张正茂 1，阚 玲 2
（1.湖北工程学院生命科学技术学院，特色果蔬质量安全控制湖北省重点实验室，湖北 孝感 432000；2.湖北工程学院图书馆，湖北 孝感 432000）
摘 要：采用行星式球磨机对玉米淀粉进行机械活化，再与辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）发生酯化反应制备OSA淀粉酯。研究机械活化时间、反应温度、反应体系pH值、淀粉乳质量分数、反应时间因素对玉米淀粉酯化反应的影响，并采用二次回归正交旋转组合设计方法和响应面分析对制备条件进行优化。结果表明，机械活化对玉米淀粉OSA酯化反应有明显的增强作用，且反应不受pH值的影响；得到最优工艺条件为机械活化10 h、反应温度33.1 ℃、pH 8.45、淀粉乳质量分数12.2%、反应时间3 h，在此条件下制得机械活化辛烯基琥珀酸淀粉酯的平均取代度为0.020 3。
关键词：玉米淀粉；机械活化；辛烯基琥珀酸酯化；响应面分析
辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）淀粉酯是一类酯化改性淀粉，于1953年被美国的Caldwell等 [1]首次制备出来，并申请了专利。由于OSA淀粉酯具有较好的乳化性，广泛用于水包油和油包水的乳化体系 [2-3]，且此种酯化淀粉的安全性较高，用于婴幼儿食品已经40多年，是各国极力发展的变性淀粉之一 [4]。由于OSA在水中的溶解度较低，反应体系属于两相体系，淀粉颗粒从表面到内部有很多的狭小通道，只有当粒子的粒径小于50 nm才能通过这样的通道，因此必须使OSA溶解或分散成小滴才能使OSA渗透到颗粒内部发生反应，否则就只能在颗粒表面发生极有限的反应 [5]。
目前，OSA淀粉酯的制备主要采用水相法，需要使用NaOH等碱性物质，使OSA开环溶解并同时与淀粉发生取代反应。在反应过程对pH值有较高的要求，若碱性太弱不足以使OSA开环，碱性太强也会发生副反应，降低取代度（degree of substitution，DS）。因此，如何使淀粉更易与辛烯基琥珀酸酐发生酯化反应是目前研究的热点。目前在OSA淀粉酯的研究方面主要集中在制备和理化特性的影响，其主要原料包括糯玉米淀粉 [6-8]、甜玉米淀粉 [8]、籼米淀粉 [6,9]、碎米淀粉 [10]、小麦淀粉 [6,11]、甘薯淀粉 [12]和马铃薯淀粉 [6,13]，而机械活化玉米淀粉的辛烯基琥珀酸酯化改性研究还未见报道。
采用机械活化对淀粉进行预处理可使淀粉的晶体结构发生破坏，物化性能发生改变 [14-15]，部分机械能转化为内能，从而引起淀粉的化学活性增加 [16-19]。本实验以玉米淀粉为原料，先经过机械活化，再与OSA发生酯化反应，研究酯化时间、反应温度、反应体系pH值、淀粉乳质量分数各因素对机械活化的玉米淀粉酯化改性的影响，并采用二次回归正交旋转组合设计优化工艺条件，以便为OSA淀粉酯的制备提供新方法。
1.1 材料与试剂
食用级玉米淀粉 北京闵松经贸有限公司；异丙醇（分析纯） 烟台三和化学试剂有限公司；OSA（99.9%） 江苏华麟化工有限公司。
1.2 仪器与设备
BXQM-2L型变频行星式球磨机 南京特伦新仪器有限公司；JJ-1型定时电动搅拌器 江苏省金坛市金城国胜实验仪器厂；TDL-5-A飞鸽牌系列离心机 上海安亭科学仪器厂；PB-10型pH计 赛多利斯科学仪器（北京）有限公司。
1.3 方法
1.3.1 机械活化淀粉的制备
将含水量为8.5%玉米淀粉40 g放入球磨机的研磨罐中，加入一定量的磨球（105 g（2 cm）＋60 g（1 cm）＋30 g（3 mm）），球磨机转速450 r/min，机械活化不同时间。得到不同时间（1、5、10、25、50 h）的机械活化玉米淀粉，密封备用。
1.3.2 OSA淀粉酯的制备
将一定量的玉米淀粉和机械活化玉米淀粉加入500 mL烧杯中，加蒸馏水，配制成不同质量分数的淀粉溶液，使总质量为100 g，放入一定温度的水浴锅中，开启搅拌器，用2% NaOH溶液调节所需pH值后，缓慢滴加OSA（淀粉干基质量的3%），在1.5 h内加完，继续反应到所需时间。反应完毕后，用3%的HCl溶液调pH 6.5，天然淀粉直接离心（2 000×g，下同），加80%乙醇溶液洗3 次（离心），水洗1 次（离心）；机械活化淀粉加入无水乙醇使得乙醇体积分数达到80%（沉淀溶解的淀粉），离心后，加80%乙醇溶液洗3 次，离心。取下层湿淀粉于40 ℃干燥12 h，粉碎过160 目筛备用。
1.3.3 DS的测定
DS的测定参考文献[4]、[20]的方法。精确称取5 g淀粉（干基），加入25 mL 2.5 mol/L的盐酸-异丙醇溶液，持续搅拌30 min，然后加入90%异丙醇溶液，搅匀后再搅拌10 min，再用砂芯漏斗过滤（G2型号），用90%的异丙醇洗涤至滤液无Cl —为止（用0.1 mol/L AgNO 3溶液检验）。淀粉用300 mL蒸馏水溶解，放入沸水浴中加热20 min，冷却至室温后用0.1 mol/L的标准NaOH溶液滴定至终点（用1%的酚酞作指示剂），空白用对应的未改性的淀粉按上述方法测定。DS通过以下公式计算：
式中：V为滴定耗用NaOH溶液的体积/mL；M为滴定用NaOH溶液的物质的量/（mol/L）；m为改性淀粉的质量/g。
