瓜爾膠對淀粉糊化粘度的影響

石 點，吳孟茹，朱譜新*，陳試偉，陳蔣玲, 翦育林

（1.四川大學(xué) 紡織研究所，四川 成都 610065；2. 四川省出入境檢驗檢疫局，四川 成都 610041；3.湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工系， 湖南 湘潭 411104）

瓜爾膠對淀粉糊化粘度的影響

石 點1，吳孟茹2，朱譜新1*，陳試偉1，陳蔣玲1, 翦育林3

（1.四川大學(xué) 紡織研究所，四川 成都 610065；2. 四川省出入境檢驗檢疫局，四川 成都 610041；3.湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工系， 湖南 湘潭 411104）

將瓜爾膠加入玉米淀粉中共同煮漿，使用快速粘度儀（RVA）測定瓜爾膠/玉米淀粉體系糊化過程中粘度變化。研究發(fā)現(xiàn)，瓜爾膠會大大增加玉米淀粉糊化的峰值粘度和漿液低溫粘度，并且使淀粉的糊化溫度升高，但是有利于降低淀粉漿液的低溫回生速率。

瓜爾膠；玉米淀粉；粘度；糊化

淀粉作為經(jīng)紗漿料已有悠久歷史。淀粉對親水天然纖維有較好的粘附性，有一定的成膜能力，并且價格低廉、資源豐富，在經(jīng)紗上漿中的應(yīng)用已積累了一定的經(jīng)驗[1]。但是淀粉漿料上漿性能卻不理想，如漿料熱穩(wěn)定性差、漿膜硬脆不耐磨等，需要運用物理或化學(xué)的方法使淀粉變性或與其他漿料混合使用，以提高其上漿效果并擴大其使用范圍[2]。瓜爾膠是一種可降解的天然多糖類高聚物，能溶于冷水和熱水，被廣泛用于食品行業(yè)，用來改善淀粉的性能[3]。用于紡織漿料添加物的最大優(yōu)點就是與纖維素的結(jié)構(gòu)非常相似，對纖維素具有直接性，而且可生物降解，熱穩(wěn)定性好。王愛華[4]等人研究了在淀粉中加入一定量的瓜爾膠，可以有效的改善淀粉漿料的成膜性能。胡玉玲[5]等人發(fā)現(xiàn)，在滌棉漿紗的正常配方下加入適量的瓜爾膠們可以明顯改善漿紗的分絞，紗線手感滑爽，織造時開口清晰，紗線增強效果明顯。

瓜爾膠以 -1,4-D-甘露吡喃糖單元為骨架連接形成主鏈，每兩個甘露吡喃糖單元由 -1,6連接的半乳吡喃糖單元作為側(cè)鏈，相對分子質(zhì)量約為22萬[6]。其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 瓜爾膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)

從其化學(xué)結(jié)構(gòu)上看出瓜爾膠為非離子多糖，其伯羥基、仲羥基處于外側(cè)，半乳糖支鏈沒有遮住有活性的醇羥基，從而獲得了更大的氫鍵活性[7]。本文通過測定淀粉瓜爾膠體系的糊化曲線，討論瓜爾膠與玉米淀粉之間的相互作用，研究瓜爾膠對玉米淀粉糊化的影響，為瓜爾膠在漿料上的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 試驗原料與儀器

