變性淀粉在造紙食品工業(yè)中的應(yīng)用
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隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國變性淀粉的研制開發(fā)與應(yīng)用近10多年來呈現(xiàn)快速發(fā)展的良好態(tài)勢，特別我國自加入WTO以來，隨著市場的進(jìn)一步開放，變性淀粉在造紙、食品、紡織、醫(yī)藥、環(huán)保等諸多領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。市場的多樣化要求也促使變性淀粉開發(fā)出現(xiàn)多種新趨勢，其中各種變性淀粉的生產(chǎn)工藝與應(yīng)用開發(fā)是值得推廣的，更是符合我國新型工業(yè)化形勢要求的，為提高農(nóng)產(chǎn)品深加工的附加值、解決“三農(nóng)”問題作出了一定的貢獻(xiàn)。變性淀粉作為比較重要的一種常見工業(yè)添加劑，可廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)、食品工業(yè)中，本文介紹了交聯(lián)淀粉在造紙工業(yè)及食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展，旨在為變性淀粉的開發(fā)和綜合利用提供理論指導(dǎo)。
1淀粉及變性淀粉概述
1．1淀粉及交聯(lián)淀粉簡介
淀粉是一種多糖，分子式（C6H10O5）n，廣泛存在于各種植物的組織中。我國的淀粉價(jià)廉易得，無毒且易降解，可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。而且資源豐富，產(chǎn)量居世界前列［1］，但由于淀粉的許多固有性質(zhì)如冷水不溶性，在酸、熱、剪切作用下的不穩(wěn)定性等限制，很難在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。因此，研究變性淀粉對淀粉資源的合理應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。如果將淀粉進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男?，如采用物理方法、化學(xué)方法、生物法［2］等對其進(jìn)行處理，即制備改性淀粉，可大大拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。淀粉能與很多化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)取代度的不同生成不同的變性淀粉產(chǎn)品，其醇羥基與具有兩個或多個官能團(tuán)的試劑反應(yīng)，引發(fā)淀粉分子之間橋連或形成交聯(lián)，使不同淀粉分子的羥基間形成二醚鍵或酯鍵，得到的衍生物稱為交聯(lián)淀粉［3，4］。
1．2變性淀粉的生產(chǎn)方法
變性淀粉的種類雖然很多，但其主要生產(chǎn)方法不外乎干法、濕法和滾筒法等幾種。除此之外的其他方法如接枝共聚法、微波法、擠壓法等在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的并不多。
1．2．1濕法
濕法也稱漿法，是將淀粉分散在水或其他液體介質(zhì)中，配成一定濃度的懸浮液（也叫淀粉乳），在特定的溫度條件下，與化學(xué)試劑進(jìn)行氧化、醚化、交聯(lián)、酯化等反應(yīng)，生成改性淀粉。如果采用的分散介質(zhì)不是水，而是有機(jī)溶劑或含水的混合溶劑時(shí)，為了區(qū)別這兩種方法，將這種方法稱為溶劑法。研究表明：大多數(shù)改性淀粉都可以通過濕法來生產(chǎn)，但是由于濕法所用到的有機(jī)溶劑價(jià)格昂貴且易燃易爆，回收起來又麻煩，所以只有制備高取代度的改性淀粉才采用濕法。
