微波輔助干法制備高吸水率檸檬酸淀粉酯

周 美， 路 軍， 牛黎莉， 王婷婷， 張盛貴*

（1.甘肅農業大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學 理學院，甘肅 蘭州 730070）

微波輔助干法制備高吸水率檸檬酸淀粉酯

周 美1， 路 軍2， 牛黎莉1， 王婷婷1， 張盛貴*1

（1.甘肅農業大學 食品科學與工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學 理學院，甘肅 蘭州 730070）

以馬鈴薯淀粉為原料，吸水率為評價指標，采用微波輔助方法，研究不同因素對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，單因素實驗顯示，pH值、反應溫度、反應時間、酯化劑添加量、微波功率和微波時間均對檸檬酸淀粉酯的吸水率產生影響。在單因素實驗的基礎上選取4個主要因素進行響應面實驗，結果表明：當pH值為3.48、反應溫度126℃、反應時間6.0 h、微波時間7 min、酯化劑添加量15%、微波功率640 W時，制得的檸檬酸淀粉酯吸水率為760.83%，與預測值764.771%的相對誤差為0.518%，差異不顯著，回歸模型擬合良好。

馬鈴薯淀粉；微波；酯化；吸水率

酯化淀粉是化學變性中很重要的一種變性方法，醋酸、檸檬酸、蟻酸都有用于制備酯化淀粉[1-4]。對比許多其他的酯化劑，檸檬酸天然無毒[5]。檸檬酸淀粉酯是利用檸檬酸酐與淀粉內葡萄糖羥基作用，發生酯化反應而生成的淀粉衍生物，是一種具有抗老化作用的酯化變性淀粉，在國外廣泛應用于面包、餅干及其他食品中，以改善食品品質[6]。

檸檬酸淀粉酯制備的輔助技術主要是微波輔助和螺旋擠壓技術輔助。其中微波技術已經成為一個有效的輔助技術，可以使制備工藝過程更加簡單、快速、有效。而且微波技術已被證明能有效的減少處理時間、提高反應速率。與傳統方法相比，能得到的純度更高，品質更好的產品[7-10]。基于其諸多優點，有關微波輔助制備檸檬酸淀粉酯受到一些研究者的關注[11]，但其對吸水性影響的研究甚少。作者以吸水率為評價指標，采用Box-Behnken實驗設計，研究pH值、微波時間、反應溫度、反應時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，并通過響應曲面法（RSM）優化工藝參數，以期為檸檬酸淀粉酯在食品工業中的應用提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

原淀粉：甘肅騰勝農產品集團淀粉公司提供；檸檬酸、氫氧化鈉、鹽酸等均為分析純試劑。

DHG-9055A電熱鼓風干燥箱：上海-恒科學儀器有限公司產品；ML-2080EGC美的微波爐：美的集團產品；DD-5M湘儀離心機：湘儀離心機儀器有限公司產品；SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵：鄭州長城科工貿有限公司產品；PHS-3C型pH計：上海儀電科學儀器股份有限公司產品；WK-200B小型高速中藥粉碎機：青州市富爾康制藥機械有限公司產品；JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡：日本電子光學公司產品。

1.2 實驗方法

1.2.1 檸檬酸淀粉酯的制備 取檸檬酸約5.0 g溶解于15 mL水中，用NaOH溶液調節pH至3.0左右，加水定容至30 mL，與25 g馬鈴薯淀粉（絕干淀粉）充分混合，并在室溫下靜置16 h；然后將混合物放入50℃烘箱中干燥48 h，使脫水至水分質量分數5%～10%。用一定功率微波處理一定時間。再放入反應容器中，置于設定溫度的烘箱中加熱一定時間，以使試劑與淀粉能充分反應。取出并用蒸餾水洗滌以除去未反應檸檬酸和反應產生的鹽。洗后淀粉經兩次抽濾后，在40～50℃烘箱中干燥48 h，粉碎并過200目篩即得樣品。

1.2.2 單因素實驗設計

1）反應時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響反應溫度130℃、pH 3、酯化劑添加量20%、微波功率640 W、微波時間5 min，分別測定反應時間為5、6、7、8、9 h時的吸水率。

