木薯羟丙基淀粉合成工艺优化及其性质分析

杨景峰，汪羽宁，梁胜凯，陈 格，李小红，李昌宝，陆宇明*

(1.广西农业科学院,广西 南宁 530007；2.广西农业科学院农业科技信息研究所,广西 南宁 530007； 3.广西农业科学院园艺研究所,广西 南宁 530007；4.广西农业科学院农产品加工研究所,广西 南宁 530007)

木薯羟丙基淀粉合成工艺优化及其性质分析

杨景峰1，汪羽宁2，梁胜凯3，陈 格2，李小红2，李昌宝4，陆宇明1*

(1.广西农业科学院,广西 南宁 530007；2.广西农业科学院农业科技信息研究所,广西 南宁 530007； 3.广西农业科学院园艺研究所,广西 南宁 530007；4.广西农业科学院农产品加工研究所,广西 南宁 530007)

【目的】在碱性条件下，利用木薯淀粉和环氧丙烷发生醚化反应制备羟丙基淀粉，为木薯淀粉改性工艺提供参考。【方法】通过单因素实验分析反应温度、反应时间、pH值、环氧丙烷用量、硫酸钠用量和对羟丙基淀粉取代度的影响，选取环氧丙烷添加量、pH值、温度、时间为反应因素进行响应面实验，并对不同取代度的羟丙基淀粉的性质进行研究。【结果】在一定范围内，随着反应温度、反应时间、无水硫酸钠添加量、pH值、环氧丙烷添加量的增加，羟丙基淀粉的分子取代度也随之增加；但当反应温度高于50 ℃、环氧丙烷添加量大于13.0 %、pH值超过10.9时，局部糊化等现象会产生，导致取代度下降。响应面实验结果表明，对木薯羟丙基淀粉取代度的影响为：反应pH>环氧丙烷添加量>反应温度>反应时间，最佳制备工艺条件为：反应时间20 h、反应温度45 ℃、环氧丙烷添加量13.0 %、pH 10.9，硫酸钠添加量为15.0 %，此条件下羟丙基取代度为0.1419。【结论】利用木薯淀粉制备成的羟丙基淀粉在黏度、冻融稳定性和透明度方面，均优于原淀粉，且随着取代度的增加，性质趋于更优。

木薯淀粉；羟丙基；取代度；响应面实验；回归方程

【研究意义】木薯具有耐旱、耐贫瘠、耐水等强生长适应性，高产稳产，价格低廉。木薯淀粉中蛋白、灰分等杂质含量少，其中支链淀粉含量高达83.0 %，具有糊化温度低、黏度高等特点[1]。但木薯原淀粉的糊液黏度、冻融稳定性差、不耐酸和热，使其在食品工业中的应用受到严重的限制。因此，开展木薯淀粉的改性工艺的研究，对拓宽木薯淀粉的适用范围及木薯产业的发展均具有重要意义。【前人研究进展】木薯淀粉分子结构中具有化学活性基团羟基，通过对羟基的改性可制备多种用途的变性淀粉[2]。羟丙基淀粉是非离子型的淀粉衍生物，是一致公认的安全、可食用的变性淀粉，其糊化温度低，糊透明度高，冻融稳定性好，成膜性好，对酸、碱、电解质等均较稳定，可作为增稠剂和稳定性等广泛应用于饮料、果酱、肉制品以及冰淇淋等食品工业中[3]。目前，工业上生产羟丙基淀粉主要是在碱性条件下，利用淀粉与环氧丙烷进行醚化反应来制得[4-5]。邬应龙等研究结果表明，羟丙基化不仅可以降低四种淀粉的糊化起始温度及碘显色反应，减小生产能耗；而且还可明显改善淀粉的透明度、冷藏稳定性及冻融稳定性[6]；赵凯等利用分光光度法测定羟丙基淀粉取代度，获得该法测定取代度的稳定条件[7]；刘松青等研究结果表明，羟丙基化能大大提高马铃薯淀粉糊的透明度、膨胀度和冻融稳定性，适度降低了糊化温度[2]；何绍凯等以木薯淀粉为原料，环氧丙烷为醚化剂，硫酸钠为淀粉膨胀抑制剂，采用湿法工艺制备木薯羟丙基淀粉，以产品摩尔取代度为评价指标，应用正交试验确定木薯羟丙基淀粉制备的最佳工艺条件[8]。【本研究切入点】目前，利用单因素实验和响应面研究pH 值、环氧丙烷用量、硫酸钠用量、反应温度和反应时间对木薯羟丙基淀粉取代度的影响研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】以价格低廉，资源丰富的木薯为原淀粉制备羟丙基淀粉，通过响应面法优化不同取代度的羟丙基淀粉的加工工艺参数，并研究不同取代度的羟丙基淀粉的物化性质变化，揭示羟丙基淀粉取代度与物化性质之间的关系，为木薯羟丙基淀粉的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

