微波法制備硬脂酸木薯淀粉酯

1、PAGE 4食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報第8卷第3期薛明薇: 微波法制備硬脂酸木薯淀粉酯PAGE 5第8卷 第3期食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報Vol. 8 No. 32017年3月Journal of Food Safety and QualityMar. , 2017 基金項(xiàng)目: 農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估實(shí)驗(yàn)室(北京)開放課題(kfkt201606)、國家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險評估重大專項(xiàng)子項(xiàng)目(GJFP201601502)、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(1610422017006)Fund: Supported by Open subject of Risk Assessment Lab for

2、 Agro-products (Beijing), Ministry of Agriculture (kfkt201606), Sub Projects of Major Projects of National Agricultural Product Quality and Safety Risk Assessment (GJFP201601502), and the Project of Basic Scientific Research of Central Public Welfare Research Institute (1610422017006)*通訊作者: 屠振華, 高級工

3、程師, 主要研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì), E-mail: *Corresponding author: TU Zhen-Hua, Senior Engineer, China Food Industry Promotion Center, Beijing 100062, China. E-mail: 微波法制備硬脂酸木薯淀粉酯薛明薇*(廣西東興出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合技術(shù)服務(wù)中心, 東興 538100)摘 要: 目的 建立微波輔助技術(shù)制備硬脂酸木薯淀粉酯, 并對其理化性質(zhì)進(jìn)行表征。方法 以木薯淀粉為原料, 以硬脂酸為酯化劑, 以鹽酸為催化劑, 通過均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并經(jīng)SPSS 10.0軟件優(yōu)化微

4、波法制備硬脂酸木薯淀粉酯的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果 硬脂酸木薯淀粉酯的最佳工藝條件如下: 淀粉50 g(干基), 微波功率450 W, 微波輻射時間1.5 min, 鹽酸加入量6.0 mL, 硬脂酸0.5 g, 得到的產(chǎn)品取代度為0.01685。結(jié)論 本研究建立了一種無污染、反應(yīng)快、能耗低的硬脂酸木薯淀粉酯制備方法, 得到的產(chǎn)品取代度較高, 溶解度、乳化性和乳化穩(wěn)定性均優(yōu)于原淀粉。關(guān)鍵詞: 木薯淀粉; 硬脂酸; 微波法; 取代度; 均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)Preparation of stearic acid cassava starch ester by microwave methodXUE Ming-we

5、i*(Dongxing Import and Export Inspection and Quarantine Bureau of Integrated Technical Service Center,Dongxing 538100, China)ABSTRACT: Objective To establish a method for preparation of stearic acid cassava starch ester by microwave and characterize its physical and chemical properties. Methods Cass

6、ava starch ester was prepared with cassava starch as the raw material, stearic acid as the esterifying agent, and hydrochloric acid as the catalyst. The optimum processing conditions were obtained by uniform design experiment and SPSS 10.0 data analysis software. Results The optimum processing condi

7、tions were as follows: starch amount of 50 g (absolutely dry), microwave power of 450 W, microwave irradiation time of 1.5 min, hydrochloric acid amount of 6.0 mL, and stearic acid amount of 0.5 g. Under these conditions, degree of substitution (DS) of the product was 0.01685. Conclusion The establi

8、shed method has characteristics such as non-pollution, rapid reaction, low energy consumption, and high DS, and the solubility, emulsibility, and emulsion stability of cassava starch ester are superior to cassava starch.KEY WORDS: cassava starch; stearic acid; microwave method; degree of substitutio

9、n; uniform design experiment1 引 言木薯是全球產(chǎn)量最高的七大農(nóng)作物之一, 木薯淀粉是木薯根塊中提取的, 具有雜質(zhì)含量低、易糊化、粘度高等優(yōu)點(diǎn), 是重要的食品加工原料, 通過物理、化學(xué)等多種手段對木薯淀粉進(jìn)行處理, 可以生產(chǎn)出各種淀粉深加工產(chǎn)品, 滿足工業(yè)應(yīng)用的需要1-6。原木薯淀粉因?yàn)閮鋈诜€(wěn)定性差、成膜性差、淀粉糊粘度大、抗剪切性低、遇冷水不溶等不利因素限制了其在食品等行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。為了改善木薯淀粉的用途, 利用微波輻射, 以鹽酸為催化劑、硬脂酸為酯化劑, 合成了復(fù)合變性淀粉。由于硬脂酸疏水基有機(jī)碳鏈的引入, 使其具有乳化劑的性能, 可用在食品、醫(yī)藥、材料、日

