响应面法优化高取代度黄姜醋酸酯淀粉的制备

响应面法优化高取代度黄姜醋酸酯淀粉的制备摘要以浓硫酸作催化剂,黄姜淀粉为原料,冰醋酸和醋酸酐为改性剂,合成了高取代度的黄姜淀粉醋酸酯。运用响应面法优化了制备工艺，结果表明制备黄姜醋酸酯淀粉的最佳反应条件为反应温度70℃,反应时间2.5h,0.20mLH2SO4作催化剂，醋酸酐与醋酸体积比为32：68，取代度为1.70关键词醋酸酯淀粉,取代度,制备,黄姜淀粉,响应面.黄姜（RhizomaDioscoreaeZingiberensis）又名盾叶薯蓣、火藤根，是薯蓣属（Dioscrea.L）野生草本植物的根茎。研究表明：黄姜中含有1.1-16.5%薯蓣皂素，35-40%淀粉，40-50%的纤维等。其中甾体激素药物广泛用于治疗风湿关节炎、心脑血管病等，在药品生产中仅次于抗生素的重要药源，随着需要量的增加，90年代起我国开始大面积人工种植，据统计，2003年全国种植面积达150万亩以上，产量达10万吨。皂素提取工过程中，为减少资源浪费、降低废水处理的费用以及减少环境污染，研究人员已探索出制备淀粉的工艺。黄姜淀粉因直链淀粉含量高于一般淀粉，因而透光率较低，易老化[1].通过醋酸酐处理以改变天然来源淀粉的性质，从而增强了某些功能性质或引进新的特性，以适应现代化工业新技术，新工艺要求。1材料与方法1.1试剂和仪器黄姜原淀粉,烘至绝干;醋酸酐、冰醋酸、丙酮、盐酸、NaOH、Na2CO3,均为分析纯试剂,98%浓硫酸。1.2淀粉醋酸酯的制备[2、3]将60.0g绝干黄姜原淀粉、不同体积的冰醋酸加入三口瓶中,10min内将5℃的醋酸酐以v(醋酸酐)∶{v(冰醋酸)+v(醋酸酐)}=32∶100的混合液滴入三口瓶,10min内将混于10mL冰醋酸的不同体积98%浓H2SO4滴入上述三口瓶中,在搅拌下使水浴缓慢升温至70～86℃维持2～3h。反应液倾倒于大量常温下去离子水中,搅拌,有黄色沉淀。过通讯作者简介：周琼（1971-），硕士，讲师，西南大学食品科学学院在读博士。研究方向食品化学与营养学。本论文研究为陕西省教育厅应用研究项目（06JK363）及安康学院科研专项资金（2005AZX011）资助滤,用大量去离子水多次洗涤滤出物,至pH呈中性,60℃烘干。1.3取代度(DS)的测定取代度(DS)指淀粉葡萄糖单元上羟基氢原子被取代的程度,因为淀粉每个葡萄糖单元上有3个可被取代的羟基,所以DS的最大值是3。按文献[4]方法测定DS,取015g改性淀粉于250mL碘量瓶中。加入25mL丙酮,3滴酚酞指示剂,混匀。再加入25mL015mol/LNaOH标准溶液,摇匀。室温下在电磁搅拌器上皂化60min。用015mol/LHCl标准溶液滴定至红色消失即为终点,记录体积V1(mL)。用原淀粉做空白实验,记录体积V2(mL)。式中,ω为醋酸酯淀粉每个乙酰基葡萄糖单元中含有的乙酰基质量分数(%);V2、V1分别为原淀粉和改性淀粉滴定时所用HCl的体积(mL),c为HCl的浓度(mol/L),m为改性淀粉样品的质量(g)。则DS的表达式为:式中,43和162分别为乙酰基和原淀粉每个葡萄糖单元的相对分子质量,1为H原子的相对原子质量。1.3.1单因素实验分别以反应温度、反应时间、催化剂浓硫酸用量、醋酸酐和冰醋酸体积比等为变量,以乙酰含量、取代度为评价指标,确定影响制备高取代度醋酸酯淀粉的主要因素。1.3.2响应面法实验设计[5、6]根据单因素实验结果,以乙酰含量、取代度为指标进行RSM实验设计,选取对乙酰含量、取代度影响最大的3个因素为自变量,分别以X1、X2、X3表示,并以+1、0、-1分别代表自变量的高、中、低水平,按方程xi=(Xi-X0)/ΔX对自变量进行编码,其中,xi为自变量的编码值,Xi为自变量的真实值,X0为实验中心点处自变量的真实值,ΔX为自变量的变化步长。利用统计软件DesignExpert对实验数据进行回归分析,预测制备高取代度醋酸酯淀粉的最佳工艺参数。