微细化对马铃薯淀粉热特性的影响

李晓文熊兴耀

(长沙理工大学化学与生物工程学院1,长沙 410004)

(作物种质创新与资源利用国家重点实验室培育基地 湖南农业大学园艺园林学院2,长沙 410128)

微细化对马铃薯淀粉热特性的影响

李晓文1熊兴耀2

(长沙理工大学化学与生物工程学院1,长沙 410004)

(作物种质创新与资源利用国家重点实验室培育基地 湖南农业大学园艺园林学院2,长沙 410128)

为了探讨粒径效应对马铃薯淀粉糊热学性能的影响,利用NDJ-79型旋转式黏度计对马铃薯淀粉糊进行了黏度测定,利用DSC-7型差示扫描量热仪对其进行了热学性能分析,并研究了其淀粉分子的结晶结构,讨论了细化马铃薯淀粉颗粒对淀粉糊热学性能的影响。分析结果表明:机械研磨作用能够明显地破坏淀粉分子的结晶结构,导致其结晶度降低,而无序化程度增加。马铃薯淀粉的糊化温度也随粉磨时间的延长而降低,糊化相变吸热峰逐渐消失。

颗粒粒径 马铃薯淀粉 热学性能

马铃薯淀粉是植物淀粉中分子质量最大、黏度最高的淀粉,是制造各种变性淀粉的优质原料,同时也广泛的应用于食品、纺织、造纸、石油钻探等工业行业[1]。淀粉是以颗粒形式存在的,经细微化粉碎,机械力化学效应使淀粉从多晶结构向非晶结构转化,同时影响了淀粉一系列理化性质的变化[2-3]。研究淀粉糊的理化性质意义重大,以便适应各种用途的使用要求。有报道采用流变仪研究了马铃薯淀粉及不同微细化程度产物在不同浓度、温度条件下的流变特性[4-6]。但是,未见关于微细化马铃薯淀粉颗粒粒径对淀粉糊热学性能影响的报道。本试验研究了利用 X射线衍射仪和扫描电镜测试不同粒径淀粉的结晶情况,分析了不同粒径淀粉的相态结构,利用 DSC-7型差示扫描量热仪对其进行了热学性能分析,并研究了微细化淀粉结晶度的变化以及淀粉粒径对热淀粉热学性能的影响,为进一步提高马铃薯淀粉的品质提供了依据。

1 材料与方法

1.1 试验原料

马铃薯淀粉:青岛正天食品有限公司;细微化马铃薯淀粉:自制。

1.2 仪器及设备

WNX320高频振动式球磨机:武汉市农翔生物技术公司;D/max-RA型 X-射线衍射仪:日本理学公司;DSC-7型差示扫描量热仪:Perk in Elm er公司;激光粒度分析仪:日本 SHMADZU公司;NDJ-79型旋转黏度计:同济大学机电厂;501-超级恒温器:上海第三医疗仪器厂产。KH3000型多功能视频显微镜:美国科视达公司。

1.3 试验方法

准确称取马铃薯淀粉,以乙醇为介质,通过球磨方法调节不同的球磨时间,制备出粒度大小分布不同的微细化马铃薯淀粉。用分析仪测得粒径分布,用显微镜观察其形貌,并应用 X-射线衍射仪测试不同粒径细微化淀粉的结晶情况。

应用差示扫描量热仪测定不同粒径马铃薯淀粉糊的热特性。

2 结果与讨论

2.1 球磨时间对马铃薯淀粉颗粒的影响

选择球磨时间范围为 0～80 h中的 6个马铃薯淀粉样品进行颗粒粒径分布分析。表 1为不同球磨时间的马铃薯淀粉颗粒的粒径分布。从表 1中的数据可以看出,马铃薯原淀粉颗粒粒径基本分布在20～90μm之间,10μm以下的颗粒几乎不存在。随着球磨时间的延长,淀粉中的大粒径颗粒减少,小粒径颗粒急剧增加。当粉磨至 20 h时大部分淀粉颗粒的粒径分布在 10～30μm,并有 15.5%的颗粒被粉碎到 10μm以下。从 20 h继续粉磨至 60 h,83.3%的颗粒粒径分布在 30μm以下,10μm以下的颗粒占 31.3%。从 60 h到 80 h的粉磨时间范围内,淀粉颗粒的粒径分布变化缓慢,还出现了大粒径颗粒含量略有升高的逆向变化现象。

