微波辐照对玉米淀粉及其改性淀粉理化特性的影响

2013-03-07 08:28李书艺胡崇琳谢笔钧孙智达
食品科学 2013年1期
关键词:辛烯琥珀酸模量

陈 鹏,黄 霜,李书艺,胡崇琳,谢笔钧,孙智达*

(华中农业大学食品科学技术学院,湖北 武汉 430070)

微波辐照对玉米淀粉及其改性淀粉理化特性的影响

陈 鹏,黄 霜,李书艺,胡崇琳,谢笔钧,孙智达*

(华中农业大学食品科学技术学院,湖北 武汉 430070)

微波辐照水分含量为30%的普通玉米淀粉及其辛烯基琥珀酸改性后的淀粉。结果表明:随着辐照时间的延长,淀粉的水分含量均出现下降趋势,4min时两种淀粉的含水量已降至正常水平。通过扫描电子显微镜观察到两种淀粉微波辐照后,其颗粒表面出现破损,部分颗粒甚至完全破裂。而玉米淀粉及改性淀粉微波辐照前后的结晶性质都基本相似。改性前后的淀粉其糊化后都属于假塑性非牛顿流体,幂律模型对其剪切应力与剪切速率曲线的拟合精度高。随着辐照时间的延长,玉米淀粉的黏度有所降低,改性淀粉呈现先下降后上升的趋势,玉米淀粉的储能模量先增加后减小,耗能模量变化不大,损耗因子的变化趋势则与储能模量相反。而对于改性淀粉,除了辐照6min的样品,其余组的黏弹性变化甚微,该处理时间的储能模量与耗能模量都高于其他处理时间的样品,而损耗因子也出现显著降低。

微波辐照;辛烯基琥珀酸淀粉酯;幂律模型;扫描电子显微镜;X衍射;流变学行为

淀粉是一种来源丰富、价格低廉且可再生的天然多糖大分子[1]。玉米作为世界三大粮食作物之一产量已跃居粮食品种首位,我国淀粉的生产原料绝大部分都是来自于玉米,玉米淀粉在工业中应用十分广泛[2]。作为植物体的生物聚合物,淀粉主要用于贮存碳和能量而不具备结构功能。食品加工过程使淀粉发生转换成为一种结构性成分,其溶液经过加热处理会发生增稠和凝胶,被认为是质构二次调制剂[3]。淀粉因其易老化和亲水性强,限制了它在某些领域的利用,因此可通过诸如酯化、交联等改性方式拓宽其应用范围。辛烯基琥珀酸淀粉酯是可以作为乳化增稠剂的一类改性淀粉,美国FDA允许其作为乳化增稠剂加入食品中,且不限定其使用量[4-5]。我国1997批准其使用并于2001年扩大其使用范围。

微波是300MHz~300GHz的电磁波,通过引发分子高频运动将电磁能最终转化为热能,也有对反应分子直接作用的非热效应[6]。通常可用于干燥、杀菌、解冻、催化反应等[7-8]。国内外研究表明微波可能引起淀粉结晶性质的转变、糊化温度的降低、溶解性的增加、黏度的减小、抗酶解能力的提高等变化,这也与淀粉的来源、水分含量、辐照能、辐照时间有关[9-11]。以上主要是在低辐照能(一般≤1W/g)条件下进行基础性的研究,对象也仅是原淀粉,而改性淀粉方面少有涉猎。本实验以玉米原淀粉及其辛烯基琥珀酸淀粉酯(改性淀粉)为研究对象,研究两者在高辐照能(13W/g)及高水分含量(约30%)的条件下,随着辐照时间的延长,其水分含量、微观形态、结晶性质的变化,而流变学性能作为乳化增稠剂的重要指标,本实验对其微波辐照前后的变化进行重点的研究,以期为该物理改性方式下两种淀粉的工业化应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

