水热处理对香沙芋淀粉理化特性的影响.docx
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水热处理对香沙芋淀粉理化特性的影响
南阳理工学院
本科毕业生论文
学院:
生物与化学工程学院
专业:
食品科学与工程
学生:
指导老师:
完成日期2014年5月
南阳理工学院本科生毕业论文
水-热处理对香沙芋淀粉理化特性的影响
EffectofHydrothermalTreatmentonthePhysicochemicalPropertiesofXiangshaTaroStarch
总计:
毕业论文19页
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南阳理工学院本科毕业论文
水-热处理对香沙芋淀粉理化特性的影响
EffectofHydrothermalTreatmentonthePhysicochemicalPropertiesofXiangshaTaroStarch
学院:
生物与化学工程学院
专业:
食品科学与工程
学生姓名:
学号:
指导教师(职称):
评阅教师:
完成日期:
2014年5月18日
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
水-热处理对香沙芋淀粉理化性质的影响
[摘要]本文以香沙芋淀粉为实验材料,分别研究在不同的处理温度、时间和水分含量条件下湿热处理和韧化处理对香沙芋淀粉理化性质的影响。
实验结果表明:
经湿热处理和韧化处理后的香沙芋淀粉的溶解度、膨胀度和透明度都低于原淀粉。
随着处理温度升高、处理水分含量增加,抗性淀粉含量增大,延长湿热处理时间,抗性淀粉含量先增加后减少。
而韧化处理后淀粉的抗性淀粉含量明显提高。
随着韧化处理时间延长,抗性淀粉含量增加,升高处理温度或者增大水分含量,抗性淀粉含量先增加后减少。
[关键词]香沙芋淀粉;湿热处理;韧化处理;抗性淀粉
EffectsofHydrothermalTreatmentonthePhysicochemicalPropertiesofXiangshaTaroStarches
FoodScienceandEngineeringQUFan-rui
Abstract:
Thispapertookxiangshatarostarchastheexperimentalmaterial.Itfocusedonstudyingheat-moisturetreatment(HMT)andannealingtreatmentindifferentconditions,liketemperature,timeandwatercontent.Thentheinfluenceofthesevariablesonphysicochemicalpropertiesoftarostarchwouldbeconsidered.Theexperimentalresultsshowedthatthetarostarchmadebyheat-moisturetreatmentandannealingtreatmentwaslowerthanoriginalstarchinsolubility,expansiondegreeandtransparency.Withtheincreaseoftreatmenttemperature,watercontentincreased,sodidtheresistantstarchcontent.WhenHMTtimewasprolonged,theresistantstarchcontentincreasedfirstandthendecreased.Resistantstarchcontentincreasedapparentlyafterannealingtreatment.Withtheprolongedofprocessingtime,theresistantstarchcontentincreased.Whenannealingtreatmenttemperatureincreasedorthewatercontentincreased,theresistantstarchcontentincreasedfirstandthendecreased.
