60、90、120、150、180min 5次测定的黏度值极差/(mPa•s)；η1为95℃保温1h测得样品的黏度值/(mPa•s)。

1.3.8 红外光谱分析

称取少量干燥的样品约1.5mg，置于玛瑙研钵内研磨5～10min，再与150mg左右干燥的溴化钾粉末充分混合，继续研磨2～5min。将研磨后的混合物粉末倒在压模器中，压模制片，取出样品薄片，放入样品架上，置于红外光谱仪上扫描，得红外光谱图。波数范围400～4000cm-1。

1.3.9 热失重(TGA)分析

以Q50热重分析仪对样品的热失重进行分析。测试条件：试样质量为15～16mg，置于密闭铝盒中，升温速率10℃/min，温度范围10～900℃。

1.3.10 差示扫描量热(DSC)分析

以Q20差示扫描量热分析仪对样品的DSC进行分析。测试条件：试样质量为3.0～5.5mg，置于密闭铝盒中，升温速率10℃/min，温度范围10～200℃。

1.3.11 数据统计方法

各组实验数据均做平行样品，用SPSS 11.5进行统计分析。样品之间的显著性差异检验用LSD法(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 反应时间对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

由图1可见，当反应时间小于60min时，随着反应时间延长，交联乙酰化葛根淀粉取代度增加；当反应时间长于60min时，随着反应时间延长，交联乙酰化葛根淀粉取代度略有降低。这说明乙酰基在碱性条件下，易于从淀粉分子上脱落。因此，较适宜反应时间为60min。

图 1 反应时间对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

Fig.1 Effect of reaction time on substitution degree of CLAPS

2.2 反应温度对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

图 2 反应温度对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

Fig.2 Effect of reaction temperature on substitution degree of CLAPS

由图2可见，反应温度对交联葛根淀粉乙酰化反应影响小于反应时间的影响。当反应温度低于30℃时，交联乙酰化葛根淀粉取代度随着反应温度升高而增加；当反应温度高于30℃时，交联乙酰化葛根淀粉取代度随着反应温度升高而降低。其原因可解释为：体系温度升高，分子热运动加快，有利于交联葛根淀粉乙酰化反应，但体系温度升高会使体系乳液黏度因淀粉颗粒膨胀而增加，同时增加了醋酸酐副反应，其结果导致反应温度升高反而使交联乙酰化葛根淀粉取代度降低。本试验结果显示，较适宜的反应温度为30℃。

2.3 pH值对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

图 3 pH值对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

Fig.3 Effect of pH on substitution degree of CLAPS

由图3可知，当pH值小于8.5时，随着pH值增大，交联乙酰化葛根淀粉取代度增加；当pH值大于8.5时，随着pH值增大，交联乙酰化葛根淀粉取代度降低。淀粉乙酰化的机理是淀粉分子在氢氧化钠的作用下先生成淀粉钠盐，然后再与醋酸酐进行乙酰化反应。当体系pH值较小时，体系中淀粉分子在氢氧化钠作用下产生的淀粉钠盐也减少，而导致交联乙酰化葛根淀粉取代度降低；当体系pH值较大时，一方面醋酸酐副反应增加，另一方面也因淀粉颗粒膨胀使体系黏度增加，从而导致醋酸酐分子扩散减慢，其结果导致pH值增加反而使交联乙酰化葛根淀粉取代度降低。因此，较适宜pH值为8.5。

2.4 醋酸酐用量对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

图 4 醋酸酐用量对交联乙酰化葛根淀粉取代度的影响

Fig.4 Effect of amount of acetic anhydride on substitution

degree of CLAPS

由图4可见，随着醋酸酐用量的增加，交联乙酰化葛根淀粉取代度增加。当醋酸酐用量小于6%时，随着醋酸酐用量的增加，交联乙酰化葛根淀粉取代度增加较快；当醋酸酐用量大于6%时，随着醋酸酐用量的增加，交联乙酰化葛根淀粉取代度增加变缓。产生这种现象的原因可解释为：当醋酸酐用量较小时，醋酸酐分子与淀粉分子有效接触增多，从而使交联葛根淀粉乙酰化反应效率较高；当醋酸酐用量较大时，醋酸酐在碱性条件下，副反应增加，而导致交联葛根淀粉乙酰化反应效率下降。本试验醋酸酐用量选6%。

2.5 交联乙酰化葛根淀粉正交试验

表 2 正交试验设计与结果

Table 2 Orthogonal array design and results

由表2可见，制备交联乙酰化葛根淀粉的最佳工艺条件确定为A2B2C2，即反应温度30℃、反应时间60min、pH8.5。影响因素主次顺序依次为：pH值、反应时间、反应温度。在优化工艺条件下，醋酸酐用量6%，制备交联乙酰化葛根淀粉3次，其取代度平均可达0.0584。

