星点设计-响应面法探究玉米淀粉壬酸包合的最优工艺及表征

李珊珊，梁 坪，汤鹏宇，陈 青*

（贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025）

玉米淀粉是膳食中主要的碳水化合物之一。作为一种传统食品原料，玉米淀粉在酿酒行业中的应用历史悠远。早在古代，西南地区少数民族就用玉米酿造包谷酒，包谷酒营养丰富，味道甘甜，是重要的中度甜酒品种。现在玉米淀粉还广泛运用在淀粉糖、味精、柠檬酸等行业，加工工艺已相对成熟[1]。壬酸呈淡的脂肪和椰子香气，是饱和脂肪酸的一种，主要在食品工业中作为食用香料使用。玉米淀粉与脂肪酸复合形成的包合物可以抑制淀粉颗粒的膨胀，并提高其结构稳定性，也可以作为脂肪替代物、食品稳定剂、药物辅料、化妆品组分和降解包装材料等，在食品、医药和化工领域应用，有着很好的开发前景[2]。

目前，关于脂肪酸淀粉包合物的研究主要集中在性质讨论方面，王雨生等[3-4]利用了玉米淀粉和不饱和脂肪酸包合，探究了包合物的热力学性质，但是关于玉米淀粉与壬酸包合物的研究未见报道。星点设计-响应面法是一种试验设计方法，主要用于优化处方或工艺[5-7]。近年来，在优化包合物制备工艺方面的应用也越来越深入[8-11]。该方法具有简单、试验次数少、精度高的特点，采用非线性模型拟合，通过复相关系数对建立的数学模型进行评价，可以很好的考察收率和多个自变量之间的关系，具有很好的可信度。星点设计-响应面法在脂肪酸-淀粉包合物制备工艺优化上的应用也未见报道。鉴于此，研究利用星点设计-响应面法[12]对玉米淀粉-壬酸包合物的制备工艺条件进行优化，通过红外（infrared radiation，IR）、热重（thermalgravimetric，TG）和电镜扫描（scanning electronmicroscope，SEM）对包合物进行表征。以期为拓展饱和脂肪酸壬酸的应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉、壬酸（纯度98%）：上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氢氧化钾（分析纯）：成都金山化学试剂有限公司；盐酸（分析纯）：重庆川东化工（集团）有限公司。

1.2 仪器与设备

JD200-4电子天平：沈阳龙腾电子有限公司；电热恒温水浴锅：天津市泰斯特仪器有限公司；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器：巩义市科瑞仪器有限公司；GL-20G-I1高速冷冻离心机：上海安亭科学仪器厂；CTFD-12S冷冻干燥机：青岛永合创信电子科技有限公司；Vertex-70傅里叶变换红外光谱仪：日本岛津公司；STA449C差热分析仪：日本岛津公司；INSPECT F50扫描电镜：美国FEI公司。

1.3 试验方法

1.3.1 玉米淀粉-壬酸包合物的制备

参照ZABARS等[13]的方法，分别称取3.0 g、4.2 g、5.4 g、6.0 g、6.6 g、7.8 g、9.0 g的玉米淀粉溶于80m L预热至90 ℃的KOH（0.01mol/L）溶液。称取0.676m L壬酸溶于120m L预热至60℃的KOH（0.01mol/L）溶液中。将淀粉溶液与壬酸溶液混合，于60℃水浴中，用0.15mol/LHCl调节pH值至4.7，搅拌1 h，冷却至室温后，以3 000 r/m in离心20m in，沉淀用体积分数50%的乙醇洗涤3次，经冷冻干燥即得玉米淀粉-壬酸包合物。包合物收得率计算公式如下：

1.3.2 玉米淀粉-壬酸包合物制备工艺优化单因素试验

按1.3.1试验方案，分别选取玉米淀粉和壬酸的不同投料比（4∶1、6∶1、8∶1、10∶1、12∶1、14∶1）、包合时间（40m in、50min、60min、70min、80min、90min）、包合温度（40 ℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃）作为考察因素，以包合物收得率（Y）作为评价指标，确定最佳单因素条件。

