擠壓法制備交聯(lián)木薯淀粉*

李彬，王金鵬，謝正軍，徐學(xué)明，田耀旗，金征宇，夏潔人

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

擠壓法制備交聯(lián)木薯淀粉*

李彬，王金鵬，謝正軍，徐學(xué)明，田耀旗，金征宇，夏潔人

(江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

采用擠壓法研究了三偏磷酸鈉交聯(lián)木薯淀粉的制備工藝。探討螺桿轉(zhuǎn)速、出料溫度、水分質(zhì)量分數(shù)、三偏磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)、NaOH質(zhì)量分數(shù)對交聯(lián)度(即沉降體積)的影響，并對影響因素進行了正交優(yōu)化。優(yōu)化得到影響沉降體積因素的主次順序為螺桿轉(zhuǎn)速＞水分質(zhì)量分數(shù)＞出料溫度＞三偏磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)。適宜工藝條件為:出料溫度110℃，螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，水分質(zhì)量分數(shù)35%，三偏磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)0.8%，NaOH質(zhì)量分數(shù)0.45%。在此交聯(lián)條件下得到的交聯(lián)木薯淀粉的沉降體積可以達到0.62mL。

木薯，交聯(lián)淀粉，三偏磷酸鈉，擠壓，制備

交聯(lián)反應(yīng)是指淀粉的醇羥基與具有二元或多元官能團的化學(xué)試劑形成二醚鍵或二酯鍵，使2個或2個以上的淀粉分子之間“架橋”在一起，呈多維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。交聯(lián)淀粉具有較高的冷凍穩(wěn)定性和凍融穩(wěn)定性。此外，交聯(lián)使淀粉的膜強度提高，膨脹度、熱水溶解度降低，并且交聯(lián)淀粉對熱、酸和剪切力具有較高的穩(wěn)定性，隨交聯(lián)程度的提高，這種影響越大［1－2］。

目前交聯(lián)淀粉生產(chǎn)多采用濕法工藝［3－5］。濕法工藝反應(yīng)均勻、溫和，但濕法生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量廢水，污染環(huán)境，造成廢水處理成本高，并且濕法工藝復(fù)雜，耗時長。為克服濕法工藝中存在的缺陷，Nabeshima等［6－7］采用單螺桿擠壓機研究了三偏磷酸鈉濃度、NaOH濃度和溫度對交聯(lián)木薯淀粉的取代度的影響。Seker等［7－9］采用單螺桿擠壓機研究了三偏磷酸鈉濃度、NaOH濃度及水分含量等對交聯(lián)玉米淀粉的功能特性的影響。擠壓法生產(chǎn)交聯(lián)淀粉，無廢水產(chǎn)生，成本較低，工藝相對簡單，生產(chǎn)周期短。本研究采用雙螺桿擠壓機，選用木薯淀粉為原料，三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑，通過正交實驗探討擠壓法制備木薯交聯(lián)淀粉工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

木薯淀粉，海南瓊京奔鹿淀粉廠;NaOH為分析純;三偏磷酸鈉，食品級。

1.2 儀器

DS32型雙螺桿擠壓機，濟南賽信膨化機械有限公司;離心機，上海安亭科學(xué)儀器廠;梅特勒－托利多AL204電子天平，梅特勒－托利多儀器(上海)有限公司;HH－6數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司。

1.3 方法

1.3.1 交聯(lián)淀粉的制備

稱取700 g淀粉，向其中緩慢加入2% 的三偏磷酸鈉，再加入0.15% 的NaOH，不斷攪拌30 min，加入水分使其最終含量為30%。調(diào)節(jié)擠壓機，使套筒3段溫度分別為50、80、130℃，螺桿轉(zhuǎn)速為 90 r/min，先用500 g淀粉制成的混合原料放入擠壓機內(nèi)清洗擠壓機，待參數(shù)穩(wěn)定后，用剩余的200 g淀粉混合原料進行交聯(lián)反應(yīng)，收集擠出物，放于烘箱內(nèi)30℃干燥至恒重，粉碎得到交聯(lián)淀粉，待測。