2.6 交联、乙酰化对冻融稳定性、膨胀能力与热黏度稳定性影响

交联、乙酰化对葛根淀粉冻融稳定性、膨胀能力与热黏度稳定性影响如表3所示。析水率越大，冻融稳定性越差；反之，析水率越小，冻融稳定性也越好。

表 3 冻融稳定性、膨胀能力与热黏度稳定性

Table 3 Freeze-thaw stability, swelling power and thermal viscosity stability

由表3可知，葛根淀粉经交联、乙酰化后，其冻融稳定性、热黏度稳定性增强，且交联对葛根淀粉的冻融稳定性、热黏度稳定性改善明显。葛根淀粉经乙酰化后，其膨胀能力增大；葛根淀粉经交联后，其膨胀能力降低。交联乙酰化葛根淀粉的冻融稳定性、膨胀能力和热黏度稳定性介于交联葛根淀粉与乙酰化葛根淀粉之间。这说明葛根淀粉的交联、乙酰化复合改性优于葛根淀粉的交联或乙酰化改性。

2.7 交联、乙酰化对抗酸性、抗碱性影响

交联、乙酰化对葛根淀粉抗酸性、抗碱性影响如表4所示。黏度变化越小，抗酸、碱性越强；黏度变化越大，抗酸、碱性也越弱。

表 4 抗酸性、抗碱性

Table 4 Acid resistance and alkali resistance

由表4可知，葛根淀粉经交联、乙酰化后，其抗酸、碱性增强，交联能明显改善葛根淀粉的抗酸、碱性。在酸性条件下，葛根淀粉、交联葛根淀粉、乙酰化葛根淀粉和交联乙酰化葛根淀粉的黏度均降低；在碱性条件下，葛根淀粉、交联葛根淀粉、乙酰化葛根淀粉和交联乙酰化葛根淀粉的黏度均增加。交联乙酰化葛根淀粉的抗酸、碱性介于交联葛根淀粉与乙酰化葛根淀粉之间。交联使葛根淀粉黏度降低，但乙酰化使葛根淀粉黏度增加。因此交联乙酰化淀粉可应用于交联淀粉和乙酰化淀粉应用效果欠佳的场合。

2.8 红外光谱

葛根淀粉、交联乙酰化葛根淀粉(沉降积0.75mL，取代度0.0585，以下均同)的红外光谱如图5所示。

a. 葛根淀粉；b. 交联乙酰化葛根淀粉。

图 5 葛根淀粉、交联乙酰化葛根淀粉的红外光谱

Fig.5 IR spectra of kudzu starch and CLAPS

由图5可见，葛根淀粉、交联乙酰化葛根淀粉在波数3440cm-1处有典型吸收带，为羟基伸缩振动吸收峰；在波数2930cm-1处的吸收峰为亚甲基C—H的伸缩振动峰；在波数1375、1460cm-1的吸收峰为亚甲基C—H的弯曲振动峰；在波数1155cm-1的吸收峰为C—O—C键的伸缩振动峰；在波数1724cm-1处吸收峰为羰基特征吸收峰。在波数1010cm-1处吸收峰为P—O—C键的特征吸收峰，说明交联乙酰化葛根淀粉中有乙酰基和P—O—C基团。

2.9 DSC与TGA

葛根淀粉和交联乙酰化葛根淀粉的DSC、TGA曲线如图6、7所示。

a. 葛根淀粉；b. 交联乙酰化葛根淀粉。

图 6 葛根淀粉和交联乙酰化葛根淀粉的DSC曲线

Fig.6 DSC curves of kudzu starch and CLAPS

a. 葛根淀粉；b. 交联乙酰化葛根淀粉。

图 7 葛根淀粉和交联乙酰化葛根淀粉的TGA曲线

Fig.7 TGA curves of kudzu starch and CLAPS

由图6可见，葛根淀粉经交联乙酰化后，其吸收峰的起始温度、峰值温度、结束温度、焓变均发生了变化，其结果如表5所示。由图7可见，葛根淀粉在283.25～355.13℃之间出现明显质量损失，而交联乙酰化葛根淀粉在301.37～327.14℃之间出现明显质量损失。当温度达到600℃时，葛根淀粉和交联乙酰化葛根淀粉质量残余率分别为8.2%和11.7%。由此说明，葛根淀粉经交联乙酰化后，热稳定性增加。

表 5 起始温度、峰值温度、结束温度与焓变

Table 5 Onset temperature, peak temperature, end temperature and enthalpy change

由表5可知，交联乙酰化葛根淀粉的起始温度、峰值温度、结束温度和焓变均小于葛根淀粉。说明交联、乙酰化对葛根淀粉相态稳定影响明显。

3 结 论

3.1 本实验以葛根淀粉为原料，三氯氧磷为交联剂，醋酸酐为乙酰化试剂，对葛根淀粉进行交联乙酰化复合改性时，交联葛根淀粉乙酰化反应的最佳工艺条件为：反应温度30℃、反应时间60min、pH8.5。影响因素主次顺序依次为：pH值＞反应时间＞反应温度。

3.2 葛根淀粉经交联、乙酰化后，其冻融稳定性、热黏度稳定性、抗酸性、抗碱性增强，且交联对葛根淀粉的冻融稳定性、热黏度稳定性、抗酸性、抗碱性改善明显。葛根淀粉经乙酰化后，其膨胀度增大，而葛根淀粉经交联后，其膨胀能力降低。交联乙酰化葛根淀粉的冻融稳定性、膨胀能力、热黏度稳定性、抗酸性、抗碱性介于交联葛根淀粉与乙酰化葛根淀粉之间。

3.3 葛根淀粉经交联乙酰化改性后，其DSC曲线的峰起始温度、峰值温度、结束温度和焓变降低，但热稳定性增加。

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