微波辅助快速制备马铃薯羧甲基淀粉条件的优化

刘 嘉 董 楠 赵国华，2

(西南大学食品科学学院1，重庆 400715)

(重庆市农产品加工技术重点实验室2，重庆 400715)

微波辅助快速制备马铃薯羧甲基淀粉条件的优化

刘 嘉1董 楠1赵国华1，2

(西南大学食品科学学院1，重庆 400715)

(重庆市农产品加工技术重点实验室2，重庆 400715)

优化了微波辅助制备马铃薯羧甲基淀粉的工艺。在单因素试验的基础上，选择醚化时间、乙醇体积分数、ClCH2COOH、NaOH用量为自变量，以取代度为响应值，根据中心组合设计(Central composite design，CCD)原理设计试验，并进行显著性和交互作用分析。确定了取代度的最佳工艺条件为:醚化时间为25 min，乙醇体积分数为 83.86%，nClCH2COOH∶nAGU为 0.832∶1，nNaOH∶nAGU为 2.597∶1。微波辅助下，马铃薯羧甲基淀粉的取代度可达到0.325。

羧甲基化 马铃薯淀粉 微波 响应面

变性淀粉在食品和制药行业中扮演着极其重要的角色，拥有许多原淀粉无法媲美的加工适应性［1］。羧甲基淀粉(Carboxymethal starch，CMS)是一类重要的变性淀粉，由于结构中拥有负电荷功能团(CH2COO－)，使其拥有糊黏度稳定且透明度高、流动性和凝沉性好、不易腐败霉变等［2］。目前，CMS已广泛应用于在食品、制药、纺织、造纸等行业中［3］。微波是一种频率范围在3×102～3×105MHz范围内的电磁波，作为一种有效的化学反应改进手段已得到广泛应用［4］。CMS的生产方法主要包括:水媒法、溶剂法和干法。水媒法在水介质中反应，一般合成产品的取代度低;溶剂法是普遍采取的方法，产品取代度较高，但耗能大;干法能耗低且环保，但试剂难渗透到淀粉颗粒内部，造成产物取代度不高。结合微波处理可以缩短生产周期，且能使产品达到合适的取代度。微波对制备马铃薯羧甲基淀粉的影响鲜见报道。本研究在微波条件下快速制备马铃薯羧甲基淀粉，并结合响应面法优化制备工艺，旨在为马铃薯淀粉变性加工的改进提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

马铃薯淀粉(淀粉质量分数85%):重庆金田农业开发有限公司;ClCH2COOH、NaOH、乙醇、甲醇:成都市科龙化工试剂厂;丙酮:重庆创导化工有限公司。

1.2 仪器设备

MAS－Ⅱ型微波反应站:上海新仪化学科技有限公司;DHG－9140电热恒温鼓风干燥箱:上海齐欣科学仪器有限公司;FA2004电子天平:上海恒平科学仪器有限公司;gg－1增力电动搅拌器:金坛市富华仪器有限公司;HH－2数显恒温水浴锅:金坛市富华仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 羧甲基淀粉的制备

将马铃薯淀粉(10.4 g，干样)和乙醇(81% ～89%，130 mL)倒入圆底烧瓶中，并进行搅拌。在水浴中加热到40 ℃，加入 NaOH(2.73 ～4.33 g)，反应30 min。然后加入 NaOH(2.73 ～4.33 g)与ClCH2COOH(3.51 ～8.19 g)，继续搅拌 5 min，使其分散均匀。将反应体系移入微波反应器中，调整功率(200 W)及温度(45℃)，并使用磁力搅拌器进行搅拌，反应18～26 min后取出。用冰醋酸中和至pH 6～7。并用85%的乙醇洗涤，直至经硝酸银溶液检验无白色沉淀即可。45℃下鼓风干燥，粉碎后过120目筛得微黄色粉末即为样品CMS。

1.3.2 取代度的评定

采用直接滴定法测定产物的取代度(Degree of substitution，DS)［5］。取 5 g CMS 分散于150 mL 丙酮中，加入10 mL 6 mol/L HCl，并搅拌30 min。酸化后的羧甲基淀粉用80%甲醇洗涤至pH呈中性。再次将洗涤后的羧甲基淀粉分散于丙酮中搅拌15 min。最后，将其置于45℃烘箱中12 h后备用。取2 g羧甲基淀粉溶解于NaCl(1%)溶液中，并用1 mol/L NaOH进行滴定。取代度由如下公式计算:

式中:M0为一分子脱水葡萄糖的分子质量，162 g/mol;MR为羧甲基的分子质量，58 g/mol;nNaOH为滴定时NaOH的用量/mol;mP为滴定时羧甲基淀粉的用量/g;mC滴定时羧甲基淀粉的实际用量/g;F为淀粉水分含量/%。

