乙酰化羟丙基淀粉改性次序及程度研究

赵 凯 刘丽艳 刘宁

(哈尔滨商业大学食品工程学院；食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨 150076)

乙酰化羟丙基淀粉改性次序及程度研究

赵 凯 刘丽艳 刘宁

(哈尔滨商业大学食品工程学院；食品科学与工程省级重点实验室，哈尔滨 150076)

为确定复合改性对淀粉性质的影响，从而为复合改性淀粉在食品中的应用提供参考。以玉米淀粉为原料，在羟丙基淀粉及乙酰化淀粉2种单一改性淀粉研究的基础上，采用分光光度法确定单一改性淀粉取代度，并以复合取代度为指标，探讨乙酰化羟丙基复合改性淀粉的改性次序及改性程度对复合改性淀粉制备的影响。结果表明：水解作用与空间位阻是影响复合改性效果的重要因素；乙酰化羟丙基复合改性淀粉合理的改性次序应为先羟丙基化后乙酰化，且在一定范围内，乙酰化反应不受羟丙基化程度的影响。

乙酰化羟丙基淀粉 复合改性 改性次序 改性程度

在淀粉分子上引入取代基团，通过空间位阻或离子作用，阻碍淀粉分子间以氢键聚合，提高其稳定性，可延缓其老化进程[1]。目前，国内外普遍采用酯化和醚化处理对原淀粉进行改性，提高其稳定性，而乙酰化与羟丙基化分别是酯化和醚化最常用的改性手段。虽然乙酰化和羟丙基单一改性的淀粉应用较为广泛，但是由于单一改性的局限性使其应用受到一定程度的限制。乙酰化羟丙基淀粉是复合改性淀粉的一种，该复合改性淀粉是在原淀粉的基础上，依次接入羟丙基和乙酰基，使其同时具有羟丙基淀粉和乙酰化淀粉的特点，非常适合应用于冷冻食品及面制品中。本研究采用玉米淀粉为原料，在羟丙基淀粉和乙酰化淀粉单一改性研究的基础上，探索乙酰化羟丙基复合改性淀粉的复合改性次序及改性程度，为乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米淀粉：黑龙江龙凤玉米开发有限公司；浓硫酸、水合茚三酮、亚硫酸氢钠、硫酸钠、氢氧化钠、环氧丙烷、乙酸酐、盐酸、酚酞、无水乙醇均为分析纯。

1.2 仪器

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器：郑州市亚荣仪器有限公司；ZHWY-110水浴振荡器：上海一恒科学仪器有限公司；PHS-25pH计：上海精科；722E可见分光光度计：上海光谱仪器有限公司；TDL-5-A离心机：上海安亭科学仪器厂；DHG-9420A电热恒温鼓风干燥箱：上海一恒科学仪器有限公司；FW80-I高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 羟丙基淀粉的制备

将一定浓度的淀粉乳置于三口瓶中，加入一定量的Na2SO4和NaOH溶液，混合，密闭，充入氮气，排出空气，在水浴加热条件下，加入一定量的环氧丙烷，将三口瓶的瓶口密封，搅拌、反应一段时间，所得产品用2 mol/L 的H2SO4滴定至中性，离心、水洗、干燥、粉碎，即得成品[2-3]。

1.3.2 乙酰化淀粉的制备

将淀粉制成一定的淀粉乳，在25 ℃下搅拌1 h，然后用3%的NaOH调整pH=8.0，逐滴加入乙酸酐，同时用3%的NaOH将pH保持在8.0～8.4范围内，反应一段时间，然后使用0.5 mol/L的HCl将pH调至6.5，离心，洗涤(用去离子水洗涤2次，95%的乙醇洗涤1次)，然后将其放入40 ℃的烘箱中干燥、粉碎、即得成品[4]。

1.3.3 乙酰化羟丙基复合改性淀粉的制备

1.3.3.1 先羟丙基后乙酰化淀粉的制备

按1.3.1制备羟丙基淀粉，以羟丙基淀粉为原料，对其进行乙酰化改性，具体操作同1.3.1和1.3.2。

1.3.3.2 先乙酰化后羟丙基淀粉的制备

按1.3.2制备乙酰化淀粉，以乙酰化淀粉为原料，对其进行羟丙基化改性，具体操作同1.3.1和1.3.2。

1.3.4 羟丙基淀粉取代度的测定

按照赵凯等[5]的方法测定。

1.3.5 乙酰化淀粉取代度的测定

按照Luis等[6]和高静等[7]的方法测定。

2 结果与讨论

2.1 复合改性次序的确定

图1中的复合试验分别为：低取代度的羟丙基淀粉(MS=0.03)与高取代度的乙酰化淀粉(DS=0.13)进行复合(以MS=0.03为基础，对其进行乙酰化改性；同时以DS=0.13为基础，对其进行羟丙基化改性)，以二者复合取代度为指标进行比较；高取代度的羟丙基淀粉(MS=0.12)与高取代度的乙酰化淀粉(DS=0.13)进行复合(以MS=0.12为基础，对其进行乙酰化改性；同时以DS=0.13为基础，对其进行羟丙基化改性)，以二者复合取代度为指标进行比较；高取代度的羟丙基淀粉(MS=0.12)与低取代度的乙酰化淀粉(DS=0.03)进行复合(以MS=0.12为基础，对其进行乙酰化改性；同时以DS=0.03为基础，对其进行羟丙基化改性)，以二者复合取代度为指标进行比较(以上所述高、低取代度均为食用级范围内的高、低取代度)。结果表明：羟丙基淀粉与乙酰化淀粉无论以何种方式进行复合，先羟丙基化后乙酰化的复合取代度均高于先乙酰化后羟丙基化。所以确定复合改性的次序为先羟丙基化后乙酰化。