Keywords:
Xiangshatarostarch;heat-moisturetreatment(HMT);annealingtreatment;resistantstarch
目录
1前言1
1.1香沙芋淀粉及其改性淀粉简介1
1.1.1香沙芋淀粉简介1
1.1.2改性淀粉简介1
1.2水-热处理改性方法的分类2
1.3湿热处理研究现状2
1.4韧化处理研究现状3
1.5本课题研究的内容及目的意义4
2材料与方法5
2.1材料与仪器5
2.1.1试验材料5
2.1.2主要仪器与设备5
2.2方法5
2.2.1淀粉湿热处理方法5
2.2.2淀粉韧化处理方法6
2.2.3溶解度和膨胀度测定7
2.2.4透明度测定7
2.2.5抗性淀粉含量测定7
3结果与讨论8
3.1湿热处理对香沙芋淀粉理化特性的影响8
3.1.1湿热处理对淀粉溶解度和膨胀度的影响8
3.1.2湿热处理对淀粉透明度的影响11
3.1.3湿热处理对抗性淀粉含量的影响12
3.2韧化处理对香沙芋淀粉特性的影响14
3.2.1处理温度对淀粉性质的影响14
3.3.2处理时间对淀粉性质的影响15
3.3.3水分含量对淀粉性质的影响15
4结论17
参考文献18
致谢19
1前言
1.1香沙芋淀粉及其改性淀粉简介
1.1.1香沙芋淀粉简介
香沙芋是多子芋类中的迟熟高产优质品种,是靖江市传统特色农产品之一,具有粮菜兼用、营养丰富的特点与优势。
香沙芋芋头品种营养丰富,口感细腻,块茎中的淀粉含量达70%,还有人体必需的维生素和矿物养分。
产品有一股独特香味,具有抑制细胞异常增生、护齿、调节补气、消痈散结等功效,素有“芋粟”之美称[1]。
香沙芋淀粉不仅为人类提供能量,而且作为一种重要的工业原料,被广泛应用于食品、化工、纺织及建材等行业,比如:
陶瓷、农药、造纸、印染、化肥、胶卷、浆料、纺织、腊肠加工等等[2]。
但是在生产的过程中,由于新工艺、新技术的引入,以及淀粉自身的缺点使其适用性受到了限制,因此有必要对其进行改性。
1.1.2改性淀粉简介
在天然淀粉所具有的固有特性基础上,为改善天然淀粉的性能和扩大应用范围,利用物理、化学或酶处理法的手段,改变天然淀粉的原有性质,增加其某些功能性或者新的特性,使其更适合于一定应用的要求,这种经过二次加工,改变了性质的天热淀粉就是改性淀粉[3]。
一般根据淀粉改性的处理方式,将改性方法分为物理改性、化学改性、酶法改性和复合改性四类。
物理改性包括预糊化淀粉、γ射线、超高频辐射处理淀粉、机械研磨处理淀粉和水热处理淀粉等。
化学改性是用化学试剂对淀粉进行处理,主要可以生产两大类改性淀粉。
一类是使淀粉分子量下降的改性淀粉,包括酸降解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊精等;酸解淀粉一般用粘度或分子量来评价水解程度。
粘度越低、分子量越小,水解程度越高。
氧化淀粉一般用羧基、羰基和双醛含量来评价其氧化程度。
一般羧基、羰基和双醛含量越高,表明氧化程度越高。
另一类是使分子量增加的改性淀粉,包括交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等。
接枝淀粉用接枝百分率来评价接枝程度。
交联淀粉则用膨胀度或沉降体积来表示交联程度。
溶解度或沉降体积越小,表示交联程度越高;酯化淀粉和醚化淀粉一般用取代度或摩尔取代度来表示酯化程度,取代度或摩尔取代度的值越大,表示酯化程度越高。
酶法改性是用各种酶制剂来处理淀粉。
包括α、β、γ-环状糊精、麦芽糊精、直链淀粉等。
麦芽糊精的评价指标为DE值(dextroseequivalentvalue),即还原糖含量占总固形物的比例。
