干熱變性蓮子淀粉制備工藝對(duì)其成膜特性影響的研究

張 帆 林鴛緣 鄭寶東

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州 350002)

干熱變性蓮子淀粉制備工藝對(duì)其成膜特性影響的研究

張 帆 林鴛緣 鄭寶東

(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福州 350002)

通過(guò)將蓮子淀粉與海藻酸鈉混合均勻后干熱反應(yīng)制得干熱變性蓮子淀粉，并以其為主要原料制備可食膜，研究不同離子膠用量、反應(yīng)pH、干熱處理的溫度和時(shí)間對(duì)干熱變性蓮子淀粉成膜特性的影響，確定干熱變性蓮子淀粉的制備工藝。結(jié)果顯示:添加海藻酸鈉對(duì)蓮子淀粉進(jìn)行干熱變性處理能改善蓮子淀粉的成膜特性，pH和干熱溫度對(duì)干熱變性蓮子淀粉的成膜性影響最顯著。經(jīng)正交試驗(yàn)優(yōu)化，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%、pH 7、130℃條件下干熱反應(yīng)3 h時(shí)制備的干熱變性蓮子淀粉成膜特性最優(yōu)，為海藻酸鈉與蓮子淀粉干熱反應(yīng)的最佳工藝參數(shù)。

干熱變性 蓮子淀粉 制備工藝 成膜特性

大多數(shù)的天然淀粉由于具有口感差、糊凝膠不穩(wěn)定、易老化，溶解性、分解性及糊的透明度差等局限性［1］，使其應(yīng)用受到了限制，因此人們通常在淀粉固有特性的基礎(chǔ)上，利用物理、化學(xué)或酶法處理，增加其某些功能性或引進(jìn)新的特性，改善淀粉性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，使其更適合于一定應(yīng)用的要求［2］。

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)及對(duì)食品品質(zhì)要求的提高，采用新型可食性膜包裝取代塑料包裝，成為食品包裝發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)［3］。淀粉膜是可食性膜研究開(kāi)發(fā)最早的類型，有關(guān)可食性淀粉膜的研究，目前國(guó)內(nèi)外研究較多主要是木薯淀粉和玉米淀粉。蓮子是我國(guó)特有種質(zhì)資源，屬于高淀粉質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品［4］，相關(guān)研究表明，高直鏈淀粉更易于成膜，機(jī)械性能較好。蓮子淀粉是高直鏈淀粉含量的特異性淀粉，含量達(dá)40%以上，因此對(duì)于蓮子淀粉的開(kāi)發(fā)研究具有潛在的價(jià)值［5］。然而天然淀粉形成的可食用膜其機(jī)械特性較差［6－7］，因此人們通常通過(guò)在淀粉中添加少量的水溶性多糖，或?qū)Φ矸圻M(jìn)行改性的方法來(lái)改善淀粉膜的物理性能和機(jī)械特性［8－10］。

干熱法是在含少量水或少量有機(jī)溶劑的情況下對(duì)單一(或加入其他組分)淀粉進(jìn)行熱處理使淀粉變性的方法。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，離子膠可以改善淀粉的物理性質(zhì)和食用品質(zhì)［11－13］，在少量離子膠存在的條件下，干熱處理淀粉可以改變淀粉的物理化學(xué)特性。作為一種物理改性淀粉的新方法，此過(guò)程生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、安全、無(wú)污染且不產(chǎn)生有毒產(chǎn)物［14］，是一種很有發(fā)展前途的生產(chǎn)方法，因此可以利用干熱處理對(duì)蓮子淀粉進(jìn)行改性以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

本試驗(yàn)以經(jīng)海藻酸鈉干熱變性的蓮子淀粉為研究對(duì)象，通過(guò)改變海藻酸鈉的用量、反應(yīng)pH、干熱處理的溫度和時(shí)間研究干熱變性蓮子淀粉制備工藝對(duì)其成膜特性的影響，確定干熱變性蓮子淀粉的制備工藝參數(shù)，進(jìn)而為工業(yè)化干熱變性淀粉的生產(chǎn)及其在可食膜方面的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蓮子淀粉:實(shí)驗(yàn)室自制(蓮子產(chǎn)自福建省建寧縣);甘油、氯化鈣、海藻酸鈉，均為分析純。