2）反應溫度對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響pH 3、酯化劑添加量20%、微波功率640 W、微波時間5 min和前一步做出的最佳反應時間，分別測定反應溫度為115、120、125、130、135℃時的吸水率。

3）酯化劑添加量對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響 pH 3、微波功率640 W、微波時間5 min和前一步做出的最佳反應時間和反應溫度，分別測定酯化劑添加量（以淀粉干基質量分數計算）為5%、10%、15%、20%和25%時的吸水率。

4）反應pH值對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響微波功率640 W、微波時間5 min和前一步做出的最佳反應時間、反應溫度和酯化劑添加量，測定pH為2.5、3.0、3.5、4.0和4.5時的吸水率。

5）微波時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響微波功率640 W和前一步做出的最佳反應時間、最佳反應溫度、最佳pH和酯化劑添加量，分別測定微波時間為1、3、5、7、9 min時的吸水率。

6）微波功率對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響在前一步做出的最佳反應時間、最佳反應溫度、最佳pH值、最佳酯化劑添加量和微波時間，分別測定微波功率為213、373、480、640、800 W時的吸水率。

1.2.3 吸水率的測定 稱取2 g淀粉樣品于100 mL小燒杯中，加水40 mL，攪拌均勻后將其混濁液倒入離心管中，以3 600 r/min，離心5 min，棄去上清液，稱取沉淀物的質量。

吸水率計算公式如下：吸水率（%）=淀粉樣品吸水前后的質量差/淀粉樣品原來干基質量×100%。

1.2.4 響應面實驗設計 在單因素實驗基礎上，采用通用旋轉中心組合設計，選擇反應時間（h）、反應溫度（℃）、pH值和微波時間（min）為自變量（Xi），吸水率為響應值（Y），運用Box-Behnken模型設計四因素三水平二次回歸方程，擬合自變量與復配體系吸水率之間的函數關系。實驗因素水平見表1。

在單因素的實驗基礎上，微波功率對檸檬酸淀粉酯的吸水率是成正比的，微波功率越大，檸檬酸淀粉酯吸水率就越大，但是當微波功率超過640 W時，淀粉因受太大瞬時功率的影響而發生糊化甚至褐變。綜合考慮微波功率在響應面設計時直接去可行性最大值640 W。酯化劑的添加量對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響沒有顯著性的差異，所以直接選擇pH、微波時間、反應時間和反應溫度4個因素進行響應面設計。

表1 響應面設計因素與水平Table 1 Independent variables and their corresponding levels by Box-Behnken design

1.2.5 模型驗證 通過響應面分析法優化微波輔助生產高吸水率檸檬酸淀粉酯的工藝條件。在優化條件下測定復配體系的吸水率，比較預測值和實驗值，驗證模型的有效性。

2 結果與分析

2.1 反應時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

在溫度125℃，pH為3，酯化劑添加量20%，微波時間5 min，微波功率640 W的條件下，研究反應時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，由圖1可看出，反應時間對吸水率有顯著的影響，隨著反應時間的延長，越來越多的檸檬酸酐與淀粉中的羥基反應，生成大量的檸檬酸淀粉酯，從而使淀粉的吸水率顯著增加。當反應時間6 h時，吸水率達到最大值432.83%，與原淀粉88.5%相比提高了344.33%，隨著反應時間的延長，吸水率逐步降低，合成的檸檬酸酯又有一部分的分解。因此時間為6 h時吸水率較好。

圖1 反應時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.1 Effection of time on water absorption of citrate starch

2.2 反應溫度對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

采用干法反應，反應溫度對檸檬酸淀粉酯的吸水率存在一定的影響（見圖2），隨著溫度的升高，檸檬酸淀粉酯的吸水率呈顯著上升的趨勢，且在125℃時，達到最大470%，之后隨著溫度的升高而降低。這可能是由于溫度過低時檸檬酸酐與淀粉中的羥基很難脫水，沒有達到反應的動力學需求，檸檬酸淀粉酯生成量較低，吸水率較低；而溫度過高則會造成檸檬酸淀粉酯的降解或者異構化，而導致吸水率的降低。

