辛烯基琥珀酸多孔玉米淀粉酯的制备及其性能研究

时间：2024-07-28

石剑, 江娴, 周洋, 彭秀安, 田思慧, 王车礼,2

(常州大学石油化工学院1，常州 213164) (常州大学药学院2，常州 213164)

多孔淀粉(PS)是一种用物理、机械以及生物方式使天然淀粉颗粒由表及里发生反应继而形成孔洞的改性淀粉，也称为“有孔淀粉”[1-3]。PS相较于普通淀粉的高比表面积，低密度和较大的孔体积，使其具备较强的吸附能力，可广泛应用于医药食品行业，如靶向药物的运输，易氧化活性物质保护及缓释物质的载体方面等[4-6]。本质上PS与淀粉无异，两者都有类似的性质，如淀粉的亲水性等，这使得多孔淀粉在应用上仍会受到一定的制约，而引入疏水基团可使PS具备亲油亲水的“双亲性”，提高PS的应用性能[7,8]。

辛烯基琥珀酸淀粉酯(OSAS)是一种改性淀粉，在弱碱性反应条件下以淀粉为原料、辛烯基琥珀酸酐(OSA)为酯化剂合成，别名纯胶，是一种具有双亲性的淀粉酯，可被允许添加在食品中[9-11]。OSAS也是一种水包油型的乳化剂，同时也是安全性极高的增稠剂。可作为包埋剂、包胶剂应用于干粉制品中，也可添加到溶液中增加溶液的黏稠性以及与其他的乳化、增稠剂混合配比制得复配型辅料中[12]，广泛应用于工业生产和日常生活。我国现行发布的食品添加剂的标准中指出，OSAS可以直接按量生产按需使用，亦无添加量限制[13]。

经酶解和酯化两步制备的辛烯基琥珀酸多孔淀粉经酯(OSAPS)。与PS相比，其结构稳定性有所提高，特别是在表面特性方面有很大的改善，因此OSAPS既保留了PS所具有的应用价值外还增强了对活性物质的吸附性，拓展了其应用范围[30]。本研究拟采用两种路线制备OSAPS，路线一先酶解淀粉制备PS后酯化制备OSAPS，路线二先酯化制备OSAS后酶解制备OSAPS。以DS和吸油率为考察指标通过单因素实验和正交实验获得最佳化制备工艺，并讨论和对比两种制备路线对产物性质的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

玉米淀粉；异丙醇、氢氧化钠、一水合柠檬酸、二水合柠檬酸三钠，均为试剂级；α-淀粉酶，糖化酶，试剂级。

1.2 仪器设备

DF-101S型恒温加热磁力搅拌器，AUW120D型万分之一天平，TG16G型高速离心机，Tensor27型红外光谱仪，JSM-6701F型冷场发射型扫描电子显微镜，D/MAX2500型X射线粉末衍射仪。

1.3 PS的制备

参考文献方法[14]，准确称取适量的玉米淀粉干基置于锥形瓶中，加入pH为5.4的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液，置于恒温水浴锅中，温度为50 ℃，预热10 min 后添加酶配比为1∶4的α-淀粉酶与糖化酶。反应时间为12 h后加入适量的4%的NaOH溶液结束反应。将悬浮液用真空泵进行抽滤，除去上清液，用蒸馏水冲洗布氏漏斗中的沉淀物质。50 ℃烘箱烘干24 h,干燥后置于100目的筛中研磨即可得到粉末状的PS，储存，备用。

1.4 OSAS的制备

参考文献方法并做适当调整[15]，准确称取适量的淀粉干基置于锥形瓶内，加入一定量的蒸馏水与之混合。配制成一定浓度的淀粉乳。先置于恒温搅拌器中搅拌20 min,然后用3%的NaOH溶液调节体系的pH。在1 h 内分批次往反应体系中添加经异丙醇稀释5倍的辛烯基琥珀酸酐。在反应过程中应不断地加入3%的NaOH溶液以使反应体系的pH维持在微碱性状态。反应终止后采用3%的HCl溶液将悬浮液的pH调节为6.5。然后将悬浮液置于布氏漏斗中用真空泵进行抽滤。用蒸馏水和乙醇溶液依次洗涤抽滤所得的沉淀物质。50 ℃烘箱烘干24 h,干燥后置于100目的筛中研磨即可得到白色粉末状的OSAS，储存，备用。

