機械活化玉米淀粉的辛烯基琥珀酸酐酯化改性

張正茂，闞 玲

機械活化玉米淀粉的辛烯基琥珀酸酐酯化改性

張正茂1，闞 玲2

（1.湖北工程學院生命科學技術學院，特色果蔬質量安全控制湖北省重點實驗室，湖北 孝感 432000；2.湖北工程學院圖書館，湖北 孝感 432000）

采用行星式球磨機對玉米淀粉進行機械活化，再與辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）發生酯化反應制備OSA淀粉酯。研究機械活化時間、反應溫度、反應體系pH值、淀粉乳質量分數、反應時間因素對玉米淀粉酯化反應的影響，并采用二次回歸正交旋轉組合設計方法和響應面分析對制備條件進行優化。結果表明，機械活化對玉米淀粉OSA酯化反應有明顯的增強作用，且反應不受pH值的影響；得到最優工藝條件為機械活化10 h、反應溫度33.1 ℃、pH 8.45、淀粉乳質量分數12.2%、反應時間3 h，在此條件下制得機械活化辛烯基琥珀酸淀粉酯的平均取代度為0.020 3。

玉米淀粉；機械活化；辛烯基琥珀酸酯化；響應面分析

辛烯基琥珀酸酐（octenyl succinic anhydride，OSA）淀粉酯是一類酯化改性淀粉，于1953年被美國的Caldwell等[1]首次制備出來，并申請了專利。由于OSA淀粉酯具有較好的乳化性，廣泛用于水包油和油包水的乳化體系[2-3]，且此種酯化淀粉的安全性較高，用于嬰幼兒食品已經40多年，是各國極力發展的變性淀粉之一[4]。由于OSA在水中的溶解度較低，反應體系屬于兩相體系，淀粉顆粒從表面到內部有很多的狹小通道，只有當粒子的粒徑小于50 nm才能通過這樣的通道，因此必須使OSA溶解或分散成小滴才能使OSA滲透到顆粒內部發生反應，否則就只能在顆粒表面發生極有限的反應[5]。

目前，OSA淀粉酯的制備主要采用水相法，需要使用NaOH等堿性物質，使OSA開環溶解并同時與淀粉發生取代反應。在反應過程對pH值有較高的要求，若堿性太弱不足以使OSA開環，堿性太強也會發生副反應，降低取代度（degree of substitution，DS）。因此，如何使淀粉更易與辛烯基琥珀酸酐發生酯化反應是目前研究的熱點。目前在OSA淀粉酯的研究方面主要集中在制備和理化特性的影響，其主要原料包括糯玉米淀粉[6-8]、甜玉米淀粉[8]、秈米淀粉[6,9]、碎米淀粉[10]、小麥淀粉[6,11]、甘薯淀粉[12]和馬鈴薯淀粉[6,13]，而機械活化玉米淀粉的辛烯基琥珀酸酯化改性研究還未見報道。

采用機械活化對淀粉進行預處理可使淀粉的晶體結構發生破壞，物化性能發生改變[14-15]，部分機械能轉化為內能，從而引起淀粉的化學活性增加[16-19]。本實驗以玉米淀粉為原料，先經過機械活化，再與OSA發生酯化反應，研究酯化時間、反應溫度、反應體系pH值、淀粉乳質量分數各因素對機械活化的玉米淀粉酯化改性的影響，并采用二次回歸正交旋轉組合設計優化工藝條件，以便為OSA淀粉酯的制備提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食用級玉米淀粉 北京閔松經貿有限公司；異丙醇（分析純） 煙臺三和化學試劑有限公司；OSA（99.9%） 江蘇華麟化工有限公司。

1.2 儀器與設備

BXQM-2L型變頻行星式球磨機 南京特倫新儀器有限公司；JJ-1型定時電動攪拌器 江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠；TDL-5-A飛鴿牌系列離心機 上海安亭科學儀器廠；PB-10型pH計 賽多利斯科學儀器（北京）有限公司。

1.3 方法

1.3.1 機械活化淀粉的制備

將含水量為8.5%玉米淀粉40 g放入球磨機的研磨罐中，加入一定量的磨球（105 g（2 cm）＋60 g（1 cm）＋30 g（3 mm）），球磨機轉速450 r/min，機械活化不同時間。得到不同時間（1、5、10、25、50 h）的機械活化玉米淀粉，密封備用。