圖2 溫度對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.2 Effection of temperature on water absorption of citrate starch

2.3 酯化劑添加量對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

酯化劑添加量對檸檬酸淀粉酯吸水率也存在一定的影響，由圖3可以看到，隨著酯化劑添加量的增加，檸檬酸淀粉酯的吸水率略有提高，在酯化劑添加量 （質量分數）為15%時，達到最大值523.5%，隨后，吸水率降低，不利于檸檬酸淀粉酯的合成。因此，酯化劑的添加量為15%為宜。

圖3 酯化劑添加量對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.3 Effection of concentration of citric acid on water absorption of citrate starch

2.4 pH值對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

如圖4所示，隨著pH的增加，檸檬酸淀粉酯的吸水率顯著升高，在pH為3.5時，達到最大值643.67%，這是因為隨著pH的增加，檸檬酸形成酸酐的條件就越有利，從而有更多的酸酐形成，而獲得更高的吸水率。隨后，吸水率顯著降低，不利于檸檬酸淀粉酯的合成，因為過高的pH值會直接中和掉檸檬酸，而生成雜質檸檬酸鈉。因此，反應pH值應該控制在3.5左右。

圖4 pH值對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.4 Effection of pH on water absorption of citrate starch

2.5 微波時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

由圖5可以看出，微波處理時間對檸檬酸淀粉酯的吸水率有著顯著的影響，主要原因可以分析是由于兩方面的，一是因為微波處理的時候，微波的能量能夠將淀粉顆粒打出小孔，甚至是讓淀粉形成斷面，從而使淀粉的吸水率增加；二是因為微波的作用讓淀粉的羥基暴露出來，從而使酸酐與淀粉更容易反應，而使淀粉的吸水率增加。由于這兩個因素，隨著微波時間的延長，檸檬酸淀粉酯的吸水率顯著增加，在7 min的時候達到最大值662.5%。而隨著時間的繼續延長，由于微博作用時間太長，會導致淀粉顆粒的徹底崩潰，而使吸水率顯著降低。

2.6 微波功率對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響

由圖6可以看出，微波功率對檸檬酸淀粉酯的吸水率有著顯著的影響，主要原因是因為隨著微波功率的增加，淀粉顆粒的小孔會隨之增加，使淀粉的比表面積增大，讓更多的羥基暴露出來，而且微波有分子活化的作用，從而使酸酐與淀粉更容易反應，而使淀粉的吸水率增加。由于這兩個因素，隨著微波功率的增加，檸檬酸淀粉酯的吸水率顯著增加，在640 W的時候達到最大值690.67%。而隨著微波功率的增加，淀粉顆粒會徹底崩潰，而且由于微波功率過高，淀粉會出現糊化的現象，而使吸水率降低。

圖5 微波時間對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.5 Effection of microwave time on water absorption of citrate starch

圖6 微波功率對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響Fig.6 Effection of microwave power on water absorption of citrate starch

2.7 響應面實驗結果及模型的建立

在單因素實驗的基礎上，利用響應面法確定復配體系最佳工藝條件，實驗結果見表2。采用Design Expert軟件對表2實驗數據進行回歸分析，得二次多元回歸模型：

Y=761.21+5.11X1-25.54X2+24.60X3+8.26X4+ 39.49X1X2-53.34X1X3-7.54X1X4+37.58X2X3-33.72X2X4+22.15X3X4-105.45X12-103.86X22-101.52X32-60.67X42

由回歸模型的方差分析（表3）可以看出：模型P＜0.000 1，模型極顯著；失擬項P=0.076 7＞0.05，失擬項不顯著；決定系數R2為0.945 9，校正系數Adj R2為0.891 9，該模型能解釋89.19%響應值的變化，因而該模型擬合程度良好，實驗誤差小。且該回歸模型一次項、二次項及交互項中的X1X2、X1X3、X2X4、X3X4均表現出顯著水平。各因素對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響依次為微波時間＞反應時間＞反應溫度＞pH。

表2 響應面實驗設計及結果Table 2 Result and condition of response surface experiment

2.8 響應面分析

根據回歸方程，獲得反應時間、反應溫度、溶液pH和微波時間兩兩相互作用對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響，結果見圖7。