1.3.4 单因素试验
1.3.4.1 机械活化时间对DS的影响
以反应温度35 ℃、反应体系pH 8.5、淀粉乳质量分数12.5%、反应时间3 h为固定条件，研究机械活化时间（0（即原淀粉）、1、5、10、25、50 h）对酯化反应的影响。
1.3.4.2 反应温度对DS的影响
以机械活化时间10 h、反应体系pH 8.5、淀粉乳质量分数12.5%、反应时间3 h为固定条件，研究反应温度（25、30、35、40、45 ℃）对酯化反应的影响。
1.3.4.3 反应体系pH值对DS的影响
以机械活化时间10 h、反应温度35 ℃、淀粉乳质量分数12.5%、反应时间3 h为固定条件，研究反应体系pH（7.5、8.0、8.5、9.0和9.5）对酯化反应的影响。
1.3.4.4 淀粉乳质量分数对DS的影响
以机械活化时间10 h、反应温度35 ℃、反应体系pH 8.5、反应时间3 h为固定条件，研究淀粉乳质量分数（7.5%、10%、12.5%、15%和17.5%）对酯化反应的影响。
1.3.4.5 反应时间对DS的影响
以机械活化时间10 h、淀粉乳质量分数12.5%、反应温度35 ℃、反应体系pH 8.5为固定条件，研究反应时间（1、2、3、4、5 h）对酯化反应的影响。
1.3.5 二次回归正交旋转组合设计
为获取机械活化玉米淀粉辛烯基琥珀酸酯化改性的最优制备工艺条件，在单因素试验的基础上，以反应温度、反应体系pH值和淀粉乳质量分数为自变量，采用二次回归正交旋转组合设计（表1），得到回归方程后预测最优制备工艺条件。
表 1 二次回归正交旋转组合设计因素水平表
Table 1 Factors and levels used in quadratic regression orthogonal rotation design
水平X 1反应温度/℃X 2反应体系pHX 3淀粉乳质量分数/% -1.68226.597.668.3 -1308.010 0 358.512.5 1 409.015 1.68243.419.3416.7
1.4 数据分析
采用SASv 8.1软件进行分析，用ANOVA和RSREG进行方差分析和回归分析，显著性检验方法为Duncan，检测限为0.05。有关数据为3 次以上平均值。采用G3D和GCONTOUR作响应面和等高线图。
2.1 酯化改性的各因素对玉米淀粉DS的影响
2.1.1 机械活化时间对酯化改性的影响
图 1 机械活化时间对DS的影响
Fig.1 Effect of mechanical activation time on DS
由图1可知，当玉米淀粉先机械活化0～10 h再OSA改性，其DS随机械活化时间的延长而显著增加（P＜0.05），但当机械活化时间大于10 h时（即25 h和50 h），其OSA改性淀粉的DS增加不明显。OSA酯化反应主要发生在淀粉颗粒表面的无定形区 [21]。Zhang Zhengmao等 [15]研究发现，随着机械活化时间的延长，玉米淀粉的结晶度和分子质量减小、冷水溶解率增大，使淀粉在水中的扩散增强且易受酸酐攻击的羟基增加，有利于OSA酯化反应的进行。当机械活化时间进一步延长，淀粉晶体结构基本消失，无明显变化，从而导致DS不再增大。
2.1.2 反应温度对酯化反应的影响
图 2 反应温度对DS的影响
Fig.2 Effect of reaction temperature on DS
由图2可知，机械活化玉米淀粉的OSA酯化改性的DS先随反应温度的升高而增大，当温度从25 ℃升高到35 ℃时，DS从0.018 4增大到0.019 8，温度达到35 ℃时，此时酯化反应的DS最大。当反应温度进一步从35 ℃升高到45 ℃时，DS又会减小到0.018 4。随着反应温度的升高，增强了OSA分子向玉米淀粉颗粒的扩散，也增大了淀粉的膨胀度，从而使反应速率增加。但温度进一步地升高又会增大OSA分子在水相中的溶解度和水解反应，从而减小了酯化反应的速率 [4,22-23]，因此酯化反应的温度宜控制在35 ℃左右。
2.1.3 反应体系pH值对酯化改性的影响
图 3 反应体系pH值对DS的影响
Fig.3 Effect of pH on DS
NaOH作为催化剂，在反应过程中起着调节反应体系pH值的作用，它促使淀粉分子产生烃氧化物 [24]，而烃氧化物再与OSA分子发生酯化反应。对于未经过机械活化的淀粉，OSA改性在反应体系的pH值为8.5时DS达到最大。当pH值小于8.5时，淀粉分子的烃基不能充分地被激活用于酸酐分子的亲和攻击，当pH值大于8.5时酸酐发生水解而不利于反应的进行 [23]。而对于机械活化10 h的玉米淀粉而言，pH值对DS的影响不显著（图3），这说明pH值为7.5～9.5时，机械活化10 h玉米淀粉分子具有足够的活性羟基用于酯化反应，而不依赖碱性物质的活化作用，即对pH值不敏感。这一结果与机械活化大米淀粉的报道 [19]是一致的。
2.1.4 机械活化淀粉乳质量分数对酯化改性的影响
图 4 淀粉乳质量分数对DS的影响
Fig.4 Effect of starch slurry concentration on DS