1.5 OSAPS的制备

采用两种制备路线制备OSAPS。路线一：先酶解后酯化反应制备OSAPS：原淀粉经实验1.3制备成PS后，在经过实验1.4制备成OSAPS，并考察不同的酯化条件对产物性能的影响；路线二：先酯化后酶解反应制备OSAPS：原淀粉经实验1.4制备成OSAS后，在经过实验1.3制备成OSAPS，并考察不同的酶解条件对产物性能的影响。每组进行3次平行实验以保证结果的准确性。

1.6 DS的测定

参考文献[16]利用的滴定法测定OSAS的DS，并在此基础上做出的调整：准确称取1.000 0 g的OSAPS置于锥形瓶中，并加入60 mL的蒸馏水混合，放入温度为100 ℃水浴锅中预热20 min。加入2～3滴酚酞做指示剂，用浓度为0.1 mol/L的NaOH标准溶液滴定，悬浮液变粉红色则终止滴定，表明反应已经到达终点。

式中：162为葡萄糖残基的摩尔质量/g/mol；210为辛烯基琥珀酸酐的摩尔质量/g/mol；A为氢氧化钠溶液的滴定体积/mL；M为氢氧化钠溶液的浓度/mol/L；W为样品质量/g。

1.7 吸油率的测定

参考文献[17]的测定方法，并以此为基础作出修改：先称取转子与离心管的质量，再称取样品1.000 0 g置于5 mL的离心管中，室温下，加入适量的大豆油搅拌30 min，搅拌完成后放入离心机中离心，离心条件：4 000 r/min，10 min。倒掉上层的油直至无油滴落下时称取离心管的质量，计算出吸油率。

ω=(M-m)/m×100%

式中：m为淀粉样品的质量/g；M为淀粉及油的总质量/g。

1.8 扫描电镜分析

将少许的导电胶粘在样品台上，再用棉签将少量的OSAPS样品涂在导电胶上，然后除去多余未粘的样品。由于该样品为非金属，无导电性，因此应该镀金30 s，用扫描电镜进行观察和拍照进而分析其样品的形貌特征。

1.9 傅里叶红外光谱分析

取少量(1～1.5 mg)样品与200～300 mgKBr于玛瑙研钵中研磨成混合均匀如面粉状的粉末，用小药匙转入制片模具中于油压机20 MPa压力下保持2 min，撤去压力后取出制成的供试片，目视检测，片子应呈透明状。测试条件：4 000～450 cm-1扫描波长。

1.10 X射线衍射分析

使用X射线衍射仪对样品进行结晶结构分析。分析要求为粉末状，扫描范围为5°～35°，速度2(°)/min，步长为0.06。采取连续扫描的方式。

1.11 热重分析

采用差热式扫描仪对样品进行分析。测试条件：氮气(N2)，升温速率为10 ℃/min，温度范围为20～700 ℃。

2 结果与讨论

采用两种方法制备OSAPS，对于两步制备的方法，后一步对OSAPS的性质影响较大，故对路线一先制备多孔淀粉，考察酯化反应工艺对产品性质的影响；路线二先制备酯化淀粉，考察酶解反应对产品性质的影响。

2.1 先酶解后酯化法制备OSAPS单因素实验结果

参照1.3制备PS，吸油率为132.7%。不同反应条件对OSAPS吸油率和DS的影响结果如图1所示。

图1 不同酯化反应条件对产物性能的影响

酯化过程会造成PS的吸油率下降，这表明在酯化过程中，PS的孔隙结构被部分充填，说明酯化反应不仅发生在淀粉表面，而PS的孔隙内部也可以发生反应，同时反应过程中存在孔隙堵塞的现象，这可能是由于反应过程中淀粉颗粒吸水溶胀后孔隙内部出现一定程度的塌陷导致。