普通玉米淀粉(水分含量13%,直链淀粉含量25%)武汉淀粉厂;辛烯基琥珀酸淀粉酯(普通玉米淀粉湿法制备,DS 0.0156)。

1.2 仪器与设备

DK-s22电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司;AR2000 EX动态流变仪 英国T A公司;J S M-6 3 9 0/LV扫描电子显微镜 日本NTC公司;EL104电子分析天平 美国梅特勒-托利多公司;GZX-9140MBE 数显干燥箱 上海博迅实业有限公司医疗设备厂;S7A73型微波炉 三星电子有限公司;D8-ADVANCE 型X射线衍射仪 德国布鲁克公司。

1.3 方法

1.3.1 辛烯基琥珀酸淀粉酯的制备

淀粉与水混合配成30g/100mL的悬浊液,1.5h内分次滴加完占淀粉干样3%的辛烯基琥珀酸酐(溶于乙醇溶液,酸酐与乙醇体积比约1:5),反应体系pH值维持在8.0~8.5,30℃水浴磁力搅拌,3h后将pH值调至6.5结束反应,制得样品用蒸馏水跟70%乙醇分别淋洗抽滤3次后40℃过夜烘干备用。本批次制得的辛烯基琥珀酸淀粉酯取代度(DS)为0.0156。

1.3.2 微波辐照处理[11]

在已知水分含量的淀粉样品中加入适量的水将其水分含量调节至30%,平衡24h后取适量样品于微波炉中微波辐照,辐照能为13W/g,时间为0、0.5、1、2、4、6min,将原淀粉与辛烯基琥珀酸淀粉酯分组记为:N0、N0.5、N1、N2、N4、N6和M0、M0.5、M1、M2、M4、 M6。将辐照后的样品(对于水分含量较高的样品烘干后再过筛)过100目筛备用。

辐照前后样品的水分含量参照GB 12087ü1989《淀粉水分测定方法》进行测定。

1.3.3 扫描电子显微镜

将烘干过夜的样品依次黏于涂有双面导电胶的载物台上,然后将载物台置于离子溅射器中喷金20min。在10kV的扫描电子显微镜加速电压条件下选择合适放大倍数观察淀粉的微观形态。

1.3.4 X射线扫描

室温条件下采用X射线衍射仪进行结晶特性分析,X射线衍射分析条件:特征射线CuKα,管压40kV,电流20mA,扫描区域2θ为5.00e~40.00e,步宽0.02e,扫描速率10e/min。样品测定前平衡水分过夜。

1.3.5 流变学行为测定[12]

1.3.5.1 黏度测定

配制4g/100mL的淀粉乳,搅拌均匀,于沸水浴中磁力搅拌15min,制成的淀粉糊冷却30min后使用AR2000 EX动态流变仪测定流变学性能。

选取锥板模具(直径 40mm,锥度 2e7″),间距设置为61micron,在流动模式下,温度恒定为25℃,剪切速率范围1~1000s—1,观察随着剪切速率的增加,所测样品应变力及黏度的变化。

1.3.5.2 黏弹性测定

淀粉糊的配制及模具的选择、间距的设置同上,选择振荡模式,温度恒定为25℃,应力为0.5968Pa,在AR2000 EX动态流变仪上进行频率扫描,范围为0.1~100Hz。观察随着频率的增加,淀粉储能模量、耗能模量及损耗因子的变化。

2 结果与分析

2.1 微波辐射后的水分含量

表 1 原淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯辐照后的含水量Table 1 Moisture content of native starch and octenyl succinate modif i ed starch before and after microwave radiation

