CN115058047B - 一种制备薯类多孔淀粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备薯类多孔淀粉的方法，包括如下步骤：A)薯类淀粉经低压氩等离子体处理，得到多孔化的淀粉；B)将多孔化的淀粉干燥、筛粉、包装即得。本发明利用中性气体介质氩低压等离子体可使得淀粉在低糊化度的条件下制备高吸附性、高透明度、高冻融稳定性及强机械性能的多孔淀粉，制备周期短，避免了加入大量化学试剂和高温加热的负面影响，产品吸油性能的提升率高、透明度及冻融稳定性均得到有效提高。
Description
技术领域
本发明涉及食品技术领域，具体的说是涉及一种制备薯类多孔淀粉的方法。
背景技术
薯类植物广泛种植于100余个国家和地区，是世界最重要的热带粮食作物之，中国的薯类种植区域主要分布在海南省、广西壮族自治区和广东省，其次为福建省、江西省以及云南省的南部。薯类以木薯、甘薯、马铃薯、山药、芋薯为主，由于木薯、甘薯、马铃薯、山药、芋薯淀粉含量均高达90％以上(干基)，因此薯类淀粉素有“淀粉之王”美誉，是全球约7亿人口的主食，同样也是生产酒精以及淀粉基食品等产品的重要工业原料。为了合理开发利用木薯、甘薯、马铃薯、山药、芋薯等薯类淀粉，科研人员对薯类淀粉的提取、分离以及针对其专一性开发物理和化学性质的专利已广泛探索。根据薯类淀粉的理化特征发现其可以广泛应用于增稠剂、胶凝剂、微胶囊壁材料等，具有广泛的应用前景。但由于薯类淀粉表面粗糙容易吸附蛋白质、灰分、脂质等导致工业化提取淀粉得纯度较低(80％左右)，且杂质不易去除；由于薯类淀粉颗粒晶胞内双螺旋排列致密导致表面孔洞较少，使其具有极高的最终粘度(≥7000cP)经常使加工仪器堵塞不利于淀粉进一步加工利用，并且抗性淀粉含量(≥76.6％)也极难被人体吸收，因此对此进行多孔改性，以作为前处理更加适应定向工业化生产是现在的研究热点。
多孔淀粉是一种变性淀粉，表面有丰富的微孔，微孔向中心延伸，呈“蜂窝状”结构。颗粒表面形貌显示多孔淀粉具有由外向中心凹陷的孔结构，孔径通常约为0.5～1.5μm甚至最大可以达到淀粉粒径的二分之一。因此，与天然淀粉相比，它具有更大的比孔体积和更强的吸附能力。由于物质容易吸附在多孔淀粉的内壁上，一些对光和氧敏感的物质可以被多孔淀粉保护。因此，多孔淀粉作为一种安全、高效、经济的吸附剂，在食品、医药、化工等领域有着广泛的应用。目前常用的制备多孔淀粉的方法有物理法和化学法。化学法通常有酸水解法、生物催化剂法、酶成孔法等，虽具有催化效率高、产品吸附性能好的优点，但制备的产品容易受到残留化学试剂的污染，许多研究者认为存在较为严重的食品安全问题。物理法通常利用微波法、超声波处理、喷雾干燥、机械撞击、挤压等制备的多孔淀粉拥有收率高，但目前的物理法虽安全性较好，但通常对机械设备要求较高，且工艺复杂步骤繁琐，甚至有时需要结合化学手段辅助制备多孔淀粉，例如中国专利201610415909.2公布了一种对淀粉乳进行反复冻融处理制备多孔淀粉的方法，该方法绿色环保但是耗时太长；中国发明专利201510599698.8公布了一种采用挤压及超声波预处理的方法来辅助糖化酶和淀粉酶复合水解的多孔淀粉制备方法，此法虽处理效果良好但工业条件实验难度并不适合大量制备多孔淀粉；中国发明专利201710767198.X发明了一种利用脉冲电场制备改性多孔淀粉的方法，但要利用α-淀粉酶、β-淀粉酶进行预处理制备淀粉孔洞。
因此，开发新型快速的物理法制备多孔淀粉是目前多数研究者的研究热点和关注点。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种制备薯类多孔淀粉的方法制备得到的多孔淀粉透明度高、吸油性显著提升、稳定性好。
本发明提供了一种制备薯类多孔淀粉的方法，包括如下步骤：
