1、在食品工业中的应用
不同的变性淀粉可以用在同一种食品之中,而同一种变性淀粉又可用于不同的食品;同一种食品,不同的生产厂家,又有不同的使用习惯;即使是同一种变性淀粉,不同的变性程度,性能相差又很大,这给变性淀粉在食品品质研究中应用开发提供了广阔的发展前景,同时又指出了其历程的艰难。
食品名目繁多,加工贮藏方法多种多样,从传统的作坊式食品加工到现代化的机械、自动化工业生产,对食品辅料中的淀粉要求越来越高。如现代食品加工工艺中的高温杀菌、机械搅拌、泵的输运,便要求辅料淀粉具有耐热、抗剪切稳定性;冷藏食品则要求糊化后的淀粉不易回生凝沉,而具有很强的亲水性;偏酸性食品要求淀粉在酸性环境下有较强的耐酸稳定性;有些需淀粉具有一些特殊的功能,如成膜性、涂布性等等。食品中使用变性淀粉的优点归纳成如下几点:
(1)使用变性淀粉,可以使其在高温、高剪切力和低 pH 条件下保持较高的粘度稳定性,从而保持其增稠能力。大家知道,很多食品均需在较高温度下加工或杀菌,原淀粉分子在高温下易解聚成小分子,粘度下降,使其失去其增稠能力;同样,食品加工中的机械搅拌和泵的输送,均会产生剪切力,有些食品由于存在有机酸(如酸性饮料),使体系偏酸性,高剪切力和酸性环境均能使原淀粉分子降解,失去增稠、稳定食品的能力。必须通过淀粉的变性处理,提高其耐热、耐酸和抗剪切能力。这一点在淀粉用于果酱类、饮料类以及调味料等食品增稠中尤为重要。
(2)通过变性处理,可以使淀粉在室温或低温保藏过程中不易回生,从而避免食品凝沉或胶凝,形成水质分离。食品中的淀粉分子在保藏过程中会通过氢键发生分子间重排而缩合,尤其在冷藏过程中这一过程更为剧烈,结果导致分子脱水收缩,固体结构硬化,甚至析出水来,流体食品出现上下分层、混浊,产品劣化。通过变性处理后(如酯化和醚化淀粉),在淀粉分子上引入亲水性基团,则可以提高淀粉分子亲水能力,阻碍淀粉分子间以氢键形式缩合,脱水收缩,从而提高食品在室温或低温保藏过程中的稳定性。
(3)通过变性处理提高淀粉糊的透明度,改善食品的外观,提高其光泽度。原淀粉的亲水性不强,当用它制作食品时,则往往因其不能更好地结合水分子,而使整个食品体系透光率低,食品发白,无光泽。如果用淀粉便需要透明,豆沙馅中用淀粉则需有豆沙本身天然的光泽等,当淀粉变性处理后,接上亲水性基团,则使淀粉分子周围吸附有大量水分子,形成质构均匀的溶胶,使得食品具有很好的透明而诱人的光泽。
(4)通过变性处理改善乳化性能。原淀粉分子是没有什么乳化性的,不能用它来形成稳定的水、油混合体系。如果在淀粉分子上接上亲水、亲油双重性质的官能团,如辛烯基琥珀酸根,则使它既具有亲水性,又具有亲油性,从而达到乳化稳定水、油混合体系的目的。
(5)通过变性处理可提高淀粉浓度,降低淀粉粘度,还可提高淀粉形成凝胶的能力,如制作牛皮糖的酸处理淀粉。
(6)通过变性处理提高淀粉溶解度或改善其在冷水中的吸水膨胀能力,改善淀粉在食品中的加工性能。如制作方便食品用的糊精和预糊化淀粉。
(7)通过变性处理改善淀粉的成膜性。如通过切支酶切断支链分子中的 α- 1,6 糖苷键,增加直链分子的比例,经此过程处理后的淀粉形成的膜具有很好的强度和隔氧性,适合用于食品的包装膜。
2、变性淀粉在造纸工业中的应用
变性淀粉是造纸工业中的重要化学品。在造纸精细化学品中,以质量计变性淀粉占 80%~90%;若以造纸原料消耗计,它居纤维、填料后的第 3 位。美国造纸工业年用变性淀粉 130 多万 t,日本达 25 万 t以上,而中国目前仅 5 万 t 左右。