淀粉作为一种碳水化合物,除水外仅含有少量的其他杂质。而其水分含量随着自然状态的改变而变化。商品淀粉的水分含量一般在12%左右[13]。为了了解在高水分介质中,高辐射能条件下,不同照射时间对其淀粉中含水量的影响,观察了辐照前后,原淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯水分含量的变化。结果如表1所示。可以看出,在 13W/g微波辐照功率照射下,随着辐照时间的增加,原淀粉及辛烯基琥珀酸淀粉酯淀粉中的水分含量均呈下降趋势。辐照4min后的水分含量与商用淀粉的相近,6min后水分含量已经降到较低的水平。在辐照的前0.5min内,与原淀粉相比辛烯基琥珀酸淀粉酯水分含量降低较多,可能主要是由于在淀粉中引入了疏水基团而降低了淀粉与水的亲和力的原因。另外,辐照后引起的表明浸蚀也有利于电磁能转变为热能。因此,在同样的辐照条件下,辛烯基琥珀酸淀粉酯中部分结合不紧密的水分更易损失。两类淀粉在2~6min阶段水分损失最多,可能是因为随着辐照时间的延长,淀粉的温度逐渐增加,使之淀粉中的自由水损失加剧。当水分降到一定程度后键合紧密的结合水使得水分损失的难度加大。以上研究表明,高能微波短时辐照,不失为干燥高湿淀粉的主选方法之一。

2.2 微观形态分析

图 1 原淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯微波处理前后电镜图(×2000)Fig.1 SEM images of native strach and octenyl succinate modif i ed starch before and after microwave radiation (×2000)

由图1可知,原淀粉颗粒呈多边形,表面较光滑部分有轻微的褶皱,颗粒大小分布符合高斯定律。辛烯基琥珀酸改性后的淀粉颗粒与原淀粉相比,没有观察到形状及表面的明显变化,它们之间的微观形貌相似。这与该改性淀粉为低取代度的事实相吻合,其反应条件较温和且取代度低不会对形貌产生影响。上述结论与Olivia等[14]的研究相符。

Lewandowicz等[10]在0.4W/g的辐照能条件下对马铃薯淀粉和木薯淀粉微波辐射2.5h后的研究表明,低水分含量时辐射后其颗粒表面仅出现裂缝,但当含水量达到35%时,整个颗粒发生变形。罗志刚等[15]对30%水分含量的蜡质玉米淀粉在1W/g辐照能下进行微波辐照研究,仅观察到颗粒表面出现小孔和凹坑。图1中,微波辐照6min后的原淀粉与改性淀粉的颗粒表面出现破损,部分颗粒完全破裂。微波辐照即是将电磁能转变为热能,而物质吸收的辐照能随着介质损耗的增加而增加。淀粉的含水量越高其介质损耗越大,有利于提高加热效率。因此在较高的辐照能及水分含量下产生剧烈的热效应,较短的时间内即会对淀粉的颗粒结构产生较大影响。Lewandowicz等[10]在低辐射能高水分含量条件下,随着辐照时间的延长,同样会对颗粒产生较大破坏,而罗志刚等[15]的辐照时间较短,对颗粒形貌影响较小。

2.3 结晶性分析

图 2 原淀粉和辛烯基琥珀酸淀粉酯微波处理前后的X衍射图谱Fig.2X-ray patterns of native starch and octenyl succinate modif i ed starch before and after microwave radiation

依据晶体结构,淀粉可以分为A型、B型和C型,主要从X射线衍射图中出峰情况来辨别。玉米淀粉是A型结晶体结构,从图2中可以看出,玉米原淀粉在15e、17e、18e和23e处分别有较强的衍射峰,表现出典型的A型晶体特征。Aniko等[9]对淀粉微波处理的结果表明,B型淀粉微波辐照可能会转变为A型,而A型淀粉保持晶型不变,但其结晶度可能会有一定程度的降低。原淀粉与改性淀粉相比,晶型保持一致,主要还是在于改性的低取代度及温和的反应条件,可以保持其完整的颗粒性质,至于结合紧密的结晶区更难产生影响。对原淀粉及改性淀粉进行微波辐照后,虽然置于高辐照能条件下,但是并未对结晶性造成显著的影响[16]。淀粉的含水量处于较高水平,但这是相对干淀粉而言,30%的水分条件在本实验条件下不会引起淀粉的糊化,水分难以进入结合紧密的结晶区进而无法对结晶性能造成较大影响,辐照时间较短也可能是决定因素之一。从上述的分析表明,原淀粉及改性淀粉在本实验的微波辐照条件下,对结构的影响主要在于直链淀粉占主导地位的无定形区,而Randan等[17]研究显示辛烯基琥珀酸淀粉酯的基团取代区域也分布于该区,因此微波辐照可能会对辛烯基琥珀酸淀粉酯流变学性质产生积极性影响。

