磺酸基羧甲基脱支马铃薯淀粉制备工艺的研究_贺秋梅.pdf

收稿日期：作者简介：贺秋梅（），女，硕士，研究方向为天然高分子。磺酸基羧甲基脱支马铃薯淀粉制备工艺的研究贺秋梅，唐洪波（沈阳工业大学研究生院，辽宁沈阳；沈阳工业大学，辽宁沈阳）摘 要：以马铃薯淀粉为原料，采用普鲁兰酶对马铃薯淀粉进行脱支预处理，以氯乙酸为醚化剂，乙醇为溶剂进行羧甲基化，再以氯磺酸为磺化剂、二氯甲烷为溶剂制备磺酸基羧甲基脱支马铃薯淀粉（），在单因素的基础上结合响应面法优化 制备工艺。结果表明：制备 的最佳反应条件为反应温度 、反应时间 、二氯甲烷用量%（以氯磺酸质量计）、氯磺酸用量%（以淀粉干基质量计），在此条件下 磺酸基取代度为 。关键词：马铃薯淀粉；磺酸基；羧甲基 ，（，；，）：,(),%(),%(),:;中图分类号：文献标志码：文章编号：（）淀粉是 种分布十分广泛的天然高分子化合物，由支链淀粉和直链淀粉 种高分子有序组合而成。天然淀粉存在水溶性差、乳化和胶化能力弱、稳定性低等缺点，而羧甲基淀粉（）具有良好的分散力、结合力和粘合力，以及较强的吸湿性和乳化性能。磺化淀粉在生命科学领域和水泥缓凝方面也得到广泛应用。因马铃薯淀粉产量大、成本低，故选用其为原料，在羧甲基脱支马铃薯淀粉（）的基础上进行磺化制备磺酸基羧甲基脱支马铃薯淀粉（），研究 的制备条件及磺酸基取代度的影响因素，探讨最佳工艺条件，以期为 的应用研究提供参考。材料与方法 材料与试剂马铃薯淀粉，黑龙江北大荒马铃薯产业有限公司；普鲁兰酶（），沧州夏盛酶生物技术有限公司；氯磺酸、无水乙醇、氯乙酸、柠檬酸、柠檬酸钠、二氯甲烷、氢氧化钠、盐酸、氯化钡、明胶、硫酸钠、溴化钾，分析纯；试验用水为蒸馏水。仪器与设备 可见分光光度计，上海尤尼柯仪器有粮食与油脂 年第 卷第 期限公司；红外光谱仪，日本岛津制作所。试验方法 的制备 脱支马铃薯淀粉（）的制备称取 马铃薯淀粉，加入 倍淀粉质量的 柠檬酸柠檬酸钠缓冲液（体积比 ），在沸水浴中糊化 ，当淀粉糊温度降至 时，添加普鲁兰酶 ，脱支处理 ，反应结束后将反应液以 灭酶，终止脱支反应，通过加入质量分数%乙醇溶液使淀粉析出，抽滤并洗涤至中性得到。的制备称取 ，加入 倍淀粉质量的乙醇，再加入 和 水，以 碱化 ，随后加入 氯乙酸，以 醚化 ，反应结束后用盐酸调节 至 ，然后加入质量分数%乙醇溶液，使产物沉淀，过滤，得到。的制备称取一定量的，加入 倍淀粉质量的二氯甲烷，在冰浴下分散，将一定量的氯磺酸和二氯甲烷混合，在保持搅拌的情况下，用恒压滴液漏斗将其缓缓滴入体系中，在 水浴中反应，反应结束后抽滤得到 粗产品，再用 溶液调至中性，加入质量分数%乙醇溶液使产物沉淀，过滤，洗涤，得到。磺酸基含量测定 用氯化钡明胶分光光度法对制得的 的磺酸基取代度进行测定。标准曲线的绘制准确称取干燥至恒重的硫酸钠于 容量瓶中，分别配制成 、的硫酸钠溶液，吸取 各质量浓度的硫酸钠溶液于试管中，分别加入 质量分数%三氯乙酸溶液，摇匀，再分别加入 质量分数%氯化钡明胶溶液，振荡摇匀后静置，最后分别加入到 石英比色皿中，另以去离子水作为空白样，分别于波长 处测定吸光度，重复 次，结果取平均值。以硫酸钠质量浓度为横坐标、吸光度为纵坐标，绘制标准曲线，得到回归方程方程为 ，。样品中硫酸根含量的测定精确称取 样品于具塞试管中，加入 的 溶液使样品溶解，在沸水浴中水解 ，冷却后倒入 容量瓶中并用水定容，从中移取 ，按照 测定吸光度，平行测定 次，结果取平均值为。另称取样品于 容量瓶中，配制成质量浓度为 的样品水溶液，从中移取 ，再按照 测定吸光度，平行测定 次，结果取平均值为，排除样品中游离硫酸根的干扰，已取代硫酸根的吸光度为，根据所绘制的标准曲线计算出样品中硫酸根含量。磺酸基取代度（）的计算见式（）。（）式中：为淀粉中硫酸根含量，%；为淀粉中磺酸基取代度。单因素试验 的 为 ，以二氯甲烷为溶剂，在固定反应温度 、二氯甲烷用量%（以氯磺酸质量计）、氯磺酸用量%（以淀粉干基质量计）、反应时间 的基础上，考察磺化反应时间、氯磺酸用量、二氯甲烷用量、磺化反应温度对 磺酸基取代度的影响。响应面试验设计以对 磺酸基的取代度为指标，利用 软件建立响应面试验。因素水平见表。表 响应面试验因素与水平水平因素 二氯甲烷用量%反应温度 氯磺酸用量%反应时间 红外光谱称取少量干燥 样品约 ，置于玛瑙研钵内研磨 ，再与 干燥的 粉末充分混合，继续研磨 。