氣流粉碎制取細(xì)微化疏水型木薯淀粉的研究

陳江楓，玉瓊廣，馮 琳

（廣西農(nóng)墾明陽生化集團(tuán)股份有限公司，廣西 南寧 530226）

氣流粉碎制取細(xì)微化疏水型木薯淀粉的研究

陳江楓，玉瓊廣，馮 琳

（廣西農(nóng)墾明陽生化集團(tuán)股份有限公司，廣西 南寧 530226）

對(duì)木薯淀粉進(jìn)行變性和細(xì)微化處理，使淀粉具有良好的疏水性和流動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)證明，采用改性劑A與改性劑B復(fù)配的改性劑，并且通過氣流粉碎技術(shù)和離心葉輪分級(jí)器對(duì)木薯變性淀粉進(jìn)行粉碎和分離，可以使淀粉顆粒達(dá)到20μm以下，并具有良好的疏水性和流動(dòng)性。

木薯變性淀粉;疏水性;超音氣流粉碎;細(xì)微化;流動(dòng)性

普通的淀粉在橡膠、生物降解塑料中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和極性相差懸殊，所以它們相容性差，隨著納米技術(shù)得到應(yīng)用，淀粉經(jīng)過細(xì)微化后在性能上有很大的提升，一方面它能夠更好地與極性分子相溶合，還具有更好的分散性。經(jīng)過細(xì)微化后再通過偶聯(lián)劑，淀粉能夠精細(xì)地分散在橡膠基體中并獲得強(qiáng)的界面結(jié)合。降低淀粉的粒度可以使淀粉的比表面積增加，淀粉顆粒表面羥基也隨之增多，從理論上分析應(yīng)該可以使改性度得到提高[1~2]。由于淀粉的分解溫度低于其熔解溫度，所以淀粉必須經(jīng)塑化以改善其加工性能。通常是加入小分子塑化劑，這些塑化劑會(huì)和淀粉的分子形成氫鍵以削弱淀粉分子間的氫鍵作用從而改善其力學(xué)性能和加工性能。選用偶聯(lián)劑DL對(duì)淀粉進(jìn)行干法疏水親脂化改性，其機(jī)理在于DL與淀粉顆粒表面羥基絡(luò)合，減少了表面羥基的暴露，從而有效地提高淀粉的疏水性能[3]。

1 木薯淀粉改性技術(shù)

1．1 改性劑種類的選擇

采用多種不同的改性劑:氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、長鏈烷基三甲氧基硅烷WD-10、鋁酸酯偶聯(lián)劑DL-2411-A、改性劑A和改性劑B對(duì)細(xì)微化淀粉進(jìn)行表面改性處理。

不同改性劑種類對(duì)變性前后細(xì)微化淀粉顆粒流動(dòng)性的影響如圖1所示。從圖中可以看到，經(jīng)硬脂酸、鋁酸酯偶聯(lián)劑DL-2411-A以及改性劑A改性后的細(xì)微化淀粉，其流動(dòng)性甚至比原始未改性的細(xì)微化淀粉顆粒差，而其它改性劑改性后的樣品，流動(dòng)性都有所提高，其中以改性劑B改性后的樣品流動(dòng)性最好。

圖1 改性劑種類對(duì)細(xì)微化淀粉流動(dòng)性的影響

改性劑種類對(duì)改性前后細(xì)微化淀粉的疏水性影響如圖2所示。從圖中可以看到，改性后的細(xì)微化淀粉顆粒其疏水性都得到提高，而且經(jīng)不同改性劑處理后，淀粉顆粒的疏水性效果改善情況不同。其中以改性劑A改性后的細(xì)微化淀粉疏水性最好。

圖2 改性劑種類對(duì)細(xì)微化淀粉活化指數(shù)的影響

綜合考慮改性劑種類對(duì)改性后細(xì)微化淀粉的流動(dòng)性、疏水性影響，以及對(duì)細(xì)微化淀粉在有機(jī)溶劑中相容性的影響，采用改性劑A與改性劑B復(fù)配的改性劑，其改性后的細(xì)微化淀粉綜合性能最好。制備所得到的改性后細(xì)微化淀粉流動(dòng)如水，并且在水面上飄浮不沉，具有優(yōu)良的流動(dòng)性和疏水性。

