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1、1几种淀粉的特性黏度与黏度特性的关系研究食品科学与工程 0601 刘艳英 指导教师：刘勤生内容摘要：本实验主要研究玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉的特性黏度与黏度特性的关系，另外采用 射线对淀粉进行不同辐照剂量处理，得到性能不同的变性淀粉，以扩大其应用领域。实验结果表明：同一种淀粉，辐照淀粉的特性黏度相比原淀粉降低了；不同来源淀粉，特性黏度值的大小关系为，红薯淀粉马铃薯淀粉玉米淀粉。不同来源淀粉糊的黏度曲线及黏度特性有差异，马铃薯淀粉糊化温度最低，黏度上升快，峰值黏度最大；玉米淀粉的热稳定性明显高于马铃薯淀粉和红薯淀粉；马铃薯淀粉的老化性与红薯淀粉的相近，但比玉米淀粉的弱；三种淀粉均表现出优良的
2、冷稳定性。马铃薯辐照淀粉与原淀粉相比，峰值黏度降低，冷稳定性减弱；老化性的强弱，没有出现规律性变化； 10KGy 辐射剂量的马铃薯淀粉与酸变性马铃薯淀粉的各种黏度特性都十分接近。三种淀粉糊均属于非牛顿型假塑性流体，具有剪切稀化现象。关键词：淀粉；辐照；特性黏度；淀粉糊化；黏度特性1 导言1.1 课题研究的目的与意义淀粉是绿色植物进行光合作用的最终产物,是由生物合成的最丰富的可再生资源，是取之不尽、用之不竭的廉价有机原料。它的可再生性是现代人注目的焦点，同时也成为现代有机化工和高分子化工的主要原料之一。淀粉及淀粉化学品与不可再生资源石油和煤相比，已再次由于环境保护及资源的可持续利用与发展的战略，
3、使人们的目光转向可再生资源，对它的开发和利用，已引起许多国家的重视。淀粉及淀粉化学品具备毒性低、易生物降解、同环境适应性好等特点。同时随着人们生活水平的提高，对化工产品在品种和质量上提出了更高的要求，向着低毒、天然产品方向发展。由此，目前淀粉及淀粉化学品已广泛用于造纸丁业、日用化工、纺织工业、石油工业、食品、建材、印染、皮革、水处理、水土保持等国民经济的众多领域。淀粉化学品在发达国家已发展成完整的工业体系。我国淀粉深加工也开始起步，研究开发工作近年来呈迅速发展之势，已逐步形成一类独特的具有行业和技术特点的体系。本课题主要研究玉米淀粉、马铃薯淀粉、红薯淀粉的特性黏度与黏度特性的关系，另外通过辐照
4、得到性能不同的变性淀粉，一方面为开展辐照淀粉的研究提供数据支持，另一方面拓宽对淀粉资源的综合开发与利用，使其具有更重要的意义。1.2 课题研究的背景1.2.1 淀粉的一般分布淀粉在自然界中分布很广，是高等植物中常见的组分，也是碳水化合物贮藏的主要形式。在大2多数高等植物的所有器官中都含有淀粉，这些器官包括叶、茎（或木质组织） 、根（或块茎） 、球茎（根、种子） 、果实和花粉等。除高等植物外，在某些原生动物、藻类以及细菌中也都可以找到淀粉粒。植物绿叶利用日光的能量，将二氧化碳和水变成淀粉，绿叶在白天所生成的淀粉以颗粒形式存在于叶绿素的微粒中，夜间光合作用停止，生成的淀粉受植物中糖化酶的作用变成单
5、糖渗透到植物的其他部分，作为植物生长用的养料，而多余的糖则变成淀粉贮存起来，当植物成熟后，多余的淀粉存在于植物的种子、果实、块根、细胞的白色体中，随植物的种类而异，这些淀粉叫作贮藏性多糖。1.2.2 淀粉的分类淀粉的品种很多，一般按来源分为如下几类 1：(1) 禾谷类淀粉 这类原料主要包括玉米、米、大麦、小麦、燕麦、荞麦、高粱和黑麦等。淀粉主要存在于种子的胚乳细胞中，另外糊粉层、细胞尖端即伸入胚乳淀粉细胞之间的部分也含有极少量的淀粉，其他部分一般不含淀粉，但有例外，玉米胚中含有大约 25的淀粉，籽粒中淀粉含量 60-70%，大约占碳水化合物总量的 90%左右。淀粉工业主要以玉米为主。针对玉米的
