木薯淀粉的理化性质

木薯淀粉的理化性质 关键词:木薯淀粉 、化学组成与性质、物理性质 摘要:木薯淀粉用途广泛;木薯淀粉为多聚葡萄糖，属于碳水化合物中的多糖类;有特殊的物理性质与化学性质。 Abstract: The widespread use of cassava starch; cassava starch poly-glucose, the polysaccharides are carbohydrates; a special physical properties and chemical properties 是绿色植物通过光合作用合成的，它储存于植物的种子、块茎和块根中。淀粉 植物所含淀粉的多少与品种、生长周期、繁殖与种植方法、收获方法、抗病抗灾性能、日照的时间与强度、环境的温度与湿度、降水量、地形和土壤 条件等因素有密切的关系。在稻、麦、玉米、高粱的种子颗粒中含有70%左右的淀粉，在马铃薯的块茎中含有18%左右的淀粉，在木薯的块根中含有25%左右的淀粉。我们就是利用这些含淀粉高的种子、块茎、块根作为原料来生产淀粉。 淀粉是可再生资源，也是产量仅次于纤维素的第二大可再生资源。它取之不尽，用之不竭，是人类赖以生存和发展的最基本和最重要的资源。 为区别淀粉品种，一般加用原料名称，如玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、甘薯淀粉、小麦淀粉等等。 木薯淀粉玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉等一样，都是重要的工业原料，用途极其广泛。 一、木薯淀粉的化学组成和结构 淀粉主要由碳、氢、氧三种元素组成。淀粉是在水介质中光合作用合成，即植物的绿叶以叶绿素为催化剂，通过将二氧化碳和水合成为葡萄糖， 葡萄糖又经一系列的生物化学反应，最后生成淀粉、纤维素等多聚糖。淀粉的分子式为(C6H10O5)n，光合作用分子量是n(162.14)。n是一个不定数，示淀粉分子是由许多个葡萄糖单位组成。组成淀粉分子的葡萄糖单位数量称为聚合度，聚合度乘以葡萄糖单位分子量162.14便得淀粉分子量〔为了与游离葡萄糖(C6H12O6)区别，通常称(C6H10O5)为葡萄糖单位〕。在组成淀粉的元素中，碳占44.5%，氢占6.2%，氧占49.3%。干淀粉燃烧生成二氧化碳和水，并放出大量的热，其反应式为: (C6H10O5)n+6nO2 ?? 5nH2O+6nCO2+Q(热) 木薯淀粉为多聚葡萄糖，属于碳水化合物中的多糖类。多糖类又叫高聚糖，是许多单糖的聚合物，即许多葡萄糖分子连接起来成为淀粉分子。工业生产葡萄糖就是以淀粉作原料，将聚合状态的葡萄糖经水解转变成为游离状态的葡萄糖。这个反应过程称为“糖化”，其反应式如下: (C6H10O5)n+nH2O ?? n(C6H12O6) 在水解过程中，淀粉先生成中间产物，如糊精、低聚麦芽糖，最后生成葡萄糖。 在淀粉中，除含有水分外，还含有脂肪、蛋白质、灰分等杂质。蛋白质实际上包括全部含氮物，其中有真正蛋白质及肽、氨基酸、核苷酸等。灰分主要为钠、钾、镁、钙等无机化合物。 木薯淀粉的化学组成如下: 淀粉 85% 水分 14% 蛋白质 0.2% 1 灰分 0.3% 其它 0.5% 淀粉的生产是将原料中的非淀粉物质分离出去，但由于用途不同，产品使用的也有很大的差异，其目的是达到用户要求为准。故尚有理化指标的要求，如水分、灰分、酸度、蛋白质、粘度等。淀粉中杂质含量的多少，是决定其产品质量的重要依据，但只要符合国家规定的质量要求，对一般食品和其它工业使用已无妨碍。 淀粉是由葡萄糖组成的多糖高分子化合物，有直链状和支叉状二种分子，分别称为直链淀粉和支链淀粉。