響應(yīng)面法優(yōu)化高取代度黃姜醋酸酯淀粉的制備.doc

響應(yīng)面法優(yōu)化高取代度黃姜醋酸酯淀粉的制備摘要以濃硫酸作催化劑,黃姜淀粉為原料,冰醋酸和醋酸酐為改性劑,合成了高取代度的黃姜淀粉醋酸酯。運(yùn)用響應(yīng)面法優(yōu)化了制備工藝，結(jié)果表明制備黃姜醋酸酯淀粉的最佳反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度70,反應(yīng)時(shí)間2.5 h, 0.20 mL H2SO4作催化劑，醋酸酐與醋酸體積比為32：68，取代度為1.70關(guān)鍵詞醋酸酯淀粉,取代度,制備,黃姜淀粉,響應(yīng)面.黃姜（Rhizoma Dioscoreae Zingiberensis）又名盾葉薯蕷、火藤根，是薯蕷屬（Dioscrea.L）野生草本植物的根莖。研究表明：黃姜中含有1.1-16.5%薯蕷皂素，35-40%淀粉，40-50%的纖維等。其中甾體激素藥物廣泛用于治療風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、心腦血管病等，在藥品生產(chǎn)中僅次于抗生素的重要藥源，隨著需要量的增加，90年代起我國(guó)開(kāi)始大面積人工種植，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年全國(guó)種植面積達(dá)150萬(wàn)畝以上，產(chǎn)量達(dá)10萬(wàn)噸。皂素提取工過(guò)程中，為減少資源浪費(fèi)、降低廢水處理的費(fèi)用以及減少環(huán)境污染，研究人員已探索出制備淀粉的工藝。黃姜淀粉因直鏈淀粉含量高于一般淀粉，因而透光率較低，易老化1.通過(guò)醋酸酐處理以改變天然來(lái)源淀粉的性質(zhì)，從而增強(qiáng)了某些功能性質(zhì)或引進(jìn)新的特性，以適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)新技術(shù)，新工藝要求。1材料與方法1. 1試劑和儀器黃姜原淀粉,烘至絕干;醋酸酐、冰醋酸、丙酮、鹽酸、NaOH、Na2CO3 ,均為分析純?cè)噭? 98%濃硫酸。1. 2淀粉醋酸酯的制備 2、3將60.0 g絕干黃姜原淀粉、不同體積的冰醋酸加入三口瓶中, 10 min內(nèi)將5 的醋酸酐以v (醋酸酐) v (冰醋酸)+ v(醋酸酐)= 32100的混合液滴入三口瓶, 10 min內(nèi)將混于10 mL 冰醋酸的不同體積98%濃H2SO4滴入上述三口瓶中,在攪拌下使水浴緩慢升溫至7086 維持23h。反應(yīng)液傾倒于大量常溫下去離子水中,攪拌,有黃色沉淀。過(guò)通訊作者簡(jiǎn)介：周瓊（1971-），碩士，講師，西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院在讀博士。研究方向食品化學(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)。本論文研究為陜西省教育廳應(yīng)用研究項(xiàng)目（06JK363）及安康學(xué)院科研專項(xiàng)資金（2005AZX011）資助濾,用大量去離子水多次洗滌濾出物,至pH呈中性, 60 烘干。1.3取代度(DS)的測(cè)定取代度(DS)指淀粉葡萄糖單元上羥基氫原子被取代的程度,因?yàn)榈矸勖總€(gè)葡萄糖單元上有3個(gè)可被取代的羥基,所以DS的最大值是3。按文獻(xiàn)4方法測(cè)定DS,取015 g改性淀粉于250 mL碘量瓶中。加入25 mL丙酮, 3滴酚酞指示劑,混勻。再加入25 mL 015 mol/L NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液,搖勻。室溫下在電磁攪拌器上皂化60 min。用015 mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紅色消失即為終點(diǎn),記錄體積V1 (mL) 。用原淀粉做空白實(shí)驗(yàn),記錄體積V2 (mL) 。式中,為醋酸酯淀粉每個(gè)乙?；咸烟菃卧泻械囊阴；|(zhì)量分?jǐn)?shù)(% ) ; V2、V1分別為原淀粉和改性淀粉滴定時(shí)所用HCl的體積(mL) , c為HCl的濃度(mol/L) ,m 為改性淀粉樣品的質(zhì)量( g) 。則DS的表達(dá)式為:式中, 43和162分別為乙?；驮矸勖總€(gè)葡萄糖單元的相對(duì)分子質(zhì)量, 1為H原子的相對(duì)原子質(zhì)量。1.3.1單因素實(shí)驗(yàn)分別以反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑濃硫酸用量、醋酸酐和冰醋酸體積比等為變量,以乙酰含量、取代度為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定影響制備高取代度醋酸酯淀粉的主要因素。