馮琳 1,2，黃祖強 1，孫寧釗 1，胡華宇 1*，張燕娟 1，玉瓊廣 2

（1. 廣西大學化學化工學院 南寧 530004； 2. 廣西農墾明陽生化集團股份有限公司 非糧 生物質酶解國家重點實驗室，南寧 530226）

摘要： 使用乙酸乙烯酯為乙酰化試劑，考察三聚磷酸鈉（STPP）對醋酸酯淀粉性能的影響，并通過響應 面設計優化實驗方案。結果表明，添加 3% STPP 制備的醋酸酯淀粉，反應效率同比增加 25.95%；采用三 因素三水平的 Box-Behnken 響應面試驗設計方法，考察反應 pH 值、反應溫度、反應時間對醋酸酯淀粉反 應效率的影響，結果顯示所得回歸模型顯著。最佳制備條件：反應 pH 值 9.83、溫度 29.3℃、時間 60min， 得到反應效率理論值為 88.54%。在所得條件下進行三次平行試驗驗證，得到反應效率實際值為 87.39%。 紅外光譜分析顯示，在波長 1720cm-1 附近出現酯鍵（?C=O）的特征吸收峰，在波長 1000 cm-1 附近無磷酯 鍵（?P）的特征吸收峰，說明淀粉中接入了乙酰化基團但未接入磷酯鍵基團。

關鍵詞：三聚磷酸鈉；乙酸乙烯酯；反應效率；響應面設計；

中圖分類號 文獻標識碼 文章編號

Effect of Sodium Tripolyphosphate on the Reaction

Efficiency of Acetate Starch and Process Optimization

FENG Lin1,2, HUANG Zu-qiang1, SUN Ning-zhao1, HU Hua-yu1*, ZHANG Yan-juan1, YU Qiong-guang2

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China 2. Guangxi State Farms Mingyang Biochemical Group,INC, State Key Laboratory of Non-Food Biomass and Enzyme Tcchnology, Nanning 530226, China)

Abstract：In this paper, the effect of sodium tripolyphosphate (STPP) on the properties of acetate starch with vinyl acetate as acetylation reagent was studied. In addition, the optimization of experimental scheme was carried out via response surface design. The results showed that the reaction efficiency of acetate starch increase by 25.95% with the addition of 3% STPP. The effects of reaction pH, reaction temperature and reaction time on the reaction efficiency of acetate starch were investigated by using a Box-Behnken response surface design of tri-factor and tri-level. The results showed that the regression model was significant. The optimum preparation conditions were reaction pH value 9.83, temperature 29.3 ℃, and time 60 min, and the theoretical value of reaction efficiency was 88.54%. Three parallel tests were performed for verification under these conditions, and the actual value of the

基金項目：廣西自然科學基金項目（2017GXNSFEA198001、2016GXNSFAA380210）；南寧市科技重大專項項目（20171109）；

南寧市科學研究與技術開發項目（20185066-2）；廣西大學基金項目（XJPZ160713）；

作者簡介：馮琳，女，在職研究生，研究方向為淀粉深加工。E-mail: [email protected]

通訊作者：胡華宇，男，碩士生導師，教授，主要從事天然高分子改性與深加工研究。E-mail: [email protected]

reaction efficiency was 87.39%. Infrared spectroscopy analysis indicated that a characteristic absorption peak of ester bond (?C=O) appeared near the wavelength of 1720cm?1, and there was no characteristic absorption peak of phosphorus ester bond (?P) near the wavelength of 1000cm?1, proving that the acetylated groups was grafted onto starch but not the phosphate ester groups..

Key words: sodium triphosphate; vinyl acetate; reaction efficiency; response surface design；

1 前言

醋酸酯淀粉又稱乙酰化淀粉，與其它許多化學變性反應一樣是利用淀粉分子中的醇羥基 進行反應，在堿性催化條件下，淀粉顆粒活化攜帶負電荷 St－，與乙酰化試劑發生酰化取代 反應而生成醋酸酯淀粉，常用乙酸酐、乙酸乙烯酯、乙酸等作為乙酰化試劑[1]。由于親水性 乙酰化基團的存在，淀粉的成膜性、透明度、凍融穩定性等得到提高，因此醋酸酯淀粉的性 質優于原淀粉[2]。在食品工業中，醋酸酯淀粉作為增稠劑廣泛使用于速凍水餃、方便面、烘 焙、餡料等[3]，GB29925《食品安全國家標準 食品添加劑醋酸酯淀粉》規定乙酰基含量應 在 2.5%以下，GB2760《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》規定醋酸酯淀粉可用于 各類食品，添加量可按生產需要適量使用。