木薯淀粉：食品级，购于广州佛山市国农淀粉有限公司； 1- 2环氧丙烷、丙二醇、茚三酮、氢氧化钠、盐酸、无水硫酸钠、浓硫酸、亚硫酸氢钠均为分析纯。

1.2 试验方法

1.2.1 木薯羟丙基淀粉的制备 称取一定量的蒸馏水，加入无水Na2SO4，搅拌至完全溶解后，再加入干基100 g的木薯淀粉，配制成质量浓度为40 %的淀粉乳，转入到500 mL三颈烧瓶中。三颈烧瓶置于超级恒温水浴锅中，控制反应温度，不断搅拌，用浓度为3.0 %的NaOH溶液调节pH至设定值，再逐管加入定量的环氧丙烷，用保鲜膜封闭颈口反应一段时间。反应结束后，用浓度为6.0 %稀硫酸中和pH至5.5以终止反应，然后再离心、洗涤、烘箱干燥、粉碎、过100目筛即得羟丙基淀粉[4]。

1.2.2 木薯羟丙基淀粉制备的单因素实验 分别进行反应温度、反应时间、硫酸钠添加量、pH值和氧丙烷添加量的单因素试验，考察不同因素对木薯羟丙基淀粉取代度的影响。

1.2.3 响应面模型的构建与分析 在单因素实验基础上，选取反应环氧丙烷添加量(A)、pH值(B)、反应温度(C)、反应时间(D)为反应因素，设计Box-Behnken中心组合实验[9]。根据单因素数据分析结果选取合理的水平，以样品中羟丙基分子取代度(Y)为响应值设计4因素3水平的响应面实验。基于方差分析和回归分析对响应面模型进行解析，利用响应面法探讨各因素对羟丙基分子取代度的影响；并对二次多项回归模型进行最优求解。

1.2.4 木薯羟丙基淀粉与原淀粉理化性能比较 选取取代度分别为0.0313(a)、0.0581(b)、0.0842(c)和0.1181(d)的木薯羟丙基淀粉与原淀粉进行理化分析，比较不同取代度对木薯羟丙基淀粉黏度、冻融稳定性、透明度、颗粒结构和的影响，并进行红外光谱分析比较。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 羟丙基淀粉取代度的测定 采用分光光度法测定[6]，利用羟丙基淀粉在浓硫酸中生成丙二醇，丙二醇再进一步脱水生成丙醛和丙烯醇，这两种脱水产物在浓硫酸介质中可与水合茚三酮生成紫色络合物，用分光光度计在590 nm处测其吸光度，羟丙基取代度(MS)按下式计算：

式中：H(%)：羟丙基含量；F：试样或空白样稀释倍数；M(g)：在标准曲线上查得的试样中的丙二醇含量；M0(g)：在标准曲线上查得的原淀粉中的丙二醇含量；W(g)：试样质量；W0(g)：原淀粉质量；0.7763：丙二醇含量转换为羟丙基含量的转换系数。

1.3.2 Brabender黏度曲线测定 称取干基6.00 g的淀粉样品于Brabender黏度仪的回转杯中，加入一定量蒸馏水，配制成质量分数为6 %(w/w)的淀粉乳，设置扭矩为700 cmg，转速为250 r/min，使淀粉乳从30 ℃开始，以7.5 ℃/min的速度升温至 95 ℃，然后保温5 min，再以7.5 ℃/min的速度从95 ℃降温至50 ℃，保温5 min。Brabender黏度仪连续记录所有过程中淀粉糊黏度的变化，得到Brabender黏度曲线。