A)薯类淀粉经低压氩等离子体处理，得到多孔化的淀粉；
B)将多孔化的淀粉干燥、筛粉、包装即得。
优选的，所述薯类淀粉选自木薯、甘薯、马铃薯、山药或芋薯中的一种或几种。
优选的，所述薯类淀粉的含水量为5％～20％。
优选的，所述低压氩等离子体的压力为2～12mbar。
优选的，所述低压氩等离子体的功率为30～60W。
优选的，所述低压氩等离子体的处理时间为3～45s。
优选的，所述低压氩等离子体的氩气体流速为20～60mL/min。
优选的，所述干燥为真空冷冻干燥；所述真空冷冻干燥的具体参数为40℃～70℃条件下冻干至水分质量百分含量为≤10％。
优选的，所述筛粉为采用80-200钼筛过筛。
本发明提供了一种薯类多孔淀粉，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明提供了一种制备薯类多孔淀粉的方法，包括如下步骤：A)薯类淀粉经低压氩等离子体处理，得到多孔化的淀粉；B)将多孔化的淀粉干燥、筛粉、包装即得。本发明利用中性气体介质氩低压等离子体可使得淀粉在低糊化度的条件下制备高吸附性、高透明度、高冻融稳定性及强机械性能的多孔淀粉，制备周期短，避免了加入大量化学试剂和高温加热的负面影响，产品吸油性能的提升率高、透明度及冻融稳定性均得到有效提高。
附图说明
图1(a,b)为实施例1木薯多孔淀粉与实施例2甘薯多孔淀粉的微观形貌对比示意图；
图2为实施例2甘薯多孔淀粉与原淀粉的冻融稳定性对比示意图；
图3为实施例3马铃薯多孔淀粉与原淀粉的透明度对比示意图；
图4为实施例4山药多孔淀粉与原淀粉的吸油率对比示意图；
图5(a,b)为实施例1木薯淀粉与对比例2木薯淀粉分别在不同条件下多孔处理后的微观形貌对比示意图；
具体实施方式
本发明提供了一种制备薯类多孔淀粉的方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本发明主要是基于低压氩等离子体的电子瞬时高能穿孔作用，属于非热物理加工手段。其一，淀粉具有氢氧极性分子结构，在低压电场的作用下很容易发生分子极性化，便于分子结构的降解与重排；其二，穿孔作用与分子极化处理使得淀粉颗粒具有更好的水结合能力与持水能力，因此等离子体改性后的多孔淀粉会具有更加优良的透明度与冻融稳定性。现有技术物理辅助改性技术(挤压、微波、超声波等)主要注重的是多孔淀粉的制备方法及其主要性能(吸油率)的提高，且需要先进行酶解淀粉以破坏颗粒表面，而本发明在此基础上不仅省去了化学酶手段的步骤，还横向拓展了多孔淀粉透明度与冻融稳定性的研究，且具有能耗低、产热少、耗时短等诸多优势。
本发明提供了一种制备薯类多孔淀粉的方法，包括如下步骤：
A)薯类淀粉经低压氩等离子体处理，得到多孔化的淀粉；
B)将多孔化的淀粉干燥、筛粉、包装即得。
本发明提供的制备薯类多孔淀粉的方法首先制备特定水分含量的薯类淀粉。
本发明对于薯类淀粉的来源不进行限定，优选的，所述薯类淀粉选自木薯、甘薯、马铃薯、山药或芋薯中的一种或几种。
具体的，所述薯类淀粉的含水量为5％～20％。上述含水量的薯类淀粉的制备方法优选为将薯类淀粉和水混合，置于铝桶中混合均匀；所述混合的参数优选为40～50℃，200rpm。
将上述含水量的薯类淀粉经低压氩等离子体处理，得到多孔化的淀粉。
将上述薯类淀粉悬液分置于低压氩等离子体样品池中，池中样品在纯氩气介质中开启设备。
本发明所述低压氩等离子体的参数具体为：
所述低压氩等离子体的压力为2～12mbar；功率为30～60W；处理时间为3～45s；氩气体流速为20～60mL/min。
在本发明其中一部分优选实施方式中，
所述低压氩等离子体的参数具体为：
所述低压氩等离子体的压力为4～12mbar；功率为30～55W；处理时间为5～40s；氩气体流速为25～55mL/min。