為了評價各因素對交聯(lián)淀粉交聯(lián)度的影響，排除因素變化造成的干擾，單因素實驗過程采用的參數(shù)和交聯(lián)淀粉制備過程相同。

1.3.2 交聯(lián)度(沉降積)的測定

據(jù)文獻交聯(lián)度與沉降積呈線性負相關(guān)關(guān)系［10］，即沉降積越小，交聯(lián)度越大，結(jié)構(gòu)性能越強，通常以沉降積的大小來反應(yīng)淀粉的交聯(lián)度，沉降積的測定過程如下:

準(zhǔn)確稱取0.5 g烘干至恒重的樣品于100mL燒杯中，配成2%的懸濁液。將燒杯置于82～85℃水浴中，稍加攪拌，保溫2 min，取出冷卻至室溫。用2支10mL刻度離心管分別準(zhǔn)確倒入l0mL糊液，在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心2 min后，取出離心管，將上清液倒入另1支同樣體積的離心管中，讀出體積，計算沉降體積(SV)。

式中:V為清液的體積。

2 結(jié)果與分析

2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對沉降體積的影響

在700 g淀粉中加入0.15%NaOH粉末(以淀粉干基計)，質(zhì)量分數(shù)為三偏磷酸鈉粉末2%(以淀粉干基計)，水分為30%(以淀粉干基計)，套筒3段溫度分別為50、80、130℃的條件下，不同螺桿轉(zhuǎn)速對沉降體積的影響見圖1。

圖1 螺桿轉(zhuǎn)速對沉降體積的影響

由圖1可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，沉降體積先減小再增大。這是由于隨著螺稈轉(zhuǎn)速的增加，剪切力增大，淀粉糊化度增大，交聯(lián)反應(yīng)加速，導(dǎo)致沉降體積減小。隨著螺稈轉(zhuǎn)速的進一步增加，物料在機筒內(nèi)的滯留時間減短，吸收熱量減少，交聯(lián)反應(yīng)速度下降，導(dǎo)致沉降體積增大［8－10］。因此選擇 110、130、150 r/min為正交實驗的3個水平。

2.2 出料溫度對沉降體積的影響

螺桿轉(zhuǎn)速為90 r/min，除套筒溫度外，其他條件同2.1，不同出料溫度對沉降體積的影響見圖2。

圖2 出料溫度對沉降體積的影響

由圖2可知，隨著出料溫度的增加，沉降體積先減小再增大。這是由于隨著出料溫度的增加，物料能夠更容易的達到熔融態(tài)，分子流動性增加，水和三偏磷酸鈉更容易進入淀粉分子內(nèi)部，提高交聯(lián)反應(yīng)速度，導(dǎo)致沉降體積減小。隨著出料溫度的進一步增加，水分汽化加速，分子流動性減弱，導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)速度下降，沉降體積增大［16］。因此，選擇 90、110、130℃為正交實驗的3個水平。

2.3 水分質(zhì)量分數(shù)對沉降體積的影響

螺桿轉(zhuǎn)速為90 r/min，除水分含量外，其他條件同2.1，不同水分含量對沉降體積的影響見圖3。

圖3 水分含量對沉降體積的影響

由圖3可知，隨著水分含量的增加，沉降體積先減小再增大。這是由于隨著水分含量的增加，會有更多的水分子進入淀粉顆粒，淀粉分子膨脹，使得三偏磷酸鈉和氫氧化鈉更容易進入淀粉顆粒參與反應(yīng)，提高交聯(lián)反應(yīng)速度，導(dǎo)致沉降體積減小。隨著水分含量的進一步增加，降低了反應(yīng)體系的溫度，也降低了體系內(nèi)的摩擦，使得淀粉所受的剪切作用下降，導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)速度下降，沉降體積增大［11，14－15］。因此，選擇25%、30%、35%為正交實驗的3個水平。