1.3.3 响应面试验设计

采用中心组合试验设计(CCD)原理，结合单因素试验结果［6］，固定料液比为10%，羧甲基化温度为45℃，功率为200 W，碱化温度为40℃，碱化时间为30 min，考察 ClCH2COOH用量(X1)、NaOH用量(X2)、醚化时间(X3)和乙醇体积分数(X4)对取代度的影响。试验因素及水平见表1。

表1 中心组合设计因素水平表

1.4 数据处理

采用Design Expert 7.0软件对试验数据进行处理以及响应面分析。

2 结果与分析

2.1 建立模型及方差分析

按照中心组合试验设计，设定不同时间处理以及添加不同比例的ClCH2COOH、NaOH、乙醇。试验结果见表2。对表2数据进行多元回归拟合，获得取代度的二次多项回归方程为:

表2 取代度的中心组合试验方案与结果

表3 取代度的二次响应模型方差分析

由方差分析可知，模型的P值极显著。拟合不足(Lack of Fit)检验的 P=0.060 0(P ＞0.05)，模型失拟不显著，未知因素对试验结果干扰小。且R2=91.26%说明模型拟合程度良好，试验误差小，模型选择合适。由此可用该模型来分析和预测不同反应条件下所制备的羧甲基淀粉的取代度。由表3的P值可知，方程中 X2、X1X3、X3X4、X22、X24对 DS 的影响极显著(P ＜0.01)，X1、X3、X1X4、X21、X23对 DS 的影响显著(P＜0.05)，说明该设计中因素对响应值的影响不是简单的线性关系，交互项和二次项都有显著影响。

2.2 交互项解析

如图1所示，当 nNaOH∶nAGU＜2.5∶1时，随着NaOH用量的增加，产品取代度增加。当nNaOH∶nAGU＞2.5∶1以后，取代度随着其用量增加有降低的趋势。反应中NaOH作为催化剂活化淀粉分子，当淀粉形成的活性中心增多，反应效率得到提高［7］。同时，随着ClCH2COOH用量的增加，使得醚化剂和淀粉的碰撞几率升高，羧甲基淀粉的取代度升高［8］;但醚化剂的用量过多时，取代度出现下降的趋势。反应试剂的使用量过大，都会导致副反应加剧，使得产品取代度降低［8－9］。

图1 ClCH2COOH用量与NaOH用量响应面图和等高线图

如图2所示，反应时间延长能够促进淀粉分子的润胀，从而增加其对反应试剂的吸收［3］。当ClCH2COOH用量一定时，延长反应时间能够使得二者充分反应，取代度升高;但当时间过长时(＞25 min)，产品糊化严重。随着时间的延长以及ClCH2COOH用量的增加，产品取代度成明显上升趋势。在醚化时间为24 min、nClCH2COOH∶nAGU为 1.2∶1 时，产品取代度出现最大值。继续加大ClCH2COOH用量和延长时间，取代度不再升高。

图2 ClCH2COOH用量与醚化时间响应面图和等高线图

图3 NaOH用量与醚化时间响应面图和等高线图

从图3中可知，反应在25 min内，提高NaOH用量，取代度有上升的趋势。当NaOH用量过高，淀粉易糊化，阻碍取代的发生。继续加大NaOH用量和延长时间，取代度不再升高。

由图4可知，当乙醇体积分数一定时，随着NaOH用量的增加，有效地利用提供的ClCH2COOH并增加形成的羧甲基淀粉;但NaOH量太多时，副反应加剧，可利用的ClCH2COOH减少，取代度降低。当乙醇体积分数比较低时，水分含量高，反应时易造成淀粉糊化并结块，不利于反应进行。当继续增加乙醇体积分数，水分含量低不易吸收微波，造成反应进行缓慢，取代度低。

图4 NaOH用量与乙醇体积分数响应面图和等高线图

如图5所示，当ClCH2COOH用量一定时，随着溶剂中水的比例升高，反应体系能够快速吸收微波，取代度升高;但水分过多后，产品容易出现糊化。适量的水分能够促进淀粉分子润胀，且使试剂易于扩散到淀粉内部。从方差分析中可知，二者交互对取代度影响显著。

图5 乙醇体积分数与ClCH2COOH用量响应面图和等高线图

从图6中可以观察到，随着时间的延长，取代度上升。淀粉分子的润胀与水分有直接关系，一定量的水分能够使淀粉充分润胀后增大反应的表面积［9］。当反应溶剂的乙醇体积分数在83% ～85%之间，时间在25 min左右，产品取代度出现最大值。Tijsen等［10］通过试验优化羧甲基淀粉制备的试验中，通过分析也得出在乙醇低体积分数和高体积分数下取代度很低，在85%左右有最大值出现。