2.4 流变学行为分析

2.4.1 黏性分析

2.4.1.1 原淀粉及改性淀粉的黏性分析

阻碍流体流动的性质称为黏性,是表现流体流动性质的指标。流体流动垂直于流动方向的液体内部会形成速度梯度,层与层之间存在着黏性阻力。单位面内的黏性阻力即为剪切应力(σ),黏度是流体流动时分子间摩擦产生的,是物质的固有性质。以下是原淀粉及改性淀粉不同剪切速率(ε’)下的剪切应力及其拟合幂律模型[18]。

图 3 原淀粉及辛烯基琥珀酸淀粉酯剪切应力曲线Fig.3Shear stress versus shear rate plot of native starch and octenyl succinate modif i ed starch

当剪切应力与剪切速率的关系符合σ=ηε’(η为黏度)时即为牛顿流体。而黏度随着剪切速率的变化而变化,如图3所示,表明原淀粉及改性淀粉为典型的非牛顿流体。真实的高分子黏性流体,剪切应力与剪切速率的关系较复杂,有理论认为分成三阶段,当剪切速率较低和较高时,黏度与剪切速率无关,呈现牛顿流体特性,中间阶段符合幂律模型。由图3可知,当剪切速率高于200s—1后,原淀粉与辛烯基琥珀酸淀粉酯糊剪切应力随着剪切速率的表现都近似于牛顿流体。

表 2 幂律模型拟合参数Table 2 Fitting parameters of power law equations for native starch and octenyl succinate modif i ed starch

前人提出的数百种模型,Park等[4]对比了几种常用的模型,结果表明现实际应用最多的幂律模型对辛烯基琥珀酸淀粉酯有较好的拟合度,由此选用其作为本实验模型,即σ=Kε’n。由表2可得,幂律模型对两淀粉的黏度曲线拟合精度高。原淀粉与辛烯基琥珀酸淀粉酯的流体特性指数n值近似,改性淀粉的黏度系数K是原淀粉一倍。改性淀粉黏度的增加是由于引入了双亲性的辛烯基琥珀酸大基团后,显示良好的自由流动性,能与水很好的互溶,而且酯化的那部分近似于支链淀粉结构,增加了分子内的摩擦。

2.4.1.2 微波辐照前后黏性分析

由图4a可知,微波辐照后的原淀粉的黏度出现轻微的降低,1min后的样品黏度变化不大,剪切速率增加到一定程度后各淀粉的黏度基本相同。可能是因为热效应及微波效应使得的直链淀粉游离出来及非定型区的长链直链淀粉及少数存在的支链淀粉断裂成较短的直链淀粉,使得黏度出现轻微的降低,这与Lewandowicz等[11]的结论相似。而图4b显示改性淀粉微波处理后淀粉的黏度有轻微的先降低后上升的趋势,其中辐照6min后辛烯基琥珀酸淀粉酯的黏度显著增加,同样,剪切速率增加到一定阶段后各淀粉的黏度相差不大。改性淀粉在辐照前期,直链淀粉游离出来及断裂,黏度降低出现降低,一段时间以后,水分损失延伸到亲水取代基团,对淀粉结构造成较大破坏,越来越多的辛烯基琥珀酸基团暴露出来,这可能是微波辐照辐照一定时间后改性淀粉黏度会出现增加的主因。以上结果表明,在高能和高湿条件下,选择一定的时间对辛烯基琥珀酸淀粉酯进行辐照,有利于提高其产品的黏性。