1996 年中国纸和纸板年产量已达 2 669 万 t,位居世界第 3 位。若按发达国家的应用水平,变性淀粉的年需求量应在 50 万 t 以上,因此有很大的市场潜力。
在淀粉原料的选择上,一般根据各国的国情和应用的需要来决定。如美国,主要选用玉米淀粉为主,约占 80%,其次是木薯,约占 14%。玉米、马铃薯、木薯淀粉都可以深加工成各种变性淀粉。
变性淀粉对造纸行业具有明显的经济和社会效益:
(1)能明显提高纸张的各种物理强度,提高质量和档次,降低木浆配比。
(2)能提高细小纤维、填料的留着,提高成纸的灰分、白度和不透明度,同时还可节约能耗,减少湿部断头,减轻纸厂三废污染等。
(3)能改善施胶效果,节约施胶剂用量,尤其可作为中性抄纸的配套助剂。
(4)能明显改善印刷适性,使印刷时不易断头、掉毛、掉粉和糊版,并增加对油墨的吸附能力,使色彩鲜艳、字迹清晰等。
(5)还可代替价格昂贵的合成树脂、干酪等作为表面施胶和涂布粘合剂,能明显降低涂布加工纸的生产成本。
(6)变性淀粉还可作为纸制品的粘合剂,如纸箱、纸管的粘合剂等。具有粘结力强,成本低,对环境污染轻等特点。
造纸淀粉若按其使用方法分,可分为 4 大类:浆内添加淀粉、喷雾淀粉(层间增强为主)、表面施胶淀粉和涂布淀粉。可以说,变性淀粉几乎适用于造纸的全过程。
3、变性淀粉在医药工业中的应用
医药生产离不开淀粉,片剂大部分为淀粉,虽已有许多新辅料代替淀粉,但淀粉无毒性、原料资源丰富、价廉,故仍是很好的辅料。制剂厂也需要淀粉或其衍生物作为药用辅料。随着制剂技术、工艺及设备的发展,对药品质量要求不断提高。单独使用淀粉不但不能满足某些制剂的要求,如外观、稳定度、崩解度、生物利用度及疗效,而且也限制了制剂品种多样化,如咀嚼、多层、缓释、成膜等。为了改善天然淀粉理化性质之不足,可采取物理、化学及酶对淀粉进行。
4、变性淀粉在石油工业中的应用
近年来,淀粉作为油田化学剂中的水溶性聚合 物,已经被用于石油钻井液、压裂液和油气生产的种场合。这些不同场合要求的聚合物功能往往是多样的,它们区别很大,以致大多数聚合物只具有一种主要的使用目的,只有少数几种聚合物能够胜任两种以上的功能。
淀粉具有增稠、凝胶、粘结与成膜等性能;通过改变淀粉的特性,可人为提高或抑制原有的某些性能,或赋予它以新的特性;因而是具有多种功能的水溶性聚合物之一。又因原料来源丰富,且价格便宜,在石油工业应用中占有油田化学剂中水溶性聚合物的一定比例。
淀粉在石油工业中最早的应用是钻井液方面。在钻井作业中淀粉及其衍生物如预凝胶淀粉、羧甲基淀粉、羟丙(乙)基淀粉、磺化淀粉、接枝共聚产物和磷酸酯氧化淀粉等用作钻井液的降失水剂。
在压裂液中,利用淀粉及变性产品的可水膨胀和在一定条件下降解的特性,用作可降解低伤害的降滤失剂。由特殊工艺变性的淀粉,能够与硼离子等交联成有一定粘弹性的冻胶,为其在压裂液增稠剂方面应用开创了新领域。
淀粉和合成聚合物的接枝共聚物以及由淀粉开发的微生物聚合物,在堵水调剂和强化采油等提高采收率方面也有应用。
另外,在石油开采以及石油环保的聚丙烯酰胺分析和油水污染处理中,也有淀粉或其变性产品的应用。应该说淀粉及其衍生物作为难得的具有多功能的水溶性聚合物之一,在石油工业中应用广泛,并且随着石油工业的发展和淀粉技术的进步,其应用范围还会越来越广。
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