响应面法优化苹果酸淀粉酯工艺参数

田双起,王子良,马冰雪,赵仁勇,王新伟

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001)



响应面法优化苹果酸淀粉酯工艺参数

田双起,王子良,马冰雪,赵仁勇*,王新伟

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450001)

以甘薯淀粉为原料,苹果酸为酯化剂,制备了苹果酸甘薯淀粉酯,考察了苹果酸与淀粉质量比(M:S)、苹果酸pH、反应时间、反应温度对苹果酸甘薯淀粉酯取代度的影响,在单因素基础上,采用响应面法优化了影响甘薯淀粉酯化得工艺参数。结果表明,制备苹果酸甘薯淀粉酯的最佳工艺条件为:苹果酸与淀粉质量比0.57,苹果酸pH2.0,反应时间6 h,反应温度160 ℃。在最佳条件下苹果酸甘薯淀粉酯的取代度可达0.354。

苹果酸淀粉酯,响应面法,抗性淀粉

淀粉是人类饮食中的重要能量来源,也是具有良好化学性质的生物可降解聚合物,作为一个通用的可再生资源有着巨大的潜力[1]。随着研究的加深及在实际生产中的应用,抗性淀粉在我们的日常生活中将会起到更大的作用[2]。抗性淀粉对人体有一定的生理益处,未来可应用于功能性食品[3]。且相对于传统方法用硫酸或盐酸制备变性淀粉来获得抗性淀粉,苹果酸处理方法很安全,具有很高的实用价值[4]。

酸淀粉酯是淀粉与酸在高温下反应的产物,通过酸使淀粉分子交联,从而具有很强的抗消化酶降解作用[5]。取代度升高,淀粉分子交联程度随之增加,不被健康正常人体小肠消化吸收[6]。本实验采用干热处理制备苹果酸淀粉酯[7-8]，并通过单因素和响应面实验,选取制备变性淀粉的最适条件,优化制备工艺;并分析原淀粉及不同取代度苹果酸淀粉酯的性质差异,为苹果酸淀粉酯的应用提供技术支撑[9-10]。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

甘薯淀粉市售;苹果酸、氢氧化钠、酚酞、盐酸、溴化钾等均为分析纯。

101A-2鼓风干燥箱上海实验仪器厂有限公司;BJ-150粉碎机上海拜杰实业有限公司;LFS-30粉筛布勒粮食检验仪器无锡公司;HJ-6A型恒温磁力搅拌器金坛市杰瑞尔电器公司;PL2002分析天平、S20pH计梅特勒-托利多仪器有限公司。

1.2实验方法

1.2.1苹果酸淀粉酯的制备配制质量分数为50%的苹果酸溶液和浓度为10 mol/L的NaOH溶液。先用NaOH溶液将苹果酸溶液pH调至1.5,然后将50 g甘薯淀粉和一定量的苹果酸溶液充分混合,室温下静置16 h后,经50 ℃烘干、粉碎,过80目筛,再将混合物置于培养皿,于140 ℃烘箱中反应6 h。反应结束后取出,用2 L蒸馏水洗涤数次以除去多余的苹果酸,滤饼再经45 ℃烘干、粉碎、过筛,得苹果酸甘薯淀粉酯。

1.2.2取代度(DS)测定250 mL锥形瓶中按顺序加入5 g 苹果酸淀粉酯、50 mL蒸馏水、3滴酚酞指示剂,混匀。用10 mol/L和0.5 mol/L的NaOH滴定溶液至颜色为微红色不消失。再加入25 mL 0.5 mol/L NaOH标准溶液皂化40 min。0.5 mol/L HCl标准溶液滴定至红色消失,记录消耗的HCl溶液体积V1(mL)。同时以原淀粉做空白实验,记录消耗体积V2(mL)。取代度按下式计算:

式中:A为苹果酸取代基质量分数(%);V2、V1分别为原淀粉和改性淀粉滴定时所用HCl的体积(mL);m为苹果酸淀粉酯的质量；117是苹果酸取代基相对分子质量;162为淀粉相对分子质量;M为HCl的浓度(mol/L);DS为取代度[11]。

1.2.3单因素实验设计首先进行单因素实验,主要研究苹果酸与淀粉的反应温度、反应时间、pH和质量比(M:S)4个因素分别对制备苹果酸甘薯淀粉酯的影响,进行单因素实验,平行3次。

1.2.3.1质量比的确定在反应时间6 h,pH为1.5,反应温度140 ℃条件下,苹果酸和淀粉的质量比为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8对取代度的影响。