玉米淀粉（寶雞陜豐淀粉有限公司），水分含量13.5%；瓜爾膠（山東阜豐發(fā)酵有限公司），食品級QB 2246-96，水分含量12%。

RVA-Ezi粘度測試儀（Newport 瑞典波通儀器公司）。

1.2 實驗方法

將準(zhǔn)確稱量的玉米淀粉干重3.0g，瓜爾膠干重0.015g放入鋁制樣品測量罐中，加入25.7ml蒸餾水。體系的固體質(zhì)量濃度為10.5%，其中瓜爾膠/淀粉的質(zhì)量分數(shù)0.5%。將該樣品測量罐放入RVA-Ezi粘度測試儀中，放入攪拌器，轉(zhuǎn)速保持在160rpm。運行溫度控制軟件，即淀粉漿液升溫至50℃開始計時，一分鐘后以11.80℃/min升溫至95℃（至4.81min），保溫2.5min（至7.31min），然后以11.8℃/min速度降溫至50℃（11.12min），保溫至13min。在此期間每半分鐘讀數(shù)淀粉糊粘度一次，繪制淀粉糊化曲線。體系的固體質(zhì)量濃度不變，變化混合樣品系列中的瓜爾膠/淀粉的質(zhì)量分數(shù)按0.5%遞增，從0.5%至7.5%，測定其糊化曲線。

另外，以相同瓜爾膠質(zhì)量，但是無淀粉的實驗作為對比樣，分別對應(yīng)于混合樣品中瓜爾膠對淀粉的質(zhì)量分數(shù)1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%、6.0%和7.0%。即25ml水中只加瓜爾膠0.03g、0.06g、0.09g、0.12g、0.15g、0.18g和0.21g，瓜爾膠在水中的質(zhì)量濃度分別為0.12%、0.24%、0.36%、0.48%、0.60%、0.72%和0.84%。

RVA-Ezi粘度測試儀使用了目前最先進的快速粘度分析技術(shù)，可以精確測定淀粉糊化過程中的粘度信息，對淀粉糊化粘度的測定采用美國谷物化學(xué)家協(xié)會和國際谷物科學(xué)與技術(shù)協(xié)會的所認可的測試方法[8]。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 純瓜爾膠粘度變化曲線

純瓜爾膠水溶液的粘度（η）隨瓜爾膠水溶液濃度（WG）和糊化時間（t）的變化曲線如圖1所示，其中背景為程序控制的升溫/降溫曲線。

圖2 瓜爾膠在25ml水中的粘度隨其質(zhì)量和糊化時間的變化

由圖2可以看出，瓜爾膠的水溶液粘度隨著其濃度的增加而增加，但是粘度值不是很大，都在50mPa·s以下；其粘度值隨著時間延長而增大，表現(xiàn)了水溶性高分子溶解的時間依賴性。這與Achayuthakan和Suphantharika[9]測定的結(jié)果吻合。從3.5～4.5min即80～90℃，粘度有一個明顯的快速增長區(qū)間，對應(yīng)于在這個溶解條件下瓜爾膠的快速溶解；在溫度下降區(qū)間，溶液粘度稍有增加，增加幅度隨瓜爾膠的含量增加而加大，沒有表現(xiàn)出明顯的凝膠特性（回生性），可能是由于瓜爾膠的側(cè)鏈妨礙了自身大分子的聚集。這些特點與瓜爾膠/淀粉混合物的糊化曲線（圖3）有很大差別。

圖3 不同瓜爾膠/淀粉質(zhì)量分數(shù)隨時間變化的糊化曲線

在糊化時，淀粉顆粒膨脹到它原來的許多倍，同時直鏈淀粉首先從顆粒的內(nèi)部遷移出來，粘度急劇增大，然后顆粒破裂，此時粘度開始下降。淀粉漿液糊化峰的形狀反映了發(fā)生糊化的過程，在給定濃度下這個峰的高度代表了淀粉顆粒在破裂之前自由膨脹的能力，即與水結(jié)合的能力。由圖3看出隨著瓜爾膠對淀粉質(zhì)量分數(shù)（cG）的增加，體系粘度增加，其糊化曲線的峰值粘度也明顯增大。當(dāng)cG≥4.5%時，糊化曲線的峰值開始變得尖銳。

以下分別討論體系的峰值粘度、糊化溫度和低溫凝凍性。

2.2 瓜爾膠對淀粉糊化峰值粘度的影響

由于瓜爾膠在冷水中也可溶解，增加了體系粘度，瓜爾膠水化后將減少體系中自由水的數(shù)量，并與從淀粉顆粒中瀝濾出的直鏈淀粉發(fā)生相互作用，妨礙淀粉糊化[9-11]。這些作用反映在不同瓜爾膠的添加量與淀粉峰值粘度的關(guān)系曲線中，如圖4所示。