在本发明其中一部分优选实施方式中，
所述低压氩等离子体的参数具体为：
所述低压氩等离子体的压力为6～12mbar；功率为30～50W；处理时间为8～40s；氩气体流速为30～50mL/min。
本发明上述淀粉的含水量，低压氩等离子体的压力、功率、处理时间和氩气流速等属于整体的技术方案，是功能上彼此互相支持，存在相互作用关系的技术特征，上述协同配合才能解决本发明的技术问题，达到本发明的技术效果，是上述多孔淀粉透明度高、吸油性显著提升、稳定性好的关键。
利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水，
将多孔化的淀粉干燥；本发明所述干燥为真空冷冻干燥；所述真空冷冻干燥的具体参数优选为40℃～70℃条件下冻干至水分质量百分含量为≤10％；更优选为40℃～60℃条件下冻干至水分质量百分含量为≤10％。
本发明上述冷冻干燥优选在真空冷冻干燥机器中进行，冻干过程中真空度为30～60Pa，机内冷阱温度为-80～-40℃，加热板温度40～50℃，在20～60min内升温至40～50℃，冻干12h。。
干燥后，筛粉、包装即得。
所述筛粉为采用80～200钼筛过筛，而后包装得到多孔淀粉。
本发明采用一种低压氩等离子体快速制备薯类多孔淀粉的方法，工艺方法中不使用有毒有害试剂，大幅优化了制备工艺，相比于其他方法在节约工艺成本、增加并拓宽了孔洞的同时较少破坏淀粉结构，维持原淀粉A/B型结晶结构并未改变，对环境没有污染，操作更简单，成本低，适合工业自动化大规模生产。
本发明提供了一种薯类多孔淀粉，由上述技术方案任意一项所述的制备方法制备得到。
针对现有制备多孔淀粉颗粒步骤极其繁琐，多数是需要酶解先制备淀粉空洞，再利用脉冲电场等方式进行辅助多孔改性，且改性后的淀粉内部结构通常被破坏，具有一定的糊化度的缺陷，本发明大幅缩减了改性步骤，仅选择低压低温等离子体，以氩气为介质对淀粉进行多孔处理，在耗费原料少的同时保证了制备的成品达到可批量化应用的品质，在某些方面甚至更优于现有水平。本发明的目的在于提供一种利用低压氩等离子体快速制备薯类多孔淀粉的方法，该方法属于非热处理过程并且制备时间短、绿色环保，制备的多孔淀粉具有透明度高、吸油性显著提升、冷餐过程中稳定性好的优点。
本发明提取的淀粉经过检测，淀粉颗粒形貌呈现规则钟形和圆形伴有细小孔洞，分子量2.3-4.1×107g/mol，半晶层厚度6.95-9.69nm，为A/B型结晶结构，结晶度24.5-38.6％，均方纳米表面粗糙度≤5.9nm，凝胶化温度74.4-88.9℃，抗性淀粉含量48.57-64.98％，透明度9.2-14.6％，油溶性265.4-304.5％，三次冻融析水率在区间18.6-40.6％。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种制备薯类多孔淀粉的方法进行详细描述。
实施例1：低压氩等离子体快速制备木薯多孔淀粉
制备水分含量5％的木薯淀粉：向9.5g木薯淀粉中加入0.5g蒸馏水，至于铝桶中(200rpm 50℃)混合均匀。
制备多孔木薯淀粉：将10g水分含量5％的木薯淀粉置于低压氩等离子体样品池中，池中样品在纯氩气介质中开启设备，于功率50W，系统压力为6mbar，气体流速为30mL/min，反应10S制备多孔淀粉。
冻干包装：利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水。真空冷冻干燥机中将抽滤后的白色沉淀冻干(50℃，真空度30Pa)至水分质量百分含量为≤10％，利用200钼筛过筛后提取8.5g多孔淀粉。