1．2．2干法
干法，是在“干”的狀態(tài)下完成反應(yīng)的，所以稱為“干法”，但是并不是說一點(diǎn)水也沒有，而是相對而言含水量相對較少，即淀粉在含少量水（通常為20％左右）或者少量有機(jī)溶劑的情況下，與化學(xué)試劑發(fā)生反應(yīng)生成變性淀粉的一種生產(chǎn)方法。干法反應(yīng)體系由于含水量小，所以干法生產(chǎn)中的一個最大的困難就是淀粉與化學(xué)試劑的均勻混合問題。工業(yè)上除采用專門的混合設(shè)備外，還采用在濕的狀態(tài)下混合，在干的狀態(tài)下反應(yīng)，也就是分兩步完成改性淀粉的生產(chǎn)。干法生產(chǎn)的品種雖然不如濕法生產(chǎn)的品種多，但是干法生產(chǎn)工藝簡單、收率高、無污染，是一種很有發(fā)展前途的生產(chǎn)方法，越來越受到研究人員的關(guān)注。
1．2．3滾筒法
滾筒法是工業(yè)上生產(chǎn)預(yù)糊化淀粉的一種重要方法，由于采用的關(guān)鍵設(shè)備是滾筒干燥機(jī)而得名，滾筒法通常只生產(chǎn)物理改性的預(yù)糊化淀粉，也可以在調(diào)漿時(shí)加入化學(xué)試劑，因其受設(shè)備及工藝條件的限制，所以滾筒法生產(chǎn)的產(chǎn)品品種較少。
2變性淀粉在工業(yè)中的應(yīng)用
2．1變性淀粉在造紙工業(yè)中的應(yīng)用
近年來，多種變性方法相結(jié)合的新技術(shù)不斷被研發(fā)出來和得到應(yīng)用，許多研究者嘗試采用多種變性方法，開發(fā)出新型的變性淀粉。
2．1．1造紙濕部添加劑
變性淀粉中的陽離子淀粉是用于紙張生產(chǎn)的濕部主要變性淀粉之一，具有增強(qiáng)劑的作用，可提高紙頁強(qiáng)度，同時(shí)也具有助留、助濾劑的作用；可顯著提高細(xì)小組分在紙頁中的留著率，進(jìn)而對紙頁的強(qiáng)度方面也產(chǎn)生了影響。在造紙工業(yè)中，由于纖維、填料、松香膠都帶有負(fù)電荷，陽離子淀粉能與漿料中帶負(fù)電荷的物質(zhì)發(fā)生相互吸附，其自身留著率高。淀粉自身的羥基和陽離子作用使得纖維之間、纖維與填料之間接觸面積增大，結(jié)合力增加，從而起到了增強(qiáng)紙張強(qiáng)度的作用。
2．1．2表面施膠劑
傅朝亮［5］等發(fā)明了一種同時(shí)醚化氧化半干法生產(chǎn)表面施膠淀粉的制備方法，所制產(chǎn)品能克服表面施膠淀粉的的黏度高、留著率低的弊病，使產(chǎn)品能在車速為1000m／min以上的新型高速紙機(jī)上施膠；與同類工藝相比，具有生產(chǎn)時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。
2．1．3造紙?jiān)鰪?qiáng)劑
如果將交聯(lián)淀粉或復(fù)合交聯(lián)淀粉與其他變性淀粉結(jié)合或復(fù)配使用，也能大大改善變性淀粉的應(yīng)用效果。常萬英［6］等采用丙烯酰胺單體、陽離子淀粉與改性殼聚糖對玉米淀粉進(jìn)行變性，在一定條件下接枝共聚成一種共聚物HY－36，在提高紙張的強(qiáng)度方面，HY－36作為造紙?jiān)鰪?qiáng)劑的增強(qiáng)效果比陽離子淀粉好。采用不同變性方式可制備性能不同的多重復(fù)合交聯(lián)淀粉，不僅克服了復(fù)合交聯(lián)淀粉性能的局限，而且擴(kuò)展了新的性能。李寧［7］將淀粉活化后與酰胺基接枝并引入環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行交聯(lián)，研制出適用于木材加工及人造板工業(yè)的環(huán)保型無醛膠黏劑［8］。多重復(fù)合交聯(lián)淀粉的性能更優(yōu)異，應(yīng)用更為廣泛，將是今后復(fù)合交聯(lián)淀粉最具發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。