根據回歸方程預測4個因素對檸檬酸淀粉酯吸水率的響應曲面圖7直觀地反映了各因素對響應值的影響，由響應曲面和等高線圖以及回歸方程分析可知，響應面的坡度越陡說明單因素的交互作用對類檸檬酸淀粉酯吸水率的影響越顯著[12]。反應時間和pH（圖7（a））的交互作用對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響極顯著（p＜0.01），微波時間和pH（圖7（c））、微波時間和反應時間（圖7（e））、微波時間和反應溫度（圖7（f））交互作用對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響顯著（p＜0.05），反應溫度和反應時間（圖7（d））、pH和反應溫度（圖7（b））、交互作用對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響不顯著（p＞0.05）。

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis for regression model

圖7 響應面圖Fig.7 Response surface

2.9 掃描電鏡觀察結構

圖8（a）和（b）所展示的結構特征是原淀粉在放大500倍和放大2 000倍的條件下所拍攝到的，（c）和（d）的結構特征是檸檬酸淀粉酯在放大500倍和放大2 000倍的條件下所拍攝到的。由圖8（b）可以看出，馬鈴薯原淀粉顆粒基本上呈圓形或者橢圓形，表面光滑平整、結構緊密、輪廓清晰。圖8所展示的結構特征是樣品在放大2 000倍的條件下所拍攝到的。由圖8（d）可以看出微波輔助制備的檸檬酸淀粉酯表面被破損的很嚴重，已經沒有了光滑的顆粒，并且大部分的顆粒已經完全破損解體了。這說明微波、酯化變性以及高溫反應條件會破壞淀粉的顆粒結構，表面變得粗糙，從而增加淀粉顆粒表面的比表面積，提高淀粉吸水率。

圖8 原淀粉與檸檬酸淀粉酯的掃描電鏡圖Fig.8 SEM images of starch and citrate starch

3 結語

微波功率與檸檬酸淀粉酯的吸水率成正比，但微波功率超過640 W時，淀粉發生糊化甚至變褐；酯化劑的添加量對檸檬酸淀粉酯吸水率的影響不顯著，但pH值、微波時間、反應時間和反應溫度對其均有一定影響；實驗得到制備高吸水性檸檬酸淀粉酯最優工藝參數為反應時間6.12 h（調整為6.0 h），反應溫度為126.28℃（調整為126℃），反應pH為3.48，微波時間為6.74 min（調整為7 min）酯化劑添加量為15%，微波功率為640 W，在該條件下檸檬酸淀粉酯吸水率為764.771%，實際獲取的檸檬酸淀粉酯吸水率為760.83%，通過掃描電鏡可以看出淀粉的表面結構發生了改變。試驗結果表明，采用微波輔助干法制備高吸水率檸檬酸淀粉酯是可行的。

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Optimized Production of the Highly Moisture-Absorbing Citrate Starch by the Utilization of Microwave-Ass

ZHOU Mei1， LU Jun2， NIU Lili1， WANG Tingting1， ZHANG SHenggui*1
（1.College of Food Science and Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.College of Physics，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China）

It is known from single factor test that reaction temperature，reaction time，pH value，concentration of citric acid，microwave time and microwave power all affect the water absorption ratio of the citrate starch.Four main factors was selected to carry out the response surface methodology analysis baesd on the single factor test.The results show that at the following conditions：pH 3.48，reaction temperature 126℃，reaction time 6.0 h，microwave reaction time 7min，addition amount of citric acid 15%and reaction of microwave power 640 W，the water absorption ratio of the prepared citrate starch reaches 760.83%.The relative error is 0.518% compared with predicted value 764.771%.There is no significant deference between the predicted and the experiment value，which indicates that the degree of fitting was good.

potato starch，microwave，esterification，water absorption ratio

TS 236.9

A

1673—1689（2015）07—0756—08

2014-09-07

甘肅省農業科技創新項目（GNCX-2012-43）。

*通信作者：張盛貴（1970—），男，甘肅景泰人，農學博士，教授，主要從事食品科學研究。E-mai：zhangshenggui@gsau.edu.cn