高 艷 蔣利麗 楊文靜 汪 蘭

(湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所1，武漢 430064)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院2，武漢 430070)

月桂酸玉米淀粉酯的合成工藝研究

高 艷1，2蔣利麗1楊文靜1汪 蘭1

(湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所1，武漢 430064)

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院2，武漢 430070)

以玉米淀粉與月桂酸為原料，脂肪酶為催化劑，干法制備了低取代度的月桂酸玉米淀粉酯。以取代度和特性黏度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)影響月桂酸玉米淀粉酯合成的因素:反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、水分添加量、脂肪酶添加量和月桂酸添加量進(jìn)行研究。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了4因素3水平的正交試驗(yàn)。用DPS軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得出了月桂酸玉米淀粉酯合成的最佳工藝條件:以20 g淀粉干基計(jì)，月桂酸添加量5%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反應(yīng)時(shí)間3 h，溫度60℃。

月桂酸玉米淀粉酯 取代度 特性黏度

淀粉分子中具有許多醇羥基，能通過(guò)這些羥基的反應(yīng)生成酯類(lèi)衍生物［1］。酯類(lèi)衍生物即酯化淀粉，因與一些應(yīng)用性能優(yōu)越的酯化劑反應(yīng)，其既具有淀粉和酯化劑的綜合性能，又具有二者不具有的某些特性，可用作食品行業(yè)，紡織，造紙等行業(yè)的原材料，對(duì)環(huán)境無(wú)不利影響，所以酯化淀粉很有開(kāi)發(fā)價(jià)值［2］。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)鏈脂肪酸淀粉酯(一般指脂肪鏈在C8以上的脂肪酸淀粉酯)具有特殊的熱塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性，它們作為多種石油化工產(chǎn)品的代用品越來(lái)越受重視［3］。

關(guān)于酯化淀粉的研究已有許多文獻(xiàn)報(bào)道，但是國(guó)內(nèi)外對(duì)月桂酸酯化淀粉的研究報(bào)道甚少。目前國(guó)外報(bào)道制備月桂酸玉米淀粉酯的方法主要是有機(jī)溶劑法［4］，采用的酯化劑一般為月桂酰氯［5］，用堿(Na2HPO4、K2CO3等)作為催化劑［4］。本試驗(yàn)采用干法，以月桂酸作酯化劑，脂肪酶作催化劑，制備了低取代度的月桂酸酯化淀粉，并對(duì)其制備工藝進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料和試劑

玉米淀粉:河北玉峰淀粉糖業(yè)集團(tuán)有限公司;月桂酸(AR):天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;脂肪酶(豬胰):合肥博美生物科技有限公司;氫氧化鈉、鹽酸、95%乙醇、無(wú)水乙醇、二甲亞砜等化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)儀器

DF－101S智能集熱式恒溫水浴:鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司;JJ－1精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器、HJ－3數(shù)顯恒溫磁力攪拌器、SHA－C恒溫振蕩器:常州國(guó)華電器有限公司;SYP型智能玻璃恒溫水浴:鞏義市予華儀器有限公司;DHG－9070電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海索譜儀器有限公司;SHZ－D(Ⅲ)型循環(huán)水式真空泵:上海東璽制冷儀器設(shè)備有限公司;烏氏毛細(xì)管黏度計(jì)(毛細(xì)管內(nèi)徑0.5－0.6 mm):國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 月桂酸淀粉酯的制備

稱(chēng)取10 g月桂酸于100 mL的燒瓶中，60℃水浴融化后，加入20 g淀粉和0.25 g脂肪酶，再加30%的去離子水(以淀粉的質(zhì)量為基準(zhǔn))，在60℃下恒溫反應(yīng)24 h。反應(yīng)完成后，加入一定量95%的乙醇浸泡10 min，然后抽濾，并用60℃的熱乙醇洗滌，以除去未反應(yīng)的月桂酸。將產(chǎn)品置于恒溫干燥箱中，在50℃下烘干，105℃下烘至恒重，冷卻后裝入密封樣品袋中備用。

1.3.2 取代度的測(cè)定［6］

稱(chēng)取1.50 g烘干樣品于250 mL碘量瓶中，加入25 mL蒸餾水，5 mL無(wú)水乙醇，25 mL的0.25 mol/L NaOH溶液，常溫振蕩60 min。取出，滴加1～2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L的HCl溶液滴定，至溶液粉紅色剛好消失，記錄所用HCl溶液體積為V1;