1.3.2 OSA淀粉酯的制備

將一定量的玉米淀粉和機械活化玉米淀粉加入500 mL燒杯中，加蒸餾水，配制成不同質量分數的淀粉溶液，使總質量為100 g，放入一定溫度的水浴鍋中，開啟攪拌器，用2% NaOH溶液調節所需pH值后，緩慢滴加OSA（淀粉干基質量的3%），在1.5 h內加完，繼續反應到所需時間。反應完畢后，用3%的HCl溶液調pH 6.5，天然淀粉直接離心（2 000×g，下同），加80%乙醇溶液洗3 次（離心），水洗1 次（離心）；機械活化淀粉加入無水乙醇使得乙醇體積分數達到80%（沉淀溶解的淀粉），離心后，加80%乙醇溶液洗3 次，離心。取下層濕淀粉于40 ℃干燥12 h，粉碎過160 目篩備用。

1.3.3 DS的測定

DS的測定參考文獻[4]、[20]的方法。精確稱取5 g淀粉（干基），加入25 mL 2.5 mol/L的鹽酸-異丙醇溶液，持續攪拌30 min，然后加入90%異丙醇溶液，攪勻后再攪拌10 min，再用砂芯漏斗過濾（G2型號），用90%的異丙醇洗滌至濾液無Cl—為止（用0.1 mol/L AgNO3溶液檢驗）。淀粉用300 mL蒸餾水溶解，放入沸水浴中加熱20 min，冷卻至室溫后用0.1 mol/L的標準NaOH溶液滴定至終點（用1%的酚酞作指示劑），空白用對應的未改性的淀粉按上述方法測定。DS通過以下公式計算：

式中：V為滴定耗用NaOH溶液的體積/mL；M為滴定用NaOH溶液的物質的量/（mol/L）；m為改性淀粉的質量/g。

1.3.4 單因素試驗

1.3.4.1 機械活化時間對DS的影響

以反應溫度35 ℃、反應體系pH 8.5、淀粉乳質量分數12.5%、反應時間3 h為固定條件，研究機械活化時間（0（即原淀粉）、1、5、10、25、50 h）對酯化反應的影響。

1.3.4.2 反應溫度對DS的影響

以機械活化時間10 h、反應體系pH 8.5、淀粉乳質量分數12.5%、反應時間3 h為固定條件，研究反應溫度（25、30、35、40、45 ℃）對酯化反應的影響。

1.3.4.3 反應體系pH值對DS的影響

以機械活化時間10 h、反應溫度35 ℃、淀粉乳質量分數12.5%、反應時間3 h為固定條件，研究反應體系pH（7.5、8.0、8.5、9.0和9.5）對酯化反應的影響。

1.3.4.4 淀粉乳質量分數對DS的影響

以機械活化時間10 h、反應溫度35 ℃、反應體系pH 8.5、反應時間3 h為固定條件，研究淀粉乳質量分數（7.5%、10%、12.5%、15%和17.5%）對酯化反應的影響。

1.3.4.5 反應時間對DS的影響

以機械活化時間10 h、淀粉乳質量分數12.5%、反應溫度35 ℃、反應體系pH 8.5為固定條件，研究反應時間（1、2、3、4、5 h）對酯化反應的影響。

1.3.5 二次回歸正交旋轉組合設計

為獲取機械活化玉米淀粉辛烯基琥珀酸酯化改性的最優制備工藝條件，在單因素試驗的基礎上，以反應溫度、反應體系pH值和淀粉乳質量分數為自變量，采用二次回歸正交旋轉組合設計（表1），得到回歸方程后預測最優制備工藝條件。

表 1 二次回歸正交旋轉組合設計因素水平表Table 1 Factors and levels used in quadratic regression orthogonal rotation design

1.4 數據分析

采用SASv 8.1軟件進行分析，用ANOVA和RSREG進行方差分析和回歸分析，顯著性檢驗方法為Duncan，檢測限為0.05。有關數據為3 次以上平均值。采用G3D和GCONTOUR作響應面和等高線圖。

2 結果與分析

2.1 酯化改性的各因素對玉米淀粉DS的影響

2.1.1 機械活化時間對酯化改性的影響

圖 1 機械活化時間對DS的影響Fig.1 Effect of mechanical activation time on DS

由圖1可知，當玉米淀粉先機械活化0～10 h再OSA改性，其DS隨機械活化時間的延長而顯著增加（P＜0.05），但當機械活化時間大于10 h時（即25 h和50 h），其OSA改性淀粉的DS增加不明顯。OSA酯化反應主要發生在淀粉顆粒表面的無定形區[21]。Zhang Zhengmao等[15]研究發現，隨著機械活化時間的延長，玉米淀粉的結晶度和分子質量減小、冷水溶解率增大，使淀粉在水中的擴散增強且易受酸酐攻擊的羥基增加，有利于OSA酯化反應的進行。當機械活化時間進一步延長，淀粉晶體結構基本消失，無明顯變化，從而導致DS不再增大。