1.3.2響應(yīng)面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5、6根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以乙酰含量、取代度為指標(biāo)進(jìn)行RSM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),選取對(duì)乙酰含量、取代度影響最大的3個(gè)因素為自變量,分別以X1、X2、X3 表示,并以+ 1、0、- 1分別代表自變量的高、中、低水平,按方程xi = (Xi - X0 ) /X 對(duì)自變量進(jìn)行編碼,其中, xi 為自變量的編碼值, Xi 為自變量的真實(shí)值, X0 為實(shí)驗(yàn)中心點(diǎn)處自變量的真實(shí)值,X 為自變量的變化步長(zhǎng)。利用統(tǒng)計(jì)軟件Design Expert對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,預(yù)測(cè)制備高取代度醋酸酯淀粉的最佳工藝參數(shù)。2結(jié)果與分析2.1單因素實(shí)驗(yàn)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,影響制備高取代度醋酸酯淀粉的主要因素是反應(yīng)溫度、催化劑濃硫酸用量和醋酸酐和冰醋酸體積比,反應(yīng)時(shí)間對(duì)制備高取代度醋酸酯淀粉影響不大。單因素實(shí)驗(yàn)獲得的最佳條件為:反應(yīng)溫度65 75 , 濃硫酸用量0.15 0.25mL, 醋酸酐與冰醋酸體積比0.140.18,反應(yīng)時(shí)間2.53.0h。該條件下乙酰含量、醋酸酯淀粉取代度較高,分別為為0.4518、1.70。因此,選取萃取溫度65 75 ,濃硫酸用量0.15 0.25mL, 醋酸酐與冰醋酸體積比0.140.18進(jìn)行后續(xù)的響應(yīng)面法設(shè)計(jì),優(yōu)化制備高取代度黃姜醋酸酯淀粉的工藝參數(shù)。2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行響應(yīng)面法Box-Behnken模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),因素水平編碼見(jiàn)表1,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表2。利用Design Expert軟件對(duì)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得二次多元回歸模型為: Y = 1.68+ 0.00125x1 0.053x2 + 0.00875x3 -0.001x1 x2 + 0.018x1 x3 0.050x2 x3 0.013x12 -0.12x22 0.17x32對(duì)模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表3。由表3表1響應(yīng)面因素水平編碼因素編碼及水平-10-1反應(yīng)溫度（）657075濃硫酸用量（mL）0.150.200.25醋酸酐與冰醋酸體積比0.280.320.36表2Box - Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析序號(hào)因素取代度X1X2X3實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)值101-11.401.3820001.681.6831011.531.5340001.701.6851101.491.516-1101.491.4970001.691.688-1-101.611.6390001.711.6810-10-11.501.51110-1-11.391.38120-111.481.501310-11.451.4714-1011.511.49150001.641.68161-101.631.61170111.291.30表3回歸模型的方差分析方差來(lái)源平方和自由度均方FP模型0.2490.02633.350.0001X10.0000110.000010.0160.9031X20.02210.02228.090.0011X30.0006110.000610.780.4064X1X20.000410.00040.510.4984X1X30.001210.00121.560.2517X2X30.01010.01012.740.0091X120.000710.00070.940.3642X220.06110.06178.210.0001X320.1310.13161.000.0001殘差0.005570.00079失擬性0.002630.000861.180.4235純誤差0.002940.00073可以看出:模型F=33.35,概率（PF）值P 0. 