1.3.3 冻融稳定性的测定 称取定量的淀粉，加入蒸馏水配成质量分数6.0 %(干基)的淀粉乳，在沸水中糊化30 min后冷却至室温。分别取约40 mL的淀粉糊倒入预先已称重(m1)的5个50 mL带盖塑料离心管中，称重记为m2，放在冰箱内冷冻18 h，取出室温自然解冻6 h。每天取其中1个离心管在3000 r/min下离心20 min，弃去上清液称重，记为m3，其余再冷冻，解冻，称重，反复5 d至5管做完。按下列公式计算其析水率X(%)。

1.3.4 糊透明度测定 称取一定量的淀粉样品配成1.0 %(干基)的淀粉乳，在沸水中加热1 h至完全糊化后，倒出、冷却至室温。用蒸馏水调节空白，在620 nm波长下测定淀粉糊的透光率。重复测定3次，取平均值。淀粉糊的透明度可用透光率表示[2,10]。

1.3.5 扫描电子显微镜(SEM)分析测试 用双面导电胶将少量已干燥的淀粉样品均匀粘贴在样品台上，在真空条件下喷金，然后固定在载物台上并标号，再将样品放入样品室中，在显微镜下拍摄具有代表性的淀粉颗粒形貌的照片[11]。

1.3.6 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)分析测试 红外光谱测试中的制样采用KBr压片法，具体制样方法为：称取约2 mg样品，加入干燥的溴化钾粉末一起研磨混匀后，装入压片模具中抽真空，压制成片。将压制好的KBr压片，装入样品架上，进行红外光谱扫描，分辨率为2 cm-1，扫描范围设定为4000～500 cm-1。

图1 反应温度对木薯羟丙基淀粉取代度的影响Fig.1 Effect of temperature on the degree of substitution of tapioca hydroxypropyl starch

2 结果与分析

2.1 木薯羟丙基淀粉制备的单因素实验

2.1.1 反应温度对木薯羟丙基淀粉取代度的影响 恒定环氧丙烷添加量9.0 %(以淀粉干基计)，无水硫酸钠12.0 %(以淀粉干基计)，反应pH为10.6，反应时间20 h。通过改变反应温度，考察反应温度对木薯羟丙基淀粉取代度的影响，由结果可见(图1)，在温度低于50 ℃时，随着反应温度的升高，MS呈上升趋势。当温度升到50 ℃以上时，取代度呈下降趋势。因此确定最佳反应温度为50 ℃。

2.1.2 反应时间对木薯羟丙基淀粉取代度的影响 在反应温度试验的基础上，恒定环氧丙烷添加量9 %(以淀粉干基计)，无水硫酸钠12 %(以淀粉干基计)，反应pH 10.9，温度为50 ℃，研究反应时间对反应的影响，从结果(图2)可见，木薯羟丙基淀粉的取代度随反应时间的延长呈线性增加趋势，当反应时间超过15 h，增加程度趋缓，尤其是当反应超过20 h以后，反应的取代度几乎不变。综合多种因素，适宜的反应时间为15～20 h 为宜。

图2 反应时间对木薯羟丙基淀粉取代度的影响Fig.2 Effect of time on the degree of substitution of tapioca hydroxypropyl starch

图3 无水硫酸钠添加量对木薯羟丙基淀粉取代度的影响Fig.3 Effect of amount of sodium sulfate on the degree of substitution of tapioca hydroxypropyl starch

图4 反应pH值对木薯羟丙基淀粉取代度的影响Fig.4 Effect of pH on the degree of substitution of tapioca hydroxypropyl starch

2.1.3 无水硫酸钠添加量对木薯羟丙基淀粉取代度的影响 在前期试验的基础上，恒定环氧丙烷添加量9.0 %(以淀粉干基计)，反应pH 10.6，温度50 ℃，时间20 h。研究不同硫酸钠添加量对反应取代度的影响，从结果(图3)可见，在无水硫酸钠添加量少于淀粉干基15.0 %的情况下，羟丙基淀粉的取代度随着无水硫酸钠添加量的增加而增大，当无水硫酸钠添加量多于15.0 %后，取代度却大幅下降。

