不同干燥工藝對非晶顆粒態玉米淀粉顆粒形貌的影響

陳福泉, 張本山＊, 王斌

(1.華南理工大學輕工與食品學院,廣東廣州 510640;2.肇慶技師學院研發中心,廣東肇慶 526040)

不同干燥工藝對非晶顆粒態玉米淀粉顆粒形貌的影響

陳福泉1, 張本山＊1, 王斌2

(1.華南理工大學輕工與食品學院,廣東廣州 510640;2.肇慶技師學院研發中心,廣東肇慶 526040)

非晶顆粒態淀粉是一種特殊的淀粉物態形式,具有顆粒性,但不具有結晶性,其具有較高的酶降解性、反應活性和吸附性能等。為了使非晶顆粒態淀粉工業化生產,對非晶淀粉顆粒進行了乙醇洗滌+常壓烘箱干燥、真空烘箱干燥、常壓烘箱干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥等不同干燥工藝。結果表明,不同的干燥工藝對非晶淀粉顆粒產生了不同的顆粒形貌。對其形貌的產生機理進行了科學的分析。

非晶顆粒態淀粉;顆粒;形貌;干燥

淀粉是一種天然多晶聚合物,隨著對淀粉結晶結構研究深入,人們發現淀粉顆粒在某些條件下淀粉結構有序性被破壞,具有非晶化現象。非晶化淀粉顆粒稱為非晶顆粒態淀粉,是一種變性淀粉,其顆粒結構發生較大變化,使其易與其他試劑作用,提高了淀粉的化學、物理和生物反應活性。因此可以作為原玉米淀粉的代替品,制備各種變性淀粉[1～3]。

目前相當多的變性淀粉是濕法制備的,因此,干燥在變性淀粉生產過程中占有重要地位。干燥過程對淀粉產品品質、結構性質都具有很大的影響,有時甚至起到決定性的作用[4]。針對非晶顆粒態淀粉在傳統熱風干燥過程中出現的糊化、結塊和成膜的現象,作者研究了乙醇洗滌+常壓烘箱干燥、真空烘箱干燥、常壓烘箱干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥等不同的干燥技術對非晶顆粒態淀粉顆粒形貌,產品品質的影響。

1 實驗材料

玉米淀粉:工業一級品,長春黃龍食品工業有限公司產品;乙醇(體積分數95%):化學純,成都市聯合化工試劑研究所產品;電腦恒溫水浴鍋:北京市永興明醫療器械廠產品;101型電熱鼓風干燥箱:北京市永興明醫療器械廠產品;ZK-82A型真空干燥箱:上海市實驗儀器總廠產品;Alpha 1-2真空冷凍干燥機:德國Martin Christ公司產品;B-290微型噴霧干燥機:瑞士BUCHI公司產品;Leo-1530VP型掃描電子顯微鏡:德國LEO公司產品; QA-70302離心機:上海手術器械廠產品。

2 實驗方法

2.1 非晶顆粒態玉米淀粉的制備

在體積分數50%乙醇中,加入玉米淀粉配成0.25 g/mL淀粉乳,調勻后加入到帶攪拌器和冷凝收集裝置的密閉反應器內,并將反應器放置在恒溫水浴鍋中,常壓下加熱到85℃保溫一段時間制得樣品[5]。

2.2 非晶顆粒態淀粉的干燥

上述樣品分別采用以下5種干燥方法進行:1)乙醇洗滌+常壓烘箱干燥:用體積分數95%乙醇洗滌樣品,真空抽濾后,在常壓下烘箱干燥,溫度為75℃;2)真空烘箱干燥:真空抽濾后,在真空烘箱中干燥,溫度為55℃,真空度為0.1 MPa;3)常壓烘箱干燥:真空抽濾后,直接在常壓下烘箱干燥,干燥溫度75℃;4)真空冷凍干燥:真空抽濾后,在真空冷凍干燥機中干燥,凍結溫度為-50℃,凍干室真空度為30 Pa;5)噴霧干燥:真空抽濾后,用蒸餾水反復洗滌樣品,將洗滌后的樣品調成均勻的淀粉乳,進行噴霧干燥,進風溫度為175～180℃,出風溫度為83～86℃,流量為8.2 mL/min。

2.3 掃描電鏡測試

將待測淀粉樣品置于105℃烘箱中干燥4～5 h,在紅外燈下用雙面膠將樣品固定在樣品臺上,然后噴金并將處理后的樣品保存于干燥器中。測試時將樣品置于掃描電子顯微鏡中并觀察、拍攝具有代表性的淀粉顆粒形貌[5]。

3 結果與討論

3.1 不同干燥方法對產品品質的影響

圖1是非晶顆粒態淀粉分別經過乙醇洗滌+常壓烘箱干燥、真空烘箱干燥、常壓烘箱干燥、真空冷凍干燥、噴霧干燥后的樣品經過粉碎處理后的照片。從圖1(b)、圖1(e)、圖1(f)中可以看出,經過乙醇洗滌+常壓烘箱干燥,真空冷凍干燥和噴霧干燥后的樣品呈現和原淀粉(如圖1(a))類似的干粉狀;從圖1(c)和圖1(d)中可以看出,經過真空烘箱干燥和常壓烘箱干燥后的樣品呈較大的半透明顆粒狀。非晶顆粒態淀粉在真空烘箱干燥和常壓烘箱干燥過程中出現糊化、結塊和成膜現象,粉碎后得到的產品不呈粉末狀。