图 4原淀粉及改性淀粉微波辐照前后的黏度曲线Fig.4 Viscosity versus shear rate of native starch and octenyl succinate modif i ed starch before and after microwave radiation

2.4.2 黏弹性分析

通过小幅振荡实验可以测定物质的黏弹性,其评价指标为储能模量(G’)、耗能模量(G”)和损耗因子(δ)。储能模量用来表述物质存储弹性变形能量的能力,表征的是材料变形后回弹的指标,通常指弹性部分。而耗能模量表征物质耗散变形能量的能力,通常指黏性部分。损耗因子其正切tanδ= G”/G’,表征的是物质的黏弹性[3,13-14]。

由下式拟合出各淀粉糊的黏弹性力学表,得到较准确的储能模量、耗能模量的相关系数。

G’=аωb,G”=cωd,ω为角频率,a、b、c、d为拟合参数。

从图5中原淀粉的频率扫描可以看出,随着角频率的增加,储能模量和耗能模量都呈上升趋势,微波辐照1min内的原淀粉储能模量出现增加趋势,这可能与游离出的直链淀粉有关,而随着热效应的加剧,直链淀粉可能部分断裂成短链,2min后的微波辐照原淀粉的储能模量逐渐降低且都低于原淀粉水平。耗能模量方面变化不大,而损耗因子的趋势与储能模量相反,表现为随着微波辐照时间的增加,损耗因子先降低后增加,这表明微波短时间的微波辐照使得原淀粉糊有向刚性胶质转变的趋势,超过一定临界时间后,辐照后的淀粉糊化黏性特征占优势。从辛烯基琥珀酸淀粉酯的频率扫描图中可以看出,4min以内辐照对改性淀粉的储能模量、耗能模量及损耗因子影响不大,仅有较小幅度的先下降后上升的趋势,这可能跟其自身的结构和性质有关。辐照时间增加到6min时,其3项指标均出现显著变化,储能模量和耗能模量增加而损耗因子减小,呈现刚性凝胶性质,表明此时的淀粉糊的凝胶网络结构较完整。

图 5 辐照前后原淀粉及辛烯基琥珀酸淀粉酯的储能模量、耗能模量及损耗因子Fig.5Storage modulus, loss modulus and loss factor plots of native starch and octenyl succinate modif i ed starch before and after microwave radiation

表 3 原淀粉辐照前后黏弹性拟合参数Table 3 Viscoelastic fi tting parameters of native starch before and after microwave radiation

表 4 辛烯基琥珀酸淀粉酯辐照前后黏弹性拟合参数Tabel 4 Viscoelastic fi tting parameters of octenyl succinate modif i ed starch before and after microwave radiation

由表3、4可知,选用的函数储能模量及耗能模量的拟合精度高,线性相关性好。通过数据表能更精准的得出储能模量及耗能模量的规律。储能模量及耗能模量出现交叉的点属于溶胶-凝胶转变点,在这点的一定范围内储能模量及耗能模量具有幂律特点,而指数似乎与聚合物分子结构有关,在凝胶区分上面可能有一定的应用。损耗因子的正切值是判别凝胶点的最有效方式,通过储能模量及耗能模量的幂律拟合曲线也可以推导出凝胶点,可以两者结合进行相互印证。

辛烯基琥珀酸淀粉酯与原淀粉主要区别就在于其分布于无定形区的亲水亲油取代基团,微波辐照后产生湿热效应及微波对分子水平的非热效应,影响了淀粉的非定型区的直链淀粉及其中少量的支链淀粉,上面已经提到过改性淀粉的取代基团较均匀的分布于该区域,这些随着微波辐照时间的延长,对其无定形区产生破坏,但没有原淀粉出现的辐照初期储能模量增加的情况,可能是由于基团的取代,游离出的直链淀粉有了支链淀粉的部分特性,不会引起弹性的较大改变。辐照时间加长后有了更多暴露出的双亲基团的加入,淀粉分子与水、淀粉与淀粉之间可以进行更好的键合,进而产生更好的凝胶网络结构。从原淀粉及其辛烯基琥珀酸淀粉酯微波辐照前后的流变学曲线及其拟合函数的指数可以看出,高辐照能及高湿条件下淀粉流变学性质在4~6min出现较大转变,改性基团的暴露也集中于该辐照时间段。其中原淀粉辐照6min后的黏弹性下降,而辛烯基琥珀酸改性后的淀粉的黏弹性此时则有较大的提升。

