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        機(jī)械力對魔芋葡甘聚糖影響研究

        2022-03-11 09:48:18楊曉儀孫遠(yuǎn)明楊幼慧丁金龍
        農(nóng)產(chǎn)品加工 2022年4期
        關(guān)鍵詞:甘聚糖超細(xì)粉干法

        楊曉儀 ,孫遠(yuǎn)明 ,楊幼慧 ,丁金龍 , 龐 杰

        (1. 福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007;2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510006)

        魔芋葡甘聚糖是一種由摩爾比 1∶1.6 的葡萄糖和甘露糖殘基通過 β-1,4 糖苷鍵結(jié)合而成的重要植物多糖,具有良好的保健功能和獨(dú)特的流變學(xué)性質(zhì),在食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保、石油鉆探等工業(yè)中有重要用途[1-2]。魔芋葡甘聚糖以聚集態(tài)存在于魔芋球莖的異細(xì)胞中,由經(jīng)干燥、研磨、分離的異細(xì)胞組成。魔芋葡甘聚糖的加工是魔芋利用的基礎(chǔ)與關(guān)鍵,因?yàn)槠滟|(zhì)量直接關(guān)系到魔芋葡甘聚糖的應(yīng)用范圍及效果[3]。

        由于異細(xì)胞韌性極強(qiáng)及加工設(shè)備與技術(shù)的限制,魔芋葡甘聚糖很難被進(jìn)一步粉碎[4-5],因而存在著顆粒大、溶脹時間長等缺點(diǎn),給使用特別是連續(xù)化生產(chǎn)帶來極大不便,十分需要研究開發(fā)超細(xì)魔芋葡甘聚糖的加工方法。在魔芋葡甘聚糖的制備上主要以干法 (機(jī)械粉碎) 和濕法 (堿提醇沉) 為主,其中機(jī)械粉碎應(yīng)用更為廣泛。因?yàn)楂@得具有更好加工性能的魔芋葡甘聚糖離不開超細(xì)粉碎。

        針對機(jī)械作用對魔芋葡甘聚糖影響研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,探討魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)在機(jī)械力作用下的變化,探索制備力學(xué)性能好的高端魔芋葡甘聚糖產(chǎn)品加工新方法,為魔芋葡甘聚糖加工提供理論基礎(chǔ)、技術(shù)支撐與調(diào)控策略。

        1 不同粉碎方式產(chǎn)生的機(jī)械力

        不同的超細(xì)粉碎方式所產(chǎn)生的機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)存在一定差異。在滿足相同粒度要求而其他條件相近情況下,采用分級措施與不采用 分 級措施相比,超細(xì)粉碎處理后魔芋葡甘聚糖降解程度較低,粉的粒度分布較集中,溶膠表觀黏度下降幅度較小,但粉的比表面積增加幅度也較小。在滿足相同的粒度要求而其他條件相近的情況下,干法與濕法超細(xì)粉碎工藝相比,干法對魔芋葡甘聚糖分子結(jié)構(gòu)造成更大的破壞,魔芋葡甘聚糖降解程度更高;干法粉碎后魔芋葡甘聚糖比表面積的增大程度明顯高于濕法;而濕法產(chǎn)品無論在顆粒大小還是整體形態(tài)方面都遠(yuǎn)較干法產(chǎn)品均一;濕法粉碎后粉的流動性稍優(yōu)于干法,同時溶膠表觀黏度的下降幅度顯著小于干法[6]。

        魔芋超細(xì)粉碎機(jī)由于采用組合粉碎及分級工藝,粉碎效率較高;經(jīng)貝利微粉機(jī)粉碎 60 min、膠體磨粉碎逐級調(diào)節(jié)定轉(zhuǎn)齒間隙到 25 μm 后皆能達(dá)到魔芋葡甘聚糖的粒度標(biāo)準(zhǔn);輥磨機(jī)由于逆粉碎現(xiàn)象的存在,一定程度上影響其粉碎效果,能使魔芋葡甘聚糖有效粉碎的機(jī)械作用力為擠壓和剪切力。特別是將 2 種作用力結(jié)合,先經(jīng)強(qiáng)力擠壓作用破碎魔芋葡甘聚糖顆粒,再經(jīng)剪切作用進(jìn)一步粉碎細(xì)化,能達(dá)到較好的超細(xì)粉碎效果[7-8]。

        輥磨機(jī)不同程度粉碎處理的魔芋葡甘聚糖顯微形貌[7]見圖 1。

        圖1 輥磨機(jī)不同程度粉碎處理的魔芋葡甘聚糖顯微形貌

        2 機(jī)械力對魔芋葡甘聚糖的影響

        固 體 顆 粒 受 外 力 作 用 而 被 粉 碎 的 方 式 有 多 種 :碰撞、擠壓、研磨、切削等,當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力大于其所能承受的極限時就發(fā)生斷裂破壞而達(dá)到粉碎的目的。這是一個直到完全破壞為止的固體變形過程,與顆粒的組成、結(jié)構(gòu)、溫度及外界介質(zhì)的影響有關(guān)[9-11]。

        超細(xì)粉碎過程中強(qiáng)烈的機(jī)械力作用,導(dǎo)致魔芋葡甘聚糖分子鏈中糖苷鍵斷裂,魔芋葡甘聚糖分子量下降。隨超細(xì)粉碎程度提高,魔芋葡甘聚糖機(jī)械降解程度不斷提高,并產(chǎn)生相當(dāng)含量的低聚糖和單糖[12-13]。隨著粉碎程度增大,魔芋葡甘聚糖的比表面積增大、流動性變差、表觀密度降低、總體色度得到改善;玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低、溶脹速度提高、溶膠表觀黏度下降;溶膠濁度下降,透明 度提高;顆粒形態(tài)變得不規(guī)則[14]。