DHG－9053A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海精宏實(shí)驗(yàn)有限公司設(shè)備有限公司;SPX－150C恒溫恒濕箱:上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;EZ－TEST質(zhì)構(gòu)分析儀:日本島津公司;PB－10標(biāo)準(zhǔn)型pH計(jì):賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;HH－6數(shù)顯恒溫水浴鍋:國(guó)華電器有限公司;Z123電子數(shù)顯外徑千分尺:上海量具刃具廠。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 干熱變性蓮子淀粉的制備

將0.2 g海藻酸鈉溶解在40 mL蒸餾水中，加入19.8 g蓮子淀粉，攪拌30 min使混合均勻，調(diào)節(jié)溶液至pH 7，置于45℃烘箱干燥至水分含量降到10%以下，研磨粉碎過(guò)篩，130℃下干熱反應(yīng)2 h。改變離子膠的濃度、pH、干熱處理的溫度和時(shí)間制備干熱變性蓮子淀粉。

1.2.2 變性淀粉膜的制作工藝流程

干熱變性蓮子淀粉→蒸餾水溶解定容至100 mL→淀粉乳→加入甘油1.5 mL→沸水浴糊化30 min→50℃靜置消泡10 min→涂膜→鼓風(fēng)干燥→成膜→揭膜→相對(duì)濕度為58%條件下平衡72 h→指標(biāo)測(cè)定

1.2.3 膜厚度的測(cè)定

使用千分尺(精密度為0.001 mm)在可食膜上隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn)，取其平均值。

1.2.4 抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定

抗拉強(qiáng)度反映膜的強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率反映膜的塑性。將待測(cè)膜裁成大小為15 mm×120 mm的長(zhǎng)條，采用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定膜的抗拉強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率，平行測(cè)定3次。質(zhì)構(gòu)儀的行走速度設(shè)定為50 mm/min。

U=F/(b×d)

式中:U為抗拉強(qiáng)度/MPa;F為最大負(fù)荷/N;b為試樣寬度/mm;d為試樣厚度/mm。

E=L/L0×100%

式中:E為斷裂伸長(zhǎng)率/%;L0為試樣原始標(biāo)線間長(zhǎng)度/mm;L為試樣斷裂時(shí)被拉伸的長(zhǎng)度/mm。

1.2.5 水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定

采用GB/T 1037—1988，杯式法，將粒度均勻的CaCl2在200℃的烘箱中干燥2 h，待冷卻后加入到事先在102℃干燥箱中干燥1 h的稱量瓶中。選擇均勻、無(wú)孔洞、無(wú)皺褶的膜，測(cè)量其厚度后，用膜封住稱量瓶口，用膠布及紙膠布雙層密封，稱重后放入恒溫恒濕箱中(保持相對(duì)濕度58%、溫度25℃)，測(cè)定稱量瓶在一定時(shí)間內(nèi)的增重，由此計(jì)算出水蒸氣透過(guò)系數(shù)(WVP)的值。

WVP=Δm×d/(A×t×Δp)

式中:WVP為水蒸氣透過(guò)系數(shù)/g·cm/(cm2·s·Pa);Δm為t時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量增量/g;A為試樣透水蒸氣的面積/m2;t為質(zhì)量增量穩(wěn)定穩(wěn)定后的時(shí)間間隔/h;d為膜的厚度/cm;Δp為試樣兩側(cè)的水蒸汽壓差/Pa。

2 結(jié)果與分析

2.1 離子膠用量對(duì)變性淀粉特性的影響

按表1中比例制備海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%的干熱變性蓮子淀粉，方法同 1.2.1。結(jié)果見(jiàn)圖 1、圖 2。

表1 不同離子膠濃度干熱變性蓮子淀粉配方

從圖1、圖2可以看出，隨著海藻酸鈉濃度的增加，干熱變性蓮子淀粉膜的抗拉強(qiáng)度先上升后下降，斷裂伸長(zhǎng)率不斷上升，水蒸氣透過(guò)系數(shù)先下降后上升。由于海藻酸鈉和淀粉分子之間強(qiáng)烈的氫鍵締合作用，加入海藻酸鈉之后形成了致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了膜的抗拉強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率也隨之增加，膜的阻水性也增強(qiáng)。當(dāng)海藻酸鈉的濃度繼續(xù)增加，淀粉含量減少，膜的致密性下降，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變薄弱，水分子更容易透過(guò)，斷裂伸長(zhǎng)率也逐漸升高，使膜的抗拉強(qiáng)度下降，吸水性增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)離子膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%左右時(shí)，膜的性能較優(yōu)。