2.4 三偏磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)對沉降體積的影響

螺桿轉(zhuǎn)速為90 r/min，除三偏磷酸鈉含量外，其他條件同2.1，不同三偏磷酸鈉添加量對沉降體積的影響見圖4。

圖4 三偏磷酸鈉含量對沉降體積的影響

由圖4可知，隨著三偏磷酸鈉含量的增加，沉降體積先減小再增大。這是由于隨著三偏磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)的增加，會有更多的三偏磷酸鈉分子參與反應(yīng)，提高交聯(lián)反應(yīng)速度，導(dǎo)致沉降體積減小。隨著三偏磷酸鈉含量的進一步增加，反應(yīng)體系的黏度增大，使得淀粉在機筒內(nèi)滯留時間過長，水分汽化嚴重，分子流動性減弱，導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)速度下降，沉降體積增大。因此，選擇0.6%、0.8%、1.0%為正交實驗的3個水平。

2.5 NaOH添加量對沉降體積的影響

螺桿轉(zhuǎn)速為90 r/min，除NaOH含量外，其他條件同2.1，不同NaOH添加量對沉降體積的影響見圖5。

圖5 對沉降體積的影響

由圖5可知，隨著NaOH添加量的增加，沉降體積先減小再增大。這可能是因為，NaOH在反應(yīng)體系中既作為催化劑，又可以使淀粉分子糊化并發(fā)生膨脹，由此，三偏磷酸鈉分子參與反應(yīng)幾率增加，提高交聯(lián)反應(yīng)速度，導(dǎo)致沉降體積減小。隨著NaOH含量的進一步增加，反應(yīng)體系的黏度增大，使得淀粉在機筒內(nèi)滯留時間過長，水分汽化嚴重，分子流動性減弱，導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)速度下降，沉降體積增大。因此，在進行正交實驗時，NaOH含量選擇0.45%［6］。

2.6 正交試驗因素水平設(shè)計

在單因素的基礎(chǔ)上，以沉降體積為指標(biāo)，設(shè)計L9(34)正交試驗。正交試驗方案與結(jié)果見表1。

表1 正交試驗方案與結(jié)果

由表1(R值)可看出，四因素對交聯(lián)淀粉沉降積影響的主次順序為:B(螺桿轉(zhuǎn)速)＞C(水分含量)＞A(出料溫度)＞D(三偏磷酸鈉含量)。因此，在所選擇的試驗范圍內(nèi)，各因素最優(yōu)水平組合應(yīng)為A2B3C3D2。確定擠壓法制備交聯(lián)淀粉的最佳反應(yīng)條件:出料溫度110℃，螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，水分含量35%，三偏磷酸鈉含量0.8%。在該試驗條件下擠壓生產(chǎn)的交聯(lián)木薯淀粉的沉降體積為0.62mL。

3 結(jié)論

以三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑，擠壓法制備交聯(lián)木薯淀粉的過程中，影響沉降積因素的主次順序依次為，螺桿轉(zhuǎn)速＞水分質(zhì)量分數(shù)＞出料溫度＞三偏磷酸鈉質(zhì)量分數(shù)。最佳工藝條件為:出料溫度110℃，螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，水分含量35%，三偏磷酸鈉含量0.8%，NaOH含量0.45%。在該試驗條件下擠壓生產(chǎn)的交聯(lián)木薯淀粉的沉降體積為0.62mL。

擠壓法制備木薯交聯(lián)淀粉，反應(yīng)體系中化學(xué)試劑濃度高，可大大提高反應(yīng)速率，并且工藝相對濕法簡單，縮短反應(yīng)時間，降低成本。并且不產(chǎn)生廢水，降低了成本，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，有著很好的發(fā)展前景。

［1］張燕萍主編.變性淀粉制造與應(yīng)用［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2001:95.

