制备预糊化部分水解淀粉的方法及相关方法和产品的制作方法

制备预糊化部分水解淀粉的方法及相关方法和产品的制作方法
【专利说明】制备预糊化部分水解淀粉的方法及相关方法和产品
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2013年10月2日提交的美国专利申请号14/044，582、2013年10月 14日提交的国际PCT申请号PCT/US2013/064776和2014年9月23日提交的美国专利申请号 14/494，547的权益，所有前述专利申请W引用方式全文并入本文。
【背景技术】
[0003] 淀粉通常含两种类型的多糖(直链淀粉和支链淀粉)并归类为碳水化合物。一些淀 粉是预糊化的，通常通过热措施。一般来说，预糊化淀粉可与冷水形成分散体、糊或凝胶。预 糊化淀粉通常易消化并已W多种方式使用，包括作为多种食品（例如，在烘赔品、零食、饮 料、糖果、乳制品、肉面、预制食品、调味料和肉类中）及药物中的添加剂。
[0004] 预糊化淀粉的另一用途是在石膏墙板的制备中。在运点上，在所述板的制造过程 中，通常在销式混合器(本术语为如本领域中所使用）中混合灰泥（即，呈半水合硫酸巧和/ 或无水硫酸巧形式的般石膏）、水、淀粉和视情况而定的其它成分。形成浆料并从混合器泄 放到移动的传送带上，所述传送带承载着已（常常在混合器上游)施加撇渣面层(如果存在） 之一的覆盖片材。使浆料在纸上铺展(撇渣面层任选地包含在所述纸上）。在例如成型板等 的帮助下向浆料上施加具有或不具有撇渣面层的另一覆盖片材W形成所需厚度的夹层结 构。
[0005] 使混合物流延并通过般石膏与水反应形成结晶水合石膏（即，二水合硫酸巧）的基 质让其硬化形成凝固（即，复水)石膏。正是般石膏的所需水合允许凝固石膏晶体的互锁基 质的形成，由此赋予产品中的石膏结构W强度。需要热(例如，在害中）来赶走剩余的游离水 (即，未反应的水)W产生干燥的产品。
[0006] 常常，预糊化淀粉增加工艺的水需求。为补偿该水需求并允许制造过程中足够的 流动性，水含量必须加到灰泥浆料中。此过量的水在制造中导致低效率，包括增长干燥时 间、减慢生产线速度和增加能量消耗。本发明人已发现，预糊化且部分水解的淀粉需要较少 的水。
[0007] 本发明人还已发现，用于制备预糊化部分水解淀粉的技术尚不完全令人满意。用 于制备此类预糊化部分水解淀粉的常规方法效率不高、产出低、生产慢并且能量消耗高。因 此，本领域需要制备预糊化部分水解淀粉、特别是水需求低的预糊化部分水解淀粉的改进 方法。
[000引应理解，本发明人创建此背景描述是为了帮助读者而不应视为对现有技术的提及 或视为指示任何所指出的问题自身是本领域中理解的。虽然所描述的原理在一些方面和实 施例中可缓解其它系统中所固有的问题，但应理解，受保护的创新的范围由附随的权利要 求书限定而不由所要求保护的发明解决本文中述及的任何具体问题的能力限定。

【发明内容】

[0009]在一个方面，本发明提供了一种制备预糊化部分水解淀粉的方法，其包括：（a)混 合至少水、非预糊化淀粉和基本上避免馨合巧离子的弱酸来制备水分含量为约8重量％至 约25重量％的湿淀粉前体；（b)向挤出机中进给所述湿淀粉前体;和(C)在挤出机中于约150 °C (约300°F)至约21(TC (约410°F)的模头溫度下预糊化并酸改性所述湿淀粉前体。本发明 还提供了一种根据本方法产生的淀粉。
[0010] 在另一个方面，本发明提供了一种制备预糊化部分水解淀粉的方法，其包括：（a) 混合至少水、非预糊化淀粉和强酸来制备水分含量为约8重量％至约25重量％的湿淀粉前 体，其中所述强酸的量为淀粉的重量的约0.05重量％或更少；（b)向挤出机中进给所述湿淀 粉;和（C)在挤出机中于约150°C (约300°F)至约210°C (约410°F)的模头溫度下预糊化并酸 改性所述湿淀粉前体。本发明还提供了一种根据本方法产生的淀粉。