图5 环氧丙烷添加量对木薯羟丙基淀粉取代度的影响Fig.5 Effect of amount of propylene oxide on the degree of substitution of tapioca hydroxypropyl starch

表1 响应面优化模型Table 1 Response surface optimization model

2.1.4 反应pH值对木薯羟丙基淀粉取代度的影响 在前期试验的基础上，恒定环氧丙烷添加量9.0 %(以淀粉干基计)，温度50 ℃，时间20 h，无水硫酸钠用量15.0 %；研究了不同反应pH值对取代度的影响，从图4可见，木薯羟丙基淀粉取代度随反应pH值的增大呈增加的趋势，但当pH超过10.9时，递增趋势减缓。羟丙基反应的最佳pH为10.9。

2.1.5 环氧丙烷添加量对木薯羟丙基淀粉取代度的影响 以恒定反应pH为10.9，温度50 ℃，时间20 h，无水硫酸钠用量15.0 %；研究环氧丙烷添加量对反应的影响，由结果(图5)可见，羟丙基淀粉的取代度随着环氧丙烷添加量的增加呈增加趋势，但随着取代度的增加，淀粉糊化温度逐渐降低，试验中发现，当环氧丙烷量超过13.0 %时，则会出现部分或大量糊化现象。

2.2 木薯羟丙基淀粉制备的响应面优化实验

2.2.1 响应面模型的构建与分析 在单因素实验基础上，选取反应环氧丙烷添加量(A)、pH值(B)、温度(C)、时间(D)为反应因素，设计Box-Behnken中心组合实验。根据单因素数据分析结果选取合理的水平，以样品中羟丙基分子取代度(Y)为响应值设计4因素3水平的响应面实验。基于方差分析和回归分析对响应面模型进行解析，利用响应面法探讨各因素对羟丙基分子取代度的影响，其组合设计水平取值见表1。

通过Design-Expert软件对表1中数据进行方差分析，得到结果如表2所示，所得二次多项回归方程如下。

MS=0.10+0.021×A+0.022×B+9.833×10-3×C+6.417×10-3×D+2.500×10-3×A×C-3.000×10-3×A×D-8.000×10-3×B×C+1.750×10-3×B×D-0.010×C×D+7.083×10-4×A2-4.417×10-3×B2-0.012×C2-5.667×10-3×D2

表2 回归模型方差分析Table 2 Analysis of variance in regression model

表3 最佳工艺参数验证Table 3 The verification of the best process parameters

2.2.2 响应面优化的最佳工艺及验证 对二次多项回归模型进行最优求解，模型拟合最佳反应条件为反应时间(20 h)、反应温度(45 ℃)、环氧丙烷添加量(13.0 %)和pH10.9，模型预测的取代度为0.1419。为了检验所得结果的可靠性，采用上述优化参数条件进行3次平行验证实验。表3为最佳工艺参数实验验证的结果，该条件下制备木薯羟丙基淀粉的取代度平均值为0.1417，与预测值(0.1419)偏差较小，表明该回归方程与实际情况拟合性较好，充分验证了所建模型的正确性。

2.3 木薯羟丙基淀粉与原淀粉理化性能比较

2.3.1 不同取代度对木薯羟丙基淀粉黏度的影响 从图6可以看出，原淀粉的黏度低于羟丙基淀粉的黏度，原淀粉的糊化温度高于羟丙基淀粉的糊化温度。且随着羟丙基含量的增加，羟丙基淀粉的糊化温度呈现降低趋势，峰值黏度呈增加趋势。糊化温度降低、糊黏度升高反映了淀粉颗粒之间结合力的降低，这与羟丙基的亲水作用及空间位阻效应有关。

2.3.2 不同取代度对木薯羟丙基淀粉冻融稳定性的影响 冻融稳定性反映的就是淀粉糊经反复冷冻和解冻后保持胶体结构的性能。析水率是表征冻融稳定性的指标，析水率越大则冻融稳定性越差。由表4可知，木薯原淀粉经过一次冻融后就有大量水分析出；经羟丙基化的淀粉在第1天析水率均为0，其后几天的析水率也明显比原淀粉低，随淀粉取代度的增加，其析水率逐渐减小，当取代度达0.1181时，第5天 的析水率几乎为0。这说明木薯淀粉经羟丙基化后其冻融稳定性得到极大的提高，且冻融稳定性的提高与取代度呈正相关性。

