基于二次正交法的馬鈴薯淀粉微細(xì)化工藝研究

基于二次正交法的馬鈴薯淀粉微細(xì)化工藝研究

1微細(xì)化馬鈴薯淀粉有很多關(guān)于淀粉微細(xì)處理的方法。與高壓處理和冷凍處理一樣，它們是一種物理改造手段，是淀粉深度加工的新方法和新方法。淀粉顆粒在細(xì)微破碎下,隨著大小、形貌和均勻度的改變,其分子結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,從而導(dǎo)致理化性質(zhì)如分散性、溶解度、糊化性質(zhì)和化學(xué)活性等相應(yīng)地發(fā)生變化。馬鈴薯淀粉由微細(xì)化帶來(lái)的粒度效應(yīng)會(huì)改變其原有的組成分布模式,微細(xì)化后可以提高淀粉基降解材料的性能,增加馬鈴薯淀粉在降解材料中的添加量。目前通常采用微粉碎機(jī)或超微粉碎機(jī)對(duì)淀粉進(jìn)行微細(xì)化處理,其中應(yīng)用最為廣泛的是球磨機(jī)。對(duì)于球磨法微細(xì)化淀粉的實(shí)驗(yàn)研究國(guó)外早有報(bào)道,Stark等用球磨法對(duì)小麥淀粉進(jìn)行了微細(xì)化工藝及微細(xì)化后的物化進(jìn)行了研究,Evers等對(duì)微細(xì)化馬鈴薯淀粉(micronizedpotatostarch,MPST)的制備過(guò)程及水解特性進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)對(duì)MPST的研究相對(duì)較晚,胡飛等研究了不同條件下馬鈴薯淀粉不同的微細(xì)化程度及其流變特性,吳斌等采用球磨法對(duì)淀粉進(jìn)行粉碎,發(fā)現(xiàn)一定程度的球磨會(huì)導(dǎo)致淀粉的分子鏈斷裂,小分子增加,晶體結(jié)構(gòu)被破壞。熊興耀等通過(guò)考察不同顆粒粒徑范圍的馬鈴薯淀粉,進(jìn)行了流變性測(cè)定和淀粉分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)測(cè)定,并結(jié)合粉碎及機(jī)械力化學(xué)理論得出機(jī)械研磨作用可使天然淀粉顆粒破碎,產(chǎn)生晶格缺陷及晶格度降低,形成非晶態(tài)區(qū),結(jié)構(gòu)趨于無(wú)序化,導(dǎo)致淀粉的表現(xiàn)黏度降低。然而,近幾年來(lái)關(guān)于球磨法微細(xì)化馬鈴薯淀粉的相關(guān)報(bào)道甚少,并且在諸多的研究文獻(xiàn)當(dāng)中,尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)MPST制備工藝優(yōu)化的報(bào)道。本研究以MPST顆粒粒度(中位徑)為指標(biāo),采用二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)對(duì)MPST制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,以期為同類(lèi)研究提供指導(dǎo)。2材料和方法2.1馬鈴薯原淀粉的顆粒特性及粒度分布實(shí)驗(yàn)材料:馬鈴薯淀粉(忠厚牌,黑龍江省富裕淀粉食品有限公司生產(chǎn));無(wú)水乙醇(分析純,沈陽(yáng)華東試劑廠)。馬鈴薯原淀粉顆粒的掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope,SEM)(加速電壓1kV、放大倍數(shù)為1000倍),可以觀察到馬鈴薯原淀粉的顆粒形狀為較規(guī)則的橢圓形(圖1)。來(lái)源不同的淀粉,其形狀和大小、直鏈淀粉和支鏈淀粉的含量、晶體結(jié)構(gòu)、X射線衍射圖譜及偏光類(lèi)型等有所不同。馬鈴薯原淀粉顆粒性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性見(jiàn)表1,粒度分布見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)儀器:行星式球磨機(jī)QM-1SP2(南京大學(xué)儀器廠);Mastersizer2000激光粒度分析儀(Malvern公司,UK);NDJ-8S數(shù)顯粘度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司);LG10-2.4A高速離心分離機(jī)(北京醫(yī)用離心機(jī)廠);HH·SY21-Ni電熱恒溫水浴鍋(北京市長(zhǎng)風(fēng)儀器儀表公司);TU-1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司);101-3電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海路達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);JA5003千分之一電子天平(上海天平儀器廠)。2.2微細(xì)化粒度及粒徑分布本實(shí)驗(yàn)選用行星式球磨機(jī)對(duì)馬鈴薯淀粉進(jìn)行微細(xì)化加工,考察球磨時(shí)間、球磨介質(zhì)、淀粉液濃度3個(gè)因素對(duì)MPST微細(xì)化效果的影響。采用Mastersizer2000激光粒度分析儀測(cè)定馬鈴薯淀粉微細(xì)化后的粒度。將樣品分散在水中,置于粒度分析儀上,在2000r/min下進(jìn)行攪拌,測(cè)定淀粉顆粒的表面積平均粒徑及粒徑分布。實(shí)驗(yàn)中的球磨介質(zhì)選用無(wú)水乙醇,因?yàn)樵隈R鈴薯淀粉微細(xì)化過(guò)程中濕法處理遠(yuǎn)優(yōu)于干法,并且在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,乙醇便于回收再利用,縮減生產(chǎn)成本。3球磨時(shí)間及轉(zhuǎn)速球磨時(shí)間對(duì)馬鈴薯淀粉微細(xì)化影響:選取淀粉質(zhì)量濃度為0.4g/mL、球磨轉(zhuǎn)速為300r/min的情況下,考察球磨時(shí)間變化對(duì)MPST顆粒粒度(中位徑)的影響。