1.2.3.2pH的确定在反应时间6 h,质量比为0.5,反应温度140 ℃条件下,pH分别为1、1.5、2、2.5和3对取代度的影响。

1.2.3.3反应时间的确定在质量比为0.5,反应温度140 ℃,pH为2.0条件下,反应时间为3、4、5、6、7和8对取代度的影响。

1.2.3.4反应温度的确定在质量比为0.5,反应时间6 h,pH为2.0条件下,反应温度为120、130、140、150、160、170 ℃对取代度的影响。

1.2.4响应面实验设计以取代度为响应值,依次改变反应温度、反应时间、苹果酸pH和苹果酸与甘薯淀粉的质量比,依据单因素确定四因素三水平进行响应面优化实验。四个单因素水平分别用A、B、C、D因子代码进行表示。响应面实验设计的因素与水平编码如表1所示。

表1　相应面实验因素水平编码表

1.2.5数据的统计与分析Design-Expert V.8.0.5b进行Box-Behnken设计和分析,运用Origin8.0进行图形绘制。

2　结果与分析

2.1单因素实验结果与分析

2.1.1苹果酸与淀粉质量比对取代度的影响如图1所示,随着苹果酸与甘薯淀粉质量比的增加,苹果酸甘薯淀粉酯的取代度一直上升至0.32。当苹果酸与甘薯淀粉质量比小于0.6时,苹果酸甘薯淀粉酯取代度增加速率快;当苹果酸与甘薯淀粉质量比大于0.6时,取代度增加速度放缓。当苹果酸添加量较少时,反应程度主要受苹果酸含量影响,即反应体系中淀粉颗粒与苹果酸分子的碰撞几率低。而当苹果酸含量较大时,苹果酸与淀粉产生交联,增加了空间位阻。从而减少了消化酶与淀粉苹果酸酯之间的接触,阻碍了反应的发生[12]。

图1　质量比对取代度的影响Fig.1　Effect of malic acid-starch ratio on DS

此外,实验过程表明,添加过多的苹果酸会在前期制粉过程中生成凝胶,粘度增加,不易干燥,且苹果酸与甘薯淀粉质量比为0.6时,得到的产品颜色明显黄于苹果酸与甘薯淀粉质量比为0.5的产品。因此,适宜的苹果酸与甘薯淀粉质量比为0.5。

2.1.2pH对取代度的影响由图2可知,当苹果酸pH由1.0增加至2.0时,产品取代度随着苹果酸pH的增加而增加;当苹果酸pH大于2.0后,产品取代度则随苹果酸pH的增加而下降。这可能是由于苹果酸pH较低时,淀粉颗粒的溶胀程度增大,增加了与酸酐的接触,且酸性环境有利于苹果酸脱水形成酸酐和淀粉羟基的活化,从而导致在一定范围内随着苹果酸pH的增大,产品取代度增大。然而当pH较大时,酸性下降,不利于酯化反应的进行,产品取代度开始下降。因此,适宜的苹果酸pH为2.0。

图2　pH对取代度的影响Fig.2　Effect of pH on DS

2.1.3反应时间对取代度的影响如图3所示。由图可知,当反应时间小于6 h时,苹果酸甘薯淀粉酯的取代度随着反应时间的增加而增加;当反应时间大于6 h后,苹果酸甘薯淀粉酯的取代度随着反应时间的增加略有下降。这可能是由于反应时间的延长可以使苹果酸酸酐与淀粉羟基更加充分的接触,而随着时间过长时,且酸酐浓度降低,进一步反应的难度增加[13]。反应时间过长可能会导致热降解,也不排除一部分酯键断裂的可能性。因此,适宜的反应时间为6 h。

图3　反应时间对取代度的影响Fig.3　Effect of reaction time on DS

2.1.4反应温度对取代度的影响如图4所示,当反应温度小于150 ℃时,产品取代度随着反应温度的增加而增加;当反应温度大于150 ℃时,产品取代度随着反应温度的增加而略有下降。反应温度过低时,酯化反应无法越过能垒,且温度升高后淀粉颗粒增加了溶胀性,酸酐在淀粉中的扩散速率也增加,从而增加了酸酐与淀粉的接触几率。反应温度过高时,产品颜色呈现明显的黄色,且也可能易使淀粉酯发生酯键断裂,而引起取代度下降[14]。

图4　反应温度对取代度的影响Fig.4　Effect of reaction temperature on DS2

2.2工艺参数优化

2.2.1Box-Behnken的设计方案及结果在单因素实验的基础上,采用用Design-Expert中的 Box-Behnken软件,以取代度为响应值,优化甘薯淀粉酯化工艺参数,其响应面实验设计及结果如表2所示。

2.2.2模型建立与方差分析利用Design-Expert 8.0.6对表2实验数据进行多元回归拟合,得到苹果酸甘薯淀粉酯取代度与苹果酸与甘薯淀粉质量比、苹果酸pH、反应时间、反应温度的二次多项回归模型为:

