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酶催化木薯淀粉表面松香酸酯化改性及表征

2020-06-19 02:23樊艷葉林玉嬌林日輝
食品工業(yè)科技 2020年10期
關鍵詞:松香酯化木薯

楊 慧,姜 賽,樊艷葉,林玉嬌,林日輝

(廣西民族大學化學化工學院,廣西多糖材料與改性重點實驗室,廣西高?;瘜W與生物轉(zhuǎn)化過程新技術重點實驗室,廣西南寧 530006)

酯化淀粉是一類新型的改性淀粉,由淀粉葡萄糖單元上的游離羥基被酯化劑取代得到[1]。目前酯化淀粉的制備方法有化學法與酶催化法[2]。多數(shù)淀粉酯的制備采用化學合成法[3],而相對于化學方法,酶催化法具有對環(huán)境友好、減少有毒溶劑使用等優(yōu)點[4],因此酶催化法合成淀粉酯是酯化淀粉發(fā)展的一個方向。通常酶催化合成酯化淀粉利用固定化酶在均相條件下進行[5],但其中固定化酶昂貴,淀粉只能少量溶解于二甲亞砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)及吡啶等強極性試劑[6],且后處理繁瑣,同時強極性溶劑會使酶活力降低[7],反應效率較低。

松香淀粉酯(RAS)是一類由大分子松香酸基團與大分子淀粉通過酯基團結合的新型酯化淀粉。最早由唐世華等[8]利用松香酰氯與淀粉在吡啶的催化下合成了RAS,Lin等[9]首次利用固定化脂肪酶催化堿預處理木薯淀粉與松香酸合成松香淀粉酯。但RAS的高成本、低效率使RAS的應用受到限制。

為了改善RAS的合成條件,本文以中極性溶劑氯仿為溶劑,利用廉價的液體脂肪酶作為催化劑,在兩相體系中對木薯淀粉進行表面修飾合成RAS。并對RAS的結構及理化性質(zhì)進行分析,以實現(xiàn)在不破壞淀粉原有形貌的情況下對其表面的酯化修飾。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

木薯淀粉(食品級) 廣西岑溪市三角淀粉有限責任公司;松香(二級) 廣西武鳴縣朝燕林松香廠;脂肪酶(100000 U/mL) 綿陽禾本生物工程有限公司;氯仿、鹽酸、氫氧化鈉等 均為國產(chǎn)AR級。

TG1650R-WS型臺式高速離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司;WGLL-65BE型電熱鼓風干燥箱 天津泰斯特儀器有限公司;FE28型pH計 上海梅特勒-托利多儀器有限公司;KJMR-IV型血液混勻器 江蘇天翎儀器有限公司;RT10型磁力加熱攪拌器 德國IKA公司;SUPRA 55 Sapphire場發(fā)射掃描電子顯微鏡 德國ZEISS公司;STA 449C同步熱分析儀 德國NETZSCH儀器制造有限公司;MiniFlex600型X射線衍射儀 日本理學公司;OCA20型接觸角測量儀 德國Dataphysics公司;Magna 550型紅外光譜儀 美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 木薯淀粉的表面酯化 參考巫佳等[10]的報道,準確稱量3 g的木薯淀粉和12 g松香置于150 mL錐形瓶中,加入50 mL氯仿,將錐形瓶置于55 ℃ 180 r/min搖床中,待松香溶解完全(約15 min),加入200 μL蒸餾水和200 μL脂肪酶,反應一定時間后(反應時間分別為1、2、6、7、10、11、18 h,制備RAS的DS分別為0.0083、0.0099、0.0265、0.0287、0.0502、0.0539、0.0601),5000 r/min常溫離心5 min,收集沉淀,用無水乙醇清洗四次,每次15 min,布氏漏斗抽濾,收集濾餅,60 ℃干燥過夜至恒重制得松香淀粉酯(RAS)。

1.2.2 酯化取代度檢測 參考文獻[9]并根據(jù)實驗條件適當調(diào)整,準確稱取2 g松香淀粉酯樣品置于250 mL三角瓶中,加入50 mL 0.1 mol/L的NaOH標準溶液,55 ℃水浴振蕩3 h,冷卻至室溫,滴加4滴10 g/L酚酞指示劑使溶液呈紅色,然后用0.05 mol/L的HCl標準溶液滴定至無色,記錄消耗鹽酸體積,根據(jù)公式(1)、公式(2)計算松香淀粉酯的取代度(DS)。

式(1)

式(2)

