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黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响

发布日期:2014-10-03 00:15:52
黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响先容
黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响
黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,黄原胶引入到淀粉浆料中,采用快速黏度分析法(RVA)研宄了黄原胶的加入对玉米淀粉糊化性能和浆 液表观黏度的影响,讨论了黄原胶与玉米淀粉分子之间的相互作用。结果表明:黄原胶可促进淀粉糊化,降低淀粉 的糊化温度,缩短糊化时间;随着黄原胶质量分数的增加,淀粉的糊化峰值黏度增加,表现了 2种高分子的相互作 用;黏度衰减值随黄原胶增加而增大,表现了其相容性随之减小;浆液冷却至50°C的黏度变化表明,黄原胶质量分 数為5.5%以后体系出现相分离。
淀粉类浆料使用历史悠久,原料易得,价格便 宜,是棉、麻、粘胶等纤维素纤维经纱及其与合成纤 维混纺经纱的主浆料。近年来由于环境压力,需 要减少纺织行业印染废水中印花糊料和纺织浆料对 环境的污染,越来越强调少用或不用不易生物降解 的合成高分子。黄原胶作为可降解多糖类高聚物, 黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,与淀粉的相容性好,具有独特的应用性能,可希望在 纺织工业中得到较多的应用。例如:为克服淀粉浆 料黏度热稳定性差,浆膜硬脆不耐磨等缺点,在原淀 粉中加入黄原胶、瓜尔胶等改善淀粉浆料的应用性 能[2];此外,作为印花增稠剂也得到关注。
黄原胶由5个糖残基单元组成,即2个葡萄糖, 2个甘露糖和1个葡萄糖醛酸。其主链为p-(1—4) 连接的吡喃葡聚糖,每隔1个脱水葡萄糖单元具
第2期
石点等:黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响
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有1个a-(3 — 1)连接的三糖侧链,即D-吡喃甘露 糖-(2—1)-3-D-葡萄糖醛酸-(4 — 1)-3-D-吡喃甘露 糖,稍少于一半(?40%)的甘露糖残基为4,■丙酮 酸(盐)化,而内部的甘露糖大部分为6-乙酰化,相 对分子质量在2 x 106 ~ 5 x 107之间,是一种阴离子 聚电解质[4]。黄原胶在水中有良好的溶解性,在水 溶液中呈多聚阴离子且构象多变,不同条件下表现 出不同的特性,具有独特的理化性质。黄原胶有显 著的增加水体系黏度和形成弱凝胶结构的特点,其 水溶液在受到剪切作用时呈现假塑性,有较好的耐 热、耐淀粉酶和耐酸碱盐稳定性,以及对颗粒的悬浮 性和乳化性[5]。
本文通过测定淀粉黄原胶体系的糊化曲线,讨 论黄原胶与玉米淀粉之间的相互作用,研究黄原胶 对玉米淀粉糊化的影响,以期为黄原胶在浆料中的 应用奠定基础。
1 实验部分
1.1实验原料与仪器
玉米淀粉(宝鸡陕丰淀粉有限企业),水分质量 分数为13.5% ;黄原胶(山东阜丰发酵有限企业), 食品级GB 13886—2007,水分质量分数为15%。 RVA-Ezi黏度测试仪(Newport瑞典波通仪器公
司)。
I.2 实验方法
准确称量玉米淀粉干态质量为3.0 g,黄原胶干 态质量为15 mg,放入铝制样品测量罐中,加入 25 mL蒸馏水。体系固体质量分数为10. 5%,其中 黄原胶质量分数为0.5%。将该样品测量罐放入 RVA~Ezi黏度测试仪中,放入搅拌器,转速保持在 160 r/mm。运行温度控制App,即淀粉浆液升温至 50 C开始计时,1 min后以11. 80 C /min升温至 95 C (3. 81 min),保温2. 5 min (7. 31 min),然后以
II.8 C /min速度降温至50 C (11. 12 min),保温至 13 min。黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,在此期间每隔0. 5 min记录淀粉糊黏度1 次,绘制淀粉糊化曲线。
测量样品系列中的黄原胶质量分数按照 0. 05%的梯度从0. 5%递增至6%。
另夕卜,为清楚地了解黄原胶对淀粉浆液黏度的 影响,在25 mL蒸馏水中单独加入黄原胶0. 03、 0. 06、0. 09、0. 12、0. 15、0. 18 g,分别对应于混合样 品中的黄原胶质量分数为1. 0%、2. 0%、3. 0%、 4. 0%、5. 0%、6. 0%。
RVA-Ezi黏度测试仪通过浸入到测试样品中的 旋转浆叶的扭矩来测定黏度。对淀粉糊化黏度的测 定采用美国谷物化学家协会和国际谷物科学与技术 协会所认可的测试方法[6]。RVA~Ezi黏度测试仪还 可准确测量淀粉的糊化温度、最大黏度、最低黏度以 及最终黏度。
2结果与讨论
2.1黄原胶对淀粉糊化曲线的影响
用记录的黏度值绘制出淀粉的糊化曲线,如 图1所示,图中背景是程序升温/降温曲线。糊化曲 线变化的大致趋势是:随着黄原胶质量分数的增加, 黏度峰值逐渐增大,此时降温区的黏度下降;在黄原 胶质量分数较高时,低温区50 °C的黏度值逐渐降 低。图2示出不同质量黄原胶在25 mL蒸馏水中的 糊化曲线,便于对比分析。
 
