CN102337310B - 一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，属于食品生物化工技术领域。本发明酯化反应所采用的溶剂为正己烷与水的混合溶剂，将进行前处理后的淀粉中加入适量辛烯基琥珀酸酐和脂肪酶，搅拌条件下反应，过滤，回收有机溶剂，烘干滤饼得到辛烯基琥珀酸淀粉酯。本发明在非水相体系中利用脂肪酶催化合成了辛烯基琥珀酸淀粉酯，确定了其最佳生产工艺条件。该方法具有反应条件温和，反应均匀，非水相中进行酶促酯化反应效率更高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，属于食品生物化工技术领域。
背景技术
辛烯基琥珀酸淀粉酯是一种新兴的改性淀粉，是以辛烯基琥珀酸酐和淀粉经酯化反应制得。它同时引入亲水基和亲油基，两者之间的比例为1∶1，当辛烯基琥珀酸淀粉酯用于油/水乳状液时，其亲水的羧酸基团伸入水中，亲油的辛烯基长链伸入油中，多糖长链则在油水界面形成一层坚韧的、有较大内聚力、连续且不容易破裂的薄膜，阻止分散相颗粒聚集或分离，从而使乳化体系保持高度稳定，所以可以作为乳化稳定剂。另外，由于其具有良好的流动性和疏水性，能够防止淀粉颗粒的聚集，均匀分散在乳液中，使乳液具有较好的流动性。辛烯基琥珀酸淀粉酯也可作为一种安全性高的乳化增稠剂、微胶囊壁材、化妆品组分、包埋物质等。它是由美国的Caldwell & Wurzburg首先开发成功，并于1953年申请取得专利，已被美国、欧洲和亚太地区的主要国家作为一种安全性高的乳化增稠剂批准使用。联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO)评价：日许量无需特殊规定可用于食品，使用范围没有限制。
目前，辛烯基琥珀酸淀粉酯主要采用水相合成或者有机相合成。虽然有关报道显示辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度提高，其乳化活性提高，而水相法合成的辛烯基琥珀酸淀粉酯，取代度的提高对乳状液的形成却有负作用；有机相中合成的辛烯基琥珀酸淀粉酯的乳化性能要优于水相中合成的，但由于大量使用有机溶剂，污染较大，纯化步骤较复杂，产品不适用于食品。
脂肪酶是一类具有多种催化能力的酶，可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯类的水解、醇解、酯化、转酯化及酯类的逆向合成反应。
酯化反应使淀粉具有比原来更加优越的性能。使用酶催化淀粉的酯化反应与传统的方法相比，反应条件温和，高效且得到的产品更纯。王凤平等以玉米淀粉和辛烯基琥珀酸酐为原料，研究了其酶法合成的工艺，大大缩短了合成所需的时间，但脂肪酶在水中易水解已经形成的辛烯基琥珀酸淀粉酯。
发明内容
针对上述问题，本发明提供给了一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，条件温和、反应效率高、所得产物易于分离且所用溶剂可以回收，明显优于其他方法。
本发明采用以下技术方案：一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，包括淀粉前处理和酯化反应，酯化反应所采用的溶剂为正己烷与水的混合溶剂。其具体步骤主要包括：
(1)淀粉前处理将淀粉中加入水，使其吸水膨胀，淀粉与水的质量比为3∶10。
(2)酯化反应将上述处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂，脂肪酶和辛烯基琥珀酸酐，搅拌反应。
由于淀粉微溶于水而不溶于有机溶剂，晶体结构致密，难以发生反应，所以对淀粉进行前处理，使其吸水膨胀之后空间结构变得蓬松，有利于反应的进行。经过试验确定，淀粉在55℃吸水膨胀20min后，后期获得的产物取代度值和反应效率最大。
将上述经过处理的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂，脂肪酶以及辛烯基琥珀酸酐进行酯化反应。
由于水是酯化反应的产物，受体系中含水量的影响，脂肪酶催化反应是可逆的，因此在酯合成反应中，水分含量是影响反应的重要因素。本发明所采用的溶剂中，正己烷与水的体积比范围为10∶1-10∶5。通过多次试验确定当正己烷与水的体积比为10∶5时，效果最好。