DE值越高,酶解程度越高。
复合改性是采用两种或者两种以上的方法对淀粉进行改性。
如氧化交联淀粉、交联酯化淀粉等。
复合改性淀粉具有两种改性淀粉各自的优点。
经化学改性后,淀粉糊的透明度提高、糊勃度增大且稳定性提高、抗酸、抗碱能力改善,因而化学改性技术应用的最多[4],但是由于在其改善的过程中要改变原淀粉的化学结构或者引人新的基团,需要使用化学试剂,因此,化学改性淀粉在使用前,人们一般会对其安全性进行评价,而物理改性技术则不存在这些问题,它无化学集团的引入,只是热和水的作用,因此更为绿色,能满足现代工业的需求。
1.2水-热处理改性方法的分类
淀粉的水热处理是在水和热的共同作用下,对淀粉进行改性的过程。
水热处理作为物理改性淀粉的一种方法,由于在处理过程中仅涉及到水和热,因此既不会对环境造成任何污染,又使得产品的安全性远高于化学改性淀粉,因此水热处理改性淀粉技术是清洁生产和制造绿色食品的一个重要手段。
按照处理时淀粉乳的水分含量及处理温度的不同,淀粉的水-热处理一般分为以下几类。
(1)淀粉的湿热处理(Heat-MoistureTreatment,HMT),指淀粉在低水分含量下的热处理过程,一般水分含量在10%-30%,处理温度一般较高(90-120℃),其对淀粉物性的影响取决于淀粉的来源、种类及改性处理条件[5]。
(2)淀粉的韧化(Annealing)处理,一般在过量水分含量(大于60%)或者中等水分含量(40%)的条件下,以低于淀粉糊化温度而高于玻璃态转化温度的条件对淀粉进行的一种热处理过程[6]。
(3)常压糊化处理(Gelatinizing),这是最常见的水热处理形式,即在过量的水分条件下,高于淀粉的糊化温度,对淀粉进行处理,这个过程使淀粉充分糊化,可用于生产预糊化淀粉或直接将糊化后的淀粉进行应用[7]。
(4)淀粉的压热处理(Autoclaving),淀粉的压热处理是在加压或者减压的条件下对淀粉进行的热处理过程[8]。
与湿热处理不同的是,压热处理一般是对淀粉在过量水分条件下进行的。
1.3湿热处理研究现状
20世纪30年代,研究者做了第一个热液实验,在低于糊化温度的温度下处理淀粉乳(水过量)。
随后,同样在低于糊化温度的情况下,研究者又对半干淀粉进行了处理。
之所以作这些研究,是由于当时玉米很短缺,研究者希望通过这种方法处理马铃薯淀粉以形成可压膜的胶体,以替代玉米淀粉。
人们第一次认识到在不损坏淀粉颗粒结构的情况下,通过控制温度和淀粉的含水量以及加热处理时间就可以改变淀粉的物理化学性质等,并起名为热液处理[9]。
根据条件的不同,热液处理又可分为热处理和湿热处理。
湿热处理是淀粉在低水分含量(不大于30%),在一定的温度范围(高于玻璃化转变温度但低于糊化温度)下的热处理过程。
淀粉乳调节水分到一定含量,平衡一段时间后,在高温保温一段时间。
由于热的作用,使支链淀粉的α-1,6键断裂,分子发生了降解,整个淀粉颗粒内小分子数量增加,淀粉的骨架结构受到破坏,双螺旋结构断裂或解旋,在湿热处理过程中淀粉颗粒内的小分子中,发生直链-直链淀粉、直链-支链淀粉、支链-支链淀粉之间的相互作用,使得原本杂乱无章的淀粉分子链在冷却的过程中发生折叠卷曲,分子链上的轻基发生相互作用,形成氢键,形成新的不同稳定性晶体[10]。
国外对湿热处理的研究比较早,现在已经取得了较好的成果。
他们不仅从淀粉糊等宏观方面了解湿热处理对淀粉性质的影响,而且从淀粉的颗粒、分子内部结晶结构的变化等微观方面探讨湿热处理对淀粉性质影响的实质。
国内在湿热处理方面的研究还不够成熟[11],虽然很多研究者对湿热处理改性淀粉进行了很多研究,对其机理也进行了探讨,但还有很多无法准确解释的现象,这些问题的解决还需要更多的研究者利用更先进的分析仪器才能完成。
