基本信息
- 项目名称：
- 锥栗原淀粉及分离组份的热力学特性
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 应用差示扫描量热分析仪研究锥栗原淀粉及分离组分热力学特性。四个样品在-50 ℃~350℃的程序升温过程包含冰晶融化、糊化和熔融裂解三个吸热过程。当水分质量分数为65%时，它们的晶体融化峰值温度、终止温度和吸热焓均升至最高。当升温速率降低时，糊化温度向低温侧移动；糊化时升温速率越快，回生度越大；四个样品均在-6.0 ℃~-8.0℃时出现凝胶体系玻璃化转变。
- 详细介绍：
- 应用差示扫描量热分析仪研究了锥栗原淀粉、直链淀粉、中间成分和支链淀粉的热特性。方法如下：⑴全程DSC分析：用坩埚称取一批5.0 mg左右的样品，分别按水分质量分数65%（w/w）加入重蒸水，密封置于4℃冰箱中隔夜平衡。用示差扫描量热仪（DSC200型，德国NETZSCH公司）进行测定，扫描温度范围为-50~300℃，扫描速率为10℃/min，以空坩埚为参比，载气氮流速20 mL/min。 ⑵不同水分质量分数时的糊化与回生：用铝盒称取2.0 mg的样品，按水分质量分数50%、65%、80%和95%分别加入去离子水，密封压盖后4℃下放置24 h平衡，用DSC测定糊化过程，糊化后的样品在4℃下储藏24 h后用DSC测定回生过程。糊化与回生的扫描温度范围均为20~130℃，升温速率都为10℃/min。 ⑶不同糊化升温速率时的糊化与回生：除水分质量分数（固定为65%）、糊化升温速率（分别为5、10、15和20℃/min）不同之外，其余均按全程DSC分析方法进行测定。 ⑷不同糊化降温速率时的回生：按全程DSC分析方法在DSC上制备一批水分质量分数为65%的淀粉糊样品，分别以5、10、15和20℃/min降至4℃，储藏24 h后仍按全程DSC分析方法进行测定。 ⑸不同糊化终止温度时的回生：按水分质量分数为65%在DSC上制备一批淀粉糊样品（起始温度为20℃，终止温度分别为80、100、120和140℃，糊化后程序降温到10℃，扫描速率均为10℃/min），淀粉糊样品在4℃下储藏24 h后重新进行温度扫描（20~130℃，10℃/min）。 ⑹玻璃化转变温度测定：用DSC铝盒称取8.0 mg在4℃下冷藏了24 h的淀粉凝胶样品，密封压盖后测定其玻璃化转变温度（Tg），测定程序：以5℃/min的速率从40℃降温扫描到-20℃，在-20℃下保持10 min，再以5℃/min的速率从-20℃升温扫描到40℃。 分析结果如下： ⑴当水分质量分数为65%时，锥栗原淀粉及其分离组分在-50℃~300℃范围内的程序升温过程包含冰晶融化（-10℃~5℃）、糊化（40℃~100℃）和熔融裂解（250℃~310℃）等三个吸热阶段。而且，从锥栗原淀粉、直链淀粉、中间成分到支链淀粉，它们在任一阶段中的吸热焓依次减少。 ⑵ 对于相同的淀粉样品，当水分质量分数为65%时，糊化吸热峰的TP、TC和△H均升至最高值。当升温速率为5℃/min时，锥栗原淀粉、直链淀粉各出现1个小的肩状峰，其TO-TP-TC分别为42.5℃-51.8℃-58.3℃、40.6℃-50.7℃-55.5℃。相反，随着升温速率增高，糊化过程的TO、TP、TC均向高温侧移动。 ⑶ 当水分质量分数为65%时，锥栗原淀粉及其分离组分凝胶体系回生吸热峰的TO、TP、TC和△H均达到最高，回生度最大。对于相同的样品，糊化时升温速率越快，其凝胶回生时TO、TC和△H也越高，回生度最大；同样，糊化时降温速率越慢，形成凝胶后再次熔融的吸热焓增加，说明回生程度增大。当糊化终止温度为100℃时，回生DSC曲线上吸热峰的TO、TP、TC和△H达到最低。 ⑷ 锥栗原淀粉、直链淀粉、中间成分和支链淀粉糊化后形成凝胶体系的Tg分别为-6.0℃、-7.1℃、-8.6℃和-7.9℃，而Tm分别为67.7℃、63.5℃、56.8℃和53.4℃。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：⑴开发利用锥栗淀粉资源；⑵为深入研究锥栗淀粉组分的理化功能特性和开发锥栗淀粉基新产品奠定基础。 基本思路：首先对锥栗原淀粉及其分离组分在-50～300℃内的受热过程进行了分析，然后对样品中水分质量分数、糊化时升温速率、糊化时降温速率和糊化时终止温度等因素对样品的糊化与回生的影响进行了较详细的研究，最后还测定了锥栗原淀粉及其分离组分凝胶体系的玻璃化转变温度。
科学性、先进性及独特之处
- 该项研究获2008年湖南省教育厅第一批大学生研究性学习与创新性实验计划项目“锥栗直链淀粉分离及其理化特性研究”的资助，以锥栗淀粉各组分为研究对象，这在国内外尚未见报道，而且类似研究在国内也不多见。
应用价值和现实意义
- ⑴对深入研究锥栗淀粉各组分的理化功能特性和进一步开发锥栗淀粉基新产品具有重要的指导意义； ⑵将进一步为锥栗等大宗橡实淀粉资源的开发利用、高附加值深加工产品的研发，以及扩大橡实淀粉产品的应用途径等提供重要的科学依据。
学术论文摘要
- 应用差示扫描量热分析仪研究了锥栗原淀粉、直链淀粉、中间成分和支链淀粉的热力学特性。四个样品在-50 ℃~350℃的程序升温过程包含冰晶融化（-10 ℃~5 ℃）、糊化（40 ℃~100 ℃）和熔融裂解（250 ℃~310 ℃）三个吸热过程。当水分质量分数为65%时，它们的晶体融化峰值温度（TP）、终止温度（TC）和吸热焓（△H）均升至最高。对于相同的样品，当升温速率降低时，糊化温度向低温侧移动，且伴有肩状峰；糊化时升温速率越快，其凝胶体系的峰值温度（TP）、终止温度（TC）和吸热焓（△H）也越高，回生度越大；同样，糊化时降温速率越慢，凝胶体系的吸热焓（△H）增加，回生度增大。当糊化终止温度为100 ℃时，四个样品凝胶体系的DSC 参数值均达到最低。锥栗原淀粉、直链淀粉、中间成分和支链淀粉凝胶体系的玻璃化转变温度（Tg）分别为-6.0 ℃、-7.1 ℃、-8.6 ℃和-7.9 ℃。
