微細化對馬鈴薯淀粉熱特性的影響

李曉文熊興耀

(長沙理工大學化學與生物工程學院1,長沙 410004)

(作物種質創新與資源利用國家重點實驗室培育基地 湖南農業大學園藝園林學院2,長沙 410128)

微細化對馬鈴薯淀粉熱特性的影響

李曉文1熊興耀2

(長沙理工大學化學與生物工程學院1,長沙 410004)

(作物種質創新與資源利用國家重點實驗室培育基地 湖南農業大學園藝園林學院2,長沙 410128)

為了探討粒徑效應對馬鈴薯淀粉糊熱學性能的影響,利用NDJ-79型旋轉式黏度計對馬鈴薯淀粉糊進行了黏度測定,利用DSC-7型差示掃描量熱儀對其進行了熱學性能分析,并研究了其淀粉分子的結晶結構,討論了細化馬鈴薯淀粉顆粒對淀粉糊熱學性能的影響。分析結果表明:機械研磨作用能夠明顯地破壞淀粉分子的結晶結構,導致其結晶度降低,而無序化程度增加。馬鈴薯淀粉的糊化溫度也隨粉磨時間的延長而降低,糊化相變吸熱峰逐漸消失。

顆粒粒徑 馬鈴薯淀粉 熱學性能

馬鈴薯淀粉是植物淀粉中分子質量最大、黏度最高的淀粉,是制造各種變性淀粉的優質原料,同時也廣泛的應用于食品、紡織、造紙、石油鉆探等工業行業[1]。淀粉是以顆粒形式存在的,經細微化粉碎,機械力化學效應使淀粉從多晶結構向非晶結構轉化,同時影響了淀粉一系列理化性質的變化[2-3]。研究淀粉糊的理化性質意義重大,以便適應各種用途的使用要求。有報道采用流變儀研究了馬鈴薯淀粉及不同微細化程度產物在不同濃度、溫度條件下的流變特性[4-6]。但是,未見關于微細化馬鈴薯淀粉顆粒粒徑對淀粉糊熱學性能影響的報道。本試驗研究了利用 X射線衍射儀和掃描電鏡測試不同粒徑淀粉的結晶情況,分析了不同粒徑淀粉的相態結構,利用 DSC-7型差示掃描量熱儀對其進行了熱學性能分析,并研究了微細化淀粉結晶度的變化以及淀粉粒徑對熱淀粉熱學性能的影響,為進一步提高馬鈴薯淀粉的品質提供了依據。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

馬鈴薯淀粉:青島正天食品有限公司;細微化馬鈴薯淀粉:自制。

1.2 儀器及設備

WNX320高頻振動式球磨機:武漢市農翔生物技術公司;D/max-RA型 X-射線衍射儀:日本理學公司;DSC-7型差示掃描量熱儀:Perk in Elm er公司;激光粒度分析儀:日本 SHMADZU公司;NDJ-79型旋轉黏度計:同濟大學機電廠;501-超級恒溫器:上海第三醫療儀器廠產。KH3000型多功能視頻顯微鏡:美國科視達公司。

1.3 試驗方法

準確稱取馬鈴薯淀粉,以乙醇為介質,通過球磨方法調節不同的球磨時間,制備出粒度大小分布不同的微細化馬鈴薯淀粉。用分析儀測得粒徑分布,用顯微鏡觀察其形貌,并應用 X-射線衍射儀測試不同粒徑細微化淀粉的結晶情況。

應用差示掃描量熱儀測定不同粒徑馬鈴薯淀粉糊的熱特性。

2 結果與討論

2.1 球磨時間對馬鈴薯淀粉顆粒的影響

選擇球磨時間范圍為 0～80 h中的 6個馬鈴薯淀粉樣品進行顆粒粒徑分布分析。表 1為不同球磨時間的馬鈴薯淀粉顆粒的粒徑分布。從表 1中的數據可以看出,馬鈴薯原淀粉顆粒粒徑基本分布在20～90μm之間,10μm以下的顆粒幾乎不存在。隨著球磨時間的延長,淀粉中的大粒徑顆粒減少,小粒徑顆粒急劇增加。當粉磨至 20 h時大部分淀粉顆粒的粒徑分布在 10～30μm,并有 15.5%的顆粒被粉碎到 10μm以下。從 20 h繼續粉磨至 60 h,83.3%的顆粒粒徑分布在 30μm以下,10μm以下的顆粒占 31.3%。從 60 h到 80 h的粉磨時間范圍內,淀粉顆粒的粒徑分布變化緩慢,還出現了大粒徑顆粒含量略有升高的逆向變化現象。