目前国内外对淀粉的水-热处理的研究,主要包括水-热处理后,淀粉的颗粒形态及糊化性质的变化,对于引起变化的原因也有报道,淀粉改性技术研究在我国刚刚起步。
随着我国经济的增长,工业生产不断扩大,改性淀粉的需求量也将不断增加。
改性淀粉是很多石油化工产品的替代品,石油的逐渐减少,势必给改性淀粉带来发展空间。
研究其对淀粉改性的过程,对于扩大淀粉的应用,推动淀粉的深加工,缩小我国与国外的差距,拥有自主知识产权,具有重要的现实意义,目前其市场前景是非常广阔的。
1.4韧化处理研究现状
淀粉的韧化(Annealing)处理,一般在过量水分含量(大于60%)或者中等水分含量(40%)的条件下,以低于淀粉糊化温度而高于玻璃态转化温度的条件下保持一段时间所引起的淀粉结构及性质改变。
韧化处理可以不同程度的改变淀粉的结构和功能特性,且这种处理方式不会产生有害化学物质及其基因改变,因此韧化技术的研究与发展对于淀粉哉食品及化学行业中的广泛应用起到非常重要的作用。
关于韧化对淀粉结构与性质影响的研究目前已取得了可喜的成果,但是天然生物大分子淀粉颗粒的空间结构及葡萄糖链成分是非常复杂的,且严重依赖与淀粉品种、生长环境及产后贮藏条件等,因此淀粉韧化条件具有显著的特异性[12]。
其次淀粉颗粒是一种结晶区和无定形区的共存体,结晶区的熔融受制于无定形区的流动性,韧化过程中,无定形区吸水塑化,随着温度升高流动性增强,一旦温度和时间控制不当,无定形区流动性达到一定程度就会牵动晶体区双螺旋链解聚,导致淀粉颗粒结晶度下降,出现糊化现象,这也是目前两步及多步韧化法难以应用的原因。
以往对韧化处理的研究主要是进行一个循环,为了更深入的了解韧化处理的过程,研究者还进行了两次和多次韧化处理。
目前,国外主要集中在对谷物淀粉和薯类淀粉的韧化处理研究,对豆类淀粉的研究较少[13]。
但由于淀粉颗粒比较复杂和研究技术的限制,对结构与性质的关系也不清楚。
在我国,对淀粉韧化处理的研究还很少。
总之,随着对韧化变性机理及方法研究的不断深入,该技术必将为淀粉及淀粉类食品和化学工业的发展起到巨大推动作用。
1.5本课题研究的内容及目的意义
韧化处理和湿热处理都能改变淀粉的理化特性,但是不破坏淀粉的颗粒结构。
这两种处理方法都对处理时间、处理温度和水分含量有要求,但是湿热处理是在高温和低水分含量下的处理,韧化处理是在高水分含量和相对较低的温度下进行的处理[14]。
湿热处理后淀粉的溶解度、膨胀度、结晶结构破坏、直链淀粉脂质复合物形成、对敏感性等根据处理的条件的不同有差别。
韧化处理通过改变淀粉微晶及淀粉链的相互作用,使淀粉的理化特性发生了变化[15]。
湿热处理和韧化处理后淀粉的稳定性增强,淀粉回生程度下降,可以应用于罐头食品或冷冻食品中。
湿热处理和韧化处理后,淀粉的溶解度和膨胀度降低,热稳定性增加,可应用于面条生产。
由此可以看出湿热处理和韧化处理是目前重要的物理改性方法,有广阔的空间。
淀粉作为葡萄糖的聚合物,从淀粉食品中获取热能是经济合理的选择。
但原淀粉由于其在体内消化速率过快并且易导致餐后血糖迅速升高,属于高血糖指数食品,不适合被一些特殊人群长期食用。
但是原淀粉对食品口感和质构的调整效果却往往是其他原料所不能替代的,因此需要对其进行改性处理,改善其消化吸收速度,增强营养价值[16]。
目前淀粉改性主要是以化学改性为主,通过适当改性处理而得变性淀粉大多具有糊透明度高、糊化温度低、淀粉糊勃度大且稳定性好、凝沉性小、成膜性优、抗冻性能强及耐酸、耐碱和耐机械性强等许多优良特性,可广泛应用于食品、饲料、医药、造纸、纺织、日化及石油等行业[17]。
