醚化交联淀粉变温合成及其碘复合物吸收光谱分析

石海信，童张法，谢新玲，张友全

（1.钦州学院生物与化学系，广西钦州535000；2.广西大学化学化工学院，广西南宁530004）

醚化交联淀粉变温合成及其碘复合物吸收光谱分析

石海信1，2，童张法2，*，谢新玲2，张友全2

（1.钦州学院生物与化学系，广西钦州535000；2.广西大学化学化工学院，广西南宁530004）

以木薯淀粉为原料，环氧氯丙烷（ECH）为交联剂，采用变温交联法制备醚化交联淀粉，对淀粉交联反应机理进行了分析。通过正交实验探讨了交联剂用量、pH、反应温度、反应时间对交联淀粉沉降积的影响，确定了制备高交联淀粉的最佳工艺条件为：pH11，ECH用量为0.3%（w/w），先在35℃下反应3h，然后升温至50℃反应0.5h。应用淀粉-碘复合物吸收光谱对不同交联度淀粉的结构进行表征，结果表明：交联反应改变了直链淀粉构象，影响了碘分子进入其内部，相应的络合碘分子数目减少，颜色变浅，吸光值减小，最大吸收波长向较短波长方向移动。

木薯淀粉，醚化交联，变温合成，淀粉-碘复合物

不同淀粉分子的醇羟基与交联剂的多元官能团形成醚化键或酯化键而交联起来，所得的衍生物称为交联淀粉［1］，通过醚化键交联的则属醚化交联淀粉。交联后的淀粉与原淀粉相比糊化温度和粘度提高，糊的抗剪切、抗酸碱能力增强，使得交联淀粉广泛应用在粘度要求高且稳定的食品中。其中环氧氯丙烷交联淀粉还具有突出的药物控释作用，在国外多被用作药物的缓释剂［2-3］。目前，醚化交联淀粉的制备一般以环氧氯丙烷（epichlorohydrin，简称ECH）为交联剂，以碱为催化剂，在室温或略高于室温的条件下进行交联反应［4-5］。该工艺的缺点是交联速率慢，一般需要16～24h才能完成交联反应［6］，且产品质量不稳定，设备利用率低。因此，加快交联反应速率，稳定产品的质量，提高设备利用率是交联淀粉制备中一个亟待解决的问题。本文通过对淀粉与ECH的交联反应机理分析，找出制约交联反应速率快慢的因素，在此基础上通过正交实验方法寻找最佳变温交联工艺，并利用淀粉-碘复合物吸收光谱对交联淀粉结构进行表征，为醚化交联淀粉的研究开发提供实验科学依据。

1 交联淀粉制备机理

ECH分子中的氯和氧原子的吸电子诱导效应使ECH上的碳原子带上部分正电荷，正电性的碳原子易朝向离子化的底物StO-，从而发生SN2亲核取代反应，反应历程如下［7］：

交联过程中，同时进行的副反应是：

由于碱性淀粉（StO-）与ECH不互溶，因此淀粉的交联属非均相反应。反应速率除受温度、浓度等因素影响外，还受扩散速度的影响。根据有关动力学研究，该反应的速率方程可表示如下［8-9］：

在反应体系中，当ECH的浓度很小，淀粉的浓度很大而基本上不变时，淀粉的交联表现出假的一级反应：

从式（2）可见，提高交联反应速率的途径有：a.增加ECH的浓度。但增加ECH的浓度，会使生产成本增加，同时也使交联淀粉的食用安全性降低，因为据美国食品及药物管理局（FDA）标准，在对淀粉进行交联化学处理时，所使用的交联剂ECH的处理量＜0.3%才具有食用安全性［10］，因此靠增加ECH的浓度以加速反应的方法不可取；b.增大速率常数k值。根据Arrhenius方程［11-12］，当反应活化能大于零时，温度升高，速率常数增加。但对于淀粉变性反应来说，起始温度一般不宜超过40℃，否则在碱性条件下淀粉极易糊化造成反应难以继续均匀地进行下去［13］，所以简单地提高反应温度不可行；c.提高扩散吸附速率。淀粉的交联为多相反应，ECH在淀粉颗粒表面的扩散吸附是反应过程中很重要的一步，可采用相转移催化剂［14］或提高搅拌速度来增加反应物之间的接触机率从而加快反应进行。但采用相转移催化剂也会造成产品食用安全性问题，生产上由于受设备所限，搅拌速度也不能过快。