注：DS：单一改性时表示乙酰化淀粉取代度，复合改性时表示复合改性淀粉的乙酰化程度；MS：单一改性时表示羟丙基淀粉取代度，复合改性时表示复合改性淀粉的羟丙基化程度。

图1 复合改性次序的确定

产生此现象的原因可能有2个：1)乙酰基的水解作用；2)基团空间位阻的影响。图2中乙酰化淀粉a为乙酰化淀粉单体；乙酰化淀粉b为确定乙酰化淀粉的水解作用，将乙酰化淀粉a在羟丙基淀粉的反应条件下(未加环氧丙烷)，所得的乙酰化淀粉；另外两种为先羟丙基后乙酰化复合改性淀粉和先乙酰化后羟丙基复合改性淀粉。由图2可知先羟丙基化后乙酰化复合改性淀粉的乙酰化程度并没有改变，而先乙酰化后羟丙基化的乙酰化程度明显下降。而乙酰化淀粉b的取代度明显低于乙酰化a的取代度，这说明乙酰化淀粉在进行羟丙基的作用时发生了水解作用，此时的取代度DS2=0.079，乙酰化淀粉a的取代度DS1=0.133，即有40.6%的乙酰化淀粉发生了水解。然而先乙酰化后羟丙基化改性淀粉的DS=0.058，这说明在乙酰化淀粉进行乙酰化作用时不仅仅发生了水解作用，还有基团的空间位阻作用(未加入环氧丙烷反应时DS2=0.079，加入环氧丙烷反应时DS=0.058)，此部分作用占15.79%。这主要是因为淀粉的酯化和醚化主要在C2、C3、C63个位置上发生取代反应，已有研究表明[8]，羟丙基淀粉C2、C3和C6各碳原子羟基的反应常数比为K2∶K3∶K6=33∶5∶6。这说明淀粉在进行羟丙基化的过程中，C2的反应活性明显高于C3和C6，因此在羟丙基化之前进行乙酰化，如果乙酰基占据C2中的羟基，则在进行羟丙基化时，反应就比较困难。对于乙酰化淀粉C2、C3和C6各碳原子羟基的反应常数比未见相关的报道。但在试验过程中发现，先羟丙基化后乙酰化复合改性的过程中，羟丙基的存在对乙酰基的接入无显著的影响，而先乙酰化后羟丙基化改性的反应过程中，乙酰基对羟丙基的阻碍非常明显。因此推测淀粉在进行乙酰化的过程中C2、C3和C6反应活性差别并不是十分显著，C2反应活性略高于C3和C6，此部分有待进一步的研究证实。

图2 乙酰基水解程度的确定

2.2 复合改性程度的确定

图3a为先羟丙基化后乙酰化复合改性淀粉改性程度的确定，当乙酸酐用量一定时，随着羟丙基化程度的增加，淀粉的乙酰化程度并没有发生变化，这说明先羟丙基化后乙酰化的过程中，羟丙基化的程度并不会影响乙酰化的进行。当羟丙基淀粉的取代度一定时，对其进行乙酰化作用，随着乙酸酐添加量的增加，淀粉的乙酰化程度逐渐增加。图3b为先乙酰化后羟丙基化复合改性淀粉改性程度的确定，只有当乙酰化的程度非常低的情况下，对其进行羟丙基化时，才会接上部分羟丙基基团。这可能是因为乙酰基的空间位阻作用。这与前面反应次序的研究结果一致。

图3 复合改性程度的确定

3 结论

以乙酰化淀粉、羟丙基淀粉的复合取代度为指标，确定了乙酰化羟丙基复合改性淀粉的改性次序为先羟丙基化后乙酰化，在食品工业应用的低取代度范围内，羟丙基化程度不会影响乙酰化的进行。

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Determination of Modified Sequence and Degree of Acetylated and Hydroxypropylated Starch

Zhao Kai Liu Liyan Liu Ning

(Province Key Lab of Food Science and Engineering, College of Food Engineering, Haerbin University of Commerce, Haerbin 150076)

In order to figure out the effect of dual-modification on properties of starch，a scientific evaluation method, which could be used as a reference for the application of dual-modified starch in food industry, was established in the paper. With the corn starch as raw material, a spectrophotometric method to determine the single degree of substitution (DS) of modified starch was applied. Based on the study of hydroxypropylated starch and acetylated starch, using totalDSas an indicator, the effect of sequence and degree of acetylation and hydroxypropylation dual-modification on starch preparation was studied in this paper. The results showed that hydrolysis and steric hindrance were the main factors of dual-modification. The sequence of acetylated and hydroxypropylated dual-modification should be hydroxypropylation first, then acetylation. The degree of hydroxypropylation did not affect the acetylation in a certain range.

acetylated and hydroxypropylated starch, dual-modification, sequence of modification, degree of modification

TS231

A

1003-0174(2016)12-0025-04

黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划(1251 G025)，哈尔滨市科技创新人才项目(2014RFXXJ068)

2015-04-14

赵凯，男，1974年出生，教授，淀粉化学与加工机理