底物浓度对OSAPSDS的影响较小，当底物质量分数超过20%，DS随着浓度的增大而降低，酯化反应过程中，若底物浓度太高，则导致体系黏度增大，酸酐分散程度受限。同时随着底物浓度的升高，吸油率则呈现了逐渐升高的趋势，这表明酯化反应效果会对吸油率产生负相关的作用；酯化反应过程需要在弱碱性体系中进行，由于体系的pH随着反应的进行而逐渐下降，这时需添加碱性试剂使反应体系一直保持弱碱性状态，因此保持体系pH的稳定是酯化反应的关键，当pH为8.5时，DS最高，吸油率则随着pH的升高而降低。较高的pH可以活化淀粉上的羟基基团，而当体系pH过高时，NaOH易与OSA反应生成副产物羧酸氢钠和无法参与反应的羧酸二钠，从而降低了酯化效率[18]。同时副产物过多也会导致其被淀粉的孔道吸附，从而降低了OSAPS的吸油率。DS会随着酸酐的添加量逐渐升高，在3.0%时达到稳定，这是因为酸酐添加量增大也随之增加了淀粉与酸酐的接触概率，从而使得DS也随之增加。但酸酐用量当达到一定量时，一方面由于反应空间位阻的作用，无法提供更多的反应点，另一方面随着酸酐量的增加，为保持体系pH的恒定，所需NaOH的量也增多，使得淀粉也易于糊化，不利于反应的进行；反应时间的延长有助与酯化反应的进行，但反应时间过长，则酯化产物的水解及OSA与碱直接作用等副反应占主导地位，从而导致DS略有降低。吸油率会随着反应时间的增加呈现下降的趋势，这是由于反应时间延长，淀粉孔道吸附小分子产物增加，从而导致孔道堵塞；较高的反应温度可以加速反应的进行，但温度过高则会导致淀粉糊化，同时较高的温度也不利于多孔结构的稳定，故本实验最佳反应温度为45 ℃。

2.2 先酶解后酯化法制备OSAPS的工艺优化

考虑到底物浓度对实验结果影响较小，故采取底物质量分数为20%，并根据单因素实验结果，采用正交实验进一步优化工艺条件，考察pH、酸酐添加量、反应时间和反应温度对DS的影响，实验设计如表1所示，选用L9(34)正交表，见表2。

表1 正交实验因素位级表

表2 正交实验结果

各因素对DS影响大小顺序为pH>酸酐添加量≈反应温度>反应时间。在所选实验因子和水平范围内，各因子最优水平组合为A3B3C3D1，经三次验证实验得的DS为(0.026 78±0.000 13)，高于单因素实验所测最高值0.026 11。因此，路线一最佳的合成工艺条件为底物浓度20%，pH9.0，酸酐添加量3.5%，反应时间5 h，反应温度40 ℃。再经吸油率分析得此时的OSAPS的吸油率为116.49%。

2.3 先酯化后酶解法制备OSAPS工艺探究

参照1.4水相法制备OSAS，测得其取代度为(0.043 25±0.000 15)。不同酶解条件对OSAPS吸油率和DS的影响如图2所示。经酶解反应后的OSAPS，其DS值会明显低于OSAS，但仍会保留部分酯化基团。因酶解反应是在酸性条件下进行，产物的DS会受水解反应和酶解反应等多重影响，因此本实验以吸油率为主要指标探究最佳化的工艺条件。