天然淀粉一般都有这两种结构，大都为这两种淀粉混合而成，二者混合组成的量因淀粉的种类和品种的不同而各异。 直链淀粉是由葡萄糖单位通过α-1，4糖苷键连接，接成直链状分子，可被淀粉酶水解为麦芽糖。它没有一定的分子大小，差别很大，用不同的方法测得直链淀粉的相对分子质量为3.2×104-1.6×105。此值相当于分子中有200-980个葡萄糖单位。木薯淀粉的直链淀粉，其含量(干基)为17%，平均聚合度为2600，平均聚合度质量为6700，表现的聚合度分布为580-2200。 支链淀粉具有高度分支结构，由线型直链淀粉短链组成，其分子较直链淀粉大，相对分子质量在1×105-1×106之间，相当于聚合度为600-6000个葡萄糖单位。其结构除了在直链结构部分以1、4糖苷键连接，而在支叉结构部分则以1、6糖苷连接，它含有1000-3000个葡萄糖单位，大约每20-30个葡萄糖单位上就有一个分支。用淀粉酶水解支链淀粉时，只有外围的支链可被水解为麦芽糖。木薯淀粉的支链淀粉，其含量(干基)为83%，聚合度范围为3×105-3×106。 直链淀粉和支链淀粉在若干性质方面存在很大差别。 直链淀粉遇碘液变成为蓝色;支链淀粉遇碘液则变成为紫红色。因此，可以根据这一现象，对其鉴别。 经糊化的直链淀粉很不稳定，在贮存过程中会发生凝沉现象，使糊化物质逐渐变成混浊，胶粘性降低，最后出现白色沉淀。支链淀粉经糊化易溶于水，生成稳定的溶液，具有高粘度，凝沉性微弱。 直链淀粉能制成强度高、柔软性高的纤维和薄膜，具有纤维素制品的性质;支链淀粉却不能。 在淀粉颗粒中，直链淀粉和支链淀粉两种淀粉分子组成的复杂结构，至今还未能了解清楚。在中常用戊醇、丁醇分离法将直链淀粉和支链淀粉分离。在工业上采用分级沉淀法、纤维素吸附法将直链淀粉和支链淀粉分离。 二、木薯淀粉的物理性质 1、颜色与形状 木薯淀粉呈白色粉末状，无嗅无味。在显微镜下观察，淀粉颗粒为圆形或卵形，还可见到清楚的轮纹。块根淀粉由于在生长期间所受的压力较小，而且块根组织又比较松软，所以容易解体。木薯淀粉颗粒的直径为5-35微米，平均为20微米。在偏光显微镜下观察，木薯淀粉颗粒中心具有相当明显的黑色十字，将颗粒分成四个白色的区域。成熟的淀粉颗粒为洁净的圆型和卵形物质，且有清楚轮纹，易受污染。未成熟的淀粉或在生长期受害的木薯淀粉颗粒不饱满，且轮纹更为明显，更易受到污染。故在木薯的清洗、碎解、浸渍、筛分、分离、脱水、干燥、冷却等过程中，要讲究卫生，包括设备卫生、周围环境卫生以及操作人员卫生。 各种淀粉颗粒大小及形状 2 淀粉名颗粒大小平均(微米) 形状 称 (微米) 木薯 5~35 20 圆形、卵形截切形 甘薯 10~25 15 圆形、卵形 马铃薯 15,100 33 卵形、圆形 玉米 5~26 15 圆形、多角形 大米 3~8 5 多角形 从上表可见，不同品种淀粉的颗粒大小存在差别，而且同一种淀粉的颗粒也不均匀，象木薯淀粉的最小颗粒为5微米，最大则达到35微米。 淀粉颗粒不溶于一般的有机溶剂。 2、比重 木薯淀粉颗粒的比重大于水，约为1.6，因而淀粉颗粒在水中容易沉淀，但淀粉颗粒的大小不同，沉淀的速度也不同。过去，在木薯淀粉生产中使用2.5‰坡度的流槽，进行放流，一般的流速应控制在8-10米/分(浆水浓度为3波美度时)。流槽回收湿淀粉，是根据淀粉、水、黄桨、泥沙等比重不同的原理，以水为介质进行分离的。碟式分离机、沉降分离机同样也是根据这个原理进行分离的。在淀粉生产过程中，为防止淀粉在浆池中沉淀，应不停的搅拌，使乳浆浓度保持一致，以便于抽浆、筛分、分离。 3、吸湿性 木薯淀粉能够吸收潮湿空气中的水分，又能在干燥空气中失去水分，这是淀粉在自然界中的特性，我们称之为吸湿性。淀粉吸湿性很强，它的颗粒具有渗透性，水和水渗液能自由渗入颗粒内部。