1.3.3 星点设计试验

在单因素试验的基础上，选取投料比（A）、包合时间（B）、包合温度（C）作为考察因素，以收得率（Y）为评价指标，根据星点设计原理，对考察的3个因素分别设置5个水平，用-α、-1、0、+1、+α表示（α=1.682），投料比、包合时间以及包合温度中心点取值根据单因素试验结果取值。

1.3.4 玉米淀粉-壬酸包合物的表征

IR分析：取适量的玉米淀粉、壬酸、物理混合物、玉米淀粉-壬酸包合物，除壬酸KBr涂片，其他样品采用KBr压片法，压制成样品薄片进行红外扫描，波数扫描范围为400～4 000 cm-1，每个样品平行测定2次。采用Origin软件对红外分析数据进行处理。

热重分析：参照谢涛等[14]的方法，取玉米淀粉-壬酸包合物3～5mg，置于坩埚中，氮气速率为50m L/min，升温速率为10℃/min，加热温度范围为30～800℃，测定样品热分解曲线。采用STARe V13.0软件对热重分析数据进行处理。

电镜扫描：为了证明包合物的形成及形成包合物后表面微观结构的变化，分别对玉米淀粉-壬酸包合样和淀粉进行SEM测定。使用导电的双面胶将少量淀粉及玉米淀粉-壬酸包合物固定在样品台，用洗耳球吹去多余的样品后，进行30 s镀金使得样品导电性增强，将样品台置于SEM机器上，在3 kV，2 000倍的条件下进行扫描电镜观察[15]。分别测得直径为50μm的玉米淀粉外貌及直径分别为100μm、10μm、5μm的淀粉包合物外貌，进行比较。

2 结果与分析

2.1 玉米淀粉-壬酸包合物制备工艺优化单因素试验结果

2.1.1 投料比对包合工艺的影响

图1 投料比对包合工艺的影响Fig.1 Effect of feeding ratio on inclusion process

从图1可知，随着投料比的增加，收得率呈缓慢上升，在投料比为10∶1（g∶mL）时，收得率达到最高；此后，投料比继续增加，收得率开始减小。推测在投料比为10∶1时，淀粉对壬酸的包合量达到饱和，达到玉米淀粉的最大利用率。因此，选择最佳投料比为10∶1（g∶m L）。

2.1.2 包合温度对包合工艺的影响

从图2可知，随着包合温度的升高，收得率也随之增加，在包合温度升至60℃时，收得率达到最高；此后，继续升高包合温度，收得率开始下降。这是由于淀粉需溶解于水中才能够起到包合作用，温度升高有利于提高淀粉的溶解度，且可以增加其与壬酸相互碰撞的几率，故而使反应的收得率增大。但包合反应同时也是放热反应[16]，当达到包合平衡后，继续升温则不利于壬酸的包合而使收得率下降。因此，选择最佳包合温度为60℃。

图2 包合温度对包合工艺的影响Fig.2 Effect of inclusion tem perature on inclusion process

2.1.3 包合时间对包合工艺的影响

从图3可知，随着包合时间的延长，收得率也随之增加，在包合时间至60min时，收得率达到最高；此后，继续延长包合时间，收得率开始下降。推测原因是包合反应是可逆过程，在开始时，包合速度高于解包合速度，所以收得率不断增加。当包合时间60m in时，包合过程和解包合过程趋向动态平衡，收得率达到最大值。继续延长包合时间，部分包合物可能会发生解络，使得收得率下降。因此，选择最佳包合时间60min。

图3 包合时间对包合工艺的影响Fig.3 Effect of inclusion time on inclusion process

2.2 星点设计试验结果

2.2.1 星点设计试验结果

根据单因素试验结果，投料比、包合时间以及包合温度中心点取值为投料比1∶10（m L∶g）、包合时间60m in、包合温度60℃。编码值与实际值对应如表1。按照单因素试验中包合物的制备法进行。

表1 星点设计编码值与实际值对照Table 1 Comparison of coding values of central composite design with actualvalues