从反应历程来看，让ECH与淀粉首先在较低的温度下均匀而又缓慢地发生交联反应，待淀粉发生一定程度交联，淀粉颗粒膨胀需要更多的能量，糊化温度升高，此时升高温度可促使淀粉交联反应速率加快。因此采用变温交联法合成交联淀粉理论上是可行的。

2 材料与方法

2.1 材料与仪器

木薯淀粉 广西明阳生化科技股份有限公司；环氧氯丙烷、氢氧化钠、盐酸、氯化钠、95%乙醇 均为分析纯。

FA2004电子天平 上海上天精密仪器有限公司；101-1A型数显式电热恒温干燥箱 上海沪越实验仪器有限公司；pHS-3C精密pH计 上海精密科学仪器有限公司；SHB-III循环水式多用真空泵 郑州长城科工贸有限公司；H1650高速台式离心机长沙湘仪离心机仪器有限公司；722型可见分光光度计 上海恒平科学仪器有限公司；501BS超级恒温水浴 上海梅香仪器有限公司；JJ-1型精密增力电动搅拌器 常州国华电器有限公司。

2.2 实验方法

2.2.1 醚化交联淀粉的制备 在带搅拌器的三口圆底烧瓶中加入木薯淀粉、适量蒸馏水和占干淀粉重6%的NaCl，开动搅拌器，向乳液中缓慢滴加1mol/L氢氧化钠溶液，把乳液pH调至9～11，熟化10min后，滴加一定量ECH，用橡皮塞塞紧瓶口，保持搅拌，于30～40℃连续反应2.0～3.0h后，把乳液温度升高至50℃，继续搅拌反应0.5h，再用1mol/L盐酸将乳液pH中和至6.5～7.0，使反应停止。将乳液抽滤，分别用蒸馏水、70%乙醇洗涤滤饼，把滤饼置于恒温干燥箱在50℃下干燥，粉碎过筛即得产品。

2.2.2 交联度的测定 根据交联淀粉交联度与沉降积（VSE）呈线性负相关的关系，即VSE越小，交联度越大，采用VSE来表示交联度的大小。测定方法为［15］：准确称取0.5g绝干样品于100mL烧杯中，用移液管加25mL蒸馏水配成浓度为2%（w/w）的溶液，将烧杯置于82～85℃的水浴中，稍加搅拌，保温2min，取出冷却至室温，分别把糊液加入2支10mL刻度离心管中，对称装入离心机内，开动离心机，缓慢加速至4000r/min。用秒表计时，2min停转。取出离心管，将上层清液倒入滴定管中，读出清液体积，计算VSE。对同一样品进行3次平行测定，取平均值。

式中，V-清液体积，mL。

2.2.3 交联淀粉-碘复合物吸收光谱分析 取浓度为0.01%（w/w）淀粉糊8mL，加入0.2mL碘液（I22.0mg/mL+KI 20mg/mL），混匀静置10min，以1cm比色皿在可见光波长下，测定淀粉-碘复合物的吸光度，以稀碘液（0.2mL碘液+8mL蒸馏水）作空白。

2.2.4 L9（34）正交实验设计 田宗达等［16］研究表明，淀粉交联受温度、催化剂用量、ECH用量、电介质（防膨剂）用量、反应时间等多种因素的制约。为了找出淀粉交联的最佳工艺条件，选ECH、pH、温度、时间四个因素，每个因素各做三个水平的正交实验L9（34），以VSE作为考察反应进行程度的指标，VSE越小，交联反应进行得越彻底。正交实验中各种原料的用量均为以淀粉干基为基准的重量百分比，固定淀粉乳浓度为40%。L9（34）正交实验方案表头设计见表1。

表1 交联淀粉正交实验因素水平表

3 结果与讨论

3.1 正交实验结果与分析

正交实验方案及结果见表2。

表2 交联工艺正交实验方案与结果

根据表2结果，可作如下分析：

a.对于ECH来说，随着ECH用量的增加，VSE呈下降趋势，因此增加ECH用量，在一定范围内的确可以增加交联度，但考虑到交联淀粉的食用安全性与生产成本，交联剂ECH用量不宜增加太多。

b.pH在9～11范围内，VSE呈下降趋势，但pH从10下降至11，VSE下降趋势稍缓。这是因为随着碱性增强，淀粉葡萄糖残基上羟基更容易失去氢原子变成亲核性强的StO-，有助于对ECH进行亲核进攻。但ECH在碱性条件下会因水解生成醇类物质而消耗，pH越大，水解作用越强，同时淀粉乳在强碱性条件下也易产生凝胶或局部糊化，致使反应不均匀，因此碱度不宜调得过高。