2.3.3 不同取代度对木薯羟丙基淀粉透明度的影响 从表5可以看出，原淀粉的透明度较低，在所有样品中，其透光率最低，且显著低于其他样品，经羟丙基化后随着取代度的增大，糊的透明度随之增加，样品d的透光率最高，显著高于其他样品。

2.3.4 不同取代度对木薯羟丙基淀粉颗粒结构的影响 由图7可以看出，原淀粉颗粒大都呈圆形或椭圆形，表面光滑，而经过羟丙基醚化改性后，木薯淀粉颗粒变得不规则，表面出现凹凸不平，部分颗粒碎片散落。

2.3.5 不同取代度的木薯羟丙基淀粉的红外光谱分析 由图8可知，木薯淀粉与环氧丙烷发生醚化反应，在1275～1020 cm-1处，出现醚键的特征吸收峰，原淀粉在该处也存在一定的吸收强度，原因可能为原淀粉中C-O单键的伸缩振动造成的，与原淀粉相比，样品a、b、c、d在该处的吸收强度随取代度的增加逐渐增强。

表4 原淀粉和不同取代度羟丙基淀粉的冻融稳定性Table 4 The freeze-thaw stability of the raw starch and hydroxypropyl starch with different degrees of substitutions

注：同列数据后不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)，下同。
Note:The lowercase letters in the same line represents significant difference(P<0.05).The same as below.

图7 原淀粉及不同取代度羟丙基淀粉的SEM分析(2000倍)Fig.7 SEM analysis of raw starch and hydroxypropyl starch with different degrees of substitution(2000 times)

图8 原淀粉和不同取代度的羟丙基淀粉的红外图谱Fig.8 Infrared spectrum of raw starch and hydroxypropyl starch with different degree of substitution

3 讨 论

有关研究结果表明，经过变性的木薯淀粉和原木薯淀粉有很大的不同，经过羟丙基化、羟丙基交联、醋酸酯化、醋酸酯交联后，分别引入了羟丙基、交联键、乙酰基等，使其具有较强的冻融稳定性，具有较高的透明度、耐盐性、耐酸性[10]。从本研究结果可以看出，单因素试验中，反应温度增加，反应的取代度提高，原因可能为，随着温度的升高，环氧丙烷分子的扩散速率加快，环氧丙烷与木薯淀粉中羟基的有效碰撞几率提高，从而增大羟丙基化反应速率，但随着羟丙基化的进行，淀粉的糊化温度随之降低，淀粉更易糊化，当温度超过50 ℃，反应过程中淀粉局部糊化，不利于反应的均相进行，使反应效率降低，从而引起取代度下降，此结果与刘松青等认为反应温度超过55 ℃后淀粉易糊化的观点较为一致。赵伟等研究结果表明，增加硫酸钠的用量，羟丙基淀粉的取代度和反应效率都先增大，当硫酸钠用量超过12 g 时，随着硫酸钠用量的增加取代度和反应效率都降低[12]，本研究中，Na2SO4添加量多于15.0 %后，取代度大幅下降，与其结果较为一致；原因可能为，Na2SO4含Na+，盐离子可抑制淀粉膨胀，当加入量较低时，不能有效抑制淀粉的膨胀，致使淀粉糊化，黏度增大，使得环氧丙烷分子与淀粉分子碰撞几率降低，取代度较低；当Na2SO4加入量过多时，过度抑制了淀粉的膨胀，使环氧丙烷分子不易进入淀粉颗粒内部，降低了环氧丙烷分子的有效浓度，从而降低反应效率，使得取代度下降。本研究结果表明，pH超过10.9时，递增趋势减缓，在实际操作过程中，当pH值超过10.9时，淀粉出现局部糊化现象，不利于反应的均相进行，使反应效率相对降低。当取pH为11.2时，淀粉反应一段时间后几乎完全糊化。温其标等研究结果表明，随着取代度增大，淀粉颗粒表面发生凹凸不平变化，出现洞穴和裂痕，使淀粉易于糊化，糊化温度降低[11]，本研究结果表明，随着取代度的增大，木薯淀粉颗粒变得不规则，表面出现凹凸不平，部分颗粒碎片散落，与其研究结果较为一致。同时，且淀粉糊的透明度随之显著增大。

