月桂酸玉米淀粉酯的合成工艺研究

高 艳 蒋利丽 杨文静 汪 兰

(湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所1，武汉 430064)

(华中农业大学理学院2，武汉 430070)

月桂酸玉米淀粉酯的合成工艺研究

高 艳1，2蒋利丽1杨文静1汪 兰1

(湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所1，武汉 430064)

(华中农业大学理学院2，武汉 430070)

以玉米淀粉与月桂酸为原料，脂肪酶为催化剂，干法制备了低取代度的月桂酸玉米淀粉酯。以取代度和特性黏度为评价标准，对影响月桂酸玉米淀粉酯合成的因素:反应时间、反应温度、水分添加量、脂肪酶添加量和月桂酸添加量进行研究。并在此基础上，进行了4因素3水平的正交试验。用DPS软件对正交试验结果进行方差分析，得出了月桂酸玉米淀粉酯合成的最佳工艺条件:以20 g淀粉干基计，月桂酸添加量5%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反应时间3 h，温度60℃。

月桂酸玉米淀粉酯 取代度 特性黏度

淀粉分子中具有许多醇羟基，能通过这些羟基的反应生成酯类衍生物［1］。酯类衍生物即酯化淀粉，因与一些应用性能优越的酯化剂反应，其既具有淀粉和酯化剂的综合性能，又具有二者不具有的某些特性，可用作食品行业，纺织，造纸等行业的原材料，对环境无不利影响，所以酯化淀粉很有开发价值［2］。通过研究发现，长链脂肪酸淀粉酯(一般指脂肪链在C8以上的脂肪酸淀粉酯)具有特殊的热塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性，它们作为多种石油化工产品的代用品越来越受重视［3］。

关于酯化淀粉的研究已有许多文献报道，但是国内外对月桂酸酯化淀粉的研究报道甚少。目前国外报道制备月桂酸玉米淀粉酯的方法主要是有机溶剂法［4］，采用的酯化剂一般为月桂酰氯［5］，用碱(Na2HPO4、K2CO3等)作为催化剂［4］。本试验采用干法，以月桂酸作酯化剂，脂肪酶作催化剂，制备了低取代度的月桂酸酯化淀粉，并对其制备工艺进行了探讨。

1 材料与方法

1.1 试验原料和试剂

玉米淀粉:河北玉峰淀粉糖业集团有限公司;月桂酸(AR):天津市光复精细化工研究所;脂肪酶(猪胰):合肥博美生物科技有限公司;氢氧化钠、盐酸、95%乙醇、无水乙醇、二甲亚砜等化学试剂均为分析纯。

1.2 试验仪器

DF－101S智能集热式恒温水浴:郑州长城科工贸有限公司;JJ－1精密定时电动搅拌器、HJ－3数显恒温磁力搅拌器、SHA－C恒温振荡器:常州国华电器有限公司;SYP型智能玻璃恒温水浴:巩义市予华仪器有限公司;DHG－9070电热恒温鼓风干燥箱:上海索谱仪器有限公司;SHZ－D(Ⅲ)型循环水式真空泵:上海东玺制冷仪器设备有限公司;乌氏毛细管黏度计(毛细管内径0.5－0.6 mm):国药集团化学试剂仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 月桂酸淀粉酯的制备

称取10 g月桂酸于100 mL的烧瓶中，60℃水浴融化后，加入20 g淀粉和0.25 g脂肪酶，再加30%的去离子水(以淀粉的质量为基准)，在60℃下恒温反应24 h。反应完成后，加入一定量95%的乙醇浸泡10 min，然后抽滤，并用60℃的热乙醇洗涤，以除去未反应的月桂酸。将产品置于恒温干燥箱中，在50℃下烘干，105℃下烘至恒重，冷却后装入密封样品袋中备用。