2.1.2 反應溫度對酯化反應的影響

圖 2 反應溫度對DS的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on DS

由圖2可知，機械活化玉米淀粉的OSA酯化改性的DS先隨反應溫度的升高而增大，當溫度從25 ℃升高到35 ℃時，DS從0.018 4增大到0.019 8，溫度達到35 ℃時，此時酯化反應的DS最大。當反應溫度進一步從35 ℃升高到45 ℃時，DS又會減小到0.018 4。隨著反應溫度的升高，增強了OSA分子向玉米淀粉顆粒的擴散，也增大了淀粉的膨脹度，從而使反應速率增加。但溫度進一步地升高又會增大OSA分子在水相中的溶解度和水解反應，從而減小了酯化反應的速率[4,22-23]，因此酯化反應的溫度宜控制在35 ℃左右。

2.1.3 反應體系pH值對酯化改性的影響

圖 3 反應體系pH值對DS的影響Fig.3 Effect of pH on DS

NaOH作為催化劑，在反應過程中起著調節反應體系pH值的作用，它促使淀粉分子產生烴氧化物[24]，而烴氧化物再與OSA分子發生酯化反應。對于未經過機械活化的淀粉，OSA改性在反應體系的pH值為8.5時DS達到最大。當pH值小于8.5時，淀粉分子的烴基不能充分地被激活用于酸酐分子的親和攻擊，當pH值大于8.5時酸酐發生水解而不利于反應的進行[23]。而對于機械活化10 h的玉米淀粉而言，pH值對DS的影響不顯著（圖3），這說明pH值為7.5～9.5時，機械活化10 h玉米淀粉分子具有足夠的活性羥基用于酯化反應，而不依賴堿性物質的活化作用，即對pH值不敏感。這一結果與機械活化大米淀粉的報道[19]是一致的。

2.1.4 機械活化淀粉乳質量分數對酯化改性的影響

圖 4 淀粉乳質量分數對DS的影響Fig.4 Effect of starch slurry concentration on DS

由圖4可知，當機械活化玉米淀粉乳的質量分數從7.5%增加到12.5%時，DS從0.0167增大到0.0195，10%和12.5%的差異不顯著。當淀粉乳質量分數超過12.5%后酯化淀粉的DS又顯著下降，由此得出，當玉米淀粉乳質量分數為12.5%時OSA酯化改性的DS達到最大值。在反應過程中，OSA不被水溶解，淀粉的酯化反應是一個多相的反應體系。隨著淀粉乳質量分數的增大，淀粉與OSA的接觸機會增多，從而使反應的DS增大。當質量分數再次增大時會使反應劑的擴散越來越困難，反應物的接觸機會減少，從而使淀粉的酯化反應減少并減慢[23]。機械活化后的玉米淀粉冷水溶解度增大，其黏度也增大，致使質量分數大于15%的淀粉乳攪拌困難，從而DS減小。

2.1.5 反應時間對酯化改性的影響

圖 5 反應時間對DS的影響Fig.5 Effect of reaction time on DS

由圖5可知，機械活化玉米淀粉的OSA酯化反應時間1～3 h時，DS增加到最大（0.019 8），當反應時間從3～5 h時DS變化不顯著（P＞0.05）。隨著反應時間的延長，反應劑中辛烯基琥珀酰的數目不斷增加，從而促進反應劑和淀粉分子的擴散和吸附。但隨著反應時間的延長，酯化反應和水解反應不斷把OSA耗盡，從而導致酯鏈的水解等副反應占主要地位[22-23]。因此選擇反應時間應控制在3 h為宜。

2.2 OSA-淀粉酯制備工藝的優化

表 2 二次回歸正交旋轉組合設計及結果Table 2 Quadratic regression orthogonal rotation design and experimental results

根據單因素的試驗結果，選擇反應溫度、反應時間、反應體系pH值作為正交反應的變量，以DS為優化指標，采用二次回歸正交旋轉組合設計方法及響應面分析對機械活化10 h的玉米淀粉制備OSA淀粉酯的工藝條件進行優化。二次回歸正交旋轉組合設計試驗，結果見表2。

