改性淀粉在滚筒干燥设备生产中的应用研究

高明谦，吴宗帅，张 永，吴 磊，鲁 鹏，张淑芬，霍二福*

(1.河南恒瑞淀粉科技股份有限公司，河南 漯河 462000；2.河南省化工研究所有限责任公司，河南 郑州 450052)

0 前言

淀粉是由α-葡萄糖缩聚而得的含有大量可反应羟基的高分子化合物，从而为淀粉的改性提供了结构基础[1]。传统的改性方法主要有物理改性法、化学改性法和酶改性法等[2]。利用改性技术在淀粉分子上引入新的功能基团可以改变淀粉的天然特性，从而在一定程度上提高其使用价值。改性淀粉因具有特殊的性能而在食品、医药、水处理、造纸、铸造业和材料包装领域都有着广泛的应用[3-8]。干燥是改性淀粉制备过程的一个重要环节。真空冷冻干燥、微波干燥、热风干燥、滚筒干燥、喷雾干燥均是较为常用的干燥方式[9]。本文重点选取了干燥效率较高的滚筒干燥法作为主要的研究手段。

滚筒干燥又称转鼓干燥，采用的是热传导连续干燥方式，物料在内部加热的高温滚筒表面铺布成薄膜，随着滚筒转动物料在滚筒表面进行脱水干燥[10]。滚筒是外表面经过加工的金属空心圆筒，加热蒸汽从空心轴进入筒内加热筒体；滚筒下部浸入被干燥的料浆并缓慢旋转，物料呈薄膜状附着在滚筒外表面而被加热、脱水，附着在外壁的干料呈片状由刮刀刮下。基于滚筒干燥设备的结构，特别适用于黏稠度高的浆状及泥状物料，干燥后得到的产品具有较高的糊化度和良好的复水性，因此，广泛应用于淀粉改性、食品加工等行业[11]。滚筒干燥设备的型式很多，按滚筒数量分为单滚筒、双滚筒、多滚筒；按布料方式可分为浸液式、喷洒式；按操作压力可分为常压和真空操作两类[12]。淀粉改性和食品工业多采用蒸汽加热，压力一般在0.2～6 MPa，温度在 120～150 ℃，水分蒸发能力为30～80 kg/(m2·h)，料膜厚度为0.5～1.5 mm，转速为10～40 r/min，物料在滚筒转动中完成布膜、脱水、干燥等过程后，经螺旋输送至成品储存槽，最后进行粉碎或直接包装。滚筒干燥设备具有热效率高、干燥速率大、干燥质量稳定等特点，主要工艺参数有料液温度和高度、布料量、滚筒转速、蒸汽压力[13]。

本研究根据依据国内壁纸胶用改性淀粉的需求和应用现状，并随着交联氧化羧甲基化淀粉产品产量和质量的不断提高，着重考察了改性淀粉在滚筒干燥设备生产的应用研究，市场前景十分广阔。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

试剂：氯乙酸，工业级，天盛源化工有限公司；双氧水，工业级，漯河致远化工有限公司；乙醇，工业级，河南西伯化工产品有限公司；环氧氯丙烷，分析纯，百顺(北京)化学科技有限公司；氢氧化钠，分析纯，天津市风船化学试剂科技有限公司；氯乙酸，工业级，天盛源化工有限公司。仪器：捏合机，WD型，杭州恒达减速机械厂有限公司；单筒手动布料式滚筒干燥机，Y0505，江苏省东台食品机械厂有限公司；E型Brabender 黏度计，德国。

1.2 实验步骤

将淀粉和一定量的90%浓度的乙醇溶剂放入捏合机中搅拌均匀，加入适量的环氧氯丙烷和氯乙酸，搅拌30 min；升温，同时喷洒碱液并加入0.7%交联剂和4%双氧水，开始计时反应；等物料反应完成后将物料送至单筒手动布料式滚筒干燥机进行干燥、粉碎、筛分和密封包装，得到交联氧化羧甲基化淀粉，即环保型改性壁纸胶淀粉。将制备的胶粉将配成3%浓度，搅拌5 min至溶解完全后加入适量胶浆，即配制成胶黏剂。

