离子液体中脂肪酶催化合成硬脂酸淀粉酯及其性质研究

汤晓智 代飞云 余梦菲

离子液体中脂肪酶催化合成硬脂酸淀粉酯及其性质研究

汤晓智 代飞云 余梦菲

（南京财经大学食品科学与工程学院；江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心；江苏高校粮油质量安全控制及深加工重点试验室，南京 210023）

以1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（［BMIM］Ac）和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（［BMIM］BF4）的混合离子液体为介质，研究脂肪酶催化合成硬脂酸淀粉酯及其特性，并采用红外光谱对其进行结构鉴定。结果表明，通过调节脂肪酶的加入量，得到了不同取代度的硬脂酸淀粉酯。酯化后的淀粉透明度、溶解度增大，乳化性、抗凝沉性、冻融稳定性有所增强，但热稳定性有所下降；随着取代度增大，硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的水蒸气透过性降低，而拉伸强度和断裂伸长率则呈先上升后下降的趋势。

离子液体 脂肪酶 硬脂酸淀粉酯 性质

淀粉由于资源充沛、价格低廉、易于生物降解并且具有一定的黏结性和成膜特性，而被工业生产和人们日常生活中广泛应用。但随着现代工业技术的发展以及特殊需求的出现，淀粉因其天然性能的缺陷已经无法满足其在工业中的应用，比如原淀粉的溶解性差，淀粉糊化后易凝沉、稳定性差，成膜后拉伸、弯曲强度差，透水性高等［1］。

硬脂酸淀粉酯是将淀粉及其衍生物与硬脂酸［2］、硬脂酸甲酯［3］、硬脂酸酰氯［4］、或硬脂酸酐［5］反应，从而使淀粉的葡萄糖残基上引入长链硬脂酸基而得到的一种改性淀粉，因其具有特殊的热塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性，被广泛应用于食品、材料、医药、化工等领域。

淀粉与高级脂肪酸的直接酯化得到的产品取代度较低［6］。高取代度的产品通常是在二甲亚砜、吡啶中与酸酐制得［7］，然而所用到的有机溶剂和化学试剂均存在着毒性大、易挥发、操作性差等缺点。与传统的有机溶剂相比，“绿色溶剂”离子液体具有一系列优点，并且被证明多种离子液体对淀粉有良好的溶解性［8-9］，同时多种脂肪酶在离子液体中表现出强的催化活性［10-12］。

本试验以离子液体为反应介质，脂肪酶作为催化剂催化淀粉与硬脂酸甲酯反应合成硬脂酸淀粉酯，并通过改变酶的用量得到不同取代度的硬脂酸淀粉酯，采用红外光谱对产品结构进行鉴定；考察不同取代度硬脂酸淀粉酯的透明度、溶解度、乳化性及乳化稳定性、凝沉性、冻融稳定性、热稳定性以及成膜特性。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

大米淀粉：芜湖好亦快食品有限公司；脂肪酶CRL（700 U／mg）：Sigma-Aldrich 公司；硬脂酸甲酯：国药集团化学试剂有限公司；离子液体［BMIM］Ac、离子液体［BMIM］BF4。

磁力搅拌器WSJB-03：河南中良科学仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪BRUKER Tensor 27：德国布鲁克公司；热重分析仪Pyris 1：美国PERKINELMER公司；智能电子拉力试验机XLW（PC）：济南蓝光机电技术有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 不同取代度硬脂酸淀粉酯的合成

取烘干的大米淀粉12 g加入到1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐［BMIM］Ac（50 g）和1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐［BMIM］BF4（190 g）的混合离子液体中120℃恒温搅拌1 h；将溶解后的混合体系降温，加入硬脂酸甲酯和脂肪酶CRL，硬脂酸甲酯与淀粉（葡萄糖单元AGU）的摩尔比为3∶1，60℃下反应3 h；脂肪酶CRL 的添加量依次为0、0.25、0.5、0.75、1 g，反应结束，待溶液冷却后加入无水乙醇洗涤、抽滤，重复3次，得到的沉淀物在40℃下干燥48 h。所得产物采用酸碱滴定法测定取代度［13］。

1.2.2 红外光谱（FT-IR）测试方法及条件

称取约2 mg的样品，与干燥KBr粉末一起研磨。将研磨好的粉末压模成片，置于样品架上，进行红外光谱测试，扫描次数32次，扫描范围400～4 000 cm-1。

1.2.3 硬脂酸淀粉酯透明度的测定

不同取代度的淀粉酯，各准确称取1.0 g，与99 mL蒸馏水搅拌混合，得到1%的淀粉悬浮液，将其置于沸水浴中加热20 min充分糊化，冷却待测。以蒸馏水为空白，用721型分光光度计在650 nm波长下测定其透光率［14-15］。每个样品共做3次平行试验。