DS=0.30+4.82×10-2A+0.35B+0.75D+0.01AD-1.71×10-4A2-2.83×10-2B2-1.78C2-1.83D2

表2　Box-Behnken设计方案及响应值结果

表3　回归模型方差分析结果

注:p<0.01,表示影响极显著;p<0.05表示影响显著。

为了检验方程的有效性,对甘薯淀粉苹果酸酯化模型进行方差分析,方差分析结果见表3。

由表3可见,模型项F值为20.88,说明该模型是显著的。失拟项F=5.13,p=0.0681>0.05,表示失拟项不显著,说明该方程对苹果酸酯制备实验拟合情况好,误差小。因此可用该模型方程代替实验真实点对实验结果进行分析与预测。回归模型的一次项A、D极显著,B显著,C不显著,交互项AD显著,AB、AC、BC、BD、CD不显著,二次方项A2、B2、C2、D2均极显著,说明不同制备工艺与淀粉酯取代度之间不是简单的线性关系。另从 F 值及p值都可看出,影响因子的主效应主次顺序为:D>A>B>C,即质量比>反应温度>反应时间>pH。

2. 2.3响应面分析经Design-Expert V.8.0.5b处理后所得图形如图所示。图5是质量比和温度交互对苹果酸淀粉酯取代度的影响,由图5可得，质量比的坡面更陡,对取代度影响更大。苹果酸和温度的增加都提升了取代度,但过高的温度和过多的苹果酸都会使产品呈现明显的黄色。因此应合理控制苹果酸含量。

图5　交互作用对苹果酸淀粉酯取代度的影响Fig.5　Response surface plots for effects of malic acid-starch ratio and reaction temperature on DS

2.2.4模型验证通过Design Expert软件得到最优制备工艺参数为:反应温度160 ℃,反应时间6.05 h,苹果酸pH1.97,苹果酸与甘薯淀粉质量比0.57,苹果酸淀粉酯取代度为0.359。考虑到制备实验过程中工艺条件操作的可行性,将工艺条件修正为:质量比0.57,pH2.0,反应时间6 h,反应温度160 ℃。在此最优制备条件下进行3次平行验证实验,得到的取代度为0.354,与理论预测值相比,相对误差为1.4%,验证了该模型的有效性,说明该方程的模拟理论值与验证值的相对误差较小,因此可以利用响应面对甘薯淀粉苹果酸酯工艺进行预测与分析。

2.3淀粉苹果酸酯红外光谱分析

在单因素实验的基础上研究淀粉苹果酸酯的化学键变化,选择原淀粉和最优制备条件下(DS 0.354)的淀粉苹果酸样品进行傅里叶红外光谱分析,3400～2900 cm-1是羟基吸收峰,从图6可以看出,淀粉苹果酸酯在此段波数峰吸收有所降低,表明原淀粉的羟基被部分取代;酯化后的淀粉均在1739 cm-1处出现了新的吸收峰,这是酯键中羰基振动的特征峰,表明酯化反应确实发生;SPS在1632 cm-1处的吸收峰随着苹果酸的取代也逐渐减弱。其中3430、2932 cm-1分别是是缔合O—H和C—H伸缩振动,1739 cm-1是酯键C=O伸缩振动,1632 cm-1是C—O伸缩振动。

图6　原淀粉与不同取代度抗性淀粉的红外光谱图Fig.6　Infrared spectrum of native starch and different DS resistant starch

3　结论

以甘薯淀粉、苹果酸为原料,变性淀粉取代度为指标,采用干热处理制备苹果酸复合变性淀粉，并探究和优化了其制备工艺。建立了苹果酸抗性淀粉酯的四元二次回归方程,经验证,该方程对实验结果拟合情况好,误差小,能够较好地预测苹果酸抗性淀粉酯的取代度。干热法制备甘薯淀粉苹果酸酯的最佳工艺参数为:质量比0.57,pH2.0,反应时间6 h,反应温度160 ℃,该条件下制备的淀粉苹果酸酯取代度为0.354,与理论值(0.359)基本吻合,相对误差为1.4%,充分验证了该模型的有效性。

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Optimization of development processing parameters of malic acid-modified starch by using RSM

TIAN Shuang-qi,WANG Zi-liang,MA Bing-xue,ZHAO Ren-yong*,WANG Xin-wei

(College of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

In this study,sweet potato starch was reacted with malic acid to prepare modified starch with high degree of substitution(DS). Reaction conditions,which include malic acid and starch mass ratio,reaction temperature,pH and reaction time,were optimized by response surface methodology to obtain maximum DS. The optimizing reaction conditions were obtained using RSM. The optimum reaction conditions were found to be reaction at 160 ℃ and pH 2.0 for 6 h with a malic acid-to-starch ratio of 0.57(m/m),resulting in a DS as high as 0.354.

malate starch;response surface method;resistant starch

2015-09-14

田双起(1984-)男，博士，研究方向：食品科学与工程，E-mail：tianshuangqi2002@126.com。

赵仁勇(1969-)男，教授，研究方向：粮食资源转化与利用，E-mail：zry8600@126.com。

河南工业大学校高层次人才基金(2012BS049)。

TS235.1

A

1002-0306(2016)10-0279-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.048