10、用化工品等領(lǐng)域7,8。張燕萍以鹽酸為催化劑高溫下合成了硬脂酸木薯淀粉酯, 但耗時較長, 得到的產(chǎn)品取代度較低9。微波作為電磁波, 以每秒數(shù)十億次的速度促使分子極化旋轉(zhuǎn), 起到“分子攪拌”的作用10, 能夠促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的高速進(jìn)行; 同時微波無污染、反應(yīng)快、能耗低, 可大大降低生產(chǎn)成本。目前關(guān)于微波技術(shù)在淀粉改性中的應(yīng)用研究逐漸增多11,12。鹽酸的揮發(fā)性強(qiáng), 反應(yīng)后殘留量少, 可以考慮省去洗滌的步驟, 整個反應(yīng)簡單易于操作, 大大降低了生產(chǎn)成本。在微波輻射下, 由于“熱點(diǎn)”效應(yīng), 產(chǎn)物很容易發(fā)生部分炭化。本研究通過控制微波功率、微波輻射時間、淀粉水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù), 以

11、取代度為評價指標(biāo), 對硬脂酸木薯淀粉酯合成工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化研究。2 材料與方法2.1 儀器與試劑6003型電子天平(瑞士Tectator公司); FD31C-AN(B)美的微波爐(廣東美的微波爐制造有限公司); DZKW-電子恒溫不銹鋼水浴鍋(上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司); 101-1A型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(上海市華南儀器設(shè)備有限公司); SHB-循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)有限公司); TG328A分析天平(上海天平儀器廠)。硬脂酸(上海鹿華公司); 氫氧化鈉、乙醇、鹽酸、酚酞(分析純, 國藥集團(tuán))。木薯淀粉(市購)。 2.2 實(shí)驗(yàn)方法2.2.1 硬脂酸木薯淀粉酯的制備方法稱取一定量的

12、硬脂酸于500 mL燒杯中, 溶于95%熱乙醇, 再加入一定量的鹽酸, 緩慢加入50 g淀粉(干基)并不斷攪拌得到混合均勻的漿體, 在燒杯中覆蓋一層有孔的微波爐專用的塑料薄膜, 置于微波爐中反應(yīng), 設(shè)置微波爐的加熱方式為30 s間歇式加熱, 利用微波的脈沖調(diào)制技術(shù), 使微波的瞬間能量很高(如平均功率為30 W時, 瞬間功率可達(dá)30 kW), 并且淀粉以熱傳導(dǎo)的方式傳遞熱量。反應(yīng)后置于50 的干燥箱烘5 h, 室溫下冷卻粉碎, 存放于密閉樣品袋中即得產(chǎn)品。硬脂酸木薯淀粉酯的制備工藝流程見圖1。圖1 硬脂酸木薯淀粉酯的制備工藝流程13Fig. 1 The process flow diagram

13、of stearic acid cassava starch ester2.2.2 取代度及反應(yīng)效率的測定方法稱取15 g產(chǎn)品置于250 mL三角瓶中, 加入80 mL體積分?jǐn)?shù)為80%乙醇(V:V)去除未反應(yīng)的硬脂酸, 置于60 水浴浸泡并不斷攪拌10 min, 將產(chǎn)品倒入布氏漏斗中, 反復(fù)用60 80%乙醇(V:V)洗滌, 抽濾至無氯離子為止(用硝酸銀溶液檢驗(yàn)), 最后將產(chǎn)品置于105 干燥箱中烘干14,15。準(zhǔn)確稱取上述產(chǎn)品4 g置于250 mL碘量瓶, 加入50 mL去離子水, 再加入20 mL 0.25 mol/L的NaOH溶液, 震蕩50 min, 加入兩滴酚酞指示劑, 用0.1 m

14、ol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定至粉紅色剛好消失, 記錄消耗的鹽酸體積數(shù)V1。同時做空白試驗(yàn)。根據(jù)下面公式計(jì)算取代度(degree of substitution, DS): W=DS=式中: DS: 取代度, 每個D-吡喃葡萄糖殘基中的羥基被取代的平均數(shù)目; W: 硬脂?；|(zhì)量分?jǐn)?shù), %; V0: 滴定空白用去的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積, mL; V1: 滴定樣品用去的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積, mL; C: 標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的摩爾濃度, mol/L; m: 樣品的質(zhì)量, g; 162: 脫水葡萄糖(AGU)單元的摩爾分子量; 266: 硬脂酰基CH3(CH2)16CO的摩爾分子量。2.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)在常溫下以微波功率A、