获奖情况
- ⑴《中国粮油学报》（国家一级刊物）已录用2011年第三期发表； ⑵获2010年度湖南省大学生课外化学化工创新作品竞赛一等奖； ⑶2010年10月29~31日在湖南长沙举行的第六届全国化学工程与生物化工年会会议论文。
鉴定结果
- 《中国粮油学报》审稿意见：该文应用差示扫描量热分析仪研究了锥栗原淀粉及分离组分热力学特性，研究方法科学合理，内容比较全面，难度较大；论文写作规范，实验数据详细可靠，分析说理比较深入、中肯。
参考文献
- [1] 差示扫描量热分析仪使用手册 [2] Wong K S, Kubo A. Structure and properties of amylopectin and phytoglycogen in the endosperm of sugary-1 mutants of rice[J]. Journal of Cereal Science, 2007, 37: 139-149 [3] Silverio J, Fredriksson H. The effect of temperature cycling on the amylopectin retrogradation of starches with different amylopectin unit chain length distribution[J]. Carbohydr Polymers, 2006, 66: 175-184 [4] Shao Y Y, Tseng Y H. Rheological properties of rice amylase gels and their relationships to the structures of amylase and its subfractions[J]. Food Chemistry, 2007, 103: 1324-1329 [5] Uri L, Shahar H C, Yizhak S, et al. Effects of long chain fatty acid unsaturation on the structure and controlled release properties of amylase complexes[J]. Food Hydrocolloids, 2009, 23: 667-675 [6] Putaux J L, Cardoso M B, Dupeyre D. Single crystals of v-amylose inclusion complexes[J]. Macromolecular Symposia, 2008, 273(1): 1-8
同类课题研究水平概述
- 淀粉是一种重要的可再生工业原料，主要由直链淀粉和支链淀粉组成。 目前，国内生产中所需的直链淀粉主要依靠进口，其价格是普通淀粉的16倍，每年要花掉大量外汇，而且有关直链淀粉结构与功能性质的研究报道也很少见。大量研究表明，直链淀粉有轻微的分枝，但仍与其它线性多聚物完全一样，具有成膜性及与配位体形成复合物的特性。直链淀粉的分子结构对其溶胀、糊化和老化有很大影响。Doublier等用动态流变仪测定大米直链淀粉糊，发现直链淀粉比支链淀粉更易老化，其老化速度及其结晶性随自身链长不同而异。Gairns等发现，回生直链淀粉结晶区占25%~60%，晶体融化温度为130-160℃，平均结晶尺寸约为7.3~9.3 nm，双螺旋含量为60%~95%。 对大多数淀粉来说，支链淀粉是其主要成分，不同种类的淀粉中单个支链淀粉分子量在7.0×107~5.7×109 g/mol。但由于支链淀粉相对分子质量巨大，其结构、尺寸的表征相当困难，目前国内外有关支链淀粉的理论与应用研究均很少，因此支链淀粉的结构、性质及其工业应用仍有许多问题有待深入探索。Ong等研究表明，稻米支链淀粉由7种不同聚合度（DP）的支链组成，米饭质地主要取决于DP92~98和DP≤25支链淀粉的含量及分布：质地硬的含DP92~98不含DP18，质地软的含DP≤25不含DP92~98。DP6~9和DP＞25含量越高支链淀粉的回生温度和回生焓越低，而DP12~22含量越高支链淀粉的回生温度和回生焓也越高；支链淀粉含量增加，淀粉凝胶的硬度和韧力减小，而弹性力增加。另外，支链淀粉链长分布影响其回生特性，具有较长平均链长的支链淀粉更易回生，且支链淀粉的重均聚合度与其回生焓成正比。 目前，全世界淀粉产量约4600万t，其中90%是玉米淀粉。我国工业淀粉的生产原料主要是玉米、小麦和稻米等大宗农作物产品。锥栗Castanea henryi属壳斗科栗属，是我国重要的木本粮食植物之一。锥栗种仁味甜可食，淀粉的含量均达60%~70%，可用于制备淀粉。目前，国内外有关锥栗淀粉的研究报道很少。谢涛等研究表明，锥栗淀粉颗粒的形状比较规则，其晶体结构属于C型，结晶度31.63%。锥栗淀粉中直链淀粉含量为22.14%，糊化温度为63.5~74.5℃。然而有关锥栗原淀粉分离组分直链淀粉、中间成分和支链淀粉热力学特性的研究，国内外尚未见报道。