式中:V1:滴定空白消耗的鹽酸標準溶液的體積(L);V2:滴定樣品消耗的HCl標準溶液的體積(L);C:HCl標準溶液的濃度(mol/L);m:樣品質(zhì)量(g);285:松香基團的平均相對分子質(zhì)量;W:酯化產(chǎn)物上松香基團的質(zhì)量分數(shù);DS:淀粉分子中每個葡萄糖單元上的羥基平均被取代的數(shù)目;162:淀粉葡萄糖單元的相對分子質(zhì)量。

1.2.3 紅外光譜(FT-IR)分析 將一定量RAS(DS分別為0.0265、0.0502)和原木薯淀粉粉末分別與KBr研磨均勻,取適量的混合粉末利用壓片機制成透明的薄片,用Magna 550型傅立葉變換紅外光譜儀測定試樣的紅外譜圖,分辨率為4 cm-1,掃描范圍400~4000 cm-1[11]。

1.2.4 掃描電鏡(SEM)分析 將待測一定量RAS(DS分別為0.0265、0.0502)和原木薯淀粉粉末均勻的灑在導電膠上,用洗耳球輕輕吹去浮粉,在真空狀態(tài)下噴鉑,制成電鏡觀察樣品,利用場發(fā)射SEM進行觀察拍照。

1.2.5 X-射線衍射(XRD)分析 用MiniFlex 600型X射線衍射儀(理學公司)對RAS(DS=0.0502)及原木薯淀粉試樣進行XRD表征,CuKa射線,Ni濾波,管電流20 mA,管電壓40 kV,掃描速率4 °/min,掃描范圍10 °~60 °[12]。

1.2.6 熱重差(TGA)分析 分別精確稱取RAS(DS分別為0.0287、0.0539、0.0601)與原木薯淀粉樣品3~10 mg,通入N2,升溫測試,升溫速率10 ℃/min,溫度范圍30~600 ℃,通N2速率30 mL/min[13]。

1.2.7 接觸角測定分析 參考文獻[14-15]中的操作,測量方式為液滴法測量靜態(tài)接觸角,將適量原木薯淀粉及RAS(DS分別為0.0083、0.0099、0.0265、0.0502)于75 ℃溶解在DMSO中,均勻滴加在蓋薄片上,于80 ℃真空干燥箱干燥成膜,利用自動進樣裝置滴加2 μL蒸餾水,待水滴穩(wěn)定后,從樣品的十個不同位置測量得到平均接觸角并拍照。

1.2.8 乳化穩(wěn)定性分析 參考文獻[16]并作出適當調(diào)整,分別將0.5 g原木薯淀粉及RAS(DS分別為0.0083、0.0099、0.0265、0.0502)精確稱量置50 mL燒杯中,加入20 mL豆油,超聲1 min,加入25 mL蒸餾水,超聲波細胞粉碎機超聲20 min,得到油-淀粉乳狀液,將乳狀液分裝置10 mL離心管中,3000 r/min離心10 min,準確測量乳化層高度和液面總高度,按式(3)計算乳化能力。放置48 h后,3000 r/min離心10 min,再次測量乳化層高度和液體總高度,按式(4)計算乳化穩(wěn)定性。

式(3)

式(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實驗設立三個平行。采用Mcrosoft office excel 2010進行數(shù)據(jù)收集與整理,用Origin 9.0進行作圖分析。

2 結果與分析

2.1 FT-IR分析

從圖1中的樣品A、B、C發(fā)現(xiàn),對比原木薯淀粉,RAS在1728 cm-1附近產(chǎn)生一個新的特征峰,為酯羰基的特征吸收峰,且隨著DS的增大,羰基的特征峰逐漸增強。表明在脂肪酶催化下松香酸的羧基和木薯淀粉的羥基發(fā)生了酯化反應,成功合成了RAS[17],合成反應方程式如圖2所示。這與唐世華等[8]在吡啶催化松香酰氯與淀粉合成松香淀粉酯的報道相似。

圖1 FT-IR分析Fig.1 FTIR spectra analysis注:A:原木薯淀粉;B:RAS(DS=0.0265);C:RAS(DS=0.0502)。

圖2 RAS的酶促酯化反應方程式Fig.2 Enzymatic esterification reaction equation of RAS

2.2 SEM分析

原木薯淀粉和RAS的電鏡圖如圖3所示,對比圖3發(fā)現(xiàn)木薯淀粉經(jīng)松香酸酯化修飾其基本形貌未發(fā)生變化仍保持圓形或橢圓形,但原淀粉表面光滑,酯化反應后生成了球團似的斑點(酯化斑點)[18],表面較為粗糙,說明松香酸的酯化取代反生僅發(fā)生在木薯淀粉表面。但通過圖3B與圖3C可以發(fā)現(xiàn),不同DS的RAS的表面的酯化斑點并無明顯區(qū)別。