6、特殊用途，人们开发了特用型玉米新品种，如高含油玉米、高含淀粉玉米、蜡质玉米等，以适应工业发展的需要。(2) 薯类淀粉 薯类是适应性很强的高产作物，在我国以甘著、马铃薯和木薯等为主。主要来自于植物的块根(如甘薯、木薯、葛根等 )、块茎(如马铃薯、山药等)。薯类中淀粉含量一般为 10-30%。淀粉工业主要以木薯、马铃薯为主。(3) 豆类淀粉 这类原料主要有蚕豆、绿豆、豌豆和赤豆等，淀粉主要集中在种子的子叶中。豆类中淀粉含量也很高，大约为 30-50%，这类淀粉直链淀粉含量高，一般用于制作粉丝的原料。(4) 其他淀粉 植物的果实(如香蕉、芭蕉、白果等 )、基髓(如西米、豆苗、菠萝等) 等中也含有淀粉
7、。另外，一些细菌、藻类中亦有淀粉或糖元(如动物肝脏 )，一些细菌的贮藏性多糖与动物肝脏中发现的糖元相似。1.2.3 淀粉的结构淀粉是高分子碳水化合物，呈白色粉末状，在显微镜下观察，是一些形状和大小都不同的透明小颗粒，其基本结构为 D-葡萄糖，葡萄糖脱去水分子后经由糖苷键连结在一起所形成的共价聚合物就是淀粉分子。淀粉是由 -D-葡萄糖组成的多糖高分子化合物，游离葡萄糖分子式为 C6H10O5 ，因此，淀粉分子式可写成(C 6H10O5)n。组成淀粉的主要有两种类型的分子，呈直链和分支两种结构，分别称为直链淀粉和支链淀粉。不同来源和种类的淀粉中，两种分子的含量和比例不同 1，表 1-1 给出了部分
8、原淀粉的支链淀粉含量，这也是不同淀粉之间性质存在差异的原因之一。表 1-1 部分原淀粉的支链淀粉含量淀粉来源 支链淀粉含量% 淀粉来源 支链淀粉含量%玉米 73 糯米 1003黏玉米 100 小麦 73高粱 73 马铃薯 80蜡质高粱 100 木薯 83稻米 81 甘薯 82资料来源：赵凯.淀粉非化学改性技术M.北京：化学工业出版社，2008：13直链淀粉是一种线性多聚物，以脱水葡萄糖单元间经 -1,4 糖苷键连接而成的链状分子，见图1-1。支链淀粉属高分支化型态分子，分支点 -1，6 糖苷键约占 5%6%连接，主链及分子链皆为-1， 4 糖苷键 2，见图 l-2。支链淀粉分子中的侧链分布并不
9、均匀，有的很近，只相隔 1 个到几个葡萄糖单位，有的较远，相隔 40 个葡萄糖单位以上。图 1-1 直链淀粉的分子结构资料来源:刘亚伟.玉米淀粉生产及转化技术M. 北京：化学工业出版社，2003:155图 1-2 支链淀粉的分子结构资料来源：刘亚伟.玉米淀粉生产及转化技术M. 北京：化学工业出版社，2003:157直链淀粉和支链淀粉在若干性质方面存在着很大差别。直链淀粉与碘液能形成螺旋络合物结构，呈现蓝色，常用碘液检定淀粉，便是利用这种性质；支链淀粉与碘液呈现红紫色。直链淀粉与碘呈现颜色与其分子链长度有关。直链淀粉在高温下形成极不稳定的溶液，冷却时形成沉淀或凝结成不可逆的凝胶体。支链淀粉在水中
10、形成的溶液，黏度高，稳定性大，经久不发生凝沉，也不凝结成凝胶体。因此，含直链成分多的淀粉凝胶力强，黏度较低；含支链成分多的淀粉凝胶力弱，黏度较高。1.2.4 淀粉的糊化糊化的本质是水分子进入淀粉粒中，结晶相和无定形相的淀粉分子之间的氢键断裂，破坏了淀粉分子间的缔合状态，分散在水中成为亲水性的胶体溶液。糊化分为三个阶段：第一，可逆吸水阶段，淀粉颗粒产生有限膨胀；第二，不可逆吸水阶段，温度加热到糊化温度，淀粉粒不可逆的迅4速吸收大量水分，颗粒突然膨胀，此时，外界热使氢键断裂破坏了分子间的缔合状态，双螺旋伸直形成分离状态，破坏支链淀粉的晶体结构。比较小的直链淀粉从颗粒中渗出，黏度大为增加，淀粉乳变为
11、粘稠的糊状液体，透明度增加。第三，高温阶段，淀粉糊化后，继续加热，微晶束相应解体，变成碎片，最后只剩下最外面的一个环层，即不成形的空囊，淀粉糊的黏度继续增加 3。不同的淀粉，糊化温度不同，见表 1-2。淀粉糊化这个性质，使淀粉容易在加热过程中糊锅，使其在糖果制造中受到了一定的限制。表 1-2 部分淀粉的糊化温度淀粉 糊化开始温度 糊化中点温度 糊化完成温度玉米 62 67 72马铃薯 58 63 68小麦 58 61 64木薯 59 64 69高粱 68 74 78大米 68 74 78甘薯 58 65 72资料来源：刘亚伟.玉米淀粉生产及转化技术M. 北京：化学工业出版社，2003:1631