由图4可知，当机械活化玉米淀粉乳的质量分数从7.5%增加到12.5%时，DS从0.0167增大到0.0195，10%和12.5%的差异不显著。当淀粉乳质量分数超过12.5%后酯化淀粉的DS又显著下降，由此得出，当玉米淀粉乳质量分数为12.5%时OSA酯化改性的DS达到最大值。在反应过程中，OSA不被水溶解，淀粉的酯化反应是一个多相的反应体系。随着淀粉乳质量分数的增大，淀粉与OSA的接触机会增多，从而使反应的DS增大。当质量分数再次增大时会使反应剂的扩散越来越困难，反应物的接触机会减少，从而使淀粉的酯化反应减少并减慢 [23]。机械活化后的玉米淀粉冷水溶解度增大，其黏度也增大，致使质量分数大于15%的淀粉乳搅拌困难，从而DS减小。
2.1.5 反应时间对酯化改性的影响
图 5 反应时间对DS的影响
Fig.5 Effect of reaction time on DS
由图5可知，机械活化玉米淀粉的OSA酯化反应时间1～3 h时，DS增加到最大（0.019 8），当反应时间从3～5 h时DS变化不显著（P＞0.05）。随着反应时间的延长，反应剂中辛烯基琥珀酰的数目不断增加，从而促进反应剂和淀粉分子的扩散和吸附。但随着反应时间的延长，酯化反应和水解反应不断把OSA耗尽，从而导致酯链的水解等副反应占主要地位 [22-23]。因此选择反应时间应控制在3 h为宜。
2.2 OSA-淀粉酯制备工艺的优化
表 2 二次回归正交旋转组合设计及结果
Table 2 Quadratic regression orthogonal rotation design and experimental results
试验号X 1反应温度/℃ X 2反应体系pHX 3淀粉乳质量分数/%y DS 1-1-1-10.018 8 2-1-110.018 5 3-11-10.018 1 4-1110.018 7 5 1 -1-10.018 0 6 1 -110.017 5 7 1 1 -10.018 3 8 1 1 1 0.016 8 9-1.682000.018 8 101.682000.017 7 110-1.68200.018 4 1201.68200.018 3 1300-1.6820.018 4 14001.6820.017 4 150000.019 5 160000.019 5 170000.019 5 180000.020 0 190000.019 4 200000.019 8 210000.020 0 220000.019 2 230000.019 9
根据单因素的试验结果，选择反应温度、反应时间、反应体系pH值作为正交反应的变量，以DS为优化指标，采用二次回归正交旋转组合设计方法及响应面分析对机械活化10 h的玉米淀粉制备OSA淀粉酯的工艺条件进行优化。二次回归正交旋转组合设计试验，结果见表2。
采用SAS RSREG程序对所得数据进行回归分析和响应面分析，其回归分析结果如表3所示，响应面和等高线图如图6所示：3 个因素对酯化反应取代度的影响程度顺序依次为：反应温度＞淀粉乳质量分数＞反应体系pH值，其中反应温度影响极显著（P＜0.01）、淀粉乳质量分数影响显著（0.01≤P≤0.05）、而反应体系pH值对DS影响不显著（P＞0.05），三因素的交互作用只有反应温度和淀粉乳质量分数有显著影响（0.01≤P≤0.05），从等高线图（图6）也可以看出。等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，越接近圆形，交互作用越弱 [25]。由图6可知，反应温度和淀粉乳质量分数（X 1、X 3）的响应面图的等高线两因素相交部分为椭圆，代表两者之间有交互作用，而反应温度和反应体系pH值（X 1、X 2）及反应体系pH值和淀粉乳质量分数（X 2、X 3）的等高线近似为圆形，即交互作用不明显。
表 3 回归方程的显著性检验
Table 3 Significance test of regression coefficients
参数系数t值P值常数0.019 649186.53＜0.000 1 X 1-0.000 402-4.70.000 4 X 2-0.000 0917-1.070.303 4 X 3-0.000 252-2.950.011 3 X 1 2-0.000 496-6.26＜0.000 1 X 1X 20.000 0200.180.860 8 X 2 2-0.000 454-5.72＜0.000 1 X 1X 3-0.000 298-2.660.019 6 X 2X 3-0.000 0025-0.020.982 5 X 3 2-0.000 630-7.95＜0.000 1
图 6 响应面和等高线图
Fig.6 Response surface and contour plots
解得：X 1=-0.374，X 2=-0.109，X 3=-0.111。则最优工艺条件为：反应温度T=35＋5X 1=33.1 ℃；反应体系pH=8.5＋0.5X 2=8.45；淀粉乳质量分数C=12.5＋2.5X 3=12.2%。
在此最优工艺条件下3 次重复实验制备的酯化淀粉的DS分别为0.020 3、0.020 6和0.019 9，平均值为0.020 3。