空白試驗(yàn):稱(chēng)取1.50 g烘干原淀粉，操作步驟同上，記錄用去0.1 mol/L HCl溶液的體積V0，取代度(DS)計(jì)算公式如下:

式中:m為樣品的質(zhì)量/g;c為HCl溶液濃度/mol/L。

1.3.3 特性黏度的測(cè)定［2］

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.2 g絕干的淀粉樣品于燒杯中，加入30 mL二甲亞砜溶解，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，用二甲亞砜定容至刻度，搖勻，備用。

取10 mL淀粉樣品的二甲亞砜溶液(濃度為c0)加入烏氏黏度計(jì)中，測(cè)其流出時(shí)間t1，然后逐次加入5、5、10、10 mL 二甲亞砜，混合均勻，此時(shí)淀粉溶液濃度依次為2/3 c0、1/2 c0、1/3 c0、1/4 c0，分別測(cè)定流出時(shí)間為 t2、t3、t4、t5。測(cè)定二甲亞砜的流出時(shí)間 t0。

計(jì)算相對(duì)黏度ηr和增比黏度ηsp，公式分別如下:

分別計(jì)算出 t1、t2、t3、t4、t5對(duì)應(yīng)的 ηr和 ηsp值。

以cr值為橫坐標(biāo)，分別以ηsp/cr和ln ηr/cr為縱坐標(biāo)作圖，通過(guò)兩組點(diǎn)各作直線，外推至cr=0，求得截距H，按下式計(jì)算特性黏度［η］(mL/g):

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 月桂酸添加量對(duì)取代度及黏度的影響

固定水分添加量30%(以淀粉干基計(jì))，酶添加量1.25%，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時(shí)間24 h，月桂酸添加量分別取2.5%、5%、25%、50%和75%。

由圖1可見(jiàn)，隨著月桂酸添加量的增加，取代度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，從5%開(kāi)始，取代度的增加較為緩慢;黏度隨月桂酸添加量的增加先增大后減小，在25%時(shí)達(dá)到了最大值。原因是隨月桂酸用量增加，月桂酸在反應(yīng)體系中的濃度增大，促進(jìn)酯化反應(yīng)的進(jìn)行，取代度增加。在月桂酸添加量較低時(shí)，酯鍵的形成給淀粉分子連上了新的分枝，增加了糊化過(guò)程中的中間位阻，抑制了淀粉分子的運(yùn)動(dòng)，從而使黏度升高。但是當(dāng)月桂酸的添加量過(guò)高時(shí)，反應(yīng)體系的pH下降，酸性增強(qiáng)，有可能導(dǎo)致淀粉分子的糖苷鍵斷裂，淀粉分子會(huì)發(fā)生一定程度的降解，使得黏度下降。

圖1 月桂酸添加量對(duì)取代度及特性黏度的影響

2.1.2 水分添加量對(duì)樣品取代度及黏度的影響

固定月桂酸添加量50%(以淀粉干基計(jì))，酶添加量1.25%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間24 h，水分添加量分別為0%、5%、10%、20%、30%、40%、50%。

圖2 水分添加量對(duì)取代度及特性黏度的影響

從圖2可以看出，隨著水分添加量的增大，取代度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);黏度隨水分添加量增加先增大后減小。無(wú)水條件下酶分子的帶電基團(tuán)和極性基團(tuán)之間相互作用，形成一種非活性的“封閉”結(jié)構(gòu)，水的加入可削弱這種相互作用，使非活性的“封閉”結(jié)構(gòu)“疏松”，酶分子的柔韌性增加，并通過(guò)非共價(jià)鍵作用來(lái)維持酶的催化活性構(gòu)象［7］。因此，開(kāi)始時(shí)，增加水分添加量，酶的活性增大，酯化程度增加，取代度增大。但在非水介質(zhì)中，只有在最佳水含量時(shí)，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)剛性及熱力學(xué)穩(wěn)定性之間才能達(dá)到最佳平衡點(diǎn)，酶才表現(xiàn)出最大活性［8］。月桂酸與淀粉酯化反應(yīng)的方程式為:

CH3(CH2)10COOH+St－OH→CH3(CH2)10COOSt+H2O

由上式可以看出，反應(yīng)到一定程度，隨著水分的增加會(huì)抑制反應(yīng)進(jìn)行。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度及黏度的影響

固定月桂酸添加量50%(以淀粉干基計(jì))，水分添加量30%，酶添加量1.25%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間分別為 1、2、4、8、16、24、32 h。