表1 粉磨时间与马铃薯淀粉颗粒粒径分布/%

这是在微细粉碎初期,马铃薯淀粉颗粒在球磨介质的滚动、碰撞和下落等运动的作用下,受到了研磨和冲击,内能不断增加,在颗粒的缺陷处、裂纹处、结晶区域处等产生应力动态集中,当在机械力不断作用下,淀粉颗粒塑性形变超过极限时,颗粒首先由这些脆弱面破碎,故颗粒粒径分布发生急剧变化。随着淀粉颗粒粒径逐渐变小,新表面在机械力作用下处于激活状态,颗粒表面的范德华力和静电引力增大,高表面能的微细颗粒很容易产生相互团聚,即形成二次颗粒,使颗粒的粒径增大,越细的颗粒团聚趋势越大[6]。因此,当马铃薯淀粉球磨至80 h时,出现了大粒径颗粒含量升高的逆向变化现象。

2.2 微细化淀粉的微观形貌

图 1和图 2分别为球磨 60 h和 80 h淀粉的显微镜照片,可以看出:球磨 60 h的淀粉比球磨 80 h的淀粉分散性好,颗粒间的团聚作用小。当淀粉颗粒细化到一定程度时,由于表面能的增加,颗粒间相互吸引力随之增大,造成颗粒间的重新聚集成团。这是在细微粉碎初期,马铃薯淀粉颗粒在球磨介质的滚动、碰撞和下落等运动的作用下,受到了研磨和冲击,内能不断增加,在颗粒的缺陷处、裂纹处、结晶区域处等产生应力动态集中,当在机械力不断作用下,淀粉颗粒塑性形变超过极限时,颗粒首先由这些脆弱面破碎,故颗粒粒径分布发生急剧变化。随着淀粉颗粒粒径逐渐变小,新表面在机械力作用下处于激活状态,颗粒表面的范德华力和静电引力增大,高表面能的微细颗粒很容易产生相互团聚,即形成二次颗粒,使颗粒的粒径增大,越细的颗粒团聚趋势越大[6],这种微粒间的再团聚直接影响着微细化淀粉糊的黏度和热特性。

2.3 微细化淀粉的 X-射线衍射分析

淀粉是分子结构存在一定结晶度具有一定刚度的高分子,机械研磨作用使天然淀粉颗粒破碎,产生晶格缺陷及结晶度降低,如果达到粉碎极限,淀粉应呈现完全非晶态,结晶度为零,但实际操作中是不可能达到这种理想状态的。应用 X-射线衍射仪对原淀粉及球磨 60 h的淀粉和球磨 80 h的淀粉淀粉结晶特征进行分析,见图 3。

图3 原淀粉与微细化淀粉的X-射线衍射图

图 3中,原淀粉 X-射线衍射峰呈现典型“A”峰,峰形尖锐,说明天然淀粉具有较高的结晶度。而微细化淀粉的 X-射线衍射图呈现无定形状态,表明其结晶结构受到了破坏,强烈的机械作用导致淀粉的层状结构的层间质点结合力减弱,致使结晶度降低,形成非晶态层,使其无定形区增加,结构趋于无序化,致使淀粉的表观黏度降低,热稳定性上升,有利于淀粉的塑化。