但淀粉在化学改性的过程中,需要加入化学试剂,那么在食品的应用中,就需要对它的安全性进行评价。
而水热处理主要是水和热对淀粉进行改性,是一种清洁的生产方式,另一方面,在改性后淀粉产品无化学试剂残留,在保障产品性能的同时,提高了产品的安全性。
因此,对淀粉的物理改性技术,是淀粉改性的发展趋势。
2材料与方法
2.1材料与仪器
2.1.1试验材料
香沙芋淀粉:
购自万德隆超市;
葡萄糖:
天津市巨星圣源化学试剂有限公司;
酒石酸钾钠:
天津市科密欧化学试剂有限公司;
氢氧化钠:
天津市科密欧化学试剂有限公司;
苯酚:
天津市巨星圣源化学试剂有限公司;
亚硫酸氢钠:
天津市德恩化学试剂有限公司;
3,5一二硝基水杨酸(DNS):
天津市德恩化学试剂有限公司;
均为分析纯试剂。
2.1.2主要仪器与设备
DHG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱,上海精宏实验设备有限公司;
Spectrum721型可见分光光度计,上海光谱仪器有限公司;
ESJ200-4电子天平,沈阳龙腾电子有限公司;
SHA-C恒温振荡水浴锅,常州国华电器有限公司;
KDC-40低速离心机,科大创新股份有限公司中佳分公司。
2.2方法
2.2.1淀粉湿热处理方法
取一定量普通香沙芋淀粉置于丝口玻璃瓶中,加入适量蒸馏水以调整水分含量至设计水平,在加水过程中不断搅拌以使淀粉与水混匀。
将玻璃瓶密封,室温下放置24h待淀粉水分平衡后,将玻璃瓶置于干燥箱中,按试验设计方案进行湿热处理(表1)。
待湿热处理完毕后,自然冷却,粉碎,过100目筛,备用。
表1香沙芋淀粉的湿热处理方案
序号
水分含量/%
温度/℃
时间/h
1
30
90
12
2
30
105
12
3
30
120
12
4
30
90
6
5
30
90
12
6
30
90
18
7
20
90
12
8
30
90
12
9
35
90
12
2.2.2淀粉韧化处理方法
称取一定量的香沙芋淀粉样品置于离心管中,加入适量蒸馏水,调整水分含量至设计水平,震荡混匀。
随后将离心管置于震荡水浴锅中,按试验设计的时间和温度分别进行韧化处理(表2),震荡速度180r/min,待韧化处理完毕后于3000r/min离心10min倒去上清液,将沉淀淀粉用蒸馏水清洗2次,在30℃下风干,过100目筛网,收集筛下物备用。
表2香沙芋淀粉韧化处理方案
序号
水分含量/%
温度/℃
时间/h
1
75
35
24
2
75
45
24
3
75
55
24
4
75
45
12
5
75
45
24
6
75
45
36
7
65
45
24
8
75
45
24
9
85
45
24
2.2.3溶解度和膨胀度测定
称取0.5g湿热处理后的样品,放入45mL离心管中,加入40mL蒸馏水,振荡后分别于55、65、75、85、90℃振荡水浴30min,取出冷却至室温,3000r/min离心15min。
倒出上清液,在130℃下干燥至恒重。
式中:
—溶解度;
—膨胀度;
一上清液中溶出物质量,g;
—样品千重,g;
一离心管中沉淀物质量,g。
2.2.4透明度测定
配制质量浓度为0.01kg/L淀粉乳,在沸水浴中加热搅拌30min,并不时加入煮沸蒸馏水以保持淀粉糊原有质量,然后冷却至室温。
以蒸馏水为空白,在620nm下测定淀粉糊的透光率。
2.2.5抗性淀粉含量测定
采用TSA法测定。
葡萄糖标准曲线的制备:
葡萄糖标准溶液和水以一定比例混合,配成不同梯度的标准溶液(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mg/mL),随后加入1.5mLDNS,沸水浴5min,冷却,定容至20mL,以空白调零,在540nm下测取吸光度,建立吸光度Y与葡萄糖含量x的回归方程。