12、.3 变性淀粉的概述1.3.1 变性淀粉的定义及作用变性淀粉是指在淀粉具有的固有特性基础上，为改善其性能和扩大应用范围，而利用物理方法、化学方法和酶法改变淀粉的天然性质，增加其性能或引进新的特性而制备的淀粉衍生物 4。变性淀粉具有更优良性质，对一些旧的应用，效果更好。例如，次氯酸钠氧化淀粉的颜色洁白，糊化容易，黏度低而稳定，胶粘力强，凝沉性弱，成膜性好，膜强度、透明度和水溶性都高，更适于造纸和纺织工业版用，效果优于原淀粉。阳离子淀粉具有阳性电荷，能更好地被带阴电荷的纤维吸着，在造纸和纺织工业应用效果优过原淀粉。若干变性淀粉具有新的优良性质，开辟了新用途。例如，羟乙基淀粉代替血浆；高度交联淀粉用
13、作橡胶制品润滑剂代替滑石粉。淀粉接枝共聚物具有天然和人工合成二类高分子性质，为新型材料，开辟了新的用途。淀粉与丙烯腈接枝共聚物为强吸水剂，在工农业中用途广泛。以上绝大部分新应用是天然淀粉所不能满足或不能同时满足的，因此要变性。变性主要是改变糊化和蒸煮特性，主要是改变如下性质。(1)糊化温度 解聚使糊化温度（GT）下降；非解聚中GT 有升高也有下降，一般在淀粉结构中引进亲水团如OH、COOH、CH 2COOH，可增加淀粉水分子与水的作用，使 GT增加。高直链淀粉结合紧密，晶格能高，较难糊化。(2)淀粉糊的热稳定性 一般谷类的热稳定性大于薯类；通过接枝或衍生某些基团，从而改变基团大小或架桥，可使淀
14、粉的热稳定性增加。(3)淀粉糊的冷稳定性 淀粉结构中接些亲水化学基团，造成空间障碍，分子不易重排。另外亲水基团的引入使亲水作用增强，强化了与水的结合力，使淀粉脱水作用下降。(4)抗酸的稳定性 尽可能使淀粉改变结构成为网状结构，使淀粉能耐 pH值3-3.5的酸性。5(5)抗剪切力 一般抗酸的淀粉也抗剪切力。(6)复合改性 具有多功能性。1.3.2 变性淀粉的分类目前，变性淀粉的品种、规格达两千多种，变性淀粉的分类一般是根据处理方式来划分的。(1) 物理变性 预糊化淀粉、射线、超高频辐射处理淀粉、机械研磨处理淀粉、湿热处理淀粉等。(2) 化学变性 用各种化学试剂处理得到的变性淀粉。其中有两大类；一
15、类是使淀粉分子量下降，如酸解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊精等；另一类是使淀粉分子量增加，如交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等。(3) 酶法变性(生物改性 ) 各种酶处理淀粉。如、环状糊精、麦芽糊精、直链淀粉等。(4) 复合变性 采用两种以上处理方法得到的变性淀粉。如氧化交联淀粉、交联酯化淀粉等。采用复合变性得到的变性淀粉具有两种变性淀粉的各自优点 5。1.3.3 辐照变性淀粉1.3.3.1 辐照对淀粉改性的原理辐照技术采用的辐射线为X射线、 射线、高速电子束射线。其中以 60Co-射线最为常见。辐射时能量以电磁波的形式透过物体，物质中的分子吸收辐射能时，会激活成离子或自由基，引起化学键的破裂，
16、使物质的结构发生改变。辐照对淀粉的作用主要以两种方式进行：一是通过射线的辐射直接作用于淀粉分子；二是通过射线电离引发淀粉分子产生自由基，间接地对淀粉分子产生作用。作用的结果使淀粉分子的结构遭到破坏，物理性质和化学性质发生改变。1.3.3.2 辐照对淀粉性质的影响 使淀粉降解淀粉在辐照的过程中，总是使分子量降低、链长减小引起各种理化性质的改变。直链淀粉20KGy辐射后平均聚合度从1700降到了350，直链淀粉的平均长度不大于 15个葡萄糖单位；用30KGy辐射后，马铃薯淀粉的平均聚合度为43。 对糊性质的影响玉米淀粉在辐射剂量为1000KGy照射后，其膨润力消失，能完全溶于冷水中。小麦淀粉在3KGy低剂量辐射后，淀粉糊的峰值黏度降低、淀粉粒的破损值增加，其淀粉中直链淀粉和支链淀粉的特性黏度降低。大米淀粉在12.5KGy辐射后，黏度明显下降。 对淀粉对酶敏感度的影响经2KGy辐射后