1.3.2 取代度的测定［6］

称取1.50 g烘干样品于250 mL碘量瓶中，加入25 mL蒸馏水，5 mL无水乙醇，25 mL的0.25 mol/L NaOH溶液，常温振荡60 min。取出，滴加1～2滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L的HCl溶液滴定，至溶液粉红色刚好消失，记录所用HCl溶液体积为V1;

空白试验:称取1.50 g烘干原淀粉，操作步骤同上，记录用去0.1 mol/L HCl溶液的体积V0，取代度(DS)计算公式如下:

式中:m为样品的质量/g;c为HCl溶液浓度/mol/L。

1.3.3 特性黏度的测定［2］

准确称取0.2 g绝干的淀粉样品于烧杯中，加入30 mL二甲亚砜溶解，转移至50 mL容量瓶中，用二甲亚砜定容至刻度，摇匀，备用。

取10 mL淀粉样品的二甲亚砜溶液(浓度为c0)加入乌氏黏度计中，测其流出时间t1，然后逐次加入5、5、10、10 mL 二甲亚砜，混合均匀，此时淀粉溶液浓度依次为2/3 c0、1/2 c0、1/3 c0、1/4 c0，分别测定流出时间为 t2、t3、t4、t5。测定二甲亚砜的流出时间 t0。

计算相对黏度ηr和增比黏度ηsp，公式分别如下:

分别计算出 t1、t2、t3、t4、t5对应的 ηr和 ηsp值。

以cr值为横坐标，分别以ηsp/cr和ln ηr/cr为纵坐标作图，通过两组点各作直线，外推至cr=0，求得截距H，按下式计算特性黏度［η］(mL/g):

2 结果与讨论

2.1 单因素试验

2.1.1 月桂酸添加量对取代度及黏度的影响

固定水分添加量30%(以淀粉干基计)，酶添加量1.25%，反应温度为60℃，反应时间24 h，月桂酸添加量分别取2.5%、5%、25%、50%和75%。

由图1可见，随着月桂酸添加量的增加，取代度呈现上升的趋势，从5%开始，取代度的增加较为缓慢;黏度随月桂酸添加量的增加先增大后减小，在25%时达到了最大值。原因是随月桂酸用量增加，月桂酸在反应体系中的浓度增大，促进酯化反应的进行，取代度增加。在月桂酸添加量较低时，酯键的形成给淀粉分子连上了新的分枝，增加了糊化过程中的中间位阻，抑制了淀粉分子的运动，从而使黏度升高。但是当月桂酸的添加量过高时，反应体系的pH下降，酸性增强，有可能导致淀粉分子的糖苷键断裂，淀粉分子会发生一定程度的降解，使得黏度下降。

图1 月桂酸添加量对取代度及特性黏度的影响

2.1.2 水分添加量对样品取代度及黏度的影响

固定月桂酸添加量50%(以淀粉干基计)，酶添加量1.25%，反应温度60℃，反应时间24 h，水分添加量分别为0%、5%、10%、20%、30%、40%、50%。

图2 水分添加量对取代度及特性黏度的影响

从图2可以看出，随着水分添加量的增大，取代度呈现先增大后减小的趋势;黏度随水分添加量增加先增大后减小。无水条件下酶分子的带电基团和极性基团之间相互作用，形成一种非活性的“封闭”结构，水的加入可削弱这种相互作用，使非活性的“封闭”结构“疏松”，酶分子的柔韧性增加，并通过非共价键作用来维持酶的催化活性构象［7］。因此，开始时，增加水分添加量，酶的活性增大，酯化程度增加，取代度增大。但在非水介质中，只有在最佳水含量时，蛋白质结构和动力学刚性及热力学稳定性之间才能达到最佳平衡点，酶才表现出最大活性［8］。月桂酸与淀粉酯化反应的方程式为:

