基于二次正交法的马铃薯淀粉微细化工艺研究

基于二次正交法的马铃薯淀粉微细化工艺研究

1微细化马铃薯淀粉有很多关于淀粉微细处理的方法。与高压处理和冷冻处理一样，它们是一种物理改造手段，是淀粉深度加工的新方法和新方法。淀粉颗粒在细微破碎下,随着大小、形貌和均匀度的改变,其分子结构也发生了变化,从而导致理化性质如分散性、溶解度、糊化性质和化学活性等相应地发生变化。马铃薯淀粉由微细化带来的粒度效应会改变其原有的组成分布模式,微细化后可以提高淀粉基降解材料的性能,增加马铃薯淀粉在降解材料中的添加量。目前通常采用微粉碎机或超微粉碎机对淀粉进行微细化处理,其中应用最为广泛的是球磨机。对于球磨法微细化淀粉的实验研究国外早有报道,Stark等用球磨法对小麦淀粉进行了微细化工艺及微细化后的物化进行了研究,Evers等对微细化马铃薯淀粉(micronizedpotatostarch,MPST)的制备过程及水解特性进行了研究。国内对MPST的研究相对较晚,胡飞等研究了不同条件下马铃薯淀粉不同的微细化程度及其流变特性,吴斌等采用球磨法对淀粉进行粉碎,发现一定程度的球磨会导致淀粉的分子链断裂,小分子增加,晶体结构被破坏。熊兴耀等通过考察不同颗粒粒径范围的马铃薯淀粉,进行了流变性测定和淀粉分子的结晶结构测定,并结合粉碎及机械力化学理论得出机械研磨作用可使天然淀粉颗粒破碎,产生晶格缺陷及晶格度降低,形成非晶态区,结构趋于无序化,导致淀粉的表现黏度降低。然而,近几年来关于球磨法微细化马铃薯淀粉的相关报道甚少,并且在诸多的研究文献当中,尚未发现有关MPST制备工艺优化的报道。本研究以MPST颗粒粒度(中位径)为指标,采用二次正交旋转回归试验对MPST制备工艺进行优化,以期为同类研究提供指导。2材料和方法2.1马铃薯原淀粉的颗粒特性及粒度分布实验材料:马铃薯淀粉(忠厚牌,黑龙江省富裕淀粉食品有限公司生产);无水乙醇(分析纯,沈阳华东试剂厂)。马铃薯原淀粉颗粒的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM)(加速电压1kV、放大倍数为1000倍),可以观察到马铃薯原淀粉的颗粒形状为较规则的椭圆形(图1)。来源不同的淀粉,其形状和大小、直链淀粉和支链淀粉的含量、晶体结构、X射线衍射图谱及偏光类型等有所不同。马铃薯原淀粉颗粒性质及结构特性见表1,粒度分布见图2。实验仪器:行星式球磨机QM-1SP2(南京大学仪器厂);Mastersizer2000激光粒度分析仪(Malvern公司,UK);NDJ-8S数显粘度计(上海精密科学仪器有限公司);LG10-2.4A高速离心分离机(北京医用离心机厂);HH·SY21-Ni电热恒温水浴锅(北京市长风仪器仪表公司);TU-1810紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司);101-3电热恒温鼓风干燥箱(上海路达实验仪器有限公司);JA5003千分之一电子天平(上海天平仪器厂)。2.2微细化粒度及粒径分布本实验选用行星式球磨机对马铃薯淀粉进行微细化加工,考察球磨时间、球磨介质、淀粉液浓度3个因素对MPST微细化效果的影响。采用Mastersizer2000激光粒度分析仪测定马铃薯淀粉微细化后的粒度。将样品分散在水中,置于粒度分析仪上,在2000r/min下进行搅拌,测定淀粉颗粒的表面积平均粒径及粒径分布。实验中的球磨介质选用无水乙醇,因为在马铃薯淀粉微细化过程中湿法处理远优于干法,并且在实际的工业生产过程中,乙醇便于回收再利用,缩减生产成本。