由圖3可以看出，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，取代度越大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)，取代度達(dá)到最大，再增加反應(yīng)時(shí)間，取代度反而減小。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，各反應(yīng)物間充分接觸的時(shí)間也增加，酯化反應(yīng)程度提高，因而取代度提高。在反應(yīng)操作過(guò)程中，由于長(zhǎng)時(shí)間的攪拌或液流剪切作用，影響了酶的穩(wěn)定性，導(dǎo)致酶的催化效率降低，取代度增加幅度減小。反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，酯化反應(yīng)已趨于完全，反應(yīng)開(kāi)始趨向逆反應(yīng)方向，副反應(yīng)產(chǎn)物在體系中相對(duì)濃度增加，所以隨著時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，取代度變小。

黏度隨反應(yīng)時(shí)間的增加，先增大后減小。這是因?yàn)槿舴磻?yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，淀粉的水解作用可能占據(jù)主導(dǎo)地位，即淀粉分子斷裂使其分子鏈減短，黏度相應(yīng)減小。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)取代度及特性黏度的影響

2.1.4 反應(yīng)溫度對(duì)取代度及黏度的影響

月桂酸添加量50%(以淀粉干基計(jì))，水分添加量30%，酶添加量1.25%，反應(yīng)時(shí)間24 h，反應(yīng)溫度分別為 50、55、60、65 ℃。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)取代度及特性黏度的影響

由圖4可以看出，隨著反應(yīng)溫度升高，取代度和黏度都增大。原因是升高反應(yīng)溫度，使得淀粉粒膨脹，并提高了反應(yīng)試劑的流動(dòng)性，月桂酸容易滲透到淀粉粒中，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，因此取代度和黏度都增大。但溫度的提高，也會(huì)促進(jìn)酯的水解和淀粉分子的降解反應(yīng)。本試驗(yàn)采用的脂肪酶在溫度45～60℃范圍活力最大，為保證酶的利用率及節(jié)約能源，選擇60℃作為最佳反應(yīng)溫度。

2.1.5 酶的添加量對(duì)取代度及黏度的影響

固定月桂酸添加量50%(以淀粉干基計(jì))，水分添加量30%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間24 h，酶添加量分別為 0% 、0.5% 、1% 、2% 、4% 、8% 。

圖5 酶添加量對(duì)取代度及特性黏度的影響

由圖5可以看出，酶用量的增加會(huì)相應(yīng)地提高轉(zhuǎn)化率，酶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0%增大到1%時(shí)，取代度的增加幅度比較大。但是在1%至8%范圍內(nèi)變化時(shí)，取代度變化幅度較小。此反應(yīng)中，酶作為催化劑，只能縮短反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，而不會(huì)移動(dòng)反應(yīng)平衡的位置。因此，當(dāng)酶的添加量達(dá)到一定程度時(shí)，再增加其添加量，取代度的的增加趨勢(shì)較為平緩。隨著酶用量的增加，黏度先增加后減小。觀察制得的產(chǎn)品，酶添加量越高，產(chǎn)品的顏色越深，從2%開(kāi)始，產(chǎn)品顏色開(kāi)始變黃。另外，從成本考慮，酶的用量也不宜過(guò)高。

2.2 正交試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

基于單因素試驗(yàn)，以取代度和黏度為指標(biāo)，對(duì)月桂酸添加量(A)、酶添加量(B)、水分添加量(C)和反應(yīng)時(shí)間(D)作4因素3水平正交試驗(yàn)，確定月桂酸玉米淀粉酯制備工藝最優(yōu)條件。正交試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)用DPS軟件進(jìn)行極差分析和方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 極差分析結(jié)果

由表2可以看出，各因素對(duì)取代度的影響主次順序?yàn)?反應(yīng)時(shí)間＞酶添加量＞月桂酸添加量＞水分添加量;對(duì)特性黏度的影響主次順序?yàn)?月桂酸添加量＞酶添加量＞水分添加量＞反應(yīng)時(shí)間。由正交試驗(yàn)極差分析的結(jié)果可以得出最佳合成工藝為:取代度的最佳合成工藝A3B3C3D1，即月桂酸添加量15%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反應(yīng)時(shí)間3 h;而黏度的最佳合成工藝A2B1C3D3，即月桂酸添加量5%，酶添加量1.5%，水分添加量25%，反應(yīng)時(shí)間6 h。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 方差分析結(jié)果