1.2.4 硬脂酸淀粉酯溶解度的测定

不同取代度的淀粉酯，各准确称取2.0 g，与98 mL蒸馏水搅拌混合，得到2%的淀粉悬浮液，于30℃水浴中搅拌30 min，然后在3 000 r／min下离心30 min。将上清液倒入已恒重的小烧杯中，在105℃烘箱中烘至恒重后称重，即为可溶性成分的重量［16］。每个样品共做3次平行试验。硬脂酸淀粉酯的溶解度＝可溶性成分的重量／样品的总重量×100%

1.2.5 硬脂酸淀粉酯乳化性及乳化稳定性的测定

准确称取0.5 g不同取代度的硬脂酸淀粉酯分散于25 mL的水中，加热糊化并保温20 min，冷却至室温，于淀粉糊中加入25 mL大豆色拉油，25℃下恒温，以18 000 r／min均质2次，每次30 s得到乳状液。将此乳状液转移至10 mL离心管中，再以3 500 r／min离心约15 min，记录乳化层高度和液体总高度。同一样品测定3次，取平均值。然后将样品放置24 h，以3 500 r／min 离心约15 min，记录乳化层高度和液体总高度。按公式计算乳化能力EA（Emulsion Apacity）和乳化稳定性ES（Emulsion Stability）［17-18］。

EA＝离心管中乳化层高度／离心管中液体总高度×100%

ES＝离心管中仍保持乳化层的高度／离心管中液体高度×100%

1.2.6 硬脂酸淀粉酯凝沉性测定

称取一定质量的硬脂酸淀粉酯样品，配制1.0%质量分数的淀粉乳，于沸水中加热糊化并保温15 min，冷却至室温。然后将淀粉糊放入具塞刻度管中，在25 ℃静置，分别记录经24、48、72、96、120 h 后上清液的体积［19］。

1.2.7 硬脂酸淀粉酯冻融稳定性测定

称取一定质量的硬脂酸淀粉酯样品，配制4.0%质量分数的淀粉乳，于沸水中加热糊化并保温20 min，冷却至室温。然后分装于已知质量为m1的离心管中，加入样品后的离心管称重记录为m2。将离心管垂直保存在-18℃冰箱中冷冻，24、48、72、96 h后，各取出1管，自然融化解冻后，在3 000 r／min下离心30 min，弃上清液，称重为m3，用析水率推测冻融后淀粉酯的稳定性［20］：

1.2.8 热重分析（TGA）测试方法及条件

准确称取5～10 mg样品放入坩埚中，所用扫描温度为25～650℃，使用的升温速率10℃／min，保护气为氮气。

1.2.9 不同取代度硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的合成及其成膜特性测定

13.4 g硬脂酸淀粉酯、6.6 g聚乙烯醇、4 g 甘油于95℃下混合30 min，然后冷却至60℃，于培养皿中倒膜成型，薄膜厚度控制在0.1 mm左右。

1.2.9.1 水蒸气透过性的测定

水蒸气透过性（WVP）的测定参考标准方法E96-00（ASTM 2000）［21］。将膜固定在含有干燥剂（氯化钙）的透湿杯的顶端。然后将其放置在恒温恒湿箱中（25℃，相对湿度分别为50%RH和75%RH）。达到稳定后，每隔2 h称量透湿杯的质量，连续12 h。使用下面公式计算水蒸气的透过率（WVTR）和水蒸气透过性（WVP）：

式中：G为质量变化／g；t为时间／h，A为测试面积／m2。

式中：d为膜厚度／mm；Δp为薄膜中的压力差／kPa。

1.2.9.2 拉伸性能的测定

参考标准方法ASTM D882-02使用智能电子拉力试验机测试薄膜的拉伸性能［22］。薄膜切割成宽25 mm，长80 mm的长条，于测试前分别在25℃50%RH和25℃75%RH的恒温恒湿箱中平衡3天。薄膜两端固定于夹具上，薄膜拉伸速率为40 mm／min。利用公式计算拉伸强度（TS）和断裂伸长率（E）：