本发明提取的淀粉经过检测，50W处理的木薯淀粉明显呈现出颗粒孔洞，且类似于原淀粉呈现规则钟形和圆形的颗粒形貌并未改变，分子量3.6×107g/mol，半晶层厚度8.48nm，均为A型结晶结构，结晶度27.9％，均方纳米表面粗糙度4.9nm，凝胶化温度83.4℃，抗性淀粉含量59.5％，透明度13.3％，油溶性287.6％，三次冻融析水率在区间17.9-39.8％。
实施例2：低压氩等离子体快速制备甘薯多孔淀粉
制备水分含量10％的甘薯淀粉：向90g木薯淀粉中加入10g蒸馏水，至于铝桶中(200rpm 50℃)混合均匀。
制备多孔甘薯淀粉：将100g甘薯淀粉置于低压氩等离子体样品池中，池中样品在纯氩气介质中开启设备，于功率30W，系统压力为8mbar，气体流速为35mL/min，反应15S。
冻干包装：利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水。真空冷冻干燥机中将抽滤后的白色沉淀冻干(50℃，真空度50Pa)至水分质量百分含量为≤10％，利用200钼筛过筛后提取95g甘薯多孔淀粉。
本发明提取的淀粉经过检测，30W处理的甘薯淀粉出现明显的颗粒孔洞，颗粒性状依然呈现规则钟形和圆形变化，分子量3.9×107g/mol，半晶层厚度8.01nm，均为A型结晶结构，结晶度28.1％，均方纳米表面粗糙度7.5-7.1nm，凝胶化温度81.2℃，抗性淀粉含量50.5％，透明度12.3％，油溶性286.2％，三次冻融析水率在区间19.5-35.7％。
实施例3：低压氩等离子体快速制备马铃薯多孔淀粉
制备水分含量15％的马铃薯淀粉：向8.5g木薯淀粉中加入1.5g蒸馏水，至于铝桶中(200rpm 50℃)混合均匀。
制备多孔马铃薯淀粉：将10g马铃薯淀粉悬液分置于低压氩等离子体样品池中，池中样品在纯氩气介质中开启设备，于功率40W，系统压力为10mbar，气体流速为40mL/min，反应20S制备多孔淀粉。
冻干包装：利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水。真空冷冻干燥机中将抽滤后的白色沉淀冻干(50℃，真空度60Pa)至水分质量百分含量为≤10％，利用200钼筛过筛后提取8.78g多孔淀粉。
本发明提取的淀粉经过检测，40W处理的马铃薯淀粉出现明显的颗粒孔洞，颗粒性状依然呈现规则钟形和圆形变化，分子量4.0×107g/mol，半晶层厚度7.13nm，均为B型结晶结构，结晶度36.1％，均方纳米表面粗糙度7.8nm，凝胶化温度75.8℃，抗性淀粉含量65.6％，透明度12.0％，油溶性300.7％，三次冻融析水率在区间26.5-39.7％。
实施例4：低压氩等离子体快速制备山药多孔淀粉
制备水分含量20％的山药淀粉：向80g木薯淀粉中加入20g蒸馏水，至于铝桶中(200rpm 50℃)混合均匀。
制备多孔山药：将山药淀粉悬液分两等份置于低压氩等离子体样品池中，滴加氯化钠电解质使淀粉乳的电导率为400μS/cm，池中样品在纯氩气介质中开启设备，于功率37W，系统压力为12mbar，气体流速为50mL/min，反应30S制备多孔淀粉。
冻干包装：利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水。真空冷冻干燥机中将抽滤后的白色沉淀冻干(50℃，真空度40Pa)至水分质量百分含量为≤10％，利用200钼筛过筛后提取77.8g多孔淀粉。
本发明提取的淀粉经过检测，山药淀粉颗粒形貌呈现规则钟形和圆形伴有细小孔洞，分子量2.9×107g/mol，半晶层厚度7.22nm，为A型结晶结构，结晶度26.84％，均方纳米表面粗糙度5.1nm，凝胶化温度78.9℃，抗性淀粉含量53.5％，透明度9.3％，油溶性287.8％，三次冻融析水率在区间18.7-28.9％。
对比例1
低压氩等离子体快速制备玉米多孔淀粉