[0011] 在另一个方面，本发明提供了一种制备板的方法，其包括：（a)通过W下形成预糊 化部分水解淀粉：（i)混合至少水、非预糊化淀粉和酸来形成水分含量为约8重量％至约25 重量％的湿淀粉前体，所述酸选自：（1)基本上避免馨合巧离子的弱酸，（2)量为淀粉的重量 的约0.05重量％或更少的强酸，或(3)它们的任何组合；（ii)向挤出机中进给所述湿淀粉前 体;和（iii)在模头处于约150°C (约300°F)至约210°C (约410°F)的溫度下的挤出机中预糊 化并酸改性所述湿淀粉；（b)混合所述预糊化部分水解淀粉与至少水和灰泥来形成浆料； (C)设置所述浆料于第一覆盖片材和第二覆盖片材之间W形成湿组件；（d)将所述湿组件切 割成板;和(e)干燥所述板。在一些实施例中，所述凝固石膏忍具有比用按不同的方法制得 的淀粉制成的凝固石膏忍高的压缩强度。在另一个方面，本发明提供了一种根据本方法产 生的板。
【附图说明】
[0012] 图1为绘制粘度(左y轴)和溫度(右y轴)对时间(X轴）的淀粉粘赔力曲线图，示出了 在16重量％的水分含量下挤出的淀粉的糊化特性，其中试验浆料的固含量如实例2中所述 为10重量％。
[0013] 图2为绘制粘度(左y轴)和溫度(右y轴)对时间(X轴）的淀粉粘赔力曲线图，示出了 在13重量％的水分含量下挤出的淀粉的糊化特性，其中试验浆料的固含量如实例2中所述 为10重量％。
[0014] 图3为绘制溫度对时间的图，示出了如实例3中所述含经量为3重量％的明抓及量 分别为0.05重量％和0.0625重量％的缓凝剂处理的预糊化部分水解淀粉的两种浆料和含 粘度为773厘泊且缓凝剂量为0.05重量％的常规预糊化玉米淀粉的第=浆料的升溫凝固 (TRS)水合速率。
【具体实施方式】
[0015] 本发明的实施例提供了制备预糊化部分水解淀粉的方法。在一个方面，本发明提 供了一种制备板(例如，石膏墙板）的方法。根据本发明的方法产生的预糊化部分水解淀粉 可W广泛的其它方式使用，如在食物(例如，在烘赔品、饮料、糖果、乳制品、即食布下、肉面、 汤粉、预制食品、饼馆、调味料和肉类中）、药物、饲料、粘合剂和着色剂中。根据本发明的一 些实施例制备的此类淀粉通常可消化，可提供食品W所需的粘度，并可保留原始基材的大 部分功能性质。
[0016] 本发明的实施例至少部分地W在挤出机中于单个步骤中预糊化并酸改性淀粉运 一令人惊奇且意外的发现为前提。令人惊奇且意外地，在挤出机中于单个步骤中预糊化并 酸改性淀粉与在单独的步骤中预糊化和酸改性淀粉相比具有相当大的优势。例如，制备预 糊化部分水解淀粉的本发明方法如本文所述允许较高的产出、较快的生产和较低的能量消 耗而不牺牲所需的性质(例如，粘度、流动性、冷水溶解性等）。
[0017] 另外已发现挤出条件(例如，高溫和高压)可显著提高淀粉的酸水解速率。令人惊 奇且意外地，此单步工艺使得可W使用弱酸如明抓和/或较小的量的强酸来进行淀粉的酸 改性。任一酸形式均提供其中来自酸的质子催化淀粉的水解的机制。常规的酸改性工艺包 括纯化和中和步骤。根据本发明的一些实施例，弱酸(例如，明抓)和/或小量强酸的使用避 免对任何中和步骤及常规系统中为从淀粉除去得自中和步骤的盐而通常需要的后续纯化 步骤的需要。