1.3 改性淀粉物理性质测定

1.3.1Bu黏度的测定

Bu(1 Bu=1 Pa·s)为布拉班德黏度，用作评价淀粉及其衍生物的糊化性质，在淀粉黏度分析中广泛应用。具体操作步骤如下：称取改性淀粉样品27.60 g(精确至0.01 g)于25 ℃蒸馏水中，控制蒸馏水和淀粉的总质量为460.00 g(6%浓度)，边加边搅拌，溶解完全后移至杯体中，用Brookfield RVT黏度计测量黏度。从35 ℃开始记录，升温速度为1.5 ℃/min，升温至95 ℃保温30 min，降温速度为-1.5 ℃/min，降温至50 ℃保温30 min终止，按照上述程序完成黏度测定。

1.3.2冻融稳定性的测定

称取改性淀粉样品3.00 g于150 mL 烧杯中，加入97 mL蒸馏水配制成质量分数为3%的淀粉糊，搅拌使其完全溶解，放置于-20～-18 ℃的冷冻冰箱内24 h，然后在室温下自然解冻6 h，观察其状态。

1.3.3黏结力的测定

按照GB/T 2791-1995中胶黏剂T剥离强度实验方法进行。操作步骤如下：将100 g改性淀粉样品加入3 kg自来水，搅拌5 min，溶解完全后加入100 g胶浆，配制成胶黏剂；取一块壁纸或墙布，涂抹胶黏剂进行粘贴，4 h后待胶黏剂自然干燥后，用特定的夹头进行壁纸和被黏物的剥离，开启试验机和记录装置，根据试验机的拉伸和剥离强度以及产品的表观黏结力绘制出剥离符合曲线。

1.4 改性淀粉配胶性能评价

交联氧化羧甲基化淀粉配制的壁纸胶粉冷水可溶，不受温度的制约，可根据用途和墙纸类别，选择合适的溶解比，将适量的清水倒入桶中，搅动清水将胶粉慢慢全部加入，让胶粉充分分散和吸收水分，直到胶液呈黏稠糊状即可。

2 结果与讨论

2.1 改性淀粉物理性能分析

2.1.1Bu黏度

利用E型Brabender黏度计对质量分数3%的改性淀粉的黏度进行了测定。图1中样品为本研究所制备的改性交联氧化羧甲基化淀粉，对比样则为外购改性淀粉。在相同的条件下，考察了两个待测样品在不同的温度区间随时间变化的黏度曲线，结果如图1所示。测试结果表明，改性交联氧化羧甲基化淀粉和外购改性淀粉的黏度值分别为12 000 mPa·s和3 000～5 000 mPa·s，因此，本项目自主制备的改性淀粉具有更高的黏度。

2.1.2冻融性和黏结力

图1 样品的Brabender黏度曲线

考察了交联氧化羧甲基化淀粉的冻融性和黏结力，并测试了外购样品进行了对比试验，结果如表1所示。可以看出，本项目的交联氧化羧甲基化淀粉进行了反复4次的冻融试验测试，其糊态依然可以保持光亮和细腻，且不析水，不变稀。而外购样品反复冻融两次则出现析水和变稀的现象。此外，自制样品的黏结力为0.53 kN/m，也要明显优于外购样品(0.35 kN/m)。上述结果表明，本项目所制备的改性淀粉的冻融和黏结性能均有明显改善，具有更好的耐热和耐剪切性性能。

表1 黏度、冻融性、黏结力测试结果

2.2 操作条件对改性淀粉性质的影响

2.2.1布料量对改性淀粉性质的影响

反应条件：滚筒加热蒸汽压力为0.6 MPa，转速为35 r/min时，考察布料量对改性淀粉的糊化度和溶解时间的影响，结果如图2所示。

图2 布料量对糊化度和溶解时间的影响

糊化度是衡量谷物食品熟化程度的重要指标之一，淀粉的糊化度越高(>95%)，越易被酶水解，有利于消化吸收。该部分的研究结果表明，布料量为80、100、120 kg/h时糊化度分别为98.6%、96.2%和95.7%。继续增加布料量，当布料量为140 kg/h时，糊化度则减小到87.2%。这是因为随着布料量的增加，糊化度降低，溶解时间缩短。布料量太低时，虽然糊化效果很好，但固含量太低，造成布浆、干燥不均匀。且布料量小时淀粉糊化度高，颗粒破碎较多，吸水性强易抱团，使得溶解时间延长。随着布料量的增加，淀粉颗粒膨胀度适中易溶解，淀粉流动性越差，对热传递的阻碍就越大，滚筒表面单位面积内物料增多，使淀粉糊化不完全，糊化度降低，同时还会造成结块、流动性差，而无法布浆。而且随着布料量的继续增加淀粉糊化不均匀，使得溶解时间又增加。综合考虑，布料量控制在120 kg/h左右为宜。