2.2 pH對(duì)變性淀粉特性的影響

將溶液的 pH 分別調(diào)節(jié)為 5、7、9、11、13，其余方法同 1.2.1。結(jié)果見(jiàn)圖 3、圖 4。

由圖3、圖4可知，隨著pH的增加，干熱變性蓮子淀粉膜的抗拉強(qiáng)度先上升后下降，斷裂伸長(zhǎng)率先下降后上升之后又逐漸下降，WVP先下降后上升。由此可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)膒H有利于海藻酸鈉與淀粉分子間形成更多氫鍵，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，酸性或堿性的環(huán)境可能會(huì)造成離子膠與蓮子淀粉間分子鏈的斷裂或降解，影響干熱變性蓮子淀粉膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定，從而降低膜的性能。pH越高，干熱變性蓮子淀粉褐變?cè)矫黠@，制備的可食膜也會(huì)越來(lái)越黃，膜透明度變差。綜合考慮各指標(biāo)，當(dāng)pH為7時(shí)，干熱變性蓮子淀粉膜性能較佳。

2.3 干熱溫度對(duì)變性淀粉特性的影響

將干熱溫度分別改為120、130、140、150、160 ℃，其余方法同1.2.1。結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 干熱溫度對(duì)干熱變性蓮子淀粉膜拉伸性能的影響

圖6 干熱溫度對(duì)干熱變性蓮子淀粉膜水蒸氣透過(guò)率的影響

由圖5、圖6可知，隨著干熱溫度升高，干熱變性蓮子淀粉膜的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率總體呈下降趨勢(shì)，WVP先下降后上升。可能是因?yàn)檫^(guò)高的干熱溫度，使淀粉的顆粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，無(wú)法形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且干燥溫度越高，干熱變性蓮子淀粉褐變?cè)矫黠@。綜合考慮，干熱溫度在130℃左右，干熱變性蓮子淀粉膜性能較佳。

2.4 干熱時(shí)間對(duì)變性淀粉特性的影響

將干熱反應(yīng)的時(shí)間分別改為 0、1、2、3、4 h，其余方法同 1.2.1。結(jié)果見(jiàn)圖 7、圖 8。

由圖7、圖8可知，隨著干熱時(shí)間的增長(zhǎng)，干熱變性蓮子淀粉膜的抗拉強(qiáng)度先上升后下降的趨勢(shì)，斷裂伸長(zhǎng)率呈先下降后上升的趨勢(shì)，WVP先下降后上升。當(dāng)干熱時(shí)間為2 h時(shí)，膜的拉伸性能較優(yōu)，阻水性最強(qiáng)。

2.5 干熱變性蓮子淀粉制備最佳工藝參數(shù)的確定

根據(jù)上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，以抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和水蒸氣透過(guò)系數(shù)為指標(biāo)，選用L16(45)正交設(shè)計(jì)表對(duì)離子膠用量，pH，干熱溫度和干熱時(shí)間這4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出干熱變性蓮子淀粉制備的最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)考察的因素與水平表(不考慮因素間的交互作用)以及正交試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素和水平的選取

表3 L16(45)正交設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

2.5.1 試驗(yàn)各因素對(duì)膜抗拉強(qiáng)度的影響

抗拉強(qiáng)度反映膜的強(qiáng)度，因此值越高越好。表4的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:離子膠用量，pH，干熱溫度和時(shí)間對(duì)干熱變性蓮子淀粉膜的抗拉強(qiáng)度均有影響，其中以pH對(duì)其影響最為顯著。由極差可知，對(duì)抗拉強(qiáng)度影響因素的主次順序?yàn)?B＞C＞D＞A，即pH＞干熱溫度＞干熱時(shí)間＞離子膠用量。各因素水平對(duì)干熱變性蓮子淀粉膜抗拉強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖9。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

圖9 各因素水平對(duì)膜抗拉強(qiáng)度的影響

從圖9的趨勢(shì)可以看出，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，pH 5，130℃條件下干熱4 h制備的干熱變性蓮子淀粉形成的可食膜抗拉強(qiáng)度最高。因此，單從抗拉強(qiáng)度指標(biāo)考慮，最優(yōu)工藝條件為A2B1C2D4。

2.5.2 試驗(yàn)各因素對(duì)膜斷裂伸長(zhǎng)率的影響

斷裂伸長(zhǎng)率反映膜的塑性，以適中為好。分析表4數(shù)據(jù)可知，4個(gè)因素中以干熱溫度對(duì)干熱變性蓮子淀粉膜的斷裂伸長(zhǎng)率影響最為顯著。比較極差可知，各影響因素的主次順序?yàn)?C＞B＞D＞A，即干熱溫度＞pH＞干熱時(shí)間＞離子膠用量。各因素水平對(duì)膜斷裂伸長(zhǎng)率的影響見(jiàn)圖10。