在一定的反应时间内，酶添加量控制了酯合成反应产率和取代度。在一定范围内，酶添加量的增加会使产物取代度增大，当酶添加量到一定程度后，再增加其添加量，反应转化率也不再有明显提高，本发明中催化剂脂肪酶添加量为淀粉干基的0.3％-1.1％，优选0.5％。酯化反应中辛烯基琥珀酸酐的添加量为淀粉干基的3％-11％，试验发现其添加量为3％时产品的取代度达到最大值。由于本发明所使用的是正己烷与水的混合溶剂，有利于底物之间的接触，从而使得本发明中所用的酸酐量和脂肪酶的加入量与其他相关报道比较起来相对较少。本发明中所采用的脂肪酶购于杭州中香化工有限公司。
酯化反应过程中，由于辛烯基琥珀酸酐不溶于水，而本发明中所使用的是混合溶剂，一定程度上增大了辛烯基琥珀酸酐的溶解度，增加了与淀粉的接触面积，且脂肪酶为界面酶，在搅拌过程中有利于酶与底物间的接触，从而增大了整个反应体系中反应物之间的接触面积，一般搅拌速度为100-200rpm。另外，由于溶剂为正己烷与水的混合溶剂，使得脂肪酶的热稳定性也有所提高。
温度是酶促反应的一个重要的影响因素，反应温度对淀粉酯化反应的影响是比较复杂的。随着温度的升高，分子扩散加快，有利于提高脂肪酶酯化反应的速率。本发明反应温度由30℃增加到60℃，当反应温度从30℃增加到40℃时反应效率和取代度都很有明显的增加，之后随着温度的增加反而下降，因此优选反应温度为40℃。
反应时间的确定：实验中采用的反应时间为：10min、20min、30min、40min，结果发现在10min时出现最大取代度值，因此优选反应时间为10min。
由于本发明使用的溶剂中含有正己烷，使得产物在反应体系中溶解度很小，从而无需乙醇沉淀等较复杂的处理步骤，直接过滤分离即可得到产物。将上述酯化完的反应液直接进行抽滤，回收溶剂再用，将滤饼放入70℃烘箱内烘干5小时即得辛烯基琥珀酸淀粉酯。
目前合成辛烯基琥珀酸淀粉酯时所用的原淀粉多数都是玉米淀粉，小麦淀粉，马铃薯淀粉等，利用木薯淀粉的较少，但是木薯淀粉口味平淡无味道，无余味(例如玉米)，更适于需要精调味道的产品。玉米等谷类淀粉含蛋白质量较高，不如木薯淀粉好。马铃薯、木薯淀粉含蛋白质量一般在0.1％以下，更好的产品只含有痕迹量。木薯原淀粉浆糊表现出相对低的逆转性，因而在冷冻解冻循环中可防止水分丢失。这一特性还可通过改性进一步增，因此本发明所用淀粉优选木薯淀粉。
在单因素实验的基础上，设计四水平五因素响应面分析实验，因素和水平如表1所示，优化出正己烷中脂肪酶催化合成辛烯基琥珀酸淀粉酯的最佳工艺条件：正己烷与纯水的比例为2∶1，辛烯基琥珀酸酐添加量为3％(淀粉干基)，脂肪酶加入量为0.5％(淀粉干基)，反应温度为40℃，反应时间为10min，取代度可达到0.0154。
表1响应面分析实验因素和水平
综上所述，本发明的有益效果：
1、采用的溶剂为正己烷与水的混合溶剂，利用脂肪酶催化，增大了反应底物之间的接触面积，大大提高产物的反应效率，使得辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.0193。
2、本发明生产的条件温和、产品容易纯化，溶剂可以再次回收利用。
3、有机溶剂采用被允许在食品工业中运用的正己烷，从而避免了有机溶剂在辛烯基琥珀酸淀粉酯中大量残留不能应用于食品、化妆品等行业的弊端，更加绿色安全。
具体实施方式
实施例1：
(1)淀粉前处理称取30g淀粉放入100ml水中55℃吸水膨胀20分钟，过滤。
(2)酯化反应向处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂110ml，正己烷与水的体积比为10/1，然后加入脂肪酶0.09g，辛烯基琥珀酸酐1.5g，40℃恒温水浴搅拌反应10min，搅拌速度100rpm，得到辛烯基琥珀酸淀粉酯，经测定辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.00854。
实施例2：
(1)淀粉前处理称取30g淀粉放入100ml水中55℃吸水膨胀20分钟，过滤。
(2)酯化反应向处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂120ml，正己烷与水的体积比为10/2，然后加入脂肪酶0.33g，辛烯基琥珀酸酐2.7g，30℃恒温水浴搅拌反应20min，搅拌速度200rpm，得到辛烯基琥珀酸淀粉酯，经测定辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.00939。