通常在含水分13-14%时也不显得潮湿，却呈干燥粉末状，这是因为淀粉分子中的羟基(—OH)和水分子相互生成氢键的缘故。淀粉的水分含量受周围环境空气湿度的影响，在阴雨天湿度高时，淀粉吸收空气中的水分，使含水量提高;在干燥天气湿度低时，淀粉含有的水分则向周围空气中逸散，从而使淀粉含水量降低。因温度会影响空气湿度，故也间接影响淀粉的水分含量。温度增高，空气相对湿度降低，使淀粉散失水分;温度降低，则相对湿度增高，使淀粉吸收水分。由于淀粉具有吸湿性强的特点，因而淀粉的仓库应该通风干燥。刚生产出来的淀粉，使用塑料编织袋包装时，必须经过冷却处理后方能装袋包装，否则会因热气未能散出而导致淀粉发霉变质。 4、淀粉的糊化 将淀粉置于冷水中搅拌，可形成乳状悬浮液(淀粉乳浆)，若停止搅拌，则淀粉颗粒慢慢下沉，上部则为清水。这是因为淀粉不溶于冷水和其颗粒比重大于水的缘故。在生产过程中，可利用淀粉这一特性，以水为分离介质生产淀粉，并利用淀粉的糊化加工成为各种变性淀粉产品。 如将淀粉放入水中搅拌均匀成为淀粉乳后，再将淀粉乳加热，随着温度上升，则淀粉颗粒逐渐吸收水分，体积膨胀，达到一定温度，高度膨胀的淀粉颗粒间互相接触，变成半透明的粘稠糊状，称为淀粉糊，也就是我们通常所说的浆糊。此时，即使停止搅拌，淀粉颗粒也不会沉淀，这种现象称为“糊化”。发生糊化现象的温度称为糊化温度。不同淀粉的糊化温度是不同的。即使同样一种淀粉，由于颗粒大小不同，糊化温度也不一样，相差约10?。较大的颗粒能在较低的温度下糊化，否则反之。木薯淀粉的糊化温度为59-69C，前面为糊化开始温度，后面糊化完成温度。由于木薯淀粉颗粒较大，体积膨胀大，与水接触好，容易糊化，糊化温度也较低，因此木薯淀粉在淀粉糖和发酵生产的液化过程中，可使用较高 3 浓度的淀粉乳，这样可提高生产能力，降低热能消耗，增加经济效益。 不同品种淀粉的糊化温度存在差别，这是因为颗粒结构强度不同，吸水膨胀难易也不同。即使同一品种淀粉的不同颗粒的糊化难易也存在差别。 各种淀粉的糊化温度 单位:? 淀粉名称 糊化开始温度 糊化完成温度 木薯 59 69 甘薯 58 72 马铃薯 58 68 玉米 62 70 大米 68 78 小麦 59.5 64 木薯淀粉颗粒在水中加热膨胀、糊化大致分为三个阶段:第一阶段，加热在糊化温度以下，淀粉颗粒吸收少量的水分，体积膨胀也很小，淀粉乳的粘度增加不大，此时即使其冷却、干燥，所得淀粉颗粒的性质尚无改变;第二阶段，加热达到糊化温度后，淀粉颗粒吸收大量水分，淀粉颗粒急剧膨胀，体积增加数倍，同时偏光十字消失，淀粉乳的粘度急增，透明度也增高，而且有一部分淀粉溶于水中，淀粉乳逐渐变成淀粉糊;第三阶段，是继续加热到糊化完成温度，此时淀粉颗粒已膨胀成无定形的袋状，变成淀粉糊。 淀粉糊并不是真正的溶液，为高度膨胀颗粒呈不溶的胶体存在。如欲获得淀粉溶液，需在高压釜中用喷射器，因淀粉品种不同，加热温度也不同，木薯淀粉约为100?。 由于淀粉几乎都是经过糊化成淀粉糊后应用的，因此淀粉糊的热粘度及其稳定性，胶粘性、透明度等等性质都与淀粉的用途密切相关。 木薯淀粉糊化后，粘度增高，并且随温度的上升粘度继续增高，当粘度达到最高值(最高粘度)以后，继续加热，并保持一定的温度，则粘度下降。再继续加热期间下降程度为粘度的稳定性，下降幅度小，则热稳定性高。若停止加热，使淀粉糊冷却，则粘度会上升。淀粉糊在高速搅拌的情况下，粘度也会降低，搅拌速度愈快，则粘度降低愈大。在工业生产中，淀粉如果保持较长时间的搅拌，及使用泵的机械冲击，也会使生产的淀粉糊的粘度有所降低。 淀粉在水中加热易糊化，而干加热却不糊化，干淀粉加热到130?成为无水物，再加热至150-160?就变成黄色可溶液性物质，继续加热则碳化。 