圖4 瓜爾膠/淀粉質(zhì)量分數(shù)對體系糊化峰值粘度的影響

圖4表明，隨著瓜爾膠含量的增加，峰值粘度也大大提高。除了以上分析的因素外，Tye[12]和Chaisawang小組[13]都將這種粘度的增加歸因于淀粉與瓜爾膠對粘度影響的協(xié)同效應(yīng)：淀粉/瓜爾膠為兩相體系，其中瓜爾膠由于水溶性好，為連續(xù)相，在糊化過程中淀粉顆粒膨脹，淀粉相的體積大大增加，這樣也使得瓜爾膠的有效濃度驟增，進而使得體系的粘度大大增加。

2.3 瓜爾膠對糊化溫度的影響

不同瓜爾膠的添加量與淀粉糊化溫度的關(guān)系曲線如圖5。瓜爾膠/淀粉體系的糊化溫度在75～85℃之間，隨著瓜爾膠添加量的增加，淀粉糊化溫度的變化分為三個階段。

圖5 不同瓜爾膠/淀粉質(zhì)量分數(shù)與體系的糊化溫度

階段I，瓜爾膠對淀粉的質(zhì)量分數(shù)cG≤ 2.5%，糊化溫度基本不變，說明瓜爾膠對淀粉糊化基本無影響；階段II，2.5% < cG≤ 6.0%，糊化溫度隨著瓜爾膠質(zhì)量分數(shù)增加而增加，這可能是由于隨著體系中瓜爾膠濃度的升高，瓜爾膠作為一種親水性膠體，與淀粉競爭吸附水分子，導(dǎo)致淀粉糊化溫度升高[14,15]；階段III，cG> 6.0%，糊化溫度隨著瓜爾膠質(zhì)量分數(shù)增加而下降，可能是相對于階段II來說，較高濃度的瓜爾膠更容易與淀粉中瀝濾出的直鏈淀粉相互作用，促進了淀粉顆粒的破裂。以上這些推斷的機理還需要進一步的研究來證明。

2.4 瓜爾膠對淀粉低溫凝凍性的影響

淀粉糊化后，隨著溫度的降低，直鏈淀粉會快速回生形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致粘度的回升，而且隨著時間延長支鏈淀粉也參與回生過程，使其粘度進一步增加[16]，導(dǎo)致淀粉在低溫下凝凍。圖6顯示，瓜爾膠增加了糊化淀粉在50℃的低溫粘度，是由于瓜爾膠的粘度高于淀粉，對體系低溫粘度的貢獻[13]，這也是瓜爾膠通常作為淀粉增稠劑的原因；另一方面，由粘度隨時間變化的趨勢（擬合直線的斜率）分析得知，瓜爾膠也降低了淀粉糊低溫凝凍的速率，這意味著瓜爾膠與淀粉相互作用，阻礙了淀粉分子之間的重排締合，從而降低了淀粉糊的低溫凝凍趨勢。其中100%瓜爾膠的濃度為10.5%。

3 結(jié)論

低濃度的純瓜爾膠水溶液粘度并不是很高，但是低濃度的瓜爾膠使得瓜爾膠/淀粉混合體系的

圖6 瓜爾膠/淀粉質(zhì)量分數(shù)對淀粉糊低溫粘度的影響，其中cG=100%指的是濃度0.84%純瓜爾膠水溶液的粘度曲線，作為對比。

RVA粘度曲線發(fā)生了較大變化。隨著瓜爾膠對淀粉的質(zhì)量分數(shù)增加，混合體系的峰值粘度持續(xù)增加；淀粉的糊化溫度初期基本不變，隨后升高，后期下降；混合漿液在低溫下的粘度持續(xù)增加，但是降低了低溫粘度隨時間延長而增加的趨勢。這些現(xiàn)象表明，瓜爾膠通過與水、或者與淀粉分子的相互作用影響了混合體系的糊化和粘度行為。在淀粉中加入瓜爾膠有利于降低淀粉漿液的低溫回生速率，但是不利于高濃低粘上漿工藝，需要對瓜爾膠變性，降低其分子量，這是我們下一步擬開展的研究工作。

[1] 朱譜新, 鄭慶康, 陳松, 等. 經(jīng)紗上漿材料[M]. 北京: 中國紡織出版社, 2005: 108.