圖10 各因素水平對(duì)膜斷裂伸長(zhǎng)率的影響

從圖10可以看出，如果只考慮斷裂伸長(zhǎng)率這一指標(biāo)，最優(yōu)工藝條件是A2B2C2D3，即當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，pH 7，130℃條件下干熱3 h時(shí)制得的干熱變性蓮子淀粉制備的可食膜斷裂伸長(zhǎng)率最優(yōu)。

2.5.3 試驗(yàn)各因素對(duì)膜水蒸氣透過(guò)率的影響

水蒸氣透過(guò)系數(shù)反映膜的阻水性，WVP值越低說(shuō)明可食膜的阻水性能越好。表4的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:4個(gè)因素中以pH對(duì)干熱變性蓮子淀粉膜的阻水性影響最為顯著。由極差可知，各影響因素的主次順序?yàn)?B＞C＞A＞D，即pH＞干熱溫度＞離子膠用量＞干熱時(shí)間。各因素水平對(duì)膜WVP值的影響見(jiàn)圖11。

圖11 各因素水平對(duì)膜水蒸氣透過(guò)率的影響

從圖11的趨勢(shì)可以看出，當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，pH 7，120℃條件下干熱3 h制備的干熱變性蓮子淀粉形成的可食膜水蒸氣透過(guò)率最低。因此，單從膜的阻水性指標(biāo)考慮，最優(yōu)工藝條件為A4B2C1D3。

2.6 干熱變性蓮子淀粉制備的最佳工藝參數(shù)的確定

對(duì)不同指標(biāo)而言，因素影響的主次順序不一樣，但都表現(xiàn)出pH和干熱溫度對(duì)干熱變性淀粉膜的影響最為顯著。不同指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合條件也不同，綜合分析各因素水平的主次順序，并根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及降低能耗、提高效率的原則，干熱變性蓮子淀粉制備的最優(yōu)工藝條件確定為A2B2C2D3，即離子膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%，pH 7，干熱溫度為130℃，干熱時(shí)間3 h。在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)比蓮子淀粉膜的抗拉強(qiáng)度 3.98 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率27.76%，WVP 為 4.18 ×10－12g·cm/(cm2·s·Pa)，最優(yōu)工藝制備的干熱變性蓮子淀粉膜抗拉強(qiáng)度均值為4.84 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率 34.36%，WVP 為 2.22 ×10－12g·cm/(cm2·s·Pa)，各指標(biāo)明顯優(yōu)于蓮子淀粉，證明了上述分析的正確性。

3 結(jié)論

3.1 添加海藻酸鈉對(duì)蓮子淀粉進(jìn)行干熱變性處理能顯著改善蓮子淀粉可食用膜的拉伸性能，并提高淀粉膜的阻水性，可以作為生產(chǎn)變性淀粉的一種方法。

3.2 干熱變性蓮子淀粉制備的最佳工藝參數(shù)為離子膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%，pH 7，130℃條件下干熱3 h。在此條件下制備的干熱變性蓮子淀粉性能最優(yōu)。

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Study on Influence of Preparation Technology on Film－forming Properties of Lotus－seed Starch Modified by Dry Heating

Zhang Fan Lin Yuanyuan Zheng Baodong
(College of Food Science，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002)

The effects of ionic gum addition，pH，reaction temperature and time on the film－forming properties of lotus－seed starches modified by dry heating treatment with alginate were studied and the preparation parameters of modified lotus－seed starches were determined in this article.The results showed that lotus－seed starch dry－h(huán)eated with alginate could improve the film－forming properties of lotus－seed starches，and pH and dry－h(huán)eating temperature were the most significant impact factors.The optimized processing parameters of lotus seed starches modified by dry heating during the orthogonal experiment were ionic gum additions 1.0%，pH 7.0，reaction time 3 h and temperature 130℃.The ideal properties of starch edible film were obtained in this condition.

dry－h(huán)eating，lotus－seed，preparation technology，film －forming property

TS235.4

A

1003－0174(2011)12－0039－06

2011－03－01

張帆，女，1987年出生，碩士，食品營(yíng)養(yǎng)與化學(xué)

鄭寶東，男，1967年出生，教授，博士生導(dǎo)師，食品營(yíng)養(yǎng)與化學(xué)