不同干燥工藝對非晶顆粒態(tài)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(fā)中心,廣東肇慶 526040)

不同干燥工藝對非晶顆粒態(tài)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(fā)中心,廣東肇慶 526040)

非晶顆粒態(tài)淀粉是一種特殊的淀粉物態(tài)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(tài)淀粉工業(yè)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(tài)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象。非晶化淀粉顆粒稱為非晶顆粒態(tài)淀粉,是一種變性淀粉,其顆粒結構發(fā)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(tài)淀粉在傳統(tǒng)熱風干燥過程中出現(xiàn)的糊化、結塊和成膜的現(xiàn)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(tài)淀粉顆粒形貌,產品品質的影響。

1 實驗材料

玉米淀粉:工業(yè)一級品,長春黃龍食品工業(yè)有限公司產品;乙醇(體積分數95%):化學純,成都市聯(lián)合化工試劑研究所產品;電腦恒溫水浴鍋:北京市永興明醫(yī)療器械廠產品;101型電熱鼓風干燥箱:北京市永興明醫(yī)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(tài)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(tài)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(tài)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(xiàn)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(tài)淀粉在真空烘箱干燥和常壓烘箱干燥過程中出現(xiàn)糊化、結塊和成膜現(xiàn)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(tài)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(tài)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(tài);樣品經真空烘箱干燥或常壓烘箱干燥之后,均呈不規(guī)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(qū)別,整個顆粒呈完全塌陷狀態(tài)。

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(tài)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(wěn)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(huán)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(xiàn)的網絡孔隙和孔洞受熱熔融,顆粒表層糊化成膜,水分蒸發(fā)受阻,水蒸氣只能撐破顆粒表面膜蒸發(fā)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(tài)玉米淀粉和原玉米淀粉的照片F(xiàn)ig.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(tài)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(tài)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(tài)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(fā)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(fā)生塌陷。

4 結 語

通過用不同的方法對非晶顆粒態(tài)玉米淀粉進行干燥,結果表明,干燥方法對非晶顆粒態(tài)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(tài)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(tài);樣品經真空烘箱干燥和常壓烘箱干燥之后,出現(xiàn)結塊和成膜現(xiàn)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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(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