        在粉碎過程中,魔芋葡甘聚糖的主要結(jié)構(gòu)仍然存在,各種官能團(tuán)未發(fā)生本質(zhì)性的變化。魔芋葡甘聚糖總體上屬于非晶物質(zhì),但仍存在著局部結(jié)晶結(jié)構(gòu)。隨著超細(xì)粉碎的不斷進(jìn)行 ,葡甘聚糖粒度的不斷細(xì)化,局部存在的結(jié)晶被不斷無定形化,晶粒尺寸不斷減少,整體結(jié)晶度不斷下降[15-16]。

        3 機(jī)械力對魔芋葡甘聚糖影響機(jī)理

        魔芋葡甘聚糖在超細(xì)粉碎時呈固體聚集態(tài),分子游動性極差,在超細(xì)粉碎過程中受到強(qiáng)烈的擠壓、剪切、摩擦、碰撞等機(jī)械力作用,處在交變應(yīng)力作用下,卻因分子游動性極差而導(dǎo)致分子間、分子內(nèi)受應(yīng)力不均,在分子鏈的局部存在著應(yīng)力集中,導(dǎo)致該處化學(xué)鍵破壞,從而引起分子鏈斷裂,因而超細(xì) 粉 碎 引 起 的 機(jī) 械 降 解 在 很 大 程 度 上 屬 于 隨 機(jī) 降解[17]。魔芋葡甘聚糖經(jīng)超細(xì)粉碎后,主要是分子鏈被切斷,而分子中的各種官能團(tuán)并沒有發(fā)生本質(zhì)上的變化,或者即使發(fā)生變化也是極微量的變化,利用目前常用的紅外光譜、紫外可見光譜及拉曼光譜和電子自旋共振仍不能明確檢測出。在超細(xì)粉碎處理過程中,魔芋葡甘聚糖產(chǎn)生自由基,且在一定范圍內(nèi),隨粉碎時間的延長,自由基濃度不斷上升,但產(chǎn)生的自由基并不穩(wěn)定,化學(xué)反應(yīng)活性很高,短時間內(nèi)就會大部分淬滅[18-19]。

        在超細(xì)粉碎過程中,由于機(jī)械力作用引起物料物理形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)的變化而產(chǎn)生機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)[20]。魔芋葡甘聚糖鏈在外場作用下都有斷裂,前期發(fā)現(xiàn),冷凍耦合超微粉碎可調(diào)控魔芋葡甘聚糖鏈斷裂行為[21],這種奇特的現(xiàn)象可能是由于分子鏈斷裂、低溫環(huán)境分子鏈纏結(jié)和解纏結(jié)、非晶區(qū)與晶區(qū)轉(zhuǎn)化共存所形成的保護(hù)機(jī)制,推測空間上的可能是原有糖鏈纏結(jié)和機(jī)械破碎鏈后形成晶區(qū),導(dǎo)致拓?fù)湫螒B(tài),但具體機(jī)制尚未明確。

        4 結(jié)語

        在采用傳統(tǒng)粉碎技術(shù)加工魔芋葡甘聚糖的過程中,魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)會被嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致魔芋葡甘聚糖性能差,這成為決定魔芋葡甘聚糖產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。從前期研究基礎(chǔ)來看,未來可從以下幾個方面進(jìn)行研究:

        (1) 通 過濕 法 得 到 比 較 完 整 的 魔 芋 葡 甘 聚 糖,利用現(xiàn)代的表征方法對天然魔芋葡甘聚糖的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,結(jié)合計算機(jī)對天然的魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征或者實(shí)現(xiàn)可視化?;蛱接懜煞ǚ鬯橄氯绾螌?dǎo)致天然魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)下的變化,即從粒徑、基團(tuán)數(shù)量和位置、分子量大小及分子鏈的剛?cè)嵝缘挠绊懙确矫嬷帧?/p>

        (3) 可嘗試采用冷凍粉碎和超微粉碎技術(shù)動態(tài)調(diào)控次級鍵鍵合作用,改善魔芋葡甘聚糖鏈的穩(wěn)定性,顯著提高微粒力學(xué)性能。為掌握魔芋葡甘聚糖鏈聚集的穩(wěn)定性調(diào)控機(jī)制,可聚焦分子、晶區(qū)、微粒 3 個關(guān)鍵尺度,綜合運(yùn)用核磁、拉曼、紅外、原子力顯微鏡、分子模擬等試驗(yàn)和模擬分析手段,研究分子鏈結(jié)構(gòu)、晶區(qū)鏈狀空間結(jié)構(gòu)、微粒表面結(jié)構(gòu)等多尺度結(jié)構(gòu)在次級鍵鍵合作用下的演變規(guī)律,從而明確次級鍵鍵合作用 - 魔芋葡甘聚糖多尺度結(jié)構(gòu)與行為 - 微粒穩(wěn)定性之間的定量關(guān)系,制備力學(xué)性能好的高端魔芋葡甘聚糖產(chǎn)品,為魔芋葡甘聚糖加工提供理論基礎(chǔ)、技術(shù)支撐與調(diào)控策略。

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