15、微波輻射時間B、鹽酸加入量C和硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)D作為考察因素, 以取代度為考察指標(biāo)設(shè)計(jì)均勻?qū)嶒?yàn)。通過控制微波功率、微波輻射時間、硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù), 以取代度為指標(biāo), 研究出最佳的制備工藝條件。利用U6(64)均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn), 均勻設(shè)計(jì)因素水平表見表1。表1 均勻設(shè)計(jì)因素水平表Table 1 Factor levels table of uniform design水平微波功率A/W微波輻射時間B/min鹽酸加入量C/%硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)D/%11801.50.02122702.00.04233602.50.06344503.00.08455403.50.10566304.00.126表2

16、 均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案結(jié)果Table 2 Results of uniform design experiment水平微波功率A/W微波輻射時間B/min鹽酸加入量C/mL硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)D/g硬脂酰基含量%實(shí)際取代度11(180)2(2.0)3(3.0)6(3.0)4.40.00443422(270)4(3.0)6(6.0)5(2.5)1.30.00565033(360)6(4.0)2(2.0)4(2.0)2.10.00685144(450)1(1.5)5(5.0)3(1.5)2.90.0148055(540)3(2.5)1(1.0)2(1.0)0.260.014666(630)5(3.5)4(4

17、.0)1(0.5)0.0010.01052.2.4 硬脂酸木薯淀粉酯溶解度的測定將硬脂酸木薯淀粉酯配制成2.0%的淀粉乳, 取50 mL在一定溫度下加熱攪拌30 min, 然后置于離心管中以3000 r/min速度離心20 min, 將上層清液置于烘箱中烘干至恒質(zhì)量, 稱質(zhì)量記為m1。樣品的干質(zhì)量記為m。按下列公式計(jì)算其溶解度(S)15: S=100 m1/m。2.2.5 硬脂酸木薯淀粉酯乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定準(zhǔn)確稱取2 g樣品, 分散于100 mL水中, 在沸水浴中加熱20 min, 使其完全糊化, 取出于冷水浴中立刻冷卻至室溫, 然后加入100 mL食用調(diào)和油, 以5000 r/min均

18、質(zhì)20 min, 轉(zhuǎn)移至25 mL離心管中, 以3500 r/min的速度離心15 min, 記錄乳化層高度(上層為油層, 中間為乳化層, 底部為淀粉糊化層)和液體總高度。按下式計(jì)算乳化能力(emulsion apacity, EA)和乳化穩(wěn)定性(emulsifying stability, ES)16。EA(%)=(離心管中乳化層高度/離心管中液體總高度)100樣品放置24 h, 以3500 r/min離心約15 min, 記錄乳化層高度和液體總高度。ES(%)=(離心管中依然保持的乳化層高度/離心管中液體總高度)1003 結(jié)果與分析3.1 均勻?qū)嶒?yàn)方案及結(jié)果按表1所列的因素和水平, 利用均

19、勻設(shè)計(jì)表U6(64)安排均勻?qū)嶒?yàn), 結(jié)果見表2。3.1.1 直觀分析法即直接觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析, 由表2可以看出, 4號試驗(yàn)所得產(chǎn)品的酯化能力最強(qiáng), 可以將4號試驗(yàn)對應(yīng)的條件作為較優(yōu)的工藝條件。3.1.2 回歸分析法將表2的數(shù)據(jù)用SPSS 10.0軟件進(jìn)行回歸分析, 得到回歸方程: Y=1.82010-21.8610-3X2+5.89310-4X33.5910-3X4由回歸方程可知: X1不在線上, 說明X1對試驗(yàn)指標(biāo)影響不大。各因素對本實(shí)驗(yàn)影響的主次順序?yàn)? 硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)微波輻射時間鹽酸加入量微波功率。X3的偏回歸系數(shù)為正, 表明試驗(yàn)指標(biāo)隨X3的增加而增加; X2和X4的偏回歸系數(shù)為負(fù),