[0018] 根据本发明的实施例，所述挤出工艺不仅使淀粉预糊化，而且使淀粉分子部分水 解(即，经由酸改性）。因此，所述挤出工艺在一步中既提供物理改性(预糊化)又提供化学改 性（酸改性，部分酸水解）。预糊化提供淀粉赋予强度（例如，在最终产品如石膏板上）的能 力。酸改性有利地使淀粉部分水解W提供淀粉在最终产品如石膏板上赋予强度的能力W及 在产品制造中如在石膏板制造工艺情况下低的水需求。因此，根据本发明的实施例的制备 淀粉的方法的产品为预糊化部分水解淀粉。
[0019] 根据一些实施例，本发明提供了一种高效的酸改性反应。挤出机中的预糊化和酸 改性在如本文所述升高的溫度和/或压力下进行并可产生可W是在较低溫度(例如，5(TC) 和/或压力下的常规酸水解速率例如大约30,000倍快或更高的酸水解速率。酸水解的速率 还通过在淀粉前体中使用低的水分(约8重量％至约25重量％ )水平并因此通过增大反应物 的浓度来提高。由于酸改性的此高效率，本发明人已发现，令人惊奇且意外地，可在淀粉前 体中使用弱酸或非常低的水平的强酸来取得最佳的酸改性并避免对作为常规系统的昂贵、 耗时且低效需求的中和和纯化的需要。
[0020] 根据一些实施例，水解设计为将淀粉转化为最佳尺寸范围内的较小分子，所述最 佳尺寸范围在本文中由预糊化部分水解淀粉的所需粘度限定。如果淀粉过水解，则其可能 转化为过分地小的分子(例如，寡糖或糖），运在石膏板的情况下可能导致比由具有所需粘 度的预糊化部分水解淀粉所提供的小的板强度。
[0021] 预糊化部分水解淀粉可通过（i)混合至少水、非预糊化淀粉和酸W形成水分含量 为约8重量％至约25重量％的湿淀粉前体来制备。所述酸可为：（1)基本上避免馨合巧离子 的弱酸，（2)量为淀粉的重量的约0.05重量％或更少的强酸，或(3)它们的任何组合。将所述 湿淀粉前体在挤出机中于如本文所述升高的模头溫度和/或压力下在一步中预糊化并酸改 性。淀粉被水解至产生所需粘度的程度，例如如本文所述。
[0022] 因此，在一些实施例中，预糊化部分水解淀粉可通过混合至少水、非预糊化淀粉和 基本上避免馨合巧离子的弱酸W制得水分含量为约8重量％至约25重量％的湿淀粉前体来 制备。然后将湿淀粉进给到挤出机中。当在模头溫度为约150°C (约300°F)至约21 (TC (约 410°巧的挤出机中时，湿淀粉被预糊化并酸改性，使得其至少部分水解。
[0023] 在其它实施例中，预糊化部分水解淀粉可通过混合至少水、非预糊化淀粉和强酸 W制得水分含量为约8重量％至约25重量％的湿淀粉前体来制备，其中所述强酸的量为淀 粉的重量的约0.05重量％或更少。然后将湿淀粉进给到挤出机中。当在模头溫度为约15(TC (约300°F)至约21(TC(约410°F)的挤出机中时，湿淀粉被预糊化并酸改性，使得其至少部分 水解。
[0024] 理想地，所得预糊化部分水解淀粉在引入灰泥浆料中时具有低的水需求并可在一 些实施例中用于具有良好强度的板(例如，石膏板）的制造中。因此，在另一个方面，本发明 提供了一种使用用在挤出机中于单个步骤中预糊化并酸改性的本发明方法制得的淀粉制 备石膏板的方法。在一些实施例中，根据本发明的实施例制备的预糊化部分水解淀粉相对 于本领域已知的其它预糊化淀粉具有低的水需求。
[0025] 结果，根据本发明的实施例制备的预糊化部分水解淀粉可引入到具有良好流动性 的灰泥浆料中（例如，通过进入销式混合器中的进给管线）。在一些实施例中，因为无需向系 统加入过量的水，故可引入更高的量的根据本发明的实施例制备的预糊化部分水解淀粉， 使得可取得甚至更高的强度和更低的板密度。所得的板呈现出良好的强度性质(例如，具有 良好的忍硬度、拔钉阻力、压缩强度等，或基于本文提供的每一者的值的任何组合计其间的 任何关系）。有利地，在石膏板的制造过程中根据本发明的方法制得的淀粉的引入因强度增 强而允许超低密度产品的产生。石膏板可呈例如石膏墙板(常称为干式墙）的形式，如本领 域中所理解，石膏墙板可不仅涵盖用于墙壁的此类板而且涵盖用于天花板和其它位置的此 类板。然而，根据本发明的方法制备的淀粉可具有其它应用，如在食品中。