淀粉糊的清澄或浑浊的程度，也因淀粉品种不同而异，马铃薯淀粉糊最透明，木薯淀粉糊次之，玉米淀粉糊不透明。影响淀粉糊透明的因素比较复杂，除淀粉本身的支链淀粉含量、凝沉性质外，还有糊的浓度、酸碱性、添加物料的种类、加热情况及放置时间等。 稀淀粉糊很不稳定，放置一定时间后，粘度降低，由透明变成浑浊，有白色沉淀下沉，水出，胶体结构破坏，这是由于溶解状态的淀粉又重新凝结而沉淀。这种现象称为“凝沉”。淀粉凝沉的原因是由于淀粉糊在冷却过程中分子运动减弱，相互靠拢，彼此平行，分子的羟基相互作用形成氢键，结成束状结构，使溶解度降低而凝沉。凝沉是一个结晶的过程，凝沉的淀粉为结晶结构，不溶于水，具有β—型的X-光衍射图像。 各种淀粉的凝沉存在着差别，玉米、高粱淀粉凝沉力强;马铃薯、甘薯、木薯淀粉凝沉力弱;糯米、粘高粱淀粉则没有凝沉力。这是因为各种淀粉中直链淀粉和支链淀粉含量各不相同的缘故。一般来讲，直链淀粉含量高则易凝沉;反之， 4 支链淀粉含量高则不易凝沉。此外，温度、水分、浓度、PH值、盐类以及冷却时间对凝沉速度都有影响。淀粉凝沉的最佳温度是2-4?，大于60?或低于-20?都不易凝沉。淀粉水分含量在30-60%时容易凝沉，而含有大量的水分时则又不易凝沉。淀粉溶液PH值在7时凝沉速度最快，而PH值在2以下和10以上时则凝沉速度很慢。淀粉溶液浓度高时容易凝沉，浓度低时则凝沉速度慢。不同的无机盐类对淀粉的凝沉影响也不一样，有的能促进，有的则起抑制作用。 将淀粉糊在光滑平面上涂薄层，干燥，而形成薄膜。膜的强度、柔软性、透明度、光泽、水溶性、重湿性等则因不同的淀粉而存在差别。木薯和马铃薯淀粉糊的成膜性较玉米、小麦淀粉好，膜的强度、柔软性、透明性和光泽都好，并能长期保持其水溶性，重湿性好，粘合力强。淀粉糊为重要的胶粘剂，用于胶纸带、信封、邮票、标签等等方面，要求重湿性好，使用时与水接触，溶解快，粘合力强。 淀粉在工业上的应用，几乎都是加热使淀粉乳糊化，应用所得到的淀粉糊，起到增稠、凝胶、粘合、成膜和其它功用。不同品种淀粉的淀粉糊性质存在差别(见下表)，这些性质都影响应用。 淀粉糊的性质 淀粉品种 粘度 粘韧性 透明度 抗剪力稳定性 凝沉性 玉米淀粉 中 短 不透明 高 强 粘玉米淀粉 中高 长 透明 低 很弱 小麦淀粉 中低 短 不透明 中 强 高粱淀粉 中 短 不透明 中 强 大米淀粉 中低 短 不透明 中 强 马铃薯淀粉 很高 长 透明 低 中 甘薯淀粉 高 长 半透明 低 中 木薯淀粉 高 长 透明 低 弱 淀粉糊主要含膨胀的淀粉颗粒，但因颗粒糊化不均匀，还含有未充分膨胀的颗粒，甚至还有少量未膨胀的颗粒以及碎裂的膨胀颗粒、溶解淀粉和凝沉淀粉等。 三、木薯淀粉的化学性质 淀粉属于碳水化合物，也可以把它看成是葡萄糖的缩聚物，是由α-D葡萄糖通过α-1，4和α-1，6-苷健连接成的高分子化合物。淀粉的主要结构特征是葡萄糖单位之间具有1.4-苷健，几乎每一个葡萄糖单位都有C6伯羟基和C2、C3两个仲羟基。木薯淀粉分子含有大量的羟基，其化学性质活泼，可以交联、酯化、醚化，生成具有各种特殊用途的变性淀粉，如交联淀粉、醋酸酯淀粉、磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉、羟乙基淀粉、羟丙基淀粉等等，此外淀粉还能与许多单体接枝共聚生成接枝化合物。这些都是通过化学反应使淀粉性质发生改变，故称为淀粉衍生物，也属于变性淀粉。 淀粉的另一主要化学反应是水解反应，淀粉通过水解反应生成葡萄糖，故亦称糖化反应，工业上用来生产各种淀粉糖。 木薯淀粉由于具有非淀粉杂质含量低、粘度高、糊化温度低、糊液透明稳定、成膜性好、渗透性强等良好的理化特性，是加工变性淀粉、淀粉糖的上好原料直链淀粉和支链淀粉分离。 5