2结果与分析2.1单因素实验单因素实验结果表明,影响制备高取代度醋酸酯淀粉的主要因素是反应温度、催化剂浓硫酸用量和醋酸酐和冰醋酸体积比,反应时间对制备高取代度醋酸酯淀粉影响不大。单因素实验获得的最佳条件为:反应温度65～75℃,浓硫酸用量0.15～0.25mL,醋酸酐与冰醋酸体积比0.14～0.18,反应时间2.5～3.0h。该条件下乙酰含量、醋酸酯淀粉取代度较高,分别为为0.4518、1.70。因此,选取萃取温度65～75℃,浓硫酸用量0.15～0.25mL,醋酸酐与冰醋酸体积比0.14～0.18进行后续的响应面法设计,优化制备高取代度黄姜醋酸酯淀粉的工艺参数。2.2响应面实验依据单因素实验结果,进行响应面法Box-Behnken模型实验设计,因素水平编码见表1,实验设计与数据分析见表2。利用DesignExpert软件对表2实验数据进行回归分析,得二次多元回归模型为:Y=1.68+0.00125x1–0.053x2+0.00875x3-0.001x1x2+0.018x1x3–0.050x2x3–0.013x12-0.12x22–0.17x32对模型进行方差分析,结果见表3。由表3表1响应面因素水平编码因素编码及水平-10-1反应温度（℃）657075浓硫酸用量（mL）0.150.200.25醋酸酐与冰醋酸体积比0.280.320.36表2Box-Behnken实验设计与数据分析序号因素取代度X1X2X3实测值预测值101-11.401.3820001.681.6831011.531.5340001.701.6851101.491.516-1101.491.4970001.691.688-1-101.611.6390001.711.6810-10-11.501.51110-1-11.391.38120-111.481.501310-11.451.4714-1011.511.49150001.641.68161-101.631.61170111.291.30表3回归模型的方差分析方差来源平方和自由度均方FP模型0.2490.02633.35＜0.0001X10.0000110.000010.0160.9031X20.02210.02228.090.0011X30.0006110.000610.780.4064X1X20.000410.00040.510.4984X1X30.001210.00121.560.2517X2X30.01010.01012.740.0091X120.000710.00070.940.3642X220.06110.06178.21＜0.0001X320.1310.13161.00＜0.0001残差0.005570.00079失拟性0.002630.000861.180.4235纯误差0.002940.00073可以看出:模型F=33.35,概率（PF）值P0.0001,表明模型高度显著,失拟项P=0.42350.05,说明模型失拟度不显著;模型的调整确定系数R2Adj=0.9479,说明该模型能解释94.79%响应值的变化,因而拟合程度良好,实验误差小,可以用此模型对醋酸酯淀粉的制备进行分析和预测。对模型进行回归方程系数显著性检验:一次项x2(P0.05)显著;交互项x2x3(P=0.0091)、二次项x22(P0.0001)、x32(P0.0001)极显著,表明浓硫酸用量以及浓硫酸用量与醋酸酐与冰醋酸体积比的交互作用对取代度有显著影响。2.3响应面分析及条件优化2.3.1反应温度与浓硫酸用量的影响及交互作用分析在醋酸酐与醋酸体积比条件下(x3=0),反应温度与浓硫酸用量及两者的交互作用对醋酸酯淀粉取代度影响的响应面及对应等高线见图1。从图1可以看出,反应温度和浓硫酸用量对醋酸酯淀粉取代度的交互作用不显著(P=0.4984)。