醋酸酯淀粉的反應效率與其經濟效益、環保排水、質量穩定性等息息相關，當用于食品 工業時醋酸酯淀粉的藥品殘留量等還與食品安全密切相關。從文獻可知，當以乙酸乙烯酯作 為乙酰化試劑時，最好使用碳酸鈉作為緩沖劑，在 pH9～10 進行反應可達到較高的反應效 率[2]。楊建洲[4]等使用乙酸乙烯酯為乙酰化試劑，以碳酸鈉為酸堿調節劑，在水相條件下制 備醋酸酯淀粉的最佳反應條件為：玉米淀粉與乙酸乙烯酯質量比 10:1，pH 值 9～10，反應 溫度 24℃，反應時間 1h，反應效率 47.7%。采用乙酸乙烯酯制備醋酸酯淀粉的工藝技術已 有大量報道[5-9]，但普遍顯示反應效率較低，因此尋找比較優化的工藝條件在醋酸酯淀粉的 工業化生產中具有重要意義。

三聚磷酸鈉（STPP）呈白色粉末狀，化學式為 Na5P3O10，易溶于水，其水溶液呈弱堿 性。STPP 是一種無機物表面活性劑，食品工業中常用于水分保持劑、品質改良劑、pH 調節 劑等。在淀粉工業，STPP 可作為磷酸化試劑制備淀粉磷酸酯鈉，反應易發生于 100-120℃[2]。 田龍[10]等采用 STPP 進行磷酸化反應，最佳反應條件為 pH 值 10、反應時間 2h、反應溫度 100℃，生成了淀粉磷酸單酯和淀粉磷酸雙酯的混合物，安鴻雁[11]等以 STPP 為酯化劑，采 用半干法制備磷酸酯淀粉，最佳反應條件為 pH 值 8、反應時間 2h、反應溫度 135℃。由此 可見，STPP 與淀粉易于高溫下進行化學反應。

本文使用乙酸乙烯酯（VAC）為乙酰化試劑，氫氧化鈉和鹽酸為酸堿調節劑，以乙酰基 反應效率作為評判指標進行實驗設計，考察三聚磷酸鈉（STPP）對醋酸酯淀粉性能的影響， 并通過響應面設計得到優化的實驗方案。

2 材料與方法

2.1 儀器與材料

Brabender Viscograph-E 型粘度計；低溫冷卻循環泵；S312 型恒速攪拌器；HH-S 型恒溫水浴鍋；PHS-3C 型 pH 計；SHB-B88 型循環水式多用抽濾機；電熱恒溫鼓風干燥箱；SS250-A5 型食品粉碎機；電子天平；傅里葉變換紅外光譜儀，Nicolet IS 10，日本島津公司。

木薯淀粉，廣西農墾明陽生化集團股份有限公司；三聚磷酸鈉（STPP）、乙酸乙烯酯 （VAC）、鹽酸、氫氧化鈉等藥劑，食品級或分析純，市售。

2.2 實驗方法

2.2.1 淀粉 VAC-SA 的制備

用燒杯稱取 300g 木薯淀粉（絕干）加水調漿至濃度 35~40%，用 6%氫氧化鈉溶液調淀 粉漿液 pH 值 10 并攪拌 10 分鐘，控制反應溫度 30~35℃，加入 VAC 攪拌反應 40 分鐘，其 間反應至 2 分鐘時調一次 pH 值 10，然后用鹽酸調節漿液至 pH 值 6~6.2 終止反應，再經洗 滌、抽濾、烘干、粉碎、過篩，得醋酸酯淀粉 VAC-SA。

2.2.2 淀粉 VAC-SB 的制備

在淀粉中添加 STPP，采用相同制備方法進行乙酸乙烯酯反應，得到醋酸酯淀粉 VAC-SB。

2.3 響應面法工藝優化實驗

在單項實驗的基礎上，固定 STPP 添加量為 3%、VAC 添加量為 4%，以反應 pH 值（A）、 反應溫度（B）、反應時間（C）對醋酸酯淀粉反應效率影響較為顯著的 3 個因素，采用 3 因素 3 水平的 Design Expert 試驗設計方法[12-14]，試驗因素與水平設計見表 2。