1．2 改性前后木薯淀粉性質(zhì)的對(duì)比

圖3所示為改性前后細(xì)微化淀粉的掃描電鏡照片，從圖 3（a）和（b）中可以看到，改性前的細(xì)微化淀粉大部分呈現(xiàn)多個(gè)淀粉顆粒組成的團(tuán)聚體形態(tài)，而改性后的細(xì)微化淀粉幾乎全呈現(xiàn)單個(gè)細(xì)微化淀粉顆粒分散狀態(tài)。結(jié)果表明，通過表面改性處理可以獲得具有良好分散性的細(xì)微化木薯淀粉顆粒。

圖3 改性前后細(xì)微化淀粉的掃描電鏡照片

改性前后細(xì)微化淀粉的休止角照片如圖4所示。改性前的細(xì)微化淀粉休止角為34°，改性后的細(xì)微化淀粉休止角為26°，這說明改性后的細(xì)微化淀粉具有了良好的流動(dòng)性。同時(shí)測(cè)量了改性前后細(xì)微化淀粉的流動(dòng)時(shí)間，改性前的細(xì)微化淀粉流動(dòng)時(shí)間為284s，改性后的細(xì)微化淀粉流動(dòng)時(shí)間為95s，這也表明改性后的細(xì)微化淀粉具有了良好的流動(dòng)性，與休止角評(píng)價(jià)方法所得到的結(jié)果相吻合。

圖4 改性前后細(xì)微化淀粉休止角照片

改性前后細(xì)微化淀粉在水中的照片如圖5所示，從圖中可以看到，改性后的細(xì)微化淀粉幾乎完全漂浮在水面上，而改性前的細(xì)微化淀粉顆粒完全沉入水底，通過測(cè)量得到，改性前的細(xì)微化淀粉活化指數(shù)為0%，而改性后的細(xì)微化淀粉活化指數(shù)為98%，表明改性后的細(xì)微化淀粉具有了良好的疏水性。

圖5 改性后細(xì)微化淀粉（左）和改性前細(xì)微化淀粉（右）在水中的照片

上述研究結(jié)果表明，采用表面改性處理的方法，制備得到的改性細(xì)微化淀粉流動(dòng)如水，并且在水面上飄浮不沉，具有優(yōu)良的流動(dòng)性以及良好的疏水性。

2 采用超音速氣流粉碎技術(shù)對(duì)木薯變性淀粉進(jìn)行微細(xì)化處理研究

2．1 超音速氣流粉碎技術(shù)特點(diǎn)

在本文中，針對(duì)淀粉材料的特點(diǎn)，我們采用氣流粉碎技術(shù)對(duì)淀粉顆粒進(jìn)行超細(xì)化粉碎處理，生產(chǎn)細(xì)微化淀粉產(chǎn)品。在氣流粉碎過程中，產(chǎn)生的超音速氣流是物料破碎的關(guān)鍵。對(duì)于淀粉等熱敏性物料，在粉碎過程中，希望粉碎的溫度不能太高。通過理論分析，超音速射流的溫度如下式所示:

T1為噴嘴內(nèi)部任意截面處的溫度，T0是總溫（在這里是環(huán)境溫度），M1是噴嘴內(nèi)部任意截面處的馬赫數(shù)，k是工質(zhì)的絕熱指數(shù)，對(duì)空氣而言，k＝1．4。很明顯，馬赫數(shù)越大，射流的溫度越小。因此，噴嘴出口的射流溫度是小于入口溫度的，即射流在經(jīng)噴嘴加速的過程中溫度會(huì)降低，這種現(xiàn)象被稱為焦耳－湯姆遜效應(yīng)，或節(jié)流效應(yīng)。這是氣流粉碎的一大特點(diǎn)，它對(duì)于粉碎低熔點(diǎn)（或低軟化點(diǎn)）和熱敏性物料是非常有益的。

圖6所示為采用氣流粉碎技術(shù)制備的細(xì)微化淀粉粒度分布圖，粉碎得到的細(xì)微化淀粉D10＝9．2μm、D50＝13．4μm、D90＝19．3μm。 粉碎后淀粉外觀呈現(xiàn)白色粉末狀，具有一定的流動(dòng)性。

圖6 粉碎后得到的細(xì)微化淀粉粒度分布圖

2．2 采用離心葉輪對(duì)達(dá)到細(xì)微化的淀粉進(jìn)行分離的技術(shù)研究

氣流粉碎機(jī)分級(jí)器的主要作用是及時(shí)地把氣流粉碎室中合格的粉體分選出來，不致發(fā)生過磨現(xiàn)象，這是氣流粉碎機(jī)與其它機(jī)械粉碎機(jī)的主要區(qū)別之一。另外，氣流粉碎機(jī)分級(jí)器分選的粉體已是處于良好的分散狀態(tài)，這是單獨(dú)氣流分級(jí)機(jī)所不能及的。