表1 粉磨時間與馬鈴薯淀粉顆粒粒徑分布/%

這是在微細粉碎初期,馬鈴薯淀粉顆粒在球磨介質的滾動、碰撞和下落等運動的作用下,受到了研磨和沖擊,內能不斷增加,在顆粒的缺陷處、裂紋處、結晶區域處等產生應力動態集中,當在機械力不斷作用下,淀粉顆粒塑性形變超過極限時,顆粒首先由這些脆弱面破碎,故顆粒粒徑分布發生急劇變化。隨著淀粉顆粒粒徑逐漸變小,新表面在機械力作用下處于激活狀態,顆粒表面的范德華力和靜電引力增大,高表面能的微細顆粒很容易產生相互團聚,即形成二次顆粒,使顆粒的粒徑增大,越細的顆粒團聚趨勢越大[6]。因此,當馬鈴薯淀粉球磨至80 h時,出現了大粒徑顆粒含量升高的逆向變化現象。

2.2 微細化淀粉的微觀形貌

圖 1和圖 2分別為球磨 60 h和 80 h淀粉的顯微鏡照片,可以看出:球磨 60 h的淀粉比球磨 80 h的淀粉分散性好,顆粒間的團聚作用小。當淀粉顆粒細化到一定程度時,由于表面能的增加,顆粒間相互吸引力隨之增大,造成顆粒間的重新聚集成團。這是在細微粉碎初期,馬鈴薯淀粉顆粒在球磨介質的滾動、碰撞和下落等運動的作用下,受到了研磨和沖擊,內能不斷增加,在顆粒的缺陷處、裂紋處、結晶區域處等產生應力動態集中,當在機械力不斷作用下,淀粉顆粒塑性形變超過極限時,顆粒首先由這些脆弱面破碎,故顆粒粒徑分布發生急劇變化。隨著淀粉顆粒粒徑逐漸變小,新表面在機械力作用下處于激活狀態,顆粒表面的范德華力和靜電引力增大,高表面能的微細顆粒很容易產生相互團聚,即形成二次顆粒,使顆粒的粒徑增大,越細的顆粒團聚趨勢越大[6],這種微粒間的再團聚直接影響著微細化淀粉糊的黏度和熱特性。

2.3 微細化淀粉的 X-射線衍射分析

淀粉是分子結構存在一定結晶度具有一定剛度的高分子,機械研磨作用使天然淀粉顆粒破碎,產生晶格缺陷及結晶度降低,如果達到粉碎極限,淀粉應呈現完全非晶態,結晶度為零,但實際操作中是不可能達到這種理想狀態的。應用 X-射線衍射儀對原淀粉及球磨 60 h的淀粉和球磨 80 h的淀粉淀粉結晶特征進行分析,見圖 3。

圖3 原淀粉與微細化淀粉的X-射線衍射圖

圖 3中,原淀粉 X-射線衍射峰呈現典型“A”峰,峰形尖銳,說明天然淀粉具有較高的結晶度。而微細化淀粉的 X-射線衍射圖呈現無定形狀態,表明其結晶結構受到了破壞,強烈的機械作用導致淀粉的層狀結構的層間質點結合力減弱,致使結晶度降低,形成非晶態層,使其無定形區增加,結構趨于無序化,致使淀粉的表觀黏度降低,熱穩定性上升,有利于淀粉的塑化。