2.2.2蒸汽压力对改性淀粉性质的影响

反应条件：淀粉布料量在120 kg/h，滚筒转速为35 r/min时，考察蒸汽压力对改性淀粉糊化度和溶解时间的影响，结果如图3所示。

图3 蒸汽压力对糊化度和溶解时间的影响

蒸汽压力与滚筒温度密切相关，是滚筒干燥工艺中的重要工艺参数。由图3可知，随着压力的增加，预糊化淀粉的糊化度增加，溶解时间也随之增加。当蒸汽压力为0.5 MPa时，淀粉的糊化度达94.3%，但当蒸汽压力增加至0.6 MPa时，淀粉的糊化度达98.5%。这是由于滚筒温度升高，分子运动剧烈，相互缠绕程度加大，促进了淀粉颗粒吸水膨胀，使支链淀粉内氢键断裂，因此，蒸汽压力大，滚筒温度升高，淀粉膨胀度增加，糊化度也越高；但在冷溶时在预糊化淀粉表面会形成一层水化膜，阻碍了水分进一步向内扩散，在一定程度上降低溶解时间，综合考虑，蒸汽压力在0.6 MPa时得到的产品质量符合要求。

2.2.3滚筒转速对改性淀粉性质的影响

反应条件：淀粉布料量在120 kg/h，蒸汽压力为0.6 MPa时，考察滚筒转速对改性淀粉糊化度和溶解时间的影响，结果如图4所示。

图4 滚筒转速对糊化度和溶解时间的影响

实验结果表明，随着滚筒转速的增大，糊化度和溶解时间都随之减小。减慢滚筒转速相当于增加糊化时间，糊化度则也增大，所以需要的溶解时间也较长。同时，若加快滚筒转速，则物料干燥时间就随之缩短，糊化度降低，淀粉所需要的溶解时间也同样减小，从实验结果可以看出，当滚筒转速增至45 r/min时，糊化度降低至88.2%，不利于人体消化吸收。综上所述，选取的适宜的滚筒转速为35 r/min。

2.3 配胶性能分析

干黏性是指胶黏层为干态时胶黏剂对壁纸的黏附性。淀粉胶黏剂刚涂抹在壁纸表面时呈现液态，但经过一段时间的自然干燥，逐渐变为干燥状态，按照施工性能要求，黏结在壁纸上的胶黏剂在干燥状态时也需要良好的黏附性，所以干黏性是衡量胶黏剂对壁纸的黏附性的一个重要指标，用纸破率表示，纸破率越高黏附性越强。通过配胶实验可看出，交联氧化羧甲基化淀粉配制的壁纸胶冷热适应性强，纸破率达100%，溶解性能好，施工使用方便，可用于各类壁纸；干黏性能优良，可大幅提高纸破率。

表2 干黏性分析

3 结论

通过滚筒干燥设备对改性交联氧化羧甲基化淀粉进行糊化处理，最佳的工艺参数：滚筒布料量120 kg/h，蒸汽压力0.6 MPa，转速35 r/min。该工艺技术灵活性强，操作简便，可很大程度上对改性淀粉进行较好的糊化处理。此外，经实验对比，本项目所制备的交联氧化羧甲基化淀粉的黏度、冻融性和黏力均优于外购样品，说明其性能均有明显改善。最后，配胶实验表明，改性淀粉配制的壁纸胶冷热适应性强，具有优良的干黏性能，纸破率也得到了大幅提高。本项目所研究的改性产品综合特性优良，质量稳定。且在滚筒干燥设备中生产效率高、无污染，适合工业化连续生产。