采用SAS RSREG程序對所得數據進行回歸分析和響應面分析，其回歸分析結果如表3所示，響應面和等高線圖如圖6所示：3 個因素對酯化反應取代度的影響程度順序依次為：反應溫度＞淀粉乳質量分數＞反應體系pH值，其中反應溫度影響極顯著（P＜0.01）、淀粉乳質量分數影響顯著（0.01≤P≤0.05）、而反應體系pH值對DS影響不顯著（P＞0.05），三因素的交互作用只有反應溫度和淀粉乳質量分數有顯著影響（0.01≤P≤0.05），從等高線圖（圖6）也可以看出。等高線的形狀可反映出交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，越接近圓形，交互作用越弱[25]。由圖6可知，反應溫度和淀粉乳質量分數（X1、X3）的響應面圖的等高線兩因素相交部分為橢圓，代表兩者之間有交互作用，而反應溫度和反應體系pH值（X1、X2）及反應體系pH值和淀粉乳質量分數（X2、X3）的等高線近似為圓形，即交互作用不明顯。

表 3 回歸方程的顯著性檢驗Table 3 Significance test of regression coefficients

圖 6 響應面和等高線圖Fig.6 Response surface and contour plots

解得：X1=-0.374，X2=-0.109，X3=-0.111。則最優工藝條件為：反應溫度T=35＋5X1=33.1 ℃；反應體系pH=8.5＋0.5X2=8.45；淀粉乳質量分數C=12.5＋2.5X3=12.2%。

在此最優工藝條件下3 次重復實驗制備的酯化淀粉的DS分別為0.020 3、0.020 6和0.019 9，平均值為0.020 3。

3 結 論

各因素經回歸擬合后，解得回歸方程為：y=0.019 649-0.000 402X1-0.000 091 7X2-0.000 252X3-0.000 496X1X1＋0.000 020 0X1X2-0.000 454X2X2-0.000 298X1X3-0.000 002 5X2X3-0.000 63X3X3。將該方程兩邊分別乘以104，然后分別對X1、X2、X3求偏導數并令其各自都為零。

-4.02＋2×4.96X1＋0.20×X2-2.98X3=0

-0.917＋0.20X1-2×4.54X2-0.025X3=0

-2.52-2.98X1-0.025X2-2×6.3X3=0

玉米淀粉經機械活化處理后，由于其結晶度下降、分子質量減小，使具有活性的羥基暴露，有利于OSA的酯化改性。除反應體系pH值外，淀粉乳的質量分數、反應溫度等對玉米淀粉OSA改性的DS均有一定的影響，其影響程度依次為：反應溫度＞淀粉乳質量分數＞反應體系pH值。經單因素和二次回歸正交旋轉組合設計試驗，得出制備高DS機械活化辛烯基琥珀酸淀粉酯的最優工藝條件為：機械活化10 h、反應溫度33.1 ℃、反應體系pH 8.45、淀粉乳質量分數12.2%、反應時間3 h，在此條件下制得機械活化辛烯基琥珀酸淀粉酯的平均DS為0.020 3。

[1] CADWELL C G, WURZBURG O B. National starch products Inc. polysaccharides dericative of substituted dicarboxylic acids: United States, 2661349[P]. 1953-12-01.

[2] DANIELA B, ANNA P T R P, SELMA G F L, et al. Microencapsulation of passion fruit (Passiflora) juice with n-octenylsuccinate- derivatised starch using spray-drying[J]. Food and Bioproducts Processing, 2013, 91(1): 23-27.

[3] BARANAUSKIENé R, BYLAITé E, ZUKAUSKAITé J, et al. Flavor retention of peppermint (Mentha piperita L.) essential oil spray-dried in modified starches during encapsulation and storage[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(8): 3027-3036.

[4] SONG Xiaoyan, HE Guoqing, RUAN Hui, et al. Preparation and properties of octenyl succinic anhydride modified early Indica rice starch[J]. Starch/St?rke, 2006, 58(2): 109-117.

[5] WANG Chan, HE Xiaowei, HUANG Qiang, et al. The mechanism of starch granule reacted with OSA by phase transition catalyst in aqueous medium[J]. Food Chemistry, 2013, 141(4): 3381-3385.

[6] 宋曉燕, 李真, 謝慧玲, 等. 不同原料制備辛烯基琥珀酸淀粉酯理化性質的比較[J]. 河南農業大學學報, 2010, 44(1): 106-110.