2.4 顆粒粒徑對馬鈴薯淀粉糊熱行為影響

應用差示掃描量熱儀(DSC)測定了不同粒徑淀粉制備的馬鈴薯淀粉糊的熱特性,結果見圖 4。

圖4 不同球磨時間馬鈴薯淀粉的DSC曲線

圖 4是不同球磨時間(對應不同粒徑)的馬鈴薯淀粉的的差熱分析曲線,其中曲線 1為原馬鈴薯淀粉的差熱分析曲線,曲線 2、3、4分別為球磨時間是10 h、60 h、80 h的馬鈴薯淀粉差熱分析曲線。從圖 4可以看到,馬鈴薯淀粉在 30～140℃存在兩個吸熱峰,其中處于低溫的吸熱峰為馬鈴薯淀粉的糊化相變吸熱效應峰,峰的特征溫度 Tp(峰值溫度)61.5℃,而馬鈴薯淀粉的糊化溫度是 56～66℃,說明該吸熱峰是馬鈴薯淀粉因加熱糊化發生了從多晶態到非晶態和從顆粒態到糊化態的雙重物態轉化而引起的。另一個較高溫度的吸熱峰是由水分揮發引起的。圖 4表明,隨著磨粉時間的延長,馬鈴薯淀粉的非晶化吸熱峰強度逐漸減弱,特征溫度不斷降低,而水分的相變吸熱峰卻大大增強。這是因為,在磨粉過程中機械力的不斷作用使馬鈴薯淀粉的晶粒度逐漸減小,晶粒的內應力加大,且在晶粒體的表面產生無定形層、缺陷、裂紋和活性點等,使粉體更具有活性,易于吸熱和傳熱。同時,晶粒內能增加使晶粒內部格點振動加強,產生的振動應力波也會促進晶粒的吸熱和傳熱,使馬鈴薯淀粉的晶格鍵力更易斷裂,使其糊化溫度降低。當粉磨時間達到 80 h時,淀粉糊化相變吸熱峰消失,只剩下水分相變峰,表明此時馬鈴薯淀粉顆粒已完全是非晶化。另外球磨還可以使淀粉結構也變得松散和部分長鏈發生斷裂,水分子更易浸入和結合,故其水相變吸熱峰值大于馬鈴薯原淀粉[7]。

3 結論

3.1 隨著球磨時間的延長,淀粉中的大粒徑顆粒減少,小粒徑顆粒增加。當粉磨至 20 h時淀粉顆粒的粒度發生很大變化,大部分顆粒的粒徑分布在 10～30μm,并有15.5%的顆粒被粉碎到10μm以下。當球磨至 80 h時,出現大粒徑顆粒含量有所升高的逆向變化現象。

3.2 機械力對馬鈴薯淀粉理化性質有影響,因天然淀粉是具有一定剛度的高分子,分子結構存在一定的結晶度,強烈的機械研磨作用使天然淀粉顆粒破碎,產生晶格缺陷及結晶度降低,形成非晶態層,結構趨于無序化。

3.3 隨著晶粒度減小,比表面積增大,顆粒表面產生很多缺陷和活性點,例如裂紋、錯位、電性偶極等,使空氣中的氧分子吸附在晶粒表面,從而使晶粒的整體聚合性相對加大,導致糊化溫度降低,影響淀粉的熱特性。

[1]張力田.變性淀粉[M].廣州:華南理工大學出版社,1992

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Influence ofMicronization on Ther mal Characteristics of Potato Starch

Li Xiaowen1Xiong Xingyao2

(College of Chemistry&Biology Eng.Changsha University of Science&Technology1,Changsha 410004)
(The Pre-State Key Laboratory of Gerplasm Innovation and ResourcesUtilization of CropsHorticulture and Landscpe College,Hunan AgriculturalUniversity2,Changsha 410128)

To inquire into the influence ofmicronization on ther modynamic property of potato starch,the viscosi2 ty of potato starch paste wasmeasured with NDJ-79 viscositymeter,the ther modynamic characteristicswere analyzed usingDSC-7,and the crystal structure of potato starch moleculeswas studied.Results:Mechanical grindingmarkedly destroys the molecule structure of potato starch,bringson decline of crystallization degree and rise of disorder.The ge2 latinization temperature of potato starch decreaseswith extension of grinding ti me and the phase transition peak in ge2 latinization process disappears gradually.

particle size,potato starch,thermodynamic property

TS235 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)03-0034-04

國家科技支撐計劃(2007BAQ00042)

2009-03-30

李曉文,女,l968年出生,教授,食品加工與保藏、食品物性學