单因素结果表明，随着反应时间增加，产品的吸油率随之先呈现上升趋势后趋于平衡并略有下降，吸油率在8 h时最高，酶解时间较短时，酶与淀粉作用不充分，但当酶解时间较长时，淀粉颗粒被过度水解而坍塌，颗粒结构被破坏，无法形成颗粒完整的中空多孔结构，导致吸油率降低；底物浓度决定了淀粉与酶的接触程度，当底物浓度过低时，酶与淀粉的接触概率较小，水解不充分。底物浓度过高时，淀粉也容易过度水解，同时较高的淀粉浓度使得样品的黏度变大，淀粉与酶的混合性变差，使得反应不够均匀，故底物浓度25%时吸油率最高；在酶配比方面，α-淀粉酶有助于糖化酶的水解，其发挥作用后能为糖化酶提供反应底物，而糖化酶则会对α-淀粉酶水解产物进一步再水解，从而减小α-淀粉酶水解产物对其自身活性的抑制作用。由图2可知，吸油率在酶配比为1∶6时最高。糖化酶占比过低，会造成淀粉的无定形区发生不充分水解反应，糖化酶占比过高也会使淀粉过分水解导致内部结构遭到破坏，致使吸油率下降；酶添加量结果表明，产品的吸油率随着酶添加量增大而先上升后在3.0%时下降，因此酶添加量3.0%时吸油率最高。酶添加量过低时，酶不易与淀粉发生充分反应，所以淀粉未能充分进行水解反应。酶添加量过高也会造成淀粉内部结构的坍塌，致使淀粉吸油率降低；在反应温度方面，产品的吸油率随着反应温度的上升呈现先上升后在45 ℃时下降。当反应温度较低时，酶活性较低，作用不明显，温度较高时，淀粉颗粒吸水膨胀，接近糊化温度，淀粉束松散，对酶的敏感性增强，被过度水解导致淀粉颗粒坍塌，吸油率下降。因此在温度为45 ℃时，酶促反应最大，淀粉吸油率最高。

图2 不同酶解条件对产物性能的影响

2.4 先酯化后酶解法制备OSAPS的工艺优化

根据单因素实验结果，考虑反应时间8 h后对产物吸油率影响不大，故选取底物浓度，酶添加量，酶配比和反应温度为考察指标，采用正交实验进一步优化工艺条件，实验设计如表3所示。选用L9(34)正交表，见表4。

实验结果结果可知各因素对吸油率影响大小顺序为底物浓度>反应温度>酶添加量>酶配比。在所选实验因子和水平范围内，各因子最优水平组合为A3B2C1D3，3次验证实验得到吸油率为(122.22±1.5)%，高于单因素实验所测最高值113.99%。因此，路线二最佳的合成工艺条件为底物质量分数20%，酶添加量3.0%，酶配比1∶5，反应时间8 h，反应温度50 ℃。此条件下的OSAPS的DS为0.022 38。相比于路线一的合成产物，路线二的OSAPS具有更高的吸油率，而取代度相较低。

表3 正交实验因素位级表

表4 正交实验结果

2.5 产物的FT-IR分析

图3 原淀粉和2种路线合成的OSAPS红外光谱图

2.6 产物的XRD分析

由图4可知，相比于原淀粉，经多孔和酯化反应合成的OSAPS并未改变其晶型结构，这表明酯化是在淀粉的无定型区进行的。这主要是由淀粉本身的性质所决定的，淀粉颗粒在冷水中不溶解，颗粒在水相反应过程中，虽然发生了一定程度的吸水膨胀，但是仅限于颗粒的无定形区，且在一定程度上溶胀后的无定形区具有较高的渗透性，易于酯化反应的发生[19]。

图4 原淀粉和2种路线合成OSAPS的X射线衍射谱图

2.7 SEM分析

由图5可知玉米淀粉表面光滑，颗粒呈圆形和多角形，且没有孔隙。而两种路线合成的OSAPS均出现了多孔结构，相比较两种产物可看出，路线一中的孔道相对较小，且孔隙内部出现一定程度的堵塞现象，而路线二的产物表面孔隙较大较深。两种方法均为对颗粒的形状产生影响。从SEM分析的结果来看，两种合成路线均不会破环多孔淀粉颗粒的形态结构。

图5 原淀粉和2种路线合成OSAPS的扫描电镜图

2.8 TG分析

淀粉颗粒中存在的微晶结构，随着温度的变化会发生质量损失，并在一定水分含量条件下会出现熔融峰现象。由图6可知，两种路线制备的OSAPS的初始分解温度和最大热分解温度均略低于原淀粉，热失重率相差不大，结果表明改性的OSAPS其热稳定性降低，由于反应均发生在无定形区，产物中仍保有淀粉的晶体结构，因此热稳定性下降较小。

图6 原淀粉和2种路线合成OSAPS的TG/DTG图