離心式葉輪分級(jí)器的葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)成品粉的粒度分布有重要的影響，它主要影響分級(jí)器的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)和進(jìn)入葉輪的氣流速度。離心式葉輪的結(jié)構(gòu)主要有如圖7所示的幾種形式，一種是直葉片形式的，如圖7（a）所示，葉片平面與半徑徑向在一個(gè)平面，它是一種常用的結(jié)構(gòu);第二種是斜葉片形式的，如圖7（b）所示，葉片平面與半徑徑向有一個(gè)傾角，傾角大，葉輪壓力損失小，這也是一種常用結(jié)構(gòu);第三種是弧形或折葉片形式的，如圖7（c）所示，這種葉輪的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)均勻（一般服從斯托克斯流），葉輪壓力損失也小，是一種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，但是，加工難度較大。

圖7 離心葉輪分級(jí)器的常用結(jié)構(gòu)形式

在本文中，為了獲得粒度分布窄、粒度細(xì)的細(xì)微化淀粉顆粒，氣流粉碎過程中，采用斜葉片形式的離心葉輪分級(jí)器，葉片數(shù)為20片，所得到的微細(xì)化淀粉顆粒粒度分布窄，粒度細(xì)，具體粒度分布結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看到，粉碎后的淀粉顆粒粒度分布峰較窄，說明其粒度分布窄。圖8所示為粉碎后得到的淀粉顆粒掃描電鏡照片，從圖中可以看到，粉碎后的細(xì)微化淀粉大小均勻，與粒度分布測(cè)試結(jié)果相吻合。而粒度測(cè)試結(jié)果表明，粉碎后的淀粉顆粒 D50＝13．4μm，淀粉顆粒達(dá)到了微米級(jí)。

圖8 粉碎后得到的細(xì)微化淀粉顆粒掃描電鏡照片

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)木薯淀粉進(jìn)行變性處理，可獲得良好的疏水性和流動(dòng)性的木薯變性淀粉，與有機(jī)溶劑也具有良好的相容性。

（2）采用改性劑A和改性劑B復(fù)配的方式對(duì)木薯淀粉進(jìn)行變性處理，經(jīng)過變性后的木薯淀粉可以獲得比較好的綜合性能。

（3）采用超音速氣流粉碎和離心葉輪分級(jí)器對(duì)木薯變性淀粉進(jìn)行粉碎和分離，可以使淀粉顆粒達(dá)到20μm以下。

（4）通過采用木薯淀粉進(jìn)行變性處理、超音速氣流粉碎和離心葉輪分級(jí)器相結(jié)合的方法，可以獲得疏水性、流動(dòng)性和微米級(jí)的木薯變性淀粉。

[1] 張友松．變性淀粉生產(chǎn)和應(yīng)用手冊(cè)[M]．北京:中國輕工業(yè)出版社，1999．

[2] Belitz H D，Grosch W．Food Chemistry[M]．Berlin，1999．

[3] 吳俊，李斌，謝筆鈞．微細(xì)化淀粉干法疏水化改性條件及其改性機(jī)理研究[J]．食品科學(xué)，2004，25（9）:96-100．

Preparation of Ultrafine Hydrophobicity of Cassava Starch by Supersonic Airflow Grinding Technology

CHENJiang-feng，F(xiàn)ENGLin，YUQiong-guang
（Guangxi State Farms Mingyang Biochemical Group Inc．，Nanning530226，China）

After modification and ultrafine treatment，the cassava starch got the good hydrophobicity and fluidit．The results showed，applied the compound modifier，through the supersonic airflow grinding and centrifugal impeller to prepare the cassava starch，the starch granules could reach 20μm below，and with good hydrophobicity and fluidity．

modified cassava starch; hydrophobicity; supersonic airflow grinding; ultrafine; fluidity

TS235.2

A

1671-9905（2011）07-0008-03

陳江楓（1976-），男，工程碩士，工程師，研究方向:變性淀粉技術(shù)，通訊地址:南寧江南區(qū)明陽工業(yè)區(qū)廣西農(nóng)墾明陽生化集團(tuán)股份有限公司，郵編:530226，電話:18978892181，0771-4219290

2011-04-01