2.2.2模型拟合与方差分析

表2 方差分析结果Table2Resultsofvarianceanalysis

对表1的数据采用Design-Expert8.05统计分析软件进行数据分析，得到收得率对投料比、包合时间和包合温度的多元线性回归和二次多项式拟合方程：Y=78.80+1.68A+0.59B-0.25C-1.20AB+0.70AC+0.11BC-1.28A2-2.44B2-0.31C2，P＜0.0001，R2=0.9464，对二次多项式拟合方程中各项系数分别进行方差分析，结果见表2。

从二次多项式拟合方程中的P值和R2值来看，所选的3个自变量与3个考察指标的线性拟合相关性大，拟合程度高，预测性好，所以采用二次多项式拟合效果好，且3个考察因素对考察指标均有影响，P＜0.0001、R2=0.9464表示拟合程度较高，可作为分析预测模型。

由表2可知，在单因素试验中，投料比对玉米淀粉-壬酸包合的影响最为显著，包合温度的影响次之，包合时间的影响最弱。

2.2.3 响应面图分析

用Design-Expert8.05软件绘制考察指标与考察因素的三维曲面图，结果见图4。

图4 料液比、包合温度、包合时间交互作用对收得率影响的响应曲面及等高线Fig.4Responsesurfaceplotsandcontourlineofeffectsofinteractionbetweenmaterialtoliquidratio,inclusiontemperatureandtimeonyield

从图4可以直观的观察到壬酸和玉米淀粉的投料比、包合温度和包合时间对收得率的影响显著，运用Design-Expert8.05软件分析，可得到优化条件为液料比1∶11（mL∶g），包合时间68min，包合温度60℃。

2.2.4 工艺优化结果及验证试验

按照优化条件：投料比1∶11（mL∶g），包合时间68min，包合温度60℃，进行3次验证试验，平均收得率为77.09%，与预测值之间的偏差为2.31%，说明本条件优化试验是可行的。

表3 包合工艺验证试验结果Table3Resultsofverifiedtestofinclusionprocess

2.3 包合物表征

2.3.1 IR分析结果

图5 玉米淀粉-壬酸包合物、物理混合物、玉米淀粉、壬酸红外光谱图Fig.5Infraredspectrumofcornstarch-nonanoicacidinclusion compound,physicalmixture,cornstarchandnonanoicacid

由玉米淀粉、壬酸、物理混合物、玉米淀粉-壬酸包合物红外光谱图（图5）可知，壬酸在1 240～1 289 cm-1处有-COOH中C-O-C的伸缩振动峰，1 710～1 760 cm-1处有-CO键的伸缩振动峰[17]，而玉米淀粉-壬酸包合物中未出现表明玉米淀粉与壬酸形成了包合物。

3 423 cm-1处出现的宽而强的吸收峰为玉米淀粉中-OH的伸缩振动峰。振动峰的波数反映化学键的强弱，波数越低，说明该基团的含量越多，或该作用力越强[18]。玉米淀粉-壬酸包合物中-OH伸缩振动峰向低波数方向移动，可能是由于壬酸中的-OH伸缩振动峰与玉米淀粉中的-OH伸缩振动峰发生缔合叠加，使玉米淀粉-壬酸包合物在3 423 cm-1处吸收峰向低波数方向移动。

2 930 cm-1处出现的是-CH键的吸收峰，由于壬酸的络合，使得玉米淀粉在此处的峰向低波数方向移动，表明玉米淀粉与壬酸复合后-CH基团数量增加，这可能是由于壬酸与玉米淀粉中的-CH发生缔合叠加。游离壬酸在2856 cm-1处表现出羧酸的-OH伸缩振动，而在玉米淀粉-壬酸包合物的吸收峰中几乎没有出现，这可能是由于玉米淀粉与壬酸的-COOH基团中的-OH键发生相互作用。以上结果表明，壬酸与玉米淀粉相互作用形成了包合物而不是二者简单的混合。随着壬酸的加入，1 159 cm-1处的吸收峰会逐渐向低波数方向移动，说明壬酸对玉米淀粉的络合作用，使羟基数量减少。