3.2 顆粒形貌分析

圖2是非晶顆粒態玉米淀粉經過不同干燥方法后的掃描電鏡圖。與原玉米淀粉(圖2(a))相比,均有不同程度的差異。從圖中表明,非晶顆粒態玉米淀粉經乙醇洗滌+常壓烘箱干燥后,顆粒表面呈褶皺結構,一端形成了一個大而深的爆裂孔,整個顆粒呈蟠桃狀形態;樣品經真空烘箱干燥或常壓烘箱干燥之后,均呈不規則形狀,表面粗糙,顆粒較其它3種干燥產品大;樣品經真空冷凍干燥之后,其顆粒表面粗糙,多數顆粒已破碎成片狀;噴霧干燥產品的顆粒形貌與其他干燥產品有很大的區別,整個顆粒呈完全塌陷狀態。

3.3 不同干燥方法的干燥機理

乙醇洗滌+常壓烘箱干燥:原玉米淀粉在非晶化處理過程中,高溫及顆粒膨脹作用導致了非晶顆粒態玉米淀粉表面形成褶皺結構和爆裂孔結構;經過非晶化處理后,整個顆粒吸水膨脹,表面拉伸嚴重。乙醇具有脫水和收縮淀粉顆粒作用,顆粒中的水分被置換出來,顆粒收縮,分子鏈間距縮小,整個顆粒骨架趨于穩定,在后期干燥過程中不易受熱變形。

真空烘箱干燥或常壓烘箱干燥:兩種干燥方法的機理相似,都是由顆粒表層至內部干燥,只是真空烘箱干燥是在真空環境下進行的,脫水速率較快[6]。淀粉經非晶化處理后,直接在常壓及真空條件下烘箱鼓風干燥,非晶化處理出現的網絡孔隙和孔洞受熱熔融,顆粒表層糊化成膜,水分蒸發受阻,水蒸氣只能撐破顆粒表面膜蒸發出去,使得顆粒表面成塊脫落,造成顆粒表面粗糙。

圖1 不同干燥方法處理的非晶顆粒態玉米淀粉和原玉米淀粉的照片Fig.1 Non-crystal starch with different drying technology and natural starch

圖2 不同干燥方法對非晶顆粒態玉米淀粉顆粒形貌的影響Fig.2 The influence of morphology of non-crystal starch with different drying technology

真空冷凍干燥:樣品經完全凍結后,在一定的真空條件下使冰晶升華,從而在保持原有顆粒形狀的同時達到脫水的目的[7]。非晶顆粒態玉米淀粉在非晶化處理之后,內部含有大量自由水,部分水分子與非晶淀粉分子形成氫鍵,因而在冰晶形成過程中,冰晶延伸到非晶淀粉顆粒內部。非晶淀粉是由無定形結構組成,不存在結晶結構[4],顆粒較為脆弱。當水從液態轉化為固體時,水體積增大,非晶淀粉隨之被破碎,形成片狀。

噴霧干燥:樣品利用霧化器分散為細小的霧滴,并在熱干燥介質中迅速蒸發溶劑形成干粉產品的過程[8]。淀粉乳噴霧形成霧滴后,其比表面積瞬間增大若干倍,與熱空氣的接觸面積增大,霧滴內部水分向外遷移的路徑大大縮短,提高了傳熱傳質速率,脫水迅速且徹底,顆粒并未來得及收縮,干燥后期由于沒有內部結晶結構的支撐,整個顆粒發生塌陷。

4 結 語

通過用不同的方法對非晶顆粒態玉米淀粉進行干燥,結果表明,干燥方法對非晶顆粒態玉米淀粉顆粒結構的破損程度、顆粒間的堆積狀況、顆粒形貌都有重要的影響。非晶顆粒態玉米淀粉經乙醇洗滌、常壓烘箱干燥、冷凍干燥和噴霧干燥后呈干粉狀態;樣品經真空烘箱干燥和常壓烘箱干燥之后,出現結塊和成膜現象;在上述的干燥方法中,噴霧干燥是最合適的方法,因為噴霧干燥法干燥的產品呈與原淀粉相同的干粉狀,產品質量較高,成本較低,生產控制方便。

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[8]郭宜估,王喜忠.噴霧干燥[M].北京:化學工業出版社,1983.

(責任編輯:朱明)

Effects of Different Drying Technology on Morphology of Non-Crystal Granular Corn Starch

CHEN Fu-quan1, ZHANGBen-shan＊1, WANG Bin2
(1.College of Light Industry and Food Science,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;
2.R&D Center,Zhaoqing Technical College,Guangzhou 526040,China)

As is a special starch modality,possessing granule quality but not crystalline,Noncrystal granular corn starch has preferable enzymatic degradation,reactivity and adsorption property.Bake-drying with washing with ethanol,vacuum bake-drying,atmospheric bakedrying,vacuum freeze-drying and spray-drying were applied to dry non-crystal granular corn starch for scale-up production.It showed that different drying technology affected morphology of non-crystal starch,which was analyzed scientifically.

non-crystal granular starch,granule,morphology,drying

TS 236.9

:A

1673-1689(2010)03-0350-04

2009-05-25

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAD27B04);廣東省科技計劃項目(2007B080401010)。

＊通訊作者:張本山(1964-),男,黑龍江尚志人,工學博士,副教授,主要從事淀粉材料及污水處理方面的研究。Email:zbs968@vip.sina.com