CH3(CH2)10COOH+St－OH→CH3(CH2)10COOSt+H2O

由上式可以看出，反应到一定程度，随着水分的增加会抑制反应进行。

2.1.3 反应时间对取代度及黏度的影响

固定月桂酸添加量50%(以淀粉干基计)，水分添加量30%，酶添加量1.25%，反应温度60℃，反应时间分别为 1、2、4、8、16、24、32 h。

由图3可以看出，反应时间越长，取代度越大，当反应时间达到24 h时，取代度达到最大，再增加反应时间，取代度反而减小。随着反应时间的增加，各反应物间充分接触的时间也增加，酯化反应程度提高，因而取代度提高。在反应操作过程中，由于长时间的搅拌或液流剪切作用，影响了酶的稳定性，导致酶的催化效率降低，取代度增加幅度减小。反应时间过长，酯化反应已趋于完全，反应开始趋向逆反应方向，副反应产物在体系中相对浓度增加，所以随着时间的继续延长，取代度变小。

黏度随反应时间的增加，先增大后减小。这是因为若反应时间过长，淀粉的水解作用可能占据主导地位，即淀粉分子断裂使其分子链减短，黏度相应减小。

图3 反应时间对取代度及特性黏度的影响

2.1.4 反应温度对取代度及黏度的影响

月桂酸添加量50%(以淀粉干基计)，水分添加量30%，酶添加量1.25%，反应时间24 h，反应温度分别为 50、55、60、65 ℃。

图4 反应温度对取代度及特性黏度的影响

由图4可以看出，随着反应温度升高，取代度和黏度都增大。原因是升高反应温度，使得淀粉粒膨胀，并提高了反应试剂的流动性，月桂酸容易渗透到淀粉粒中，有利于反应的进行，因此取代度和黏度都增大。但温度的提高，也会促进酯的水解和淀粉分子的降解反应。本试验采用的脂肪酶在温度45～60℃范围活力最大，为保证酶的利用率及节约能源，选择60℃作为最佳反应温度。

2.1.5 酶的添加量对取代度及黏度的影响

固定月桂酸添加量50%(以淀粉干基计)，水分添加量30%，反应温度60℃，反应时间24 h，酶添加量分别为 0% 、0.5% 、1% 、2% 、4% 、8% 。

图5 酶添加量对取代度及特性黏度的影响

由图5可以看出，酶用量的增加会相应地提高转化率，酶的质量分数由0%增大到1%时，取代度的增加幅度比较大。但是在1%至8%范围内变化时，取代度变化幅度较小。此反应中，酶作为催化剂，只能缩短反应到达平衡的时间，而不会移动反应平衡的位置。因此，当酶的添加量达到一定程度时，再增加其添加量，取代度的的增加趋势较为平缓。随着酶用量的增加，黏度先增加后减小。观察制得的产品，酶添加量越高，产品的颜色越深，从2%开始，产品颜色开始变黄。另外，从成本考虑，酶的用量也不宜过高。

2.2 正交试验

2.2.1 正交试验及结果分析

基于单因素试验，以取代度和黏度为指标，对月桂酸添加量(A)、酶添加量(B)、水分添加量(C)和反应时间(D)作4因素3水平正交试验，确定月桂酸玉米淀粉酯制备工艺最优条件。正交试验测定结果见表1，数据用DPS软件进行极差分析和方差分析，结果见表2和表3。

表1 正交试验结果

对正交试验结果进行极差分析，结果见表2。

表2 极差分析结果

由表2可以看出，各因素对取代度的影响主次顺序为:反应时间＞酶添加量＞月桂酸添加量＞水分添加量;对特性黏度的影响主次顺序为:月桂酸添加量＞酶添加量＞水分添加量＞反应时间。由正交试验极差分析的结果可以得出最佳合成工艺为:取代度的最佳合成工艺A3B3C3D1，即月桂酸添加量15%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反应时间3 h;而黏度的最佳合成工艺A2B1C3D3，即月桂酸添加量5%，酶添加量1.5%，水分添加量25%，反应时间6 h。