式中：TS 为拉伸强度／MPa；Lp为峰值强度／N，a为样品断面面积／m2。

式中：ΔL为断裂时的长度增量／mm；L为试样原长／mm。

2 结果与分析

2.1 酶量对硬脂酸淀粉酯取代度的影响

脂肪酶的用量对硬脂酸淀粉酯取代度的影响如图1所示。

图1 酶添加量对硬脂酸淀粉酯取代度的影响

由图1可以看出，随着脂肪酶添加量增大，硬脂酸淀粉酯的取代度逐渐增大，体现出脂肪酶对离子液体中催化合成硬脂酸淀粉酯的可调控性。

2.2 红外光谱测定结果

由图2可以看出，红外光谱图中波长3 417 cm-1附近对应的是O—H的伸缩振动峰，随着取代度的增大，在3 000～3 600 cm-1波长范围内硬脂酸淀粉酯的吸收峰逐渐变窄，吸收强度也逐渐减弱，说明淀粉羟基在数量上有所减少，同样反映了淀粉中原有的氢键遭到破坏。波长1 740 cm-1处出现了═C O伸缩振动吸收峰，且随着取代度的增大表现出增强趋势。根据红外光谱的结果可知，淀粉分子发生了酯化反应，其羟基上成功引入了硬脂酸基团。

图2 原淀粉及不同取代度硬脂酸淀粉酯的红外光谱

2.3 硬脂酸淀粉酯透明度、溶解度、乳化性及乳化稳定性

淀粉中引入硬脂酸碳链后会对其透明度、溶解度、乳化性和乳化稳定性产生一定的影响，如图3所示。

图3 取代度对硬脂酸淀粉酯透明度、溶解度、乳化性和乳化稳定性的影响

从图3可知取代度为0.002的硬脂酸淀粉酯与原淀粉相比，透明度和溶解度明显增大。这可能是由于离子液体对淀粉的溶解使得淀粉结晶区被破坏，更多的羟基裸露在外面，淀粉更易与水分子缔合，表现为溶解度增大；同时淀粉分子之间的缔合作用由于长链硬脂酸基团的引入而减弱，减弱了光的折射和反射强度，故淀粉糊的透明度提高；随着取代度的继续提高，硬脂酸淀粉酯透明度和溶解度都有所下降，其原因在于淀粉中接入了更多疏水性很强的硬脂酸链，溶解度降低；同时分子质量大幅增加，光的透射量小，引起较强的光散射，降低了透明度。

随着取代度的增大，乳化性和乳化稳定性随之增加。这主要是由于淀粉引入长链硬脂酸基团以后，具有了亲水和亲油的双亲性质，即乳化性。取代度越大则淀粉引入的长链硬脂酸疏水基团越多，疏水性增大，即亲油性增强，这样使得淀粉在界面上的作用力增强，从而乳化性增强，乳化稳定性也随之增加。

2.4 硬脂酸淀粉酯凝沉性

淀粉的凝沉实质上是淀粉“老化”的过程［23］。淀粉糊的凝沉性越强，说明淀粉糊的稳定性越差，淀粉越容易发生老化。常温下硬脂酸淀粉酯的凝沉特性，如表1所示。

与原淀粉相比，在相同的静置时间内硬脂酸淀粉酯具有较好的抗凝沉性。静置24 h后，原淀粉出现明显的分层，而硬脂酸淀粉酯没有分层现象。随着时间的延长，原淀粉析出更多的清液，而取代度为0.002的硬脂酸淀粉酯在72 h才开始有清液析出。取代度为0.076的硬脂酸淀粉酯120 h内无任何清液析出，说明其抗凝沉性最好。随着取代度的升高，硬脂酸淀粉酯的抗凝沉性增强，表明淀粉糊的稳定性更好。主要原因可能是由于疏水性的硬脂酸基团阻碍了淀粉的定向重结晶过程，从而使得淀粉糊的稳定性增强。

表1 取代度对硬脂酸淀粉酯凝沉性特性的影响

2.5 硬脂酸淀粉酯冻融稳定性的测定

硬脂酸淀粉酯的冻融稳定性如图4所示。随着冷冻时间延长，淀粉、淀粉酯的析水率逐渐升高，表明冻融稳定性下降。但在同一时间随着取代度的增大，析水率明显降低，说明淀粉酯化后冻融稳定性有所增强；疏水性长链脂肪酸的引入使淀粉分子间的空间位阻变大，淀粉分子间的缔合和重新排列受到抑制，因此硬脂酸淀粉酯的冻融稳定性明显高于原淀粉，并随取代度的增加冻融稳定性逐渐增强。