c.温度对VSE的影响呈抛物线型。由于本工艺采用的是变温交联法，在交联的第一阶段温度控制在30～40℃，第二阶段温度控制为50℃。第一阶段温度的升高对产品VSE影响是先降后升，在35℃时VSE最小。这可能是初始温度较高时反应物分子运动速率加快，活化分子所占的比例增大，有效碰撞次数增加，有利于交联反应的进行，但温度过高也会使ECH汽化加剧水解副反应速率加快，导致ECH消耗，反而降低了交联反应速率，因此在第一阶段宜使反应在较低温度下均匀进行，以节约能源，待淀粉发生一定程度交联，再把温度升高到50℃，促使剩余的ECH迅速与淀粉反应，生成高交联度淀粉。

d.交联时间的延长，VSE下降，可以使更多的ECH与淀粉反应，从而提高ECH的转化率。

比较表2中各因素的极差值R，可知用ECH制备醚化交联淀粉四个因素重要性大小顺序为：B＞A＞D＞C，即pH＞ECH用量＞时间＞温度。其中pH影响最大，在生产中，可根据需要，选择在一定pH下进行交联反应，以便制得所需交联度的产品。变温交联法制备高交联度木薯淀粉的最佳工艺条件为：A3B3C2D3，即pH为11，环氧氯丙烷用量为0.3%（w/w），先在35℃下反应3h，然后升温至50℃反应0.5h。

3.2 验证与对比实验

按正交实验选出的最佳条件组合进行平行重复实验，3次平行实验所得产物的VSE分别为0.72、0.75、0.75mL，实验重现性好；同时进行恒温对比实验，即pH为11，ECH用量为0.3%（w/w），在恒定温度35℃下反应3.5h，此时所得产物VSE为1.35mL。由此证明变温交联法制备醚化交联淀粉的工艺条件A3B3C2D3是合理的。

3.3 淀粉-碘复合物吸收光谱分析

淀粉遇碘显蓝色是链淀粉分子与碘形成络合结构导致的颜色反应，如果淀粉分子的大小和构象发生了变化，吸附碘的颜色反应也会发生变化，因此根据可见光最大吸收波长与吸光度可以推断交联对淀粉分子大小与构象的影响情况［17］。实验测定了木薯淀粉及VSE为4.6、2.6、1.1、0.75mL四个交联淀粉的碘复合物在不同波长下的吸光度，结果见图1。

图1 交联淀粉-碘复合物的吸收光谱

由图1可见，VSE不同，交联淀粉碘复合物吸收光谱也不同。VSE较大的交联淀粉碘复合物的吸收光谱与木薯淀粉的相似，吸光度在低波长段较小，随着波长的增加而上升，在610～620nm范围内达到最高值，测定波长再增大，吸光值以较缓的速度下降。随着VSE的减小，λmax依次减小，吸光值也依次下降。如VSE为0.75mL的高交联淀粉，其λmax移至598nm，比木薯淀粉减少了22nm，与文献［18］报道的相符，同时最大吸光值也减少到0.070（木薯淀粉最大吸光值为0.676）。这可能是交联反应使淀粉形成了网状结构，改变了直链淀粉分子构象，影响了碘分子进入其内部，相应的络合碘分子数目较少，颜色呈浅紫色，吸光度变小，λmax向较短波长方向移动。

4 结论

4.1 由正交实验可知，反应体系pH对交联淀粉VSE影响最大，其次是ECH用量、时间、温度。变温交联法制备高交联度淀粉的最佳工艺条件为：pH11，ECH用量0.3%（w/w），先在35℃下反应3h，然后升温至50℃反应0.5h。采用变温工艺制备交联淀粉，可使交联时间比传统方法缩短3～4倍，提高了设备利用率，节约能源。

4.2 淀粉-碘复合物可见光吸收光谱结构分析表明，交联反应使淀粉形成了网状结构，改变了直链淀粉分子构象，影响了碘分子进入其内部，相应的络合碘分子数目较少，颜色呈浅紫色，吸光值变小，最大吸收波长向较短波长方向移动。

［1］许晖，孙兰萍，赵大庆，等.马铃薯交联淀粉的制备与结构表征［J］.中国粮油学报，2007，22（5）：67-72.