醋酸酯淀粉取代度变化主要受浓硫酸用量的影响,随着浓硫酸用量的增加取代度逐步增加,在浓硫酸用量达到0.19mL,取代度达到最大值图1Y=f(x1,x2,0)的响应面和等高线图(x3=醋酸酐与醋酸体积比)2.3.2反应温度与醋酸酐与醋酸体积比的影响及交互作用分析在固定浓硫酸用量为0.20mL条件下(x2=0),反应温度与醋酸酐与醋酸体积比的影响及两者交互作用对取代度油得率影响的响应面及对应等高线见图2。从图2可以看出,萃取时间和压力对得率的交互作用不显著(P=0.2517)。取代度主要受醋酸酐与醋酸体积比的影响,取代度随着醋酸酐与醋酸体积比的增加而迅速增加,在醋酸酐与醋酸体积比达到0.32时,取代度达到最大值。图2Y=f(x1,x3,0)的响应面和等高线图(x2=浓硫酸用量)2.3.3浓硫酸用量与醋酸酐与醋酸体积比的影响及交互作用分析在固定反应温度为70℃条件下(x1=0),浓硫酸用量与醋酸酐与醋酸体积比及两者的交互作用对取代度影响的响应面及对应等高线见图3。从图3可以看出,萃取时间和萃取温度对得率的交互作用显著(P=0.0091),取代度受浓硫酸用量与醋酸酐与醋酸体积比的共同影响。取代度随着浓硫酸用量和醋酸酐与醋酸体积比的增加而增加,浓硫酸用量0.19mL醋酸酐与醋酸体积比为0.32时，取代度达到极值，为1.69。从图中及软件分析可知，回归方程存在稳定点，稳定点是极大值点，经软件分析，得到取代度最高时的反应条件：反应温度为70.24℃，浓硫酸用量0.19mL，醋酸酐与醋酸体积比0.32，取代度为1.69103图3Y=f(x2,x3,0)的响应面和等高线图(x1=反应温度)2.4模型验证在上述确定的优化条件下，同时考虑实际操作的可行性，将X1定为70℃，X2定为0.19mL，X3定为0.32，做三次重复实验，验证的取代度为1.70，与模型预测的值较为接近，说明该模型较为可靠。3结论在单因素实验基础上,通过DesignExpert软件,采用Box-Behnken实验设计法对高取代度醋酸酯黄姜淀粉的制备工艺进行设计并优化。研究结果表明,反应温度70℃、反应时间2.5h，醋酸酐与醋酸体积比0.32条件下，黄姜醋酸酯淀粉取代度为1.704参考文献[1]周琼,张涛,张丽琼,等.黄姜淀粉理化性质的研究[J].食品科学，2008（12）[2]朱军峰,光华,李俊国.高取代度玉米醋酸酯淀粉的制备与表征[J].应用化学.2006(9):1010-1012[3]迟惠,邙志国,薛冬桦等.高取代度玉米淀粉醋酸酯的合成与表征精细化工.[J].2007(2):179-181[4]戴小敏,左秀锦,刘袖洞,等.醋酸酯淀粉高取代度的测定[J].应用化学.2003(7):687-689[5]邹建国,徐小龙,刘燕燕,等.响应面法优化超声辅助提取马钱子中生物碱的工艺研究[J].食品科学，2009（16）:111-114[6]RangoneseR,MackaM,HughesJ,PetoczP.,etal.TheUseofBox-BeHnkenExpermentalDesignintheOptimisationandRobustnessTestingofaCapillaryElectrophoresisMethodfortheAnalysisofEthambutolHydrochlorideinaPharmaceuticalFormulation[J].Journalofpharmaceuticalandbiomedicalanalysis,2006,27(6):995-1007PreparationofDioscoreaeZingiberensisstarchacetateswithhighdegreesofsubstitutionbyresponsesurfacemethodologyAbstract:responsesurfacemethodologywasemployedtooptimizetheprocessvariablesofthemajorfactors.TheoptimalreactionconditionsforthesynthesisofDioscore