3 結果與分析

3.1 單項實驗的結果與分析 以反應效率為評價指標，考察 STPP 添加量、反應 pH 值、反應溫度、反應時間等因素 的影響，分別繪制單項條件與反應效率的關系圖，結果如圖 1、2、3、4。

由圖 1 可知，當 STPP 添加量為 0%和 3%時，淀粉 VAC-SA 和 VAC-SB 的反應效率分 別為 66.00%和 83.13%，同比增加 25.95%，可見添加 STPP 對提高醋酸酯淀粉反應效率具有 非常顯著的效果。

由圖 2 可知，在 pH 值 7-10 范圍內，淀粉 VAC-SB 與 VAC-SA 相比較，反應效率明顯 升高，說明 STPP 對提高醋酸酯淀粉反應效率具有非常顯著的效果，這是由于醋酸酯淀粉適 宜在微堿性條件下進行反應，繼續升高反應 pH 值，已接入淀粉的乙酰化基團易在堿性條件 下溶解脫落。最佳反應 pH 值為 10。

由圖 3 可知，隨著反應溫度的增加，反應效率表現為先增加后降低，這是由于反應溫 度較低時，淀粉分子運動緩慢，隨著溫度升高，分子活性增加，接入淀粉的乙酰化基團增加， 則反應效率升高；當反應溫度較高時，淀粉分子運動速度加快，同時已接入淀粉分子的乙酰 化基團活潑，當乙酰化基團脫落速度大于接入速度時，表現為乙酰基含量降低即反應效率降 低。在反應溫度 20-40℃范圍，STPP 對提高醋酸酯淀粉反應效率具有非常顯著的效果， VAC-SB 和 VAC-SA 的最佳反應溫度分別為 35℃和 25℃。

由圖 4 可知，隨著反應時間的延長，反應效率表現為先增加后降低，這是由于反應時 間不足時，乙酰化試劑與淀粉接觸時間尚短，反應緩慢導致乙酰基含量較低，若反應時間過 長，已接入淀粉的乙酰化基團易受堿性環境、機械剪切等影響導致基團脫落，則反應效率下 降。在反應時間為 10min 時，淀粉 VAC-SA 和 VAC-SB 的反應效率分別為 57.54%和 80.53%， 同比增加 39.95%，在反應時間 10-120min 范圍，淀粉 VAC-SB 與 VAC-SA 相比反應效率明 顯偏高，說明 STPP 對提高醋酸酯淀粉反應效率具有非常顯著的效果，淀粉 VAC-SB 和 VAC-SA 的最佳反應時間分別為 30min 和 40min。

由表 3 可知，方程一次項中 B 為顯著因素，A、 C 為不顯著因素；AB 和 AC 交互作 用顯著，BC 交互作用不顯著；方程二次項中 A2為極顯著因素，B2為顯著因素，C2為不顯 著因素，表明各影響因素對響應值不是簡單的線性關系，二次項、交互項與響應值有很大關 系。影響以乙酸乙烯酯為酯化劑的醋酸酯淀粉反應效率的各因素按影響力度大小排序依次為 B(反應溫度)、A（pH 值）、C(反應時間) 。

對于三個因素，選取其中一個為固定值時，其他兩種因素及其交互作用對反應效率影響的響應曲面及等高線圖如圖 5、6、7 所示。這些圖可以直觀地反映各因素對響應值的影響 以及各參數之間的相互作用。

運用 Design-expert 軟件對模型進行最優化求解，預測出最佳制備條件：反應 pH 值 9.83、反應溫度 29.3℃、反應時間 60min，得到反應效率理論值為 88.54%。為檢驗該方法的 可靠性，在所得條件下驗證試驗。取三次平行試驗結果計算平均值，得到醋酸酯反應效率的 實際值為 87.39%。可見，基于響應面法優化所得的實驗結果與模型符合良好，該模型能較 好地模擬并預測醋酸酯反應效率。

3.3 紅外譜圖的分析

對原淀粉和醋酸酯淀粉 VAC-SA、VAC-SB 進行紅外譜圖的分析，結果如圖 8 所示。

Fig 8 Infrared spectra of native starch (A) and esterified starches (B: VAC-SA; C: VAC-SB) 采用紅外光譜分析對木薯原淀粉和木薯醋酸酯淀粉進行了對比，由圖可見，醋酸酯淀粉 與原淀粉相比較，在氫鍵區、飽和碳氫鍵區、指紋區[16]吸收峰的形狀、位置基本相同，區 別在于醋酸酯淀粉 VAC-SA 和 VAC-SB 在波長 1720cm-1 附近出現酯鍵（?C=O）的伸縮振動 吸收峰，說明淀粉中接入了酯化基團，淀粉 VAC-SB 比 VAC-SA 伸縮振動峰更強，說明淀 粉 VAC-SB 具有更高的乙酰基；三個樣品在波長 1000 cm-1 附近均無特征吸收峰，說明淀粉 中未接入磷酯鍵（?P）基團，進一步說明 STPP 與淀粉未發生取代反應。