[2] 周永元. 紡織漿料學(xué)[M]. 中國紡織出版社, 2004: 116.

[3] 胡國華, 翟瑞文. 瓜爾豆膠的特性及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 冷飲與速凍食品工業(yè). 2002, 8(4): 26-28.

[4] 王愛華, 武海良, 葉葳. 瓜爾膠在經(jīng)紗上漿中的應(yīng)用[J]. 上海紡織科技. 2007, 35(8): 18-20.

[5] 胡玉玲, 鄭偉. 瓜爾膠漿料在漿紗上的應(yīng)用實踐[J]. 濟南紡織化纖科技. 2005, (2): 36-42.

[6] 徐祥, 韓慶斌, 李勁松, 等. 瓜爾膠的性質(zhì)及其在卷煙紙生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 中國造紙. 2003, 22(2): 34-37.

[7] 王軍利, 陳夫山, 劉忠. 瓜爾膠的應(yīng)用研究[J]. 天津造紙. 2002(3): 10-12.

[8] American Association of Cereal Chemists (AACC). Approved methods of the AACC[Z]. 10th ed. Methods 61-02 for RVA. St.Paul, MN, USA: AACC, 2000.

[9] Achayuthakan P, Suphantharika M. Pasting and rheological properties of waxy corn starch as affected by guar gum and xanthan gum[J], Carbohydrate Polymers, 2008, 71: 9-17.

[10] Appelqvist I A M, Debet M R M. Starch-biopolymer interactions-Areview[J], Food Reviews International,1997, 13(2): 163-224.

[11] Christianson D D, Hodge J E, Osborne D, Detroy R W, Gelatinization of wheat starch as modified by xanthan gum, guar gum,and cellulose gum[J]. Cereal Chemistry, 1981(58): 513-517.

[12] Tye R J. The rheology of starch/carrageenan systems[J]. Food Hydrocolloids, 1988, 2(4): 259-266.

[13] Chaisawang M, Suphantharika M. Pasting and rheological properties of native and anionic tapioca starches as modified by guar gum and xanthan gum[J], Food Hydrocolloids, 2006, 20: 641-649.

[14] Sikora M, Kowalski S, Tomasik P. Binary hydrocolloids from starches and xanthan gum[J], Food Hydrocolloids, 2008, 22: 943-952.

[15] 楊毅才. 淀粉糊化的過程及影響因素[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工. 2009(2): 18-19.

[16] Putaux J L, Bulon A, Chanzy H. Network formation in dilute amylose and amylopectin studied by TEM[J]. Macromolecules, 2000, 33(17): 6416-6422.

Effect of Guar Gum on Pasting Viscosity of Cornstarch

SHI Dian1, WU Meng-ru2, ZHU Pu-xin1, CHEN Shi-wei1, CHEN Jiang-ling1, JIAN Yu-lin3

( 1 Textile Research Institution, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;
2 Sichuan Provincial Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Chengdu Sichuan 610041, China; 3 Dept. of Chemistry & Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan Hunan 411104, China)

The change of viscosity in the process of guar gum/cornstarch pasting is detected with Rapid Viscosity Analyzer (RVA) by adding guar gum into cornstarch for pulp cooking. Results show that the guar gum added into the cornstarch can greatly increase both the peak viscosity and low temperature viscosity, which consequently increase the gelatinization temperature of the starch. However, it also helps to reduce the retrogradation rate of paste at low temperature by adding guar gum.

guar gum; cornstarch; viscosity; pasting

TP37

A

1009－5160(2010)03－0001－04

*通訊作者：朱譜新（1956-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：高分子表面與分界，膠體與界面化學(xué).

國家“863”計劃項目(2007AA03Z344)；廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研項目(2008B090500107).