[7] BAI YANJIE, SHI Y C, HERRERA A, et al. Study of octenyl succinic anhydride-modified waxy maize starch by nuclear magnetic resonance spectroscopy[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 83(2): 407-413.

[8] MIAO Ming, LI Rong, JIANG Bo, et al. Structure and physicochemical properties of octenyl succinic esters of sugary maize soluble starch and waxy maize starch[J]. Food Chemistry, 2014, 151(10): 154-160.

[9] SONG Xiaoyan, PEI Yaqiong, ZHU Wei, et al. Particle-stabilizers modified from indica rice starches differing in amylose content[J]. Food Chemistry, 2014, 153(13): 74-80.

[10] 茍林, 王澤南, 韓堂健, 等. 辛烯基琥珀酸碎米淀粉酯的制備[J]. 食品科學, 2011, 32(18): 77-80.

[11] 吳海燕. 響應面法優化辛烯基琥珀酸淀粉酯的制備工藝[J]. 中國糧油學報, 2013, 28(11): 80-85.

[12] 劉強, 鄔應龍, 何靖柳. 響應面法優化氧化辛烯基琥珀酸甘薯淀粉酯的制備工藝[J]. 食品科學, 2011, 32(20): 13-16.

[13] 虎玉森, 蒲陸梅, 張紅利, 等. 辛烯基琥珀酸馬鈴薯淀粉酯的制備及結構表征[J]. 食品科學, 2010, 31(2): 22-24.

[14] 喻弘, 張正茂, 張秋亮, 等. 球磨處理對3種淀粉特性的影響[J]. 食品科學, 2011, 32(7): 30-33

[15] ZHANG Zhengmao, ZHAO Siming, XIONG Shanbai. Morphology and physicochemical properties of mechanically activated rice starch[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 79(2): 341-348.

[16] 譚義秋, 黃祖強, 農克良. 機械活化木薯淀粉羧甲基化產物糊性質的研究(Ⅱ) [J]. 食品科學, 2011, 32(15): 30-33.

[17] 黃祖強, 陳淵, 錢維金, 等. 機械活化對玉米淀粉結晶結構與化學反應活性的影響[J]. 化工學報, 2007, 58(5): 1308-1312.

[18] 陳淵, 謝祖芳, 朱萬仁, 等. 機械活化玉米淀粉乙酰化反應的研究[J].食品工業科技, 2009, 30(3): 217-220.

[19] ZHANG Zhengmao, ZHAO Siming, XIONG Shanbai. Synthesis of octenyl succinic derivative of mechanically activated Indica rice starch[J]. Starch/St?rke, 2010, 62(2): 78-85.

[20] HE Guoqing, SONG Xiaoyan, RUAN Hui, et al. Octenyl succinic anhydride modified early Indica rice starches differing in amylose content[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2006, 54(7): 2775-2779.

[21] SHOGREN R L, VISWANATHAN A, FELKER F, et al. Distribution of octenyl succinate groups in octenyl succinic anhydride modified waxy maize starch[J]. Starch/St?rke, 2000, 52(6/7): 196-204.

[22] BHOSALE R, SINGHAL R. Process optimization for the synthesis of octenyl succinyl derivative of waxy corn and amaranth starches[J]. Carbohydrate Polymers, 2006, 66(4): 521-527.

[23] JEON Y, VISHWANATHAN A, GROSS R A. Studies of starch esterification: reactions with alkenyl succinates in aqueous slurry systems[J]. Starch/St?rke, 1999, 51(2/3): 90-93.

[24] FUNKE U, LINDHAUER M G. Effect of reaction conditions and alkyl chain lengths on the properties of hydroxyalkyl starch ethers[J]. Starch/St?rke, 2001, 53(11): 547-554.

[25] 黃群, 麻成金, 余佶, 等. 產Monacolin K紅曲霉篩選及響應面法優化發酵條件[J]. 食品科學, 2011, 32(21): 177-182.

Synthesis of Octenyl Succinic Esters of Mechanically Activated Corn Starch

ZHANG Zhengmao1, KAN Ling2
(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)

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.

corn starch； mechanical activation； OSA； response surface methodology

TS236.9

A

1002-6630（2015）08-0086-06

10.7506/spkx1002-6630-201508015

2014-08-10

湖北工程學院科學研究項目（201502）

張正茂（1979—），男，講師，博士研究生，研究方向為淀粉改性。E-mail：maomaoz@126.com