由極差分析可知，水分添加量對(duì)取代度的影響較小，把水分添加量作為誤差項(xiàng)進(jìn)行方差分析，結(jié)果可知，因素A、B和D均不顯著;反應(yīng)時(shí)間對(duì)特性黏度的影響較小，把反應(yīng)時(shí)間作為誤差項(xiàng)進(jìn)行方差分析，結(jié)果可知，因素A顯著，因素B和C均不顯著。

2.2.2 最佳合成工藝

綜合極差分析和方差分析結(jié)果可知，月桂酸添加量對(duì)黏度的影響較為顯著，而在5%的基礎(chǔ)上再增加月桂酸的添加量，對(duì)取代度的影響不大，因此選擇5%作為最佳的月桂酸添加量。酶添加量對(duì)兩者的影響都較大，本試驗(yàn)以取代度為主要考慮因素，因此選擇2.5%作為最佳酶添加量。反應(yīng)時(shí)間對(duì)黏度的影響最小，對(duì)取代度的影響最大，所以選擇3 h作為最佳反應(yīng)時(shí)間。綜合考慮取代度和黏度，得出最佳合成工藝為:月桂酸添加量5%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反應(yīng)時(shí)間3 h，反應(yīng)溫度60℃。

3 結(jié)論

3.1 采用干法，以脂肪酶為催化劑，可以制備出低取代度的月桂酸酯化淀粉。其中，月桂酸的添加量對(duì)產(chǎn)品的黏度有顯著影響。而酶的添加量不僅影響產(chǎn)品的取代度和黏度，還影響產(chǎn)品的顏色，添加量越高，產(chǎn)品顏色越深。

3.2 綜合考慮各因素對(duì)取代度和黏度的影響，月桂酸玉米淀粉酯的制備最佳工藝:以20 g淀粉干基為基準(zhǔn)，月桂酸添加量5%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反應(yīng)時(shí)間3 h。

［1］曹龍奎，李鳳林.淀粉制品生產(chǎn)工藝學(xué)［M］.北京:輕工業(yè)出版社，2008:206－215

［2］張燕萍.變性淀粉制造與應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:96－114

［3］王紅亮，馮光炷.長(zhǎng)鏈脂肪酸淀粉酯合成及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2006，25(7):760 －764

［4］Laura Junistia，Asaf K.Sugih.Synthesis of higher fatty acid starch esters using vinyl laurate and stearate as reactants［J］.Chemical Engineering Department，2008，10:667 －675

［5］Dzulkefly K，See Yaw Koon.Chemical modification of sago starch by solventless esterification with fatty acid chlorides［J］.The Malaysian Journal of Analytical Sciences，2007，11(2):395－399

［6］Akhila Rajan.Enzymatic modification of cassava starch by bacterial lipase［J］.Bioprocess Biosyst Eng，2006，29:65 －71

［7］袁勤生，趙鍵.酶和酶工程［M］.上海:華東理工大學(xué)出版社，2005:273－274

［8］趙秀娟，于國(guó)萍.脂肪酶催化合成硬脂酸淀粉酯的研究［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，39(10):89 －93.

Study on Synthesis of Corn Laurate Starch

Gao Yan1，2Jiang Lili1Yang Wenjing1Wang Lan1
(Institute of Processing of agricultural produce and Nuclear agricultural Research，Hubei Academy of Agricultural Science1，Wuhan 430064)
(College of Science，Huazhong Agricultural University2，Wuhan 430070)

Corn laurate starch was prepared by esterification of corn starch with lauric acid，and lipase was added as catalyzer.The effects of the varieties of factors on the degree of substitute(DS)and intrinsic viscosity are studied，including reactive temperature and time，the quantity of water，lipase and lauric acid.Based on those，the fourfactor three－level orthogonal experiments are designed to optimize the technology，and the experimental data was processed by the DPS for variance analysis.The most optimal process condition is as follows:starch amount of 20 g(absolutely dry)，lauric acid of 5%，lipase of 2.5%，initial water content of 25%，reaction time of 3 h，temperature of 60 ℃.

corn laurate starch，degree of substitute，intrinsic viscosity

TS236

A

1003－0174(2012)04－0092－05

國(guó)家自然科學(xué)基金(30901003)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金(2011SC06)

2011－06－14

高艷，女，1986年出生，碩士，淀粉生物加工

汪蘭，女，1981年出生，助理研究員，天然產(chǎn)物化學(xué)