2．1．4處理造紙白水
造紙行業(yè)也是廢水產(chǎn)生的一大行業(yè)，造紙廢水的處理越來越受到科技工作的重視，造紙白水即抄紙工段所產(chǎn)生的廢水，來源于紙張抄造過程。白水當(dāng)中主要含有細(xì)小纖維、涂料、填料和溶解了的木材成分，以及其他的添加劑，如膠料、濕強(qiáng)劑、防腐劑等。造紙白水所產(chǎn)生的廢水量大，且懸浮物含量高，其計(jì)算所得的有機(jī)污染負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸煮黑液和中段廢水的有機(jī)污染負(fù)荷，因此，造紙白水所引起的污染令人不由得重視。用變性淀粉尤其是陽離子淀粉作為絮凝劑處理造紙白水具有很多優(yōu)點(diǎn)，如投資少、工期短、處理系統(tǒng)運(yùn)行管理簡單、操作靈活、處理效果好等特點(diǎn)。
2．2變性淀粉在食品工業(yè)中的應(yīng)用
2．2．1在肉類制品中的應(yīng)用
多年來，肉制食品中一直用天然淀粉作增稠穩(wěn)定劑來改善肉制食品的組織結(jié)構(gòu)外觀和產(chǎn)率。但一些產(chǎn)品加工中，天然淀粉卻不能滿足某些工藝要求。在火腿、肉腸和某些肉類罐頭等的加工過程中常需要添加變性淀粉來改善產(chǎn)品的質(zhì)量與風(fēng)味。交聯(lián)淀粉糊化溫度高，在加熱初期仍具有良好的流動性，有利于熱的傳導(dǎo)，傳熱效率高，殺菌升溫快，不僅可以縮短加熱時(shí)間，還可以減少營養(yǎng)損失。并且交聯(lián)淀粉糊化溫度較肉蛋白變性溫度高，當(dāng)交聯(lián)淀粉糊化時(shí)，肌肉蛋白早已完成凝膠過程，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。交聯(lián)淀粉會將網(wǎng)絡(luò)中的水分子固定并促進(jìn)肉塊間的黏合，填充孔洞賦予產(chǎn)品以細(xì)膩的組織結(jié)構(gòu)。另外，高交聯(lián)的預(yù)凝膠淀粉有助于防止水果餡在焙烤時(shí)的沸溢。使用含有輕度交聯(lián)的玉米淀粉的奶油醬涂布在焙烤或油炸過的肉或魚上會大大改善黏附性［9－11］。
2．2．2在方便食品中的應(yīng)用
在方便面中添加一類糊化溫度低、成膜性好、保水性好、黏度高的變性淀粉，可使面條口感爽滑而且色澤鮮亮，進(jìn)而可以提高面條的復(fù)水性。變性淀粉的吸水性強(qiáng)，加入到面粉中能提高面粉的吸水量，在和面形成面筋的過程中，淀粉吸水后膨脹充滿面筋骨架，使面團(tuán)具有延展性和韌性，從而改善了面團(tuán)的加工性能；變性淀粉糊化溫度低，加入適量后能提高面餅在蒸箱中的糊化度，并且縮短了蒸煮的時(shí)間；淀粉糊化后，黏度非常高，吸收大量的水，可以最大限度地將水分保持在面餅中，再經(jīng)過高溫油炸時(shí)水分迅速逸出，造成面條內(nèi)部疏松多孔，能顯著縮短面餅的復(fù)水時(shí)間；良好的成膜性使面條表面光滑，口感爽滑筋道，不渾湯；優(yōu)良的保水性和親水性能降低面餅的吸油率，既降低生產(chǎn)成本，又能減少酸敗，降低面餅的酸價(jià)和過氧化值［12］。
2．2．3在乳制品中的應(yīng)用
變性淀粉在乳制品中的應(yīng)用也是相當(dāng)?shù)膹V泛，變性淀粉在乳制品加工過程中提供奶油狀結(jié)構(gòu)和貨架穩(wěn)定的功能。例如在酸奶制作時(shí)通常添加交聯(lián)變性淀粉，交聯(lián)淀粉分子的交聯(lián)酯鍵強(qiáng)度遠(yuǎn)高于淀粉分子的氫鍵，且分子量較原淀粉大，增強(qiáng)并保持了原氫鍵的效能，其作用象分子間的橋梁，使淀粉在水中被加熱時(shí)，其顆粒仍保持不同程度的完整性，抑制了顆粒的破裂和黏度下降，具有獨(dú)特的加工耐受性。淀粉糊化后形成黏度，賦予酸奶光滑細(xì)膩的組織結(jié)構(gòu)。在乳飲料制作中添加具有獨(dú)特流變特性的變性淀粉能夠增進(jìn)口感，提供清淡風(fēng)味［13］。