圖3 電鏡圖(5000×)Fig.3 SEM images(5000×)注:A:原木薯淀粉;B:RAS(DS=0.0265);C:RAS(DS=0.0502)。

2.3 XRD分析

原木薯淀粉和RAS的X射線衍射圖如圖4所示,RAS與原木薯淀粉在15.12°、17.06°、18.01°和23.03°附近都有4個較強的衍射峰,說明木薯淀粉經(jīng)酯化取代后晶型未發(fā)生轉(zhuǎn)變,仍保持A晶型[19]。但對比原淀粉,RAS在15.12°、17.06°處的峰強明顯降低,說明經(jīng)酯化合成后淀粉結晶區(qū)結構被部分破壞,結晶度下降。

圖4 X射線衍射圖Fig.4 XRD pattern 注:A:原木薯淀粉;B:RAS(DS=0.0502)。

2.4 TGA分析

原木薯淀粉和RAS的TGA的分析圖如圖5所示,在測試溫度30~600 ℃范圍內(nèi),原木薯淀粉和RAS有兩個熱失重過程,首先第一個熱失重出現(xiàn)在100 ℃附近,為分子內(nèi)結晶水的蒸發(fā)過程。第二個熱分解過程出現(xiàn)在250~350 ℃范圍內(nèi),對比原木薯淀粉,RAS分解的起始溫度和最大溫度均提前,松香酸的酯化取代使淀粉分子間的氫鍵被破壞,分子變的疏松,一定程度上改變了淀粉的結晶結構。這與Lin等[19]的報道結果相吻合。即經(jīng)松香酸改性后的淀粉熱穩(wěn)定性下降,且取代度越高最大熱分解溫度越低。

圖5 的TG和DTG分析Fig.5 TG and DTG analysis注:a:原木薯淀粉;b:RAS(DS=0.0287);c:RAS(DS=0.0539);d:RAS(DS=0.0601)。

2.5 接觸角測定分析

淀粉分子上分布著大量羥基,具有較強的親水性;松香酸為三元菲環(huán)類化合物[20],類似于石油基脂環(huán)族和芳族化合物,它賦予松香疏水性、剛性及化學穩(wěn)定性。在淀粉的羥基上接上非極性的松香酸基團,可以一定程度改善淀粉的疏水性能。原木薯淀粉和RAS接觸角檢測如表1所示,原木薯淀粉的接觸角為48.9°,經(jīng)酯化修飾后,RAS的接觸角明顯增大,且隨著RAS的DS的提高,其接觸角也隨之升高,當RAS的DS為0.0502時,其接觸角比原淀粉提高了63.39%。Thiebaud等[21]在脂肪酸淀粉酯的疏水性研究中有類似報道。說明本文成功對淀粉進行了疏水改性。

表1 接觸角分析Table 1 Contact angle analysis

2.6 乳化穩(wěn)定性分析

淀粉的疏水改性除了疏水性的改善還表現(xiàn)為親脂性能的提高。由表2可知,原淀粉的乳化能力、乳化穩(wěn)定性分別為1.53%、1.50%,淀粉經(jīng)松香酸修飾后,其乳化能力及乳化穩(wěn)定性最大可達到均明顯提高,且隨著DS的升高,RAS乳化能力及乳化穩(wěn)定性也隨之提高[18],最大可分別達到31.91%、23.08%。這與接觸角的實驗結果相吻合。

表2 乳化性能及其穩(wěn)定性分析Table 2 Emulsification performance and stability analysis

3 結論

與原木薯淀粉相比,RAS的FT-IR光譜圖中在1728 cm-1附近出現(xiàn)羰基的特征吸收峰,RAS的顆粒形貌并未發(fā)生改變,但其表面產(chǎn)生了酯化斑點,即成功在兩相體系中將松香酸基團接在木薯淀粉表面;經(jīng)松香酸酯化修飾后,RAS仍保持A晶型,但結晶度降低;隨著RAS的DS的提高,其最大熱裂解溫度降低,疏水性能、乳化能力及乳化穩(wěn)定性提高。各表征結果成功說明了木薯淀粉經(jīng)酯化改性后的變化或隨DS提高表現(xiàn)出的發(fā)展趨勢。同時也為淀粉在疏水材料的應用方面提供研究方向。但RAS的取代度還很低,通過將木薯淀粉納米化提高淀粉比表面積是接下來進一步提高DS研究的方向。

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