2.4 颗粒粒径对马铃薯淀粉糊热行为影响

应用差示扫描量热仪(DSC)测定了不同粒径淀粉制备的马铃薯淀粉糊的热特性,结果见图 4。

图4 不同球磨时间马铃薯淀粉的DSC曲线

图 4是不同球磨时间(对应不同粒径)的马铃薯淀粉的的差热分析曲线,其中曲线 1为原马铃薯淀粉的差热分析曲线,曲线 2、3、4分别为球磨时间是10 h、60 h、80 h的马铃薯淀粉差热分析曲线。从图 4可以看到,马铃薯淀粉在 30～140℃存在两个吸热峰,其中处于低温的吸热峰为马铃薯淀粉的糊化相变吸热效应峰,峰的特征温度 Tp(峰值温度)61.5℃,而马铃薯淀粉的糊化温度是 56～66℃,说明该吸热峰是马铃薯淀粉因加热糊化发生了从多晶态到非晶态和从颗粒态到糊化态的双重物态转化而引起的。另一个较高温度的吸热峰是由水分挥发引起的。图 4表明,随着磨粉时间的延长,马铃薯淀粉的非晶化吸热峰强度逐渐减弱,特征温度不断降低,而水分的相变吸热峰却大大增强。这是因为,在磨粉过程中机械力的不断作用使马铃薯淀粉的晶粒度逐渐减小,晶粒的内应力加大,且在晶粒体的表面产生无定形层、缺陷、裂纹和活性点等,使粉体更具有活性,易于吸热和传热。同时,晶粒内能增加使晶粒内部格点振动加强,产生的振动应力波也会促进晶粒的吸热和传热,使马铃薯淀粉的晶格键力更易断裂,使其糊化温度降低。当粉磨时间达到 80 h时,淀粉糊化相变吸热峰消失,只剩下水分相变峰,表明此时马铃薯淀粉颗粒已完全是非晶化。另外球磨还可以使淀粉结构也变得松散和部分长链发生断裂,水分子更易浸入和结合,故其水相变吸热峰值大于马铃薯原淀粉[7]。

3 结论

3.1 随着球磨时间的延长,淀粉中的大粒径颗粒减少,小粒径颗粒增加。当粉磨至 20 h时淀粉颗粒的粒度发生很大变化,大部分颗粒的粒径分布在 10～30μm,并有15.5%的颗粒被粉碎到10μm以下。当球磨至 80 h时,出现大粒径颗粒含量有所升高的逆向变化现象。

3.2 机械力对马铃薯淀粉理化性质有影响,因天然淀粉是具有一定刚度的高分子,分子结构存在一定的结晶度,强烈的机械研磨作用使天然淀粉颗粒破碎,产生晶格缺陷及结晶度降低,形成非晶态层,结构趋于无序化。

3.3 随着晶粒度减小,比表面积增大,颗粒表面产生很多缺陷和活性点,例如裂纹、错位、电性偶极等,使空气中的氧分子吸附在晶粒表面,从而使晶粒的整体聚合性相对加大,导致糊化温度降低,影响淀粉的热特性。

[1]张力田.变性淀粉[M].广州:华南理工大学出版社,1992

[2]NarpinderSingh,Jaspreet Singh,Lovedeep Kaur,et al.Mor2 phological,ther mal and rheological properties of star-ches from different botanical sources[J].Food Chemis-try, 2003,81:219-231

[3]吴俊,杨文学,李鹏,等.微细化玉米淀粉的晶体结构及分子链行为研究[J].中国粮油学报.2008,23(2):62-66

[4]李晓文,熊兴耀.加热过程对马铃薯淀粉糊流变特性的影响研究[J].中国粮油学报,2008,23(3):90-93

[5]ShariBaxter,Svetlana Zivanovic,JochenWeiss.Molecular2 weight and degree of acetylation of high-intensity ultrasonicated chitosan[J].Food Hydrocolloids,2005,19:821-830

[6]Renata Czecowska-biskup,Bozena Rokita,Salah Lotfy,et al.Degradation of chitosan and starch by 360 kHz ultrasound[J].Carbohydrate Polymers,2005,60:175-184

[7]Shinji Tamaki.Structural change of maize starch granules by ballmill treatment[J].Starch,1988,(50):342-348

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 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)03-0034-04

国家科技支撑计划(2007BAQ00042)

2009-03-30

李晓文,女,l968年出生,教授,食品加工与保藏、食品物性学