制备水分含量30％的玉米淀粉：向7.0g玉米淀粉中加入3.0g蒸馏水，至于铝桶中(200rpm 50℃)混合均匀。
制备多孔木薯淀粉：将10g水分含量30％的玉米淀粉置于低压氩等离子体样品池中，池中样品在纯氩气介质中开启设备，于功率50W，系统压力为6mbar，气体流速为30mL/min，反应10S制备多孔淀粉。
冻干包装：利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水。真空冷冻干燥机中将抽滤后的白色沉淀冻干(50℃，真空度60Pa)至水分质量百分含量为≤10％，利用200钼筛过筛后提取7.9g多孔玉米淀粉。
本发明提取的淀粉经过检测，50W处理的玉米淀粉颗粒表面呈现出大量孔径较大的孔洞，而其原淀粉不规则钟形伴有多边形突起的颗粒形貌并未改变，分子量1.9×107g/mol，半晶层厚度9.95nm，均为A型结晶结构，结晶度23.5％，均方纳米表面粗糙度7.7nm，凝胶化温度76.64℃，抗性淀粉含量27.76％，透明度8.7％，油溶性345.9％，三次冻融析水率在区间26.6-54.3％。高含水量的玉米淀粉对比本实验中的薯类淀粉，多孔处理后孔径更大，孔洞较多，分子量、结晶度、均方纳米表面粗糙度、凝胶化温度、抗性淀粉含量均显著降低，半晶层厚度显著升高导致了较低的透明度、较高的油溶性、三次冻融析水率。
对比例2
低压氩等离子体快速制备木薯多孔淀粉
制备水分含量20％的木薯淀粉：向8.0g木薯淀粉中加入2.0g蒸馏水，至于铝桶中(200rpm 50℃)混合均匀。
制备多孔木薯淀粉：将10g水分含量20％的木薯淀粉置于低压氩等离子体样品池中，池中样品在纯氩气介质中开启设备，于功率100W，系统压力为6mbar，气体流速为30mL/min，反应10S制备多孔淀粉。
冻干包装：利用10％乙醇洗涤3次，5000×g离心后利用真空抽滤机脱水。真空冷冻干燥机中将抽滤后的白色沉淀冻干(50℃，真空度40Pa)至水分质量百分含量为≤10％，利用200钼筛过筛后提取8.5g多孔淀粉。
本发明提取的淀粉经过检测，100W处理的木薯淀粉明显呈现出孔径较细的颗粒孔洞，而其原淀粉呈现规则钟形和圆形的颗粒形貌并未改变，分子量3.2×107g/mol，半晶层厚度9.35nm，均为A型结晶结构，结晶度26.19％，均方纳米表面粗糙度5.6nm，凝胶化温度78.7℃，抗性淀粉含量49.4％，透明度6.9％，油溶性300.2％，三次冻融析水率在区间20.3-44.7％。100W处理的木薯淀粉对比50W处理的木薯淀粉由于其分子量、结晶度、凝胶化温度、抗性淀粉含量降低，半晶层厚升高度导致了更少的较细的微孔出现，使其透明度降低、油溶性、三次冻融析水率增加。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种制备薯类多孔淀粉的方法，其特征在于，步骤为：
A)薯类淀粉经低压氩等离子体处理，得到多孔化的淀粉；所述薯类淀粉选自木薯、甘薯、马铃薯、山药或芋薯中的一种或几种；所述薯类淀粉的含水量为5%~20%；所述低压氩等离子体的压力为2~12 mbar，功率为30~60 W，处理时间为3~45 s；所述低压氩等离子体的氩气体流速为20～60 mL/min；
B）将多孔化的淀粉干燥、筛粉、包装即得；所述干燥为真空冷冻干燥；所述真空冷冻干燥的具体参数为40℃~70℃条件下冻干至水分质量百分含量为≤10%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述筛粉为采用80-200 目筛过筛。
3.一种薯类多孔淀粉，其特征在于，由权利要求1~2任意一项所述的制备方法制备得到。
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