图4 取代度对硬脂酸淀粉酯冻融稳定性的影响

2.6 硬脂酸淀粉酯热稳定性测定结果

大米淀粉及硬脂酸淀粉酯的热分析曲线如图5所示，150℃之前的缓慢失重主要是由样品中水的损失造成的。大米淀粉、取代度为0.002、0.032、0.076的硬脂酸淀粉酯的起始裂解温度依次为306.27、283.63、285.76 和299.42 ℃。表明与原淀粉相比，该体系下合成的硬脂酸淀粉酯热稳定性有所降低，但随着取代度的逐渐提高，硬脂酸淀粉酯的热稳定性有所上升。这可能是因为原淀粉颗粒是由较紧密的结晶区域和疏松的无定形区域构成，而经离子液体溶解后的淀粉结晶区受到完全破坏，无定形区增加［24-25］。随着取代度提高，硬脂酸基团增加，分子量提高，硬脂酸淀粉酯的热稳定性回升。

图5 淀粉及硬脂酸淀粉酯的TGA曲线

2.7 水蒸气透过性的测定结果

不同取代度硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的水蒸气透过性及拉伸特性如图6所示。

图6 不同湿度下硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的水蒸气透过性及拉伸特性

由图6可以看出，随着取代度增大，淀粉羟基上取代的疏水性硬脂酸基团增多，水蒸气透过性逐渐减弱。75%RH下的水蒸气透过性明显高于50%RH下的水蒸气透过性，主要是由于随着湿度的提高，水作为一种增塑剂，使高分子聚合物基质变得疏松而使水蒸气的扩散系数上升。

拉伸强度和断裂伸长率是表征高聚物材料最常用的指标之一。在25℃50%RH和75%RH下，不同取代度的硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的拉伸强度和断裂伸长率结果如图6所示，随着取代度的增大，硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的拉伸强度和断裂伸长率均呈现先增加后降低的趋势。拉伸强度增大可能是由于硬脂酸基团的引入，碳链变长，分子量增大；断裂伸长率增大可能是由于在［BMIM］Ac的溶解作用下，淀粉的晶体结构被破坏，另外，由于淀粉的部分羟基被硬脂酸基团所取代，使得淀粉分子间由于羟基产生的氢键作用力被大大削弱，使分子柔软性增强，起到内增塑的作用。但随着取代度的继续升高，拉伸强度和断裂伸长率下降，主要原因在于硬脂酸淀粉酯的疏水性增大，与亲水性高分子聚乙烯醇分子间的相容性降低，导致机械性能的变差。

3 结论

采用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（［BMIM］［BF4］）和1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐（［BMIM］Ac）的混合溶液作为反应介质，使用脂肪酶为催化剂，通过控制脂肪酶的量，得到不同取代度的硬脂酸淀粉酯。

和原淀粉相比，硬脂酸淀粉酯透明度、溶解度增大，但随着取代度的继续增大，透明度和溶解度有所下降；硬脂酸淀粉酯乳化性、抗凝沉性以及冻融稳定性要高于原淀粉，且随着取代度越大，乳化性、抗凝沉性、冻融稳定性增强；TGA曲线显示与原淀粉相比，该体系下合成的硬脂酸淀粉酯热稳定性降低。随着取代度增大，硬脂酸淀粉酯-聚乙烯醇薄膜的水蒸气透过性降低，而拉伸强度和断裂伸长率则呈先上升后下降的趋势。

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Synthesis of Starch Stearate with Lipase in Ionic Liquid and Its Characteristics

Tang Xiaozhi Dai Feiyun Yu Mengfei
（College of Food Science and Engineering／Jiangsu Provincial Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety／Key Laboratory of Grains and Oils Quality Control and Processing of Universities in Jiangsu，Nanjing 210023）

The synthesis of starch stearate with lipase in the mixed ionic liquids of（［BMIM］Ac）and（［BMIM］BF4）and its characteristics were investigated.The structure of starch stearate was characterized by FTIR.The results showed that different degrees of substitution of starch stearate could be prepared by adjusting the amount of lipase in ionic liquids.The transparency and solubility of the starch increased after esterification.The emulsification，anti-precipitability and freeze-thaw stability of starch stearate got enhanced，while its thermal stability reduced.The water vapor permeability of starch stearate-polyvinyl alcohol films gradually decreased with the increasing degree of substitution of starch stearate，while tensile strength and elongation at break first increased and then decreased.

ionic liquids，lipase，starch stearate，characteristics

TQ231

A

1003-0174（2016）11-0020-06

江苏省自然科学基金（BK2012471），江苏省大学生实践创新训练计划（201410327020Z），江苏高校优势学科建设工程（苏政办发〔2014〕37号）

2015-03-13

汤晓智，男，1977年出生，教授，粮油食品深加工