由水解液中还原糖含量计算抗性淀粉含量:
式中:
一抗性淀粉含量;
一样品中还原糖含量,mg;
一空白中还原糖含量,mg;
一定容体积,mL;
一测定时取用液的体积,mL;
一样品干重,g。
3结果与讨论
3.1湿热处理对香沙芋淀粉理化特性的影响
3.1.1湿热处理对淀粉溶解度和膨胀度的影响
(1)处理温度对香沙芋淀粉特性的影响
固定湿热处理淀粉水分含量为30%,处理时间为12h,处理温度设为90℃、105℃、120℃三个水平,研究湿热处理温度对香沙芋淀粉溶解度和膨胀度的影响,结果如图1、图2。
由图可知:
随着温度的升高,香沙芋淀粉及经过湿热处理改性过的淀粉的溶解度和膨胀度均呈上升趋势。
湿热处理对香沙芋淀粉的溶解度和膨胀度有影响,经过处理后的变性淀粉,其溶解度和膨胀度都低于原淀粉,在大于75℃后溶解度差异明显,膨胀度则是大于65℃后差异较大。
图1处理温度对溶解度的影响
图2处理温度对膨胀度的影响
(2)处理时间对香沙芋淀粉特性的影响
固定湿热处理淀粉水分含量为30%,处理温度为90℃,设计处理时间为6h、12h、18h三个水平,分析湿热处理时间对淀粉溶解度和膨胀度的影响规律,结果如图3、图4。
由图可知:
随着处理时间的延长,原淀粉和经湿热处理改性过的淀粉的溶解度和膨胀度均增大,经过处理后的变性淀粉,其溶解度和膨胀度低于原淀粉,溶解度在65℃后差异较明显,而膨胀度在60℃后差异显著。
图3处理时间对溶解度的影响
图4处理时间对膨胀度的影响
(3)水分含量对香沙芋淀粉特性的影响
固定湿热处理温度为90℃,处理时间为12h,调整淀粉水分含量为20%、30%、35%三个水平,研究水分含量对淀粉溶解度和膨胀度的影响,结果如图5、图6。
由图可知:
随着水分含量的升高,香沙芋淀粉及经湿热处理改性过的淀粉的溶解度和膨胀度均呈升高,经过处理后的变性淀粉,其溶解度和膨胀度低于原淀粉,溶解度的差异在大于75℃比较明显,而膨胀度在65℃后差异尤为明显。
图5水分含量对溶解度的影响
图6水分含量对膨胀度的影响
3.1.2湿热处理对淀粉透明度的影响
(1)固定湿热处理淀粉水分含量为30%,处理时间为12h,处理温度设计为90℃、105℃、120℃三个水平,研究湿热处理温度对淀粉透明度的影响,结果如表3。
由表可知:
经湿热处理后淀粉的透明度都明显低于原淀粉,随着处理温度的增加,透明度逐渐增大。
表3处理温度对淀粉透明度的影响
温度/℃
透明度
原淀粉
20.3
90
9.9
105
11.2
120
10.3
(2)固定湿热处理淀粉水分含量为30%,处理温度为90℃,设计处理时间为6h,12h,18h三个水平,分析湿热处理时间对淀粉透明度的影响规律,结果如表4。
由表可知:
经湿热处理后淀粉的透明度都明显低于原淀粉,随着处理时间的延长,透明度逐渐增大。
表4处理时间对淀粉透明度的影响
时间/h
透明度
原淀粉
20.3
6
8.9
12
10.5
18
10.7
(3)固定湿热处理温度为90℃,处理时间为12h,调整淀粉水分含量为20%、30%、35%三个水平,研究水分含量对淀粉透明度的影响,结果如表5。
由表可知:
经湿热处理后淀粉的透明度都明显低于原淀粉,随着水分含量的增加,透明度逐渐增大。
表5水分含量对淀粉透明度的影响
水分含量/%
透明度
原淀粉
20.3
20
11.8
30
12.3
35
13.8
经过湿热处理后香沙芋淀粉的透明度降低,可能是因为在
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