将研磨后的混合物粉末倒在压膜器中，压膜制片，取出样品薄片，置于样品架上，于红外光谱仪上扫描，得到样品的红外谱图（波数范围 ）。结果与分析 单因素试验结果 二氯甲烷用量对 磺酸基取代度的影响由图 可知：磺酸基取代度随着二氯甲 年第 卷第 期 粮食与油脂烷用量的增加而增大，当二氯甲烷用量超过%后，磺酸基取代度增长趋缓，超过%后，磺酸基取代度增长特别缓慢。由于氯磺酸能够与二氯甲烷融合且不发生反应，随着二氯甲烷用量的增多，氯磺酸溶解更好，与淀粉接触充分，当二氯甲烷用量过少时，氯磺酸副反应剧烈，淀粉颜色加深团聚，不利于反应进行。因此，选择二氯甲烷用量为%。图 二氯甲烷用量对 磺酸基取代度的影响 反应温度对 磺酸基取代度的影响由图 可知：磺酸基取代度随反应温度的降低而增大，当反应温度降低到 后，磺酸基取代度增长变慢，是由于氯磺酸与淀粉发生酯化反应时，体系会产生大量的热，当反应温度过高，淀粉颜色变深且团聚，体系副反应加快，磺化变慢，而当反应温度低于 时，水浴能够控制反应体系的温度，淀粉均匀分散于二氯甲烷中，降低副反应的产生。因此，选择反应温度为 。图 反应温度对 磺酸基取代度的影响 氯磺酸用量对 磺酸基取代度的影响由图 可知：磺酸基取代度随着氯磺酸用量增加而增大，当氯磺酸用量增大到%后，磺酸基取代度增长较为缓慢，是由于在进行磺化前，淀粉经过羧甲基化，已经抢占淀粉大分子中部分羟基，当磺酸基取代度达到某一值时，脱支马铃薯淀粉分子中大量羟基被取代，氯磺酸很难继续与淀粉发生磺化反应。因此，选择氯磺酸用量为%。图 氯磺酸用量对 磺酸基取代度的影响 反应时间对 磺酸基取代度的影响由图 可知：随反应时间的增加，磺酸基取代度也增大，当反应时间超过 后，磺酸基取代度增加变得极其缓慢，其原因为此时淀粉上的羟基大部分被取代，由于位阻和反应点的原因，磺酸基取代度基本不再变化。因此，选择反应时间为 。图 反应时间对 磺酸基取代度的影响 响应面试验结果响应面试验设计与结果见表，方差分析结果见表。由表 可知：表明该模型极显著，失拟项 为 ，不显著，说明该回归模型可行。各因素对羧甲基脱支马铃薯淀粉的磺酸基取代度影响顺序从大到小为反应温度 反应时间 氯磺酸用量 二氯甲烷用量。一次项、，交互项、，二次项、均达到极显著水平，交互项 达到显著水平，其余项对响应值粮食与油脂 年第 卷第 期表 响应面试验设计与结果试验号取代度 表 方差分析结果来源平方和自由度均方 值 值模型 残余 失拟项 纯误差 总和注：为差异显著；为差异极其显著。影响不显著。优化后的方程为 。通过 软件对试验数据的分析，本试验建立的响应面模型回归方程的相关系数 ，说明该磺化反应中%的变化可以通过回归模型来解释。根据响应面试验得到 的最佳反应条件为反应温度 、反应时间 、二 氯 甲 烷 用 量%、氯 磺 酸 用 量%，在此条件下磺酸基取代度为。考虑试验的可操作性，将最佳条件调整为反应温度 、反应时间 、二氯甲烷用量%、氯磺酸用量%，在此条件下进行 次平行试验，得磺酸基取代度平均值为 ，与预测值误差较小，表明该模型与实际情况有较好的拟合度，可以预测 磺酸基取代度。红外光谱分析由图 可知：在 处，和 都有羰基的特征峰，说明羧甲基被成功地引入 和 分子链中。此外，在 的红外光谱中，在 和 处的新的吸收峰，属于=键和 键的拉伸振动，说明磺酸基团被成功地引入 分子中。图 马铃薯淀粉的红外光谱图注：为马铃薯淀粉；为；为；为。结论通过单因素试验和响应面试验优化得到制备磺酸基羧甲基脱支马铃薯淀粉（）的最佳工艺条件为反应温度 、反应时间 、二氯甲烷用量%、氯磺酸用量%，在此条件下得到磺酸基取代度为 。红外分析结果表明，该方 年第 卷第 期 粮食与油脂法可成功制备。本研究为 的应用提供理论参考。参考文献 何虎翼,唐洲萍,杨鑫,等 马铃薯淀粉合成与降解研究进展 生物技术通报,():倪海明,钟浪声,郭佳文,等 阴离子淀粉的性质、应用及市场前景 大众科技,():,():,():,():戚红卷 磺化淀粉开发用作新型水泥减水剂的研究 天津:天津大学,():,:严思明,裴贵彬,张晓雷,等 磺化淀粉的合成及其缓凝性能的研究 钻井液与完井液,():,():,():彭晔,余振宇,郑志,等 芋头淀粉纳米颗粒的制备及其表征 食品工业科技,():（上接第 页）,():王会然,李宗军 响应面试验优化挤压米生产工艺 食品科学,():,():,():,(),():,():,:,():湛梦 挤压法制备米乳饮料的技术研究 长沙:湖南农业大学,():,:,:粮食与油脂 年第 卷第 期