图6 乙醇体积分数与醚化时间响应面图和等高线图

2.3 工艺最优化条件及其验证

利用Design Expert 7.0软件进行工艺参数的优化，并平行实施3次对其进行验证。所得产品取代度最大值对应的相关参数、预测值、验证结果见表4。

表4 优化工艺验证结果

在优化条件(醚化时间为25 min，nClCH2COOH∶nAGU为0.832∶1，nNaOH∶nAGU为 2.597∶1，乙醇体积分数为83.86%下对此优化结果进行验证，测定产品取代度为0.325。结果表明，试验值为与预测值基本一致，再次验证了回归方程的正确性(相对误差1%)。

3 结论

3.1 通过响应面设计试验得出了 4个因素(nClCH2COOH∶nstarch、nNaOH∶nstarch、醚化时间、乙醇体积分数对产品取代度的回归方程:DS=0.313+0.011X1+0.014X2+0.011X3－0.018X1X3+0.013X1X4－0.015 X3X4－0.010X21－0.013X22－0.010X23－0.036X24。

3.2 得出了微波制备羧甲基淀粉的最佳工艺参数为:醚化时间25 min，nClCH2COOH∶nAGU为0.832∶1，nNaOH∶nAGU为2.597∶1，乙醇体积分数为 83.86%。产品取代度为 0.325。

3.3 如需制备取代度在0.32左右的产品，微波法可在25 min内完成。

［1］Kittipongpatana O S，Sirithunyalug J，Laenger R.Preparation and physicochemical properties of sodium carboxymethyl mungbean starches［J］.Carbohydrate Polymers，2006，63(1):105－112

［2］Tijsen C J，Kolk H J，Stamhuis E J，et al.An experimental study on the carboxymethylation of granular potato starch in non － aqueousmedia［J］.CarbohydratePolymers，2001，45(3):219－226

［3］Lawal O S，Lechner M D，Kulicke W M.The synthesis conditions characterizations and thermal degradation studies of an etherified from an unconventional source［J］.Ploymer Degradation and Stability，2008，93(8):1520 －1528

［4］Palav T，Seetharaman K.Mechanism of starch gelatinization and polymer leaching during microwave heating［J］.Carbohydrate Polymers，2006，65(3):364 －370

［5］Wang Yanli，Gao Wenyuan，Lia Xia.Carboxymethyl chinsese yam starch:synthesis，characterization，and influence of reaction parameters［J］.Carbohydrate Reasearch，2009，344(13):1764－1769

［6］Liu Jia.Synthesis，characterisation and in vitro digestibility of carboxymethyl potato starch rapidly prepared with microwave－assistance［J/OL］.Food Chemistry，2011［2011 － 08 －31］.http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MImg＆_imagekey=B6T6R －52WKMCR －1－1＆_cdi=5037＆_user=1181503＆_pii=S0308814611007643＆_origin=search＆_zone=rslt_list_item＆_coverDate=05%2F18%2F2011＆ _sk=999999999＆wchp=dGLbVlz －zSkzV＆md5=e90cffec708a03dd3f1ae1c8031a2af3＆ie=/sdarticle.pdf.

［7］Wang Lufeng，Pan Siyi，Hu Hao，et al.Synthesis and properties of carboxymethyl kudzu root starch［J］.Carbohydrate Polymers，2010，80(1):174 －179

［8］Li Xia，Gao Wenyuan，Hung Lijing.Preparation and physicochemical properties of carboxymethyl Fritillaria ussuriensis Maxim.starches［J］.Carbohydrate Polymers，2010，80(3):768－773

［9］Tijsen C J，Scherpenkate H J，Stamhuis E J，et al.Optimisation of the process conditions for the modification of starch［J］.Chemical Engineering Science，1999，54(13 － 14):2765－2772

［10］Lawal O S，Lechner M D，Hartmann B，et al.Carboxymethyl cocoyam starch:synthesis，characterisation and influence of reaction parameters［J］.Starch/Strke，2007，59(5):224 －233.

Optimization of Microwave－assisted Technology for Preparing Carboxymethyl Potato Starch

Liu Jia1Dong Nan1Zhao Guohua1，2
(College of Food Science，Southwest University1，Chongqing 400715)
(Chongqing Key Laboratory of Agricultural Product Processing2，Chongqing 400715)

The native potato starch was carboxymethylated through microwave radiation technology.Based on single factor experiments，a series of central composite design experiments were conducted for an optimal synthesis process.CH2ClCOOH，NaOH，time of etherification and ethanol concentration were selected as variables and a mathematical regression model for degree of substitution was developed.Finally，the optimal extraction process was obtained as follows:etherification time 25 min，ethanol concentration 83.86%，nClCH2COOH∶nAGU=0.768∶1，and nNaOH∶nAGU=2.597∶1.Under such conditions，the DS was up to 0.325.

carboxymethylation，potato starch，microwave，response surface methodology

TS255.4 文献标示码:A

1003－0174(2011)11－0036－06

国家星火计划(2010GA811002)，重庆市科技攻关项目(CSTC，2009CB1001)

2010－09－14

刘嘉，男，1985出生，硕士，食品化学

赵国华，男，1971出生，教授，博士生导师，食品化学