20、 表明試驗(yàn)指標(biāo)隨X2和X4的減少而增加。所以在確定優(yōu)化方案時, X3的取值取上限, 即鹽酸用量為6.0 mL; X2和X4的取值取下限, 即微波輻射時間為1.5 min, 硬脂酸加入量為0.5 g。3.2 重復(fù)效果實(shí)驗(yàn)選擇經(jīng)SPSS 10.0軟件優(yōu)化后的條件進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn), 即微波功率分別為450 W, 微波輻射時間為1.5 min, 鹽酸用量為6.0 mL, 硬脂酸質(zhì)量為0.5 g, 測得樣品的實(shí)際取代度為0.01685, 此結(jié)果優(yōu)于4號實(shí)驗(yàn)。3.3 硬脂酸木薯淀粉酯溶解度的測定硬脂酸木薯淀粉酯溶解度的測定結(jié)果如表3所示。表3 取代度對硬脂酸木薯淀粉酯溶解度的影響Table 3 Effect

21、of DS on solubility of stearic acid cassava starch ester組別取代度溶解度/%104.220.00443420.3330.00685125.1240.0148030.2550.0168531.15由表3可知, 硬脂酸木薯淀粉溶解度大于原淀粉, 并且取代度增大, 溶解度也不斷上升。這是因?yàn)榈矸墼谧冃院蟮矸垲w粒內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)被破壞, 使得水分子更容易進(jìn)入分子內(nèi)部17。3.4 硬脂酸木薯淀粉酯乳化性和乳化穩(wěn)定性的測定硬脂酸木薯淀粉酯改性后, 具有疏水性有機(jī)碳鏈的結(jié)果, 使之具有親水親油的性質(zhì), 具有乳化性。取代度對硬脂酸木薯淀粉酯乳化能力和乳化穩(wěn)

22、定性的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。表4 取代度對硬脂酸木薯淀粉酯乳化能力和乳化穩(wěn)定性的影響Table 4 Effect of DS on emulsibility and emulsion stability of stearic acid cassava starch ester組別乳化性/%乳化穩(wěn)定性/%12.552.23220.2518.26326.1124.25430.1228.26532.6031.42由表4可知, 硬脂酸木薯淀粉酯變性淀粉的乳化性和乳化穩(wěn)定性均大于原淀粉。由于硬脂酸碳鏈的引入, 淀粉同時具有了親水和親油基團(tuán), 即具有兩親性質(zhì)。取代度越高, 疏水基數(shù)目越多, 一方面淀粉酯降低

23、表面張力的能力增強(qiáng), 另一方面與油相的作用能力增強(qiáng), 在乳膠粒表面吸附的親水性高分子保護(hù)膠體在乳膠粒表面形成一定厚度的水化層, 使乳膠粒發(fā)生碰撞聚結(jié)的空間位阻加大, 有利于乳膠粒的穩(wěn)定18。4 結(jié)論與展望本研究以木薯淀粉為原料, 硬脂酸為酯化劑, 鹽酸為催化劑, 利用微波輻射在半干條件下制備硬脂酸木薯淀粉酯。通過均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并經(jīng)數(shù)據(jù)分析軟件SPSS 10.0進(jìn)行優(yōu)化得出了合成硬脂酸木薯淀粉酯的最佳工藝條件: 微波功率為450 W, 微波輻射時間為1.5 min, 鹽酸用量為6.0 mL, 硬脂酸質(zhì)量為0.5 g, 測得樣品的實(shí)際取代度為0.01685, 同時對合成的木薯淀粉酯的溶解性和乳化性、

24、乳化穩(wěn)定性進(jìn)行了測定, 硬脂酸木薯淀粉酯變性淀粉的溶解性明顯優(yōu)于原木薯淀粉, 同時隨著取代度的增加, 溶解度也增加。乳化性和乳化穩(wěn)定性也均大于原淀粉, 也隨取代度增加而增加。將微波技術(shù)應(yīng)用于淀粉加工和合成目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究和探索階段, 要應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中還需進(jìn)一步的研究。參考文獻(xiàn)黃強(qiáng), 羅發(fā)興. 淀粉疏水改性研究進(jìn)展J. 糧食與飼料工業(yè), 2006, (4): 2829Huang Q, Luo FX. Development of study on hydrophobic modification of starch J. Cere Feed Ind, 2006, (4): 2829Simi

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