酶解预处理制备苯甲酸淀粉酯及其性能评价

杨小玲

(咸阳师范学院化学与化工学院，陕西咸阳 712000)

淀粉作为环境友好的天然高分子材料是近年来的研究热点。但淀粉因糊化温度高、易凝沉、稳定性差等缺点，限制了其广泛应用，需对其进行改性处理。其中酯化反应是最普遍的改性方法之一［1－2］，酯化反应后淀粉分子葡萄糖单元上部分羟基被酯基取代，减弱了淀粉分子间氢键缔合作用，宏观上改善了淀粉物化性能，如糊化温度降低，疏水性、凝沉稳定性、热稳定性及冻融稳定性等提高，可广泛应用于纺织、食品、造纸及医药等领域［3－5］。

淀粉颗粒结构包含结晶区和无定形区，外层主要为结晶区域且牢固，对水及化学试剂具有较强的抵抗能力，内层为无定形区，反应只在颗粒表面进行，试剂进入颗粒结晶区和无定形区均困难。因此，寻求通过改变淀粉颗粒结构的方法提高淀粉反应效率具有重要的研究价值。如，用酸、碱或酶对淀粉活化预处理破坏淀粉的颗粒结构，以提高淀粉进一步反应活性和效率［6－7］。本研究选取3种活化方式对可溶性淀粉预处理，再与苯甲酰氯进行酯化反应生成苯甲酸淀粉酯;用红外光谱产物结构进行表征;以取代度为表征指标，确定苯甲酸淀粉酯的最佳合成条件。

1 实验

1.1 试剂及仪器

可溶性淀粉，四川省彭州市军乐化工厂;N，N'－二甲基甲酰胺，天津登丰化学品有限公司;吡啶，天津风船化学试剂有限公司;苯甲酰氯，上海同方精细化工有限公司;尿素，西安化学试剂厂;二甲基亚砜，成都金山化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

IR Prestige－21型傅里叶变换红外光谱仪，日本岛津公司;Quanta200型扫描电子显微镜，荷兰Philips－FEI公司。

1.2 淀粉预处理

1)NaOH/尿素活化淀粉:称取30 g可溶性淀粉，溶解于 100 mL水中，加入 pH为8～9的NaOH/尿素溶液中，30℃下搅拌反应1 h，乙醇洗涤，离心，干燥。

2)酸介质活化淀粉:称取30 g可溶性淀粉，加入100 mL浓度为1%的盐酸溶液中，50℃搅拌反应1 h，采用0.1 mol/L NaOH溶液调节至中性，乙醇洗涤，离心，干燥。

3)胰酶活化淀粉:称取30 g可溶性淀粉，溶解于100 mL pH为6.8的胰酶溶液中，37℃搅拌反应30 min，调节溶液至中性，乙醇洗涤，离心，干燥。

1.3 苯甲酸淀粉酯的制备

准确称取一定量活化淀粉，溶于N，N'－二甲基甲酰胺溶液中，加入至带回流装置的三颈瓶中，40℃下搅拌至溶解，加入少量吡啶和一定量的苯甲酰氯，一定温度下反应一定时间，乙醇反复洗涤，干燥。

1.4 苯甲酸淀粉酯取代度测定方法

称取样品2 g，置于250 mL碘量瓶中，加入40 mL水混匀，加3滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至微红，红色不消失即为终点，再加入25 mL 0.5mol/L NaOH溶液，振荡30 min进行皂化反应，用0.5 mol/L HCl标准溶液滴定至红色消失，记录滴定消耗体积，同时做空白试验对照，记录滴定消耗体积，按如下公式计算苯甲酸淀粉酯的取代度 DS［9］。

式中，A为苯甲酸淀粉酯中每个葡萄糖单元含苯甲酰基的质量分数，%;V0为滴定原淀粉时盐酸体积，mL;V1为滴定苯甲酸淀粉时所用盐酸体积，mL;c为滴定时盐酸标准溶液浓度，mol/L;m为苯甲酸淀粉酯样品质量，g。

2 结果与讨论

2.1 淀粉活化方法的选择

对淀粉进行活化处理的目的是提高淀粉反应活性，选取3种活化方式:酸解、碱解和酶解，分别考察其对3种活化淀粉产率、苯甲酸淀粉酯产率及取代度的影响，结果见表1。

表1 活化方式对苯甲酸淀粉酯产率及取代度的影响

从表1看出，酸解的活化淀粉产率较高，但酯化产率最低;碱解的活化淀粉产率低，酯化产率高;酶解的活化淀粉产率及酯化产率均为中间，但酯化产物的取代度最高，为0.201 2。综合考虑，选取胰酶活化淀粉进行酯化反应实验。

图1为原淀粉及苯甲酸淀粉酯的红外光谱图。

图1 原淀粉及苯甲酸淀粉酯的红外光谱图

由图1可知，原淀粉及苯甲酸淀粉酯在3 400 cm－1处均有一宽峰为—OH的伸缩振动吸收峰，区别是苯甲酸淀粉酯由于分子结构中部分羟基发生酯化反应—OH吸收峰减弱;2 928 cm－1处为淀粉C—H的伸缩振动吸收峰;与原淀粉相比，苯甲酸淀粉酯在1 720 cm－1附近出现新吸收峰，归属为酯基的 C＝ O伸缩振动峰，1 280 cm－1出现苯环 C—H面外伸缩振动峰，1 603～1 503 cm－1间吸收峰为苯环骨架的伸缩振动峰。结果表明，苯甲酰氯与淀粉发生了酯化反应。