4 結論

（1）以乙酸乙烯酯（VAC）為乙酰化試劑，以氫氧化鈉和鹽酸為酸堿調節劑，在三聚 磷酸鈉（STPP）參與反應的條件下，通過調節反應 pH 值、反應溫度、反應時間制備得到醋 酸酯淀粉。通過考察 STPP 添加量的實驗對比影響，當 STPP 添加量為 0%和 3%時，淀粉 VAC-SA 和 VAC-SB 的反應效率分別為 66.00%和 83.13%，同比增加 25.95%。通過考察反應 pH 值、反應溫度、反應時間等因素，在一定實驗范圍內，STPP 對提高醋酸酯淀粉反應效率 具有非常顯著的效果。

（2）響應面實驗所得最佳工藝條件為：反應 pH 值 9.83、反應溫度 29.3℃、反應時間60min，得到反應效率理論值為 88.54%。在所得條件下進行三次平行試驗驗證，得到醋酸酯 反應效率的實際值為 87.39%。表明基于響應面法優化所得的實驗結果與模型符合良好，該 模型能較好地模擬并預測醋酸酯反應效率。

（3）紅外光譜分析表明，在波長 1720cm-1附近出現酯鍵（?C=O）的伸縮振動吸收峰， 說明淀粉成功酯化，且 VAC-SB 具有更高的乙酰基；在波長 1000 cm-1附近均無特征吸收峰， 說明淀粉中未接入磷酯鍵（?P）基團。

參考文獻

[1] 張友松. 變性淀粉生產與應用手冊[M]. 北京: 中國輕工業出版社, 2007.

[2] 張燕萍. 變性淀粉制造與應用[M].北京：化學工業出版社, 2007.

[3] 林瑩, 辛志平, 古碧, 等. 不同乙酸酯淀粉對速凍餃子皮品質的影響 [J]. 食品工業, 2005(2): 25-28.

[4] 楊建洲, 胡林, 吳華. 醋酸酯淀粉的制備與分析[J]. 造紙化學品, 2002 (4): 16-20.

[5] 劉澤民, 黃新輝, 張朝, 等. NaClO-VAC 改性玉米淀粉的工藝優化[J]. 河南師范大學學報, 2011,33(12): 133-135.

[6] 錢大鈞, 楊光. 醋酸酯淀粉制備及性質研究[J]. 中國糧油學報, 2007,22(2): 49-52.

[7] J.M Fang, P. A Fowler, C. Sayers, et al. The chemical modification of a range of starches under aqueous reaction conditions[J], Carbohydrate Polymers. 2004, 55(3): 282-289.

[8] CHANG L T. The greatly developing uses of starch[J]. Joumal of South China University of Technology, 1998, 26(6): 68~74.

[9] 朱彩麗，劉群艷，馬麗梅，等. 醋酸酯淀粉制備工藝的對比研究[J].化工技術與開發，2016, 46(6): 5-7.

[10] 田龍，劉亞偉. 三聚磷酸鈉制備小麥淀粉磷酸酯的研究[J].中國食品添加劑，2005, 3: 8-10.

[11] 安鴻雁，佟毅，劉馨遠，等. 半干法磷酸酯淀粉的制備[J].食品工業科技，2018, 5: 226-229.

[12] 張澤志, 韓春亮. 李成未. 響應面在試驗設計與優化中的應用[J]. 河南教育學院學報, 2011,20(4): 34-37.

[13] 李莉, 張賽, 何強, 等. 響應面法在試驗設計與優化中的應用[J]. 實驗室研究與探索, 2015, 34(8): 41-45.

[14] 張澤志, 王福安, 高霞, 等. 響應面法優化芹菜總黃酮的微波提取工藝研究[J]. 鄭州大學學報, 2010,31(6): 95-99.

[15] GB 29925. 食品安全國家標準 食品添加劑 醋酸酯淀粉[S]. 中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會發布, 2013.

[16] 潘彥斌, 趙勇, 張福義. 紅外指紋區特點及解析[J]. 現代儀器, 2000 (1): 1-13.