对正交试验结果进行方差分析，结果见表3。

表3 方差分析结果

由极差分析可知，水分添加量对取代度的影响较小，把水分添加量作为误差项进行方差分析，结果可知，因素A、B和D均不显著;反应时间对特性黏度的影响较小，把反应时间作为误差项进行方差分析，结果可知，因素A显著，因素B和C均不显著。

2.2.2 最佳合成工艺

综合极差分析和方差分析结果可知，月桂酸添加量对黏度的影响较为显著，而在5%的基础上再增加月桂酸的添加量，对取代度的影响不大，因此选择5%作为最佳的月桂酸添加量。酶添加量对两者的影响都较大，本试验以取代度为主要考虑因素，因此选择2.5%作为最佳酶添加量。反应时间对黏度的影响最小，对取代度的影响最大，所以选择3 h作为最佳反应时间。综合考虑取代度和黏度，得出最佳合成工艺为:月桂酸添加量5%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反应时间3 h，反应温度60℃。

3 结论

3.1 采用干法，以脂肪酶为催化剂，可以制备出低取代度的月桂酸酯化淀粉。其中，月桂酸的添加量对产品的黏度有显著影响。而酶的添加量不仅影响产品的取代度和黏度，还影响产品的颜色，添加量越高，产品颜色越深。

3.2 综合考虑各因素对取代度和黏度的影响，月桂酸玉米淀粉酯的制备最佳工艺:以20 g淀粉干基为基准，月桂酸添加量5%，酶添加量2.5%，水分添加量25%，反应时间3 h。

［1］曹龙奎，李凤林.淀粉制品生产工艺学［M］.北京:轻工业出版社，2008:206－215

［2］张燕萍.变性淀粉制造与应用［M］.北京:化学工业出版社，2007:96－114

［3］王红亮，冯光炷.长链脂肪酸淀粉酯合成及应用研究进展［J］.化工进展，2006，25(7):760 －764

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［5］Dzulkefly K，See Yaw Koon.Chemical modification of sago starch by solventless esterification with fatty acid chlorides［J］.The Malaysian Journal of Analytical Sciences，2007，11(2):395－399

［6］Akhila Rajan.Enzymatic modification of cassava starch by bacterial lipase［J］.Bioprocess Biosyst Eng，2006，29:65 －71

［7］袁勤生，赵键.酶和酶工程［M］.上海:华东理工大学出版社，2005:273－274

［8］赵秀娟，于国萍.脂肪酶催化合成硬脂酸淀粉酯的研究［J］.东北农业大学学报，2008，39(10):89 －93.

Study on Synthesis of Corn Laurate Starch

Gao Yan1，2Jiang Lili1Yang Wenjing1Wang Lan1
(Institute of Processing of agricultural produce and Nuclear agricultural Research，Hubei Academy of Agricultural Science1，Wuhan 430064)
(College of Science，Huazhong Agricultural University2，Wuhan 430070)

Corn laurate starch was prepared by esterification of corn starch with lauric acid，and lipase was added as catalyzer.The effects of the varieties of factors on the degree of substitute(DS)and intrinsic viscosity are studied，including reactive temperature and time，the quantity of water，lipase and lauric acid.Based on those，the fourfactor three－level orthogonal experiments are designed to optimize the technology，and the experimental data was processed by the DPS for variance analysis.The most optimal process condition is as follows:starch amount of 20 g(absolutely dry)，lauric acid of 5%，lipase of 2.5%，initial water content of 25%，reaction time of 3 h，temperature of 60 ℃.

corn laurate starch，degree of substitute，intrinsic viscosity

TS236

A

1003－0174(2012)04－0092－05

国家自然科学基金(30901003)，华中农业大学自主科技创新基金(2011SC06)

2011－06－14

高艳，女，1986年出生，硕士，淀粉生物加工

汪兰，女，1981年出生，助理研究员，天然产物化学