［2］張平，王小林.玉米交聯(lián)淀粉的制備與特性研究［J］.農(nóng)產(chǎn)品加工.學(xué)刊，2006(4):37－39，42.

［3］王瑤，鄔應(yīng)龍.三偏磷酸鈉制備馬鈴薯交聯(lián)淀粉工藝條件的研究［J］.農(nóng)產(chǎn)食品科技，2007，1(3):26－28

［4］李芳良，何建華，麻昌愛.三偏磷酸鈉制備木薯交聯(lián)淀粉的研究［J］.廣西輕工業(yè)，2007(3):18－20.

［5］張德廣，高秀敏，王碩.玉米交聯(lián)淀粉交聯(lián)反應(yīng)條件研究［J］.中國食品工業(yè)，2009(2):58－59.

［6］Nabeshima E H，Grossamnn.M V E.Functional propertiesof pregelatinized and cross-linked cassava starch obtained by extrusion with sodium trimetaphosphate［J］.Carbohydrate Polymers，2001(45):347－353.

［7］Mahmut Seker，Hasan Sadikoglu，Murat Ozdemir，et al.Cross-linking of starch with reactive extrusion and expansion of extrudates［J］.International Journal of Food Properties，2003，6(3):473–480.

［8］Mahmut Seker，Milford A.Hanna.Cross-linking starch at various moisture contents by phosphate substitution in an extruder［J］.Carbohydrate Polymers，2005(59):541 –544.

［9］Mahmut Seker，Milford A.Hanna.Sodium hydroxide and trimetaphosphate levels affect properties of starch extrudates［J］.Industrial Crops and Products，2006(23):249 –255.

［10］劉亞偉.玉米淀粉生產(chǎn)及轉(zhuǎn)化技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［11］Burros B C，Young L A，Carroad P A.Kinetics of corn meal gelatinization at high temperature and low moisture［J］.Journal of Food Science，1987(52):1 372 –1 380.

［12］張裕中，王景.食品擠壓加工技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，1998.

［13］劉恬，袁信華，過世東.雙螺桿擠壓生產(chǎn)蝦飼料的工藝參數(shù)研究［J］.中國糧油學(xué)報，2009，24(4):93－97.

［14］侯漢學(xué)，張錦麗，董海洲，邱立忠，等.國內(nèi)外干法變性淀粉研究進展［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2004，30(12):98－100.

［15］劉鳳茹，張燕萍.擠壓法制備的硬脂酸玉米淀粉酯的性質(zhì)研究［J］.糧食與飼料工業(yè)，2009(8):15－17.

Study on Preparation of Cross-linked Cassava Starch by Extrusion Technology

Li Bin，Wang Jin-peng，Xie Zhen-jun，Xu Xue-ming，Tian Yao-qi，Jin Zheng-yu，Xia Jie-ren
(State Key Laboratory of Food Science and Technology，School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

The preparation of cassava cross－linked starch using sodium trimetaphosphate as the cross－linking agent by extrusion was studied.Effects of screwing speed，reaction temperature，moisture content，content of sodium trimetaphosphate and sodium hydroxide on degree of cross－linking were studied.After the optimization operation，the most significant factor for sedimentation volume was the screwing speed，followed by moisture content，barrel temperature，and sodium trimetaphosphate.The optimum technology conditions are:barrel temperature 110 ℃，screwing speed 150 r/min，moisture content 35%，sodium trimetaphosphate content 0.8%，sodium hydroxide content 0.45%.Under this cross－linking condition，the sedimentation volume of cross－linked cassava starch reached to 0.62mL.

cassava，cross-linked starch，sodium trimetaphosphate，extrusion，preparation

碩士研究生(金征宇教授為通訊作者，E-mail:jinlab2008@yahoo.com)。

*國家自然科學(xué)基金(20976070);江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009069)資助

2010－06－09，改回日期:2010－09－13