［2］ HamdiG，PonchelG，Duchene D.Formulation of epichlorohydrin cross-linked starch microspheres［J］.J Microencapsulation，2001，18（3）：373-383.

［3］Hu Y，Zhou X J，Lu Y，et al.Novel biodegradable hydrogels based on pachyman and its derivatives for drug delivery［J］.Int J Pharm，2009，371（1-2）：89-98.

［4］Miguel I D，Rieumajou V，Betbeder D.New methods to determine the extentofreaction of epichlorohydrin with maltodextrins［J］.Carbohydr Res，1999，319（1）：17-23.

［5］Kaur L，Singh J，Singh N.Effect of cross-linking on some properties of potato（solanum tuberosum L）starches［J］.J Sci Food Agric，2006，86（12）：1945-1954.

［6］张力田.交联淀粉［J］.淀粉与淀粉糖，1991（4）：1-9.

［7］Bajpai A K，Bhanu S.Dynamics of controlled release of heparin from swellable crosslinked starch microspheres［J］.J Mater Sci-Mater Med，2007，18（8）：1613-1621.

［8］鄢利众，陈同豪，缪雪如.环氧氯丙烷交联淀粉的反应动力学（摘要）［J］.精细化工，1987，4（6）：9.

［9］蒋先明，邓涛声，李焕猷.制备交联淀粉的新工艺［J］.精细化工，1991，8（5）：54-57.

［10］孙亚男，赵国华.食用化学变性淀粉安全性研究进展［J］.粮食与油脂，2005（10）：46-49.

［11］刘美荣.温度对自由基聚合几个量的影响［J］.高分子材料科学与工程，2000，16（2）：166-167.

［12］田玮，徐尧润.食品品质损失动力学模型［J］.食品科学，2000，21（1）：14-18.

［13］邹丽霞，徐琼.羟丙基淀粉的合成［J］.食品工业科技，2004，25（10）：120-121，139.

［14］Jyothi A N，Moorthy S N，Rajasekharan K N.Effect of cross -linking with epichlorohydrin on the properties of cassava（Manihot esculenta Crantz）starch［J］.Starch/Stärke，2006，58（6）：292-299.

［15］余艳，张光旭，鄢烈祥，等.交联-羧甲基淀粉合成工艺可视化优化的研究［J］.中国粮油学报，2009，24（4）：62-65.

［16］田宗达，陈林根，鲍焕华，等 .淀粉与 ECH的交联BD-851吸收型淀粉的研制及应用［J］.精细化工，1987，4（6）：38-42.

［17］赵奕玲，廖丹葵，张友全，等.超声波对木薯淀粉性质及结构的影响［J］.过程工程学报，2007，7（6）：1138-1143.

［18］黄立新，周家华，周俊侠，等.酯化交联淀粉反应及性质的研究［J］.无锡轻工大学学报：食品与生物技术，2001，20（1）：6-10.

Study on synthesis of etherified cross-linked starch by variable temperature method and absorption spectrum analysis of starch-iodine complex

SHI Hai-xin1，2，TONG Zhang-fa2，*，XIE Xin-ling2，ZHANG You-quan2
（1.Department of Biology and Chemistry，Qinzhou College，Qinzhou 535000，China；2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Etherification cross-linking starch were prepared through variable temperature cross-linking of cassava starch and epichlorohydrin（ECH）.The mechanism of cross-linking of starch by ECH was analyzed.The effects of the amount of cross-linking agent，pH value，reaction temperature and time on the sediment volume（VSE）of cross -linking starch were investigated.The optimal conditions for synthesis of high cross-linked starch were obtained by orthogonal experiment as follows：pH 11，amount of ECH 0.3%（w/w），first，3h of reaction at the temperature of 35℃，then 0.5h at 50℃.The cross-linked starch’s structures were characterized at different degrees of crosslinking with absorption spectrum of starch-iodine complex.The results indicated that cross-linking reaction changed the conformation of amylose，and affected iodine to get into it.The number of corresponding starch-iodine complex decreased，the color became shallow，absorbance decrease and maximum absorption wavelength shift towards shortwave direction.

cassava starch；etherification cross-linking；variable temperature synthesis；starch-iodine complex

TS231

B

1002-0306（2010）11-0265-04

2009-07-27 *通讯联系人

石海信（1962-），男，硕士研究生，副教授，研究方向：淀粉化学品的合成与应用。

广西科学基金资助项目（桂科自0991274）；广西教育厅科研项目（200807LX349）。