3 结 论

在高辐照能下,对淀粉进行微波辐照,原淀粉及其改性淀粉在4min时都已经降到目标含水量水平,即商用淀粉的水分含量,延长时间后干燥效果有所下降,这与此阶段的水分较难去除有关,以上表明高辐照能的微波辐照在淀粉干燥方面有一定的应用前景,能够在短时间内对其干燥。玉米淀粉与其改性淀粉的颗粒形态差别不大,而微波辐照6min后,它们的颗粒形态都受到一定程度的破坏,部分颗粒完全破裂。而结晶性变化甚微,即影响主要处于非定型区域。流变学性质方面,幂律模量可以很好的拟合原淀粉与辛烯基琥珀酸淀粉酯微波辐照前后的剪切应变曲线及储能模量、耗能模量的频率扫描曲线。微波辐照后,前4min对原淀粉及改性淀粉的影响不大,原淀粉的储能模量先上升后降低,损耗因子变化与之相反,而淀粉的储能模量及耗能模量有先降低后上升的趋势。而辐照6min后,改性淀粉的黏弹性都出现较大的提升,这可能是由于暴露出越来越多的双亲基团有利于形成较完整的凝胶网络结构,对于作为乳化增稠剂广泛应用于食品工业的辛烯基琥珀酸淀粉酯有一定的应用价值。

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Effect of Microwave Radiation on Physico-chemical Properties of Native and Modif i ed Corn Starch

CHEN Peng,HUANG Shuang,LI Shu-yi,HU Chong-lin,XIE Bi-jun,SUN Zhi-da*
(College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Native corn starch containing 30% moisture and octenyl succinate modif i ed starch were treated by microwave for different periods of time to investigate the effect of microwave radiation on their physico-chemical properties. The moisture content of native starch and modif i ed starch showed a downward trend with increasing microwave radiation time and reached normal levels after 4 min. Partial or even complete rupture on the surface of both starch granules was observed by SEM after microwave radiation. Moreover, their crystallinity basically remained stable before and after microwave radiation. Both starches and their gelatinization products were found to be pseudoplastic non-Newton fl uids. Power law model could well fi t shear force as a function of shear rate. The viscosity of native corn starch decreased, but octenyl succinate modif i ed starch showed a trend to initially increase and then decrease with increasing microwave radiation time. The storage modulus of native corn starch initially increased and then decreased, and the loss modulus exhibited only minor changes, whereas an opposite changing trend to storage modulus was observed for loss factor. Octenyl succinate modif i ed starch revealed only minor changes in viscoelasticity. For octenyl succinate modif i ed starch, microwave radiation for a period of lower than 6 min resulted in only very minor changes in viscoelasticity when compared to control group (not receiving microwave radiation) and a decrease in storage and loss moduli but a signif i cant increase in loss factor when compared to 6 min microwave radiation.

microwave radiation;octenyl succinate modif i ed starch;power law equation;SEM;X-ray;rheological properties

TS235.1

A

1002-6630(2013)01-0121-06

2011-10-30

湖北省农业科技创新团队资助项目

陈鹏(1987ü),男,硕士研究生,研究方向为天然产物化学。E-mail:cepent@163.com

*通信作者:孙智达(1963ü),男,教授,博士,研究方向为天然产物化学。E-mail:sunzhida@mail.hzau.edu.cn

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