2．2．4在糖果制品中的應(yīng)用
淀粉（包括變性淀粉）在糖果中主要用作填充劑，利用豆類或黏高粱淀粉制作柔糯性極佳的高粱飴類軟性糖果，利用淀粉的凝膠特性制造淀粉軟糖。淀粉加入焦香糖或砂質(zhì)軟糖中，可增加糖果的體積和產(chǎn)品的咀嚼性，淀粉在棉花糖或膠姆糖的生產(chǎn)中，可作為擠壓成型糖果的撒粉，防止糖果的粘連，加速表面干燥，淀粉在軟糖成型時(shí)，可制成淀粉成型模，吸收糖果中的水分。淀粉的黏度、水溶性、色澤、流動性、凝膠性等性能對糖果的影響較大。黏度高不利于熬糖和成型，因?yàn)轲ざ雀邔?dǎo)致傳熱速率低，熬糖時(shí)不利于水分蒸發(fā)，流動性差，澆模成型時(shí)容易拖尾。因此，需要根據(jù)具體的糖果加工工藝要求引入變性淀粉，變性的目的是賦予淀粉低黏度、高溶解性以及分散性和抗脹性等應(yīng)用優(yōu)勢。此外，變性淀粉還可應(yīng)用于充氣糖果中可以補(bǔ)充糖體中可溶性固形物的量，降低由于蔗糖過多或過少引起的品質(zhì)變化，軟化糖果的硬度，使口感疏松、不黏牙，增加糖果的咀嚼性。變性淀粉除了應(yīng)用在凝膠糖果、硬性糖果、焦香糖果、充氣糖果中外，其他應(yīng)用還有待進(jìn)一步研發(fā)［14］。
2．2．5在奶片中的應(yīng)用
［15］早在20世紀(jì)60年代初，奶片的生產(chǎn)技術(shù)就已在工業(yè)發(fā)達(dá)的西方資本主義國家有了研究。我國最早于20世紀(jì)80年代初引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)，并形成了成熟的生產(chǎn)工藝和完全配套的生產(chǎn)設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了國際水平。雖然奶片的加工技術(shù)有了長足的發(fā)展，但是由于奶片生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)及其主要配料奶粉的特性造成了奶片制品本身的一些缺陷。這些缺陷可以通過變性淀粉的特殊性能得以解決。淀粉經(jīng)過適宜的變性處理可以使其具有許多特殊的性能。通過對淀粉的糊化溫度、顆粒大小、分子鏈長短等性質(zhì)的調(diào)節(jié)，就可以使其在奶片中產(chǎn)生積極的作用，例如：淀粉可作為填充物從而有效降低奶片的原料成本；通過對糊化溫度的調(diào)整，使淀粉只在達(dá)到特定的溫度下吸水，可以緩解奶片在口腔中的黏附現(xiàn)象，保障了奶片的優(yōu)良口感，并降低了齲齒的危險(xiǎn)；通過對淀粉細(xì)度的控制，可以使淀粉顆粒自由進(jìn)入奶粉或植脂末的孔隙中，填平孔隙，從而使制品表面更光滑，結(jié)構(gòu)更為細(xì)膩；通過稀釋奶粉等成分帶來的黏度，提供了崩解效果，使奶片在人體中用最短的時(shí)間就能溶解完全，使其中的營養(yǎng)成分釋放得更徹底。
3變性淀粉的發(fā)展前景
天然淀粉已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、食品制造工業(yè)等領(lǐng)域。隨著新技術(shù)和新產(chǎn)品的不斷推出，產(chǎn)品性能的不斷提高，新工藝的不斷開發(fā)，淀粉的深加工———變性淀粉的研究、開發(fā)、應(yīng)用得到了有利的推動。追溯變性淀粉的歷史可以至19世紀(jì)初，然而我國變性淀粉的生產(chǎn)卻是在20世紀(jì)60年代，到了80年代后才有了很大發(fā)展，應(yīng)用面也越來越廣：從紡織、造紙，到食品、飼料、醫(yī)藥、建筑、鉆井等方面，現(xiàn)如今，變性淀粉正朝著多元型、多重復(fù)合型、系列化的方向發(fā)展，預(yù)測以后的變性淀粉的領(lǐng)域?qū)絹碓綇V泛。
作者：劉彩芬 單位：陜西理工學(xué)院生物科學(xué)與工程學(xué)院