在球磨中期(12~24h),馬鈴薯淀粉顆粒粒度繼續(xù)減小,但顆粒的微細(xì)化速度減緩,24h內(nèi)粒度達(dá)11.919μm;在球磨后期(24~30h),隨著球磨時(shí)間繼續(xù)增加,淀粉顆粒的粒度出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。這是由于淀粉顆粒粒度降低而引起的比表面積增大,致使顆粒間相互接觸程度增加,黏著力增大,顆粒間相互作用力也增大,從而使淀粉的顆粒趨于增大,因此,本實(shí)驗(yàn)確定最佳球磨時(shí)間為24h,詳見(jiàn)圖3。球磨機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)對(duì)馬鈴薯淀粉微細(xì)化影響:選取淀粉液濃度為0.4g/mL、球磨時(shí)間為6h,考察球磨轉(zhuǎn)速變化對(duì)MPST顆粒粒度(中位徑)的影響。當(dāng)球磨轉(zhuǎn)速處于100~350r/min時(shí),微細(xì)化淀粉顆粒粒度趨于下降,但趨勢(shì)相對(duì)平緩,球磨轉(zhuǎn)速在350r/min時(shí),顆粒粒度達(dá)到最小值26.575μm。當(dāng)球磨轉(zhuǎn)速處于350~500r/min時(shí),微細(xì)化淀粉顆粒粒度不降反升。這可能是因高轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的熱量可能會(huì)導(dǎo)致淀粉顆粒產(chǎn)生一定程度的糊化現(xiàn)象,從而影響微細(xì)化的效果,因此,本實(shí)驗(yàn)確定最佳球磨轉(zhuǎn)速為350r/min,詳見(jiàn)圖4。淀粉液濃度對(duì)馬鈴薯淀粉微細(xì)化影響:選取球磨時(shí)間為6h、球磨轉(zhuǎn)速為300r/min,考察淀粉液濃度變化對(duì)MPST顆粒粒度(中位徑)的影響。淀粉液濃度對(duì)微細(xì)化淀粉中位徑影響也極為明顯。當(dāng)?shù)矸蹪舛忍幱?0%~35%時(shí),微細(xì)化淀粉顆粒粒度趨于下降,當(dāng)?shù)矸蹪舛仍?5%時(shí),顆粒粒度達(dá)到最小值22.467μm。當(dāng)?shù)矸蹪舛忍幱?5%~50%時(shí),微細(xì)化淀粉顆粒粒度開(kāi)始趨于上升,但升幅很小。這是由于淀粉濃度較大時(shí),會(huì)阻止和減緩磨球在淀粉顆粒間的滾動(dòng)、碰撞及剪切等運(yùn)動(dòng)的作用,從而使球磨作用減弱。進(jìn)而導(dǎo)致顆粒粒度發(fā)生上升的變化趨勢(shì)。因此,本實(shí)驗(yàn)確定最佳淀粉液濃度為35%,詳見(jiàn)圖5。4模型的擬合及顯著性分析在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案進(jìn)一步考察球磨時(shí)間、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和淀粉液濃度3個(gè)因素對(duì)粒度球磨效果的影響,每個(gè)實(shí)驗(yàn)水平進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。以SASSystem8.2為輔助設(shè)計(jì)手段,利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和二次回歸旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)方法分析進(jìn)行編程,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。二次回歸模型的F=384.06,P=0.000,大于在0.01水平上的F值,而失擬項(xiàng)的F=1.09,小于在0.05水平的F值,說(shuō)明該模型擬合良好。一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)的F值均大于0.01水平上的F值,說(shuō)明各因素對(duì)球磨后粒度具有極其顯著的影響,詳見(jiàn)表4和表5。各因素影響程度從大到小的依次順序?yàn)榍蚰r(shí)間、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速和淀粉液濃度見(jiàn)表6。球磨后粒度回歸方程為:Y為淀粉顆粒粒度,X1為球磨時(shí)間,X2為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速,X3為淀粉液濃度。方程的顯著性分析得F1=384.06,P=0.000,失擬性檢驗(yàn)分析得F2=1.09,相應(yīng)的P=0.433,決定系數(shù)為0.9963。由方程的顯著性檢驗(yàn)可知,該方程的模型達(dá)到極其顯著;失擬性分析表明,該方程無(wú)失擬因素存在。馬鈴薯淀粉最優(yōu)制備條件及最佳粒度見(jiàn)表7。按照最優(yōu)制備條件(球磨時(shí)間為24.4h、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為354.3r/min和淀粉液濃度為0.36g/mL)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),重復(fù)3次。結(jié)果球磨粒度為11.019μm,重復(fù)實(shí)驗(yàn)相對(duì)偏差不超過(guò)2%,說(shuō)明制備條件重現(xiàn)性良好。按照“本文二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方程(1)”計(jì)算得的理論值為10.719μm,實(shí)驗(yàn)值與模型的理論值非常接近,偏差為2.7%,說(shuō)明該模型的預(yù)測(cè)精度較高。因此,確定馬鈴薯淀粉微細(xì)化工藝的最佳條件:球磨時(shí)間為24h、球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為350r/min、淀粉液濃度為0.35g/mL。5馬鈴薯淀粉微細(xì)化工藝的最佳條件二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)