 
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图2黄原胶在25 mL水中的糊化曲线 Fig. 2 Pasting curves of xanthan in 25 mL water
2. 2黄原胶对淀粉糊化温度和时间的影响 在与黄原胶共存时淀粉的糊化温度和糊化时间 如图3所示。糊化温度随黄原胶质量分数的增加而
 
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黄原胶质量分数/%
 
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纺织学报
第32卷
降低,同时糊化时间也变短,黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,可见黄原胶对淀粉的糊 化有促进作用。Christianson [7]发现黄原胶与淀粉和 过量水一起加热时,黄原胶不仅会在淀粉颗粒表面 吸附,还会渗透到颗粒内部,因此黄原胶促进淀粉糊 化作用的一种原因可能是由于加入黄原胶后,在淀 粉糊化的第1阶段,黄原胶随水分子进入淀粉粒内 部,与水分子一样被淀粉颗粒无定形区的极性基吸 附,由于黄原胶比水分子要大得多,导致含有黄原胶 的体系比不含有黄原胶的体系在膨胀阶段的淀粉颗 粒结构更松散,这样有利于以后水分子的进入,促进 了淀粉的糊化。另一种原因可能是因为黄原胶与淀 粉的分子间相互作用[8]。黄原胶为高分子电解质, 易在水中溶解,在淀粉糊化初期包裹在淀粉颗粒外 围;当淀粉开始糊化时,直链淀粉首先从淀粉颗粒中 沥滤出来,并迅速与黄原胶相互作用,使得直链淀粉 易从淀粉颗粒中脱离结晶的束缚,因此导致淀粉糊 化时间变短,糊化温度降低。
 
黄原胶质量分数/%
图3不同黄原胶质量分数时淀粉的 糊化温度和糊化时间
Fig. 3 Pasting temperature and time of corn starch with different contents of xanthan
2.3黄原胶对淀粉最高黏度的影响
黄原胶添加量与体系峰值黏度的关系曲线见 图4。对比图2可看出,纯黄原胶的黏度很小,特别 是在淀粉糊化初期黏度峰值所处的时间范围(由图 3可知在2 ~ 4 min内),可忽略黄原胶的黏度以及质 量分数増加对黏度増加的贡献。从图4可知,糊化 过程中的最大黏度随着黄原胶质量分数的増加而升 高。Lee等[^9]研究发现,淀粉糊化时膨胀的淀粉 颗粒和渗滤出来的直链淀粉与亲水胶结合。因此, 由数据分析得知,该体系最大黏度的増加主要来源 于黄原胶与淀粉分子之间的相互作用,由于氢键作 用和链缠结使得体系黏度大幅度増加,而黄原胶的 侧链増加水体系黏度的特性不是其主要原因。
图4黄原胶质量分数对玉米淀粉糊化 峰值黏度的影响
Fig. 4 Effect of xanthan content on peak viscosity of starch blends
2.4黄原胶对体系低温黏度的影响
从图1看出,当混合浆液的温度降低后曲线出 现黏度低谷,黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,然后表观黏度随着温度降低又逐渐増 加。为更清楚地观察体系的低温黏度,将图1中不 同黄原胶质量分数混合体系在11 ~13 min期间的黏 度变化趋势列于图5,其中11. 12 ~ 13 min区间对应 于温度5°丈,1°°%黄原胶指的是没有淀粉参与的 黏度曲线,其水溶液质量分数也为1°. 5%。
 