表5 原淀粉和不同取代度羟丙基淀粉糊的透光率Table 5 The paste transmittance of raw starch and hydroxypropyl starch with different degrees of substitution

4 结 论

本研究结果表明，各因素对木薯羟丙基淀粉取代度的影响顺序为：反应pH>环氧丙烷添加量>反应温度>反应时间。最佳制备工艺条件为：反应时间20 h、反应温度45 ℃、环氧丙烷添加量13.0 %、pH 10.9，硫酸钠添加量为15.0 %，此条件下羟丙基取代度为0.1419。通过原淀粉和不同取代度羟丙基淀粉的性质比较可得，在黏度、冻融稳定性和透明度方面，木薯羟丙基淀粉均优于原淀粉，且随着取代度的增加，性质趋于更优。

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OptimizationofTapiocaHydroxypropylStarchSynthesisProcessandItsPropertyAnalysis

YANG Jing-feng1，WANG Yu-ning2，LIANG Sheng-kai3，CHEN Ge2，LI Xiao-hong2，LI Chang-bao4，LU Yu-ming1*

(1.Guangxi Academy of Agricultural Sciences,Guangxi Nanning 530007,China;2.Agricultural Science and Technology Information Institute,Guangxi Academy of Agricultural Sciences,Guangxi Nanning 530007,China; 3.Horticultural Research Institute,Guangxi Academy of Agricultural Sciences,Guangxi Nanning 530007,China; 4.Institute of Agro-products Processing Science and Technology， Guangxi Academy of Agricultural Sciences,Guangxi Nanning 530007,China)

【Objective】The hydroxypropyl starch was prepared by esterification of tapioca starch and propylene oxide under the alkaline condition,to provide reference for cassava starch modification process.【Method】The reaction temperature,reaction time,pH value,amount of propylene oxide and Na2SO4content on the degree of substitution of hydroxypropyl starch was analyzed by single-factor experiment,and the addition of propylene oxide,pH value,temperature and time was selected as factors to response surface experiment,and the properties of hydroxypropyl starch with different degrees of substitution were studied.【Result】The molecular degree of substitution of hydroxypropyl starch increased as the addition of propylene oxide,reaction pH,reaction time,reaction temperature and anhydrous sodium sulfate growing within a certain range.However,the localized gelatinization phenomenon would occur and cause degree of substitution to decrease when the reaction temperature was higher than 50 ℃,the addition of propylene oxide was more than 13.0 %,and pH value was higher than 10.9.The results of response surface experiment showed that the influence level on the degree of substitution of tapioca hydroxypropyl starch was: reaction pH> addition of propylene oxide> reaction temperature> reaction time.The optimum preparation conditions were as follows: reaction time was 20 h,reaction temperature was 45 ℃,addition of propylene oxide was 13.0 %,pH 10.9,sodium sulfate addition was 15.0 %.Under this condition,the degree of substitution of hydroxypropyl was 0.1419.【Conclusion】The hydroxypropyl starch made from tapioca starch is superior to the original starch in terms of viscosity,freeze-thaw stability and transparency,and tends to be better with the increase of the degree of substitution.

Tapioca starch; Hydroxypropyl; Degree of substitution; Response surface experiment; Regression equation

1001-4829(2017)4-0907-08

10.16213/j.cnki.scjas.2017.4.032

2016-11-20

广西农业重点科技计划项目(201527)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFDA118013)；广西科学研究与技术开发项目(桂科合15104001-23，桂科AD16380015)

杨景峰(1981-)，男，河南驻马店人，硕士，助理研究员，主要研究方向为淀粉及其应用研究、农业农村经济发展研究等，E-mail：yang19810727@qq.com，*为通讯作者，陆宇明，E-mail：lym@gxaas.net。

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(责任编辑 温国泉)