不同链/支比淀粉热挤压加工过程中的相变机理及流变学研究

Thermal extrusion is one of the cutting-edge technologies used for starch processing, which involvs interdisciplinary knowledge, such as mixing,.stirring, heating, sterilization, phase transitons and rheology et al. However, there have been few literatures systematically and intensively reporting the rheological behavior and phase transitions of starch during extrusion. Current theory is far from fully satisfying general applications, in particular for the complex systems. Based on the microstructure difference of the starches from same resources (corn and wheat) with different amylose/amylopectin ratios, the mechansims of rheological behaviors and phase transitions will be studied in this project, in particularly focused on the dynamic properties and the effect of processing parameters during extrusion, as well as the relationship between properties and microstructures of starches. A mathematic model will be stablised to describ and predicate the effect of various phisical forces on the microsctructre and morphologies of starches. It is expected that the achievements of the project will provide a better understanding of the phase transitions and rheological behavior of starch and develop a new approach for product design and processing control of thermal procession and starch modification.

淀粉的热挤压技术是近年来发展最快和最活跃的加工技术，涉及多学科交叉知识，广泛应用于食品与非食品体系的原料加工。为实现淀粉原料在加工中的结构精确修饰的先进理念，针对目前热挤压加工过程中淀粉相变机理和流变学理论体系还不够完善，还不能解决应用中的复杂问题。本项目拟从同源淀粉(玉米和小麦) 的分子链/支比、分支结构及构象的差异为出发点，采用Hakke 流变仪（密炼机、双螺杆挤出机）、DSC、SEM、同步辐射-小角XRD 等现代分析设备，对淀粉原料在挤出机内的流变行为和相变演化过程进行数值分析和物理模拟，将压力场、温度场、速度场等函数群的研究与淀粉的形态、结构、相变机理及流变性能的研究有机的结合起来，从分子水平上对淀粉的性质行为进行评估和预测，达到对淀粉分子的功能性设计。以期解决制约淀粉分子挤出改性过程中的关键理论和技术问题，为淀粉的修饰和精深加工提供基础数据和理论指导。

淀粉的热挤压技术是近年来发展最快和最活跃的加工技术，涉及多学科交叉知识，广泛应用于食品与非食品体系的原料加工。为实现淀粉原料在加工中的结构精确修饰的先进理念，针对加工过程中淀粉相变机理和流变学理论体系还不够完善，还不能解决应用中的复杂问题，课题完成的研究内容主要包括以下几个方面：1) 在传统的显微镜观察和表征技术基础上，开发和设计出基于淀粉特征变化的人工智能算法模型（神经网络、边缘检测和数学形态学处理），通过研究相变过程中淀粉形态结构和光学结构特征的变化，构建出可对淀粉相变行为进行在线检测和结果评估的新型研究方法和体系，进而实现反应过程中淀粉形态结构和反应行为精准调控；2) 通过实验技术和分子动力学模拟相结合的方法，以不同链/支比玉米淀粉为模板，系统研究了淀粉在不同浓度尿素/水共混溶剂体系中的颗粒形态、分子结构及相变行为，结合分子动力学模拟，从原子水平探讨了溶质与溶剂以及不同溶剂间的相互作用，进而深入研究淀粉分子、水及尿素之间的作用机理及规律；3) 采用流变仪来研究HPS 的化学改性对HPMC/HPS 冷热反相凝胶复配体系流变性能及凝胶性能的影响，结合碘酒染色光学显微镜分析手段，进一步对复配体系的相容性及相转变进行了研究，并构建微观结构与流变性能及凝胶性能之间的关系; 4) 淀粉发泡过程中，系统地研究了水充当增塑剂和发泡剂的作用机理,构建了淀粉在开孔和闭孔体系中发泡模型，进而首创设计了全链路绿色的淀粉发泡体系，采用“两步法”反应挤出技术创制出淀粉发泡产品。相关研究成果和产品已经得到了国内外同行及相关企业的高度认可。绿色环保的新型发泡体系和淀粉发泡冲材料的开发，可更好地利用我国丰富的天然高分子资源和提高农产品附加值径,同时为解决“白色污染”、缓解能源的危机、为我国的可持续发展提供良好的“沃土”。