实施例3：
(1)淀粉前处理称取30g淀粉放入100ml水中55℃吸水膨胀20分钟，过滤。
(2)酯化反应向处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂130ml，正己烷与水的体积比为10/3，然后加入脂肪酶0.21g，辛烯基琥珀酸酐3.3g，60℃恒温水浴搅拌反应30min，搅拌速度150rpm，得到辛烯基琥珀酸淀粉酯，经测定辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.00532。
实施例4：
(1)淀粉前处理称取30g淀粉放入100ml水中55℃吸水膨胀20分钟，过滤。
(2)酯化反应向处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂140ml，正己烷与水的体积比为10/4，然后加入脂肪酶0.15g，辛烯基琥珀酸酐0.9g，50℃恒温水浴搅拌反应40min，搅拌速度125rpm，得到辛烯基琥珀酸淀粉酯，经测定辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.0138。
实施例5：
(1)淀粉前处理称取30g淀粉放入100ml水中55℃吸水膨胀20分钟，过滤。
(2)酯化反应向处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂150ml，正己烷与水的体积比为10/5，然后加入脂肪酶0.27g，辛烯基琥珀酸酐2.1g，40℃恒温水浴搅拌反应20min，搅拌速度175rpm，得到辛烯基琥珀酸淀粉酯，经测定辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.0187。
实施例6：
(1)淀粉前处理称取30g淀粉放入100ml水中55℃吸水膨胀20分钟，过滤。
(2)酯化反应向处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂150ml，正己烷与水的体积比为10/5，然后加入脂肪酶0.15g，辛烯基琥珀酸酐0.9g，40℃恒温水浴搅拌反应10min，搅拌速度150rpm，得到辛烯基琥珀酸淀粉酯，经测定辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度达到0.0193。
Claims (6)
1.一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，包括淀粉前处理和酯化反应，其特征在于：酯化反应所采用的溶剂为正己烷与水的混合溶剂，具体步骤主要包括：
（1）淀粉前处理：将淀粉中加入水，使其吸水膨胀，淀粉与水的质量比为3:10；
（2）酯化反应：将上述处理后的淀粉中加入正己烷与水的混合溶剂，脂肪酶和辛烯基琥珀酸酐，搅拌反应；
其中，酯化反应中正己烷与水的体积比为10:1—10:5；
辛烯基琥珀酸酐添加量为淀粉干基质量的3%-11%；
催化剂脂肪酶添加量为淀粉干基质量的0.3%-1.1%。
2.根据权利要求1所述的一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，其特征在于：酯化反应中正己烷与水的体积比优选10:5。
3.根据权利要求1或2所述的一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，其特征在于：酯化反应中搅拌速度为100-200rpm。
4.根据权利要求1或2所述的一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，其特征在于：酯化反应温度为30-60℃。
5.根据权利要求1或2所述的一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，其特征在于：酯化反应时间为10-40min。
6.根据权利要求1或2所述的一种辛烯基琥珀酸淀粉酯的合成方法，其特征在于：所述的淀粉优选木薯淀粉。
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