2.3.2 热重分析结果

玉米淀粉、物理混合物及玉米淀粉-壬酸包合物的TG的热降解曲线见图6。

由图6可以看出，玉米淀粉及玉米淀粉-壬酸包合物的热重曲线可分为三个阶段，物理混合物的热重曲线有两个阶段，第一阶段温度范围为35～130℃，质量损失了9%～14%，主要是由于样品内存在的水分及样品表面结合水分的除去和小分子碳氢化合物的分解造成的；第二阶段温度范围为240～350℃，主要是玉米淀粉或玉米淀粉-壬酸包合物的解聚和分解过程[19]，总的质量损失为71%～79%；第三阶段可能是中间产物的完全分解，对应的温度范围为350～500℃，这一阶段的总重量损失和平均降解速率均低于第二阶段，样品的热分解在500℃基本完成。玉米淀粉-壬酸包合物的第二阶段（240～350℃）起始分解温度小于玉米淀粉和其物理混合物，表明壬酸的包合降低了玉米淀粉的热分解稳定性，这可能是由于玉米淀粉与壬酸复合后使玉米淀粉的晶体类型的改变所致。此外，由图6还可以看出，第二阶段的玉米淀粉-壬酸包合物的质量损失略高于对应的原淀粉；玉米淀粉-壬酸包合物的最快反应速率对应的温度低于对应的原淀粉；800℃时剩余的质量主要为灰分。玉米淀粉与壬酸形成的包合物的灰分含量大于玉米淀粉和其物理混合物。

图6 玉米淀粉、物理混合物、玉米淀粉-壬酸包合物热重图（A）、差热分析图（B）Fig.6 Thermogravim etry diagram(A)and differential thermalanalysis diagram(B)of corn starch,physicalm ixture and corn starch-nonanoic acid inclusion compound

2.3.3 SEM分析结果

玉米淀粉、玉米淀粉-壬酸包合物的SEM结果如图7所示。

图7 玉米淀粉及玉米淀粉-壬酸包合物扫描电镜图谱Fig.7 Scanning electron m icrograph of corn starch and corn starch-nonanoic acid inclusion compound

由文献和电镜扫描照片得到玉米淀粉颗粒形状为多边形和球形，且表面光滑[20]；当与壬酸包合以后，包合物外观形貌没有显著变化。然而更高的放大倍数下可以看到，包合物颗粒各个表面均分布了纳米级的小孔。这可能是在溶液状态下，玉米淀粉分子链与壬酸结合，形成的包合物与游离的玉米淀粉分子链的界面作用差异所致，间接地证明了包合物的形成。

3 结论

通过单因素及星点设计-响应面试验确定玉米淀粉-壬酸包合物最佳制备工艺条件为壬酸和玉米淀粉投料比1∶11（m L∶g），包合时间68m in，包合温度60 ℃，在此条件下收得率为77.09%，各因素对包合收得率的影响次序为投料比＞包合温度＞包合时间。采用星点设计-响应面优化得到的工艺参数可靠，具有一定的理论和实际指导意义。玉米淀粉和壬酸主要应用在食品工业中，玉米淀粉是重要的食品原料，壬酸是食品添加剂。将玉米淀粉和壬酸制备成包合物，提高了玉米淀粉结构的稳定性，便于玉米淀粉的储存和运输。此外，壬酸作为食品添加剂使用时，由于是液体，运输和使用不是非常方便。壬酸和玉米淀粉形成的包合物为白色粉末，完全保留了壬酸特有的香气，这对于壬酸的应用，提供了更加方便、安全的新途径。因此，在玉米淀粉、壬酸的食品加工过程中，可以考虑采用包合物的形式参与，以获得更好的加工使用结果和经济效应。通过对玉米淀粉-壬酸包合物外观形貌研究，发现包合物表面具有多孔特征，这种多孔结构可不可以应用在吸附上，值得进一步研究和探讨。