图5黄原胶质量分数对玉米淀粉低温 黏度的影响(11 ~ 13 min期间)
Fig. 5 Effect of xanthan content on apparent viscosity of starch blends (11 —13 min)
黄原胶为聚阴离子,分子之间存在静电斥力,因 此在低温和低浓度下没有凝胶现象&],但在高浓度 下即使低温也会由于链缠结而具有高黏度,如图2 所示;而淀粉糊在温度降低后由于直链淀粉的快速 回生形成三维网状结构造成黏度増加[1°]。图5中 总的变化趋势是表观黏度随着黄原胶的加入而増 大,加重了淀粉浆液的低温凝冻性,不利于浆液流 动。结合图4分析这个现象,用黄原胶与淀粉相互
 
Fig. 6 Effect of xanthan content on breakdown of apparent viscosity
第2期
石点等:黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响
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作用(氢键和链缠结)来说明是合理的。
当黄原胶质量分数矣5.5%,体系的低温黏度 降低到中间值(4 Pa*s左右)。这个现象可能与黄 原胶在淀粉体系中发生相分离有关。一般聚合物 在混合溶液中的相容性,黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,除组分化学结构以外,还 取决于体系的温度、所涉及高分子的流体力学排 除体积和2种组分的相对比例。当总浓度増加或 者次要组分比例提高时易发生相分离。对于多糖 混合物高分子,相分离的阈值总浓度为1% ~ 4% [11],由于本文研究体系淀粉质量分数为 10. 5%,大大超过该阈值浓度,属于热力学不相容 体系。此外,由于分子共生原理[12],淀粉与黄原胶 2种分子的排除体积效应不同,同种高分子自缔合 而相对集中,在混合浆液内形成局部浓度较高的 黄原胶组分,以降低其组分总的流体力学体积,其 结果导致黄原胶质量分数较高的体系一旦降温将 发生相分离。
2.5黄原胶对淀粉衰减黏度的影响
糊化过程中的最大黏度与最小黏度之差为淀 粉的衰减黏度,即糊化峰值黏度和降温后的最小 黏度之差,这是淀粉混合物在溶液中相容性的一 个指标,衰减黏度值越大,表明它们的相容性越 差。本文研究的淀粉-黄原胶体系的衰减黏度随 黄原胶质量分数的变化如图6所示。可见,衰减 黏度基本呈上升趋势,即随着黄原胶质量分数的 増加,衰减黏度值増大。这说明随着黄原胶质量 分数的増加,体系的相容性呈下降趋势,这与上面 讨论的结果是相同的,也与Sikora等[4]观察到的 现象一致。
图6黄原胶质量分数对衰减黏度的影响
3结论
黄原胶的加入对玉米淀粉的糊化特性有很大影 响,使淀粉的糊化温度降低,糊化时间变短,因此黄 原胶对玉米淀粉的糊化有促进的作用。当黄原胶质 量分数较低时,黄原胶与淀粉之间有较强的相互作 用,导致黏度峰值増大,低温50丈时的退减黏度值 也増加。黄原胶对玉米淀粉糊化性能的影响,然而这个混合体系的相容性随着黄原胶添 加量的増加而降低,反映在衰减黏度逐渐増大;当黄 原胶质量分数达到5. 5%,在50丈时出现相分离。 这些结果对于添加黄原胶的淀粉浆料应用工艺具有 重要的参考价值。
由于较低质量分数的黄原胶与淀粉具有相容 性,含有阴离子基团的黄原胶可能对淀粉浆料具有 较好的改性作用,可希望得到较好的浆纱力学性能。
加入黄原胶后引起淀粉在高温和低温下的黏度 増加,不利于淀粉浆液的流动性,但是黄原胶有利于 淀粉糊化,并可改善淀粉浆膜性能,所以如果将黄原 胶降解降低其分子质量以降低体系黏度,可能是淀 粉浆料的良好改性助剂之一。
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