2.2 酯化淀粉制备最佳合成条件的确定

在有机溶剂中在有机碱催化下淀粉与苯甲酰氯进行酯化反应，反应温度、反应时间、反应物浓度和有机碱用量对产物的取代度均有影响。

2.2.1 苯甲酰氯用量

固定其他条件不变，活化淀粉用量2.0 g，吡啶用量1.5 mL，反应温度60℃，反应时间5 h，考察苯甲酰氯用量对苯甲酸淀粉酯产物取代度的影响，结果见图2。

图2 苯甲酸淀粉酯取代度随苯甲酰氢用量的变化曲线

从图2可知，随着苯甲酰氯用量增加，产品取代度呈上升趋势，当苯甲酰氯用量达3.0 mL后，取代度增加缓慢。这是因为随着苯甲酰氯用量加大，即反应体系中反应物浓度增大，反应正向进行，取代度增加;当苯甲酰氯用量增加至3.0 mL后，由于空间位阻效应，阻碍了进一步的酯化反应。因此，不能继续通过增加苯甲酰氯用量提高产物取代度。

2.2.2 催化剂吡啶用量

固定其他条件不变，苯甲酰氯3.0 mL，考察吡啶用量对产物取代度的影响，结果见图3。

图3 苯甲酸淀粉酯取代度随催化剂吡啶用量的变化曲线

从图3可知，随着催化剂吡啶用量增加，产物取代度增加，这是基于吡啶氮上面的孤对电子，通过其亲核进攻酰氯，增加酰基碳的正电性，得到稳定的羰基碳正离子过渡态，有利于淀粉的进攻，提高酯化反应效率。

2.2.3 反应温度

固定其他条件不变，吡啶用量2.0 mL，考察反应温度对产物取代度的影响，结果见图4。

图4 苯甲酸淀粉酯取代度随反应温度的变化曲线

从图4可知，随着反应温度升高，产物取代度呈先增大后减小趋势。这是因为，反应温度升高，反应物碰撞几率增大，反应正向进行，取代度增加较快;但反应温度高于55℃，受可逆反应平衡和空间位阻的影响，产物水解程度亦增加，取代度下降。因此，反应温度以55℃为宜。

2.2.4 反应时间

固定其他条件不变，反应温度55℃，考察反应时间对产物取代度的影响，结果见图5。产物取代度随反应时间增加先增大后减小。这是由于随着反应时间增加反应正向进行，生成产物速率大于产物水解速率，产物取代度亦上升;当反应5 h后，产物水解速率大于生成产物的速率，取代度降低。这是因为当淀粉酯取代度大于0.270 0，羟基取代基的空间位阻降低了酯化反应的程度，造成取代度降低。因此，反应时间以5 h为宜。

图5 苯甲酸淀粉酯取代度随反应时间的变化曲线

3 结论

1)3种预处理均可提高淀粉的反应活性，酯化产物取代度高于未处理的原淀粉酯化产物，而胰酶酶解的淀粉，酯化产物苯甲酸淀粉酯取代度最高。

2)确定了苯甲酸淀粉酯最佳合成条件:活化淀粉用量2.0 g，苯甲酰氯用量3.0 mL，吡啶用量2.0 mL，反应温度55℃，反应时间5 h。此条件下，制备的苯甲酸淀粉酯取代度最高为0.289 8。

［1］Grote C，Heinze T.Starch derivatives of high degree of functionalization 11:studies on alternative acylation of starch with long－chain fatty acids homogeneously in N，N － dimethyl acetamide/LiCl［J］.Cellulose，2005，12(4):435 － 444.

［2］Rajan A，Abraham T E.Enzymatic modification of cassava starch by bacterial lipase［J］.Bioprocess and Biosystems Engineering，2006，29(1):65 －71.

［3］Wang X，Gao W Y，Zhang L M，et al.Study on the morphology，crystalline structure and thermal properties of yam starch acetates with different degrees of substitution［J］.Science in China Series B:Chemistry，2008，51(9):859 －865.

［4］Simi C K，Emilia Abraham T.Hydrophobic grafted and crosslinked starch nanoparticles for drug delivery［J］.Bioprocess Biosyst Eng，2007，30(3):173 －180.

［5］Zhang S D，Zhang Y R，Huang H X，et al.Preparation and properties of starch oxalate half－ester with different degrees of substitution［J］.J Polym Res，2010，17(1):43 － 51.

［6］黄祖强，陈渊，钱维金，等.机械活化对木薯淀粉醋酸酯化反应的强化作用［J］. 过程工程学报，2007，7(3):501 －505.

［7］刘粼，王镨.酶法前处理对磷酸酯淀粉制备工艺及产品性能的影响［J］.中国食品学报，1998，2(1):5－9.

［8］唐洪波，马冰洁.低取代度马铃薯醋酸酯淀粉合成工艺及性能研究［J］.精细石油化工进展，2004，5(3):44－47.