3球磨时间及转速球磨时间对马铃薯淀粉微细化影响:选取淀粉质量浓度为0.4g/mL、球磨转速为300r/min的情况下,考察球磨时间变化对MPST颗粒粒度(中位径)的影响。在球磨中期(12~24h),马铃薯淀粉颗粒粒度继续减小,但颗粒的微细化速度减缓,24h内粒度达11.919μm;在球磨后期(24~30h),随着球磨时间继续增加,淀粉颗粒的粒度出现增大的现象。这是由于淀粉颗粒粒度降低而引起的比表面积增大,致使颗粒间相互接触程度增加,黏着力增大,颗粒间相互作用力也增大,从而使淀粉的颗粒趋于增大,因此,本实验确定最佳球磨时间为24h,详见图3。球磨机转数对马铃薯淀粉微细化影响:选取淀粉液浓度为0.4g/mL、球磨时间为6h,考察球磨转速变化对MPST颗粒粒度(中位径)的影响。当球磨转速处于100~350r/min时,微细化淀粉颗粒粒度趋于下降,但趋势相对平缓,球磨转速在350r/min时,颗粒粒度达到最小值26.575μm。当球磨转速处于350~500r/min时,微细化淀粉颗粒粒度不降反升。这可能是因高转速而产生的热量可能会导致淀粉颗粒产生一定程度的糊化现象,从而影响微细化的效果,因此,本实验确定最佳球磨转速为350r/min,详见图4。淀粉液浓度对马铃薯淀粉微细化影响:选取球磨时间为6h、球磨转速为300r/min,考察淀粉液浓度变化对MPST颗粒粒度(中位径)的影响。淀粉液浓度对微细化淀粉中位径影响也极为明显。当淀粉浓度处于10%~35%时,微细化淀粉颗粒粒度趋于下降,当淀粉浓度在35%时,颗粒粒度达到最小值22.467μm。当淀粉浓度处于35%~50%时,微细化淀粉颗粒粒度开始趋于上升,但升幅很小。这是由于淀粉浓度较大时,会阻止和减缓磨球在淀粉颗粒间的滚动、碰撞及剪切等运动的作用,从而使球磨作用减弱。进而导致颗粒粒度发生上升的变化趋势。因此,本实验确定最佳淀粉液浓度为35%,详见图5。4模型的拟合及显著性分析在单因素试验的基础上,采用二次回归正交旋转组合试验方案进一步考察球磨时间、球磨机转速和淀粉液浓度3个因素对粒度球磨效果的影响,每个实验水平进行3次重复实验,实验结果见表2和表3。以SASSystem8.2为辅助设计手段,利用实验结果和二次回归旋转组合设计统计方法分析进行编程,并对结果进行分析。二次回归模型的F=384.06,P=0.000,大于在0.01水平上的F值,而失拟项的F=1.09,小于在0.05水平的F值,说明该模型拟合良好。一次项、二次项和交互项的F值均大于0.01水平上的F值,说明各因素对球磨后粒度具有极其显著的影响,详见表4和表5。各因素影响程度从大到小的依次顺序为球磨时间、球磨机转速和淀粉液浓度见表6。球磨后粒度回归方程为:Y为淀粉颗粒粒度,X1为球磨时间,X2为球磨机转速,X3为淀粉液浓度。方程的显著性分析得F1=384.06,P=0.000,失拟性检验分析得F2=1.09,相应的P=0.433,决定系数为0.9963。由方程的显著性检验可知,该方程的模型达到极其显著;失拟性分析表明,该方程无失拟因素存在。马铃薯淀粉最优制备条件及最佳粒度见表7。按照最优制备条件(球磨时间为24.4h、球磨机转速为354.3r/min和淀粉液浓度为0.36g/mL)进行验证实验,重复3次。结果球磨粒度为11.019μm,重复实验相对偏差不超过2%,说明制备条件重现性良好。按照“本文二次回归正交旋转组合试验方程(1)”计算得的理论值为10.719μm,实验值与模型的理论值非常接近,偏差为2.7%,说明该模型的预测精度较高。因此,确定马铃薯淀粉微细化工艺的最佳条件:球磨时间为24h、球磨机转速为350r/min、淀粉液浓度为0.35g/mL。5马铃薯淀粉微细化工艺的最佳条件二次正交回归旋转组合试验