各因素经回归拟合后，解得回归方程为：y=0.019 649-0.000 402X 1-0.000 091 7X 2-0.000 252X 3-0.000 496X 1X 1＋0.000 020 0X 1X 2-0.000 454X 2X 2-0.000 298X 1X 3-0.000 002 5X 2X 3-0.000 63X 3X 3。将该方程两边分别乘以10 4，然后分别对X 1、X 2、X 3求偏导数并令其各自都为零。
-4.02＋2×4.96X 1＋0.20×X 2-2.98X 3=0
-0.917＋0.20X 1-2×4.54X 2-0.025X 3=0
-2.52-2.98X 1-0.025X 2-2×6.3X 3=0
玉米淀粉经机械活化处理后，由于其结晶度下降、分子质量减小，使具有活性的羟基暴露，有利于OSA的酯化改性。除反应体系pH值外，淀粉乳的质量分数、反应温度等对玉米淀粉OSA改性的DS均有一定的影响，其影响程度依次为：反应温度＞淀粉乳质量分数＞反应体系pH值。经单因素和二次回归正交旋转组合设计试验，得出制备高DS机械活化辛烯基琥珀酸淀粉酯的最优工艺条件为：机械活化10 h、反应温度33.1 ℃、反应体系pH 8.45、淀粉乳质量分数12.2%、反应时间3 h，在此条件下制得机械活化辛烯基琥珀酸淀粉酯的平均DS为0.020 3。
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Synthesis of Octenyl Succinic Esters of Mechanically Activated Corn Starch
ZHANG Zhengmao
1, KAN Ling
2
(1. Hubei Key Laboratory of Quality Control of Characteristic Fruits and Vegetables, College of Life Science and Technology, Hubei Engineering University, Xiaogan 432000, China； 2. Library of Hubei Engineering University, Xiaogan 432000, China)
Abstract：Corn starch was mechanically activated by ball milling (rolling-type) and then esterified by octenyl succinic anhydride (OSA) in aqueous slurry systems. The process of esterification was studied with respect to the time of mechanical activation, reaction temperature, pH, starch slurry concentration and reaction time. The optimum reaction conditions were determined by the quadratic regression orthogonal rotation design and response surface methodology. The results indicated that the mechanical activation considerably enhanced the esterification of corn starch and the esterification showed a low sensitivity to pH changes. The optimum reaction conditions were determined as follows: mechanical activation time, 10 h；the concentration of activated starch, 12.2%； reaction temperature, 33.1℃, reaction system pH, 8.45； and reaction time, 3 h. Under these conditions, the degree of substitution of mechanical activation starch obtained was 0.020 3.
Key words：corn starch； mechanical activation； OSA； response surface methodology
中图分类号：TS236.9
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2015）08-0086-06
doi：10.7506/spkx1002-6630-201508015
收稿日期：2014-08-10
基金项目：湖北工程学院科学研究项目（201502）
作者简介：张正茂（1979—），男，讲师，博士研究生，研究方向为淀粉改性。E-mail：maomaoz@126.com