05,說(shuō)明模型失擬度不顯著;模型的調(diào)整確定系數(shù)R2Adj = 0.9479, 說(shuō)明該模型能解釋94.79%響應(yīng)值的變化,因而擬合程度良好,實(shí)驗(yàn)誤差小,可以用此模型對(duì)醋酸酯淀粉的制備進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。對(duì)模型進(jìn)行回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn):一次項(xiàng)x2 ( P 0. 05)顯著;交互項(xiàng)x2x3 ( P = 0. 0091) 、二次項(xiàng)x22 ( P 0. 000 1) 、x32 ( P0. 000 1) 極顯著, 表明濃硫酸用量以及濃硫酸用量與醋酸酐與冰醋酸體積比的交互作用對(duì)取代度有顯著影響。2.3響應(yīng)面分析及條件優(yōu)化2.3.1反應(yīng)溫度與濃硫酸用量的影響及交互作用分析在醋酸酐與醋酸體積比條件下( x3 = 0) , 反應(yīng)溫度與濃硫酸用量及兩者的交互作用對(duì)醋酸酯淀粉取代度影響的響應(yīng)面及對(duì)應(yīng)等高線見(jiàn)圖1。從圖1可以看出, 反應(yīng)溫度和濃硫酸用量對(duì)醋酸酯淀粉取代度的交互作用不顯著( P = 0. 4984) 。醋酸酯淀粉取代度變化主要受濃硫酸用量的影響,隨著濃硫酸用量的增加取代度逐步增加,在濃硫酸用量達(dá)到0.19mL,取代度達(dá)到最大值 圖1Y = f ( x1 , x2 , 0)的響應(yīng)面和等高線圖( x3 = 醋酸酐與醋酸體積比)2.3.2反應(yīng)溫度與醋酸酐與醋酸體積比的影響及交互作用分析在固定濃硫酸用量為0.20mL條件下( x2 = 0) , 反應(yīng)溫度與醋酸酐與醋酸體積比的影響及兩者交互作用對(duì)取代度油得率影響的響應(yīng)面及對(duì)應(yīng)等高線見(jiàn)圖2。從圖2可以看出, 萃取時(shí)間和壓力對(duì)得率的交互作用不顯著( P = 0.2517 ) 。取代度主要受醋酸酐與醋酸體積比的影響,取代度隨著醋酸酐與醋酸體積比的增加而迅速增加,在醋酸酐與醋酸體積比達(dá)到0.32時(shí),取代度達(dá)到最大值。 圖2Y = f ( x1 , x3 , 0)的響應(yīng)面和等高線圖( x2 = 濃硫酸用量)2.3.3 濃硫酸用量與醋酸酐與醋酸體積比的影響及交互作用分析在固定反應(yīng)溫度為70條件下( x1 = 0) , 濃硫酸用量與醋酸酐與醋酸體積比及兩者的交互作用對(duì)取代度影響的響應(yīng)面及對(duì)應(yīng)等高線見(jiàn)圖3。從圖3可以看出,萃取時(shí)間和萃取溫度對(duì)得率的交互作用顯著( P = 0. 0091) ,取代度受濃硫酸用量與醋酸酐與醋酸體積比的共同影響。取代度隨著濃硫酸用量和醋酸酐與醋酸體積比的增加而增加, 濃硫酸用量0.19mL 醋酸酐與醋酸體積比為0.32時(shí)，取代度達(dá)到極值，為1.69。從圖中及軟件分析可知，回歸方程存在穩(wěn)定點(diǎn)，穩(wěn)定點(diǎn)是極大值點(diǎn)，經(jīng)軟件分析，得到取代度最高時(shí)的反應(yīng)條件：反應(yīng)溫度為70.24，濃硫酸用量0.19mL，醋酸酐與醋酸體積比0.32，取代度為1.69103 圖3Y = f ( x2 , x3 , 0)的響應(yīng)面和等高線圖( x1= 反應(yīng)溫度)2. 4模型驗(yàn)證在上述確定的優(yōu)化條件下，同時(shí)考慮實(shí)際操作的可行性，將X1定為70，X2定為0.19 mL，X3定為0.32，做三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證的取代度為1.70，與模型預(yù)測(cè)的值較為接近，說(shuō)明該模型較為可靠。3結(jié)論在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,通過(guò)Design Expert 軟件,采用Box - Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)高取代度醋酸酯黃姜淀粉的制備工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化。研究結(jié)果表明,反應(yīng)溫度70、反應(yīng)時(shí)間2.5h，醋酸酐與醋酸體積比0.32條件下，黃姜醋酸酯淀粉取代度為1.704參考文獻(xiàn)1 周瓊,張濤,張麗瓊,等. 黃姜淀粉理化性質(zhì)的研究 J.食品科學(xué)，2008（12）2 朱軍峰,光華,李俊國(guó).高取代度玉米醋酸酯淀粉的制備與表征J.應(yīng)用化學(xué).2006(9):1010-10123 遲惠,邙志國(guó),薛冬樺等.高取代度玉米淀粉醋酸酯的合成與表征精細(xì)化工. 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