[00%]预糊化和酸改性
[0027] 淀粉归类为碳水化合物并含两种类型的多糖，即线性的直链淀粉和支化的支链淀 粉。淀粉粒是半结晶的，例如如在偏振光下所见，并且在室溫下不溶。糊化是通过其将淀粉 置于水中并加热（"蒸煮"）使得淀粉粒的结晶结构烙化并且淀粉分子溶解在水中从而产生 良好分散的工艺。已发现，在转变淀粉粒为糊化形式时，起初，因为淀粉粒不溶于水故淀粉 粒在水中提供小的粘度。随着溫度升高，淀粉粒溶胀并且结晶结构在糊化溫度下烙化。当淀 粉粒具有最大溶胀时取得峰值粘度。进一步的加热将打破淀粉粒并使淀粉分子溶解在水 中，其伴随粘度的急剧下降。冷却后，淀粉分子将再缔合形成3-D凝胶结构，粘度因凝胶结构 而增大。一些市售淀粉W预糊化形式出售，而其它的W颗粒形式出售。根据本发明的一些关 于石膏板的实施例，颗粒形式经历至少一定程度的糊化。关于石膏板，为示意起见，在将淀 粉加到石膏浆料之前将其预糊化，石膏浆料在本文中也称灰泥浆料(通常在混合器例如销 式混合器中）。
[0028] 因此，如本文所用，"预糊化的"指例如在将淀粉引入石膏浆料中或用于其它应用 中之前淀粉具有任何程度的糊化。在一些关于石膏板的实施例中，在引入浆料中时，预糊化 淀粉可W是部分糊化的，但在暴露于升高的溫度时将变得完全糊化，例如在移除过量水的 干燥步骤过程中于害中时。在关于石膏板的一些实施例中，预糊化淀粉未完全糊化，甚至在 离开害时，只要在根据粘度改性外加剂(VMA)方法的条件下淀粉满足一些实施例的中等粘 度特性即可。
[0029] 本文中在提及粘度时，其根据的是VMA方法，另有指出除外。根据此方法，粘度使用 具有同屯、圆筒、标准杯(直径30mm)和叶片几何形状(直径28mm、长度42.05mm)的Discovery HR-2混合型流变仪(TA Instruments Ltd)测量。
[0030] 当获得淀粉时，使用差示扫描量热（DSC)技术来确定淀粉是否完全糊化。可采用 DSC步骤来观察淀粉是否完全糊化，例如W确认未发生回生。采用两程序中之一，具体取决 于完全糊化淀粉所需的溫度，如本领域普通技术人员应理解，运也可通过DSC确定。
[0031] 当DSC掲示淀粉完全糊化或糊化溫度为90°C或90°C W下时采用程序1。当糊化溫度 为90°C W上时采用程序2。由于在淀粉在水中时测量粘度，故程序2使用在密封容器中的加 压蒸煮W允许过热至IOOCW上的溫度而不引起水的明显蒸发。程序1专用于已完全糊化的 淀粉或糊化溫度至多90°C的淀粉，因为如下文所讨论，所述糊化在为开放系统而不能为糊 化创造加压条件的流变仪中进行。因此，对于具有更高糊化溫度的淀粉，遵循程序2。无论哪 种方式，在测量粘度时，均向水中加入淀粉(7.5g，干基)使总重量为50g。
[0032] 在程序1中，将淀粉分散于水中（淀粉与水的总重量的15%的淀粉)并将样品立即 转移到圆柱池。用侣锥覆盖所述池。在fTC/分钟和200S-1的剪切速率下将样品从化°C加热至 90°C。使样品在200s^的剪切速率下于90°C下保持10分钟。在5°C/分钟和200s^的剪切速率 下将样品从90°C冷却至80°C。使样品在Os^i的剪切速率下于80°C下保持10分钟。于80°C和 IOOs^i的剪切速率下测量样品的粘度，测量2分钟。粘度为30秒至60秒的测量的平均值。
[0033] 程序2用于糊化溫度高于9(TC的淀粉。将淀粉根据淀粉工业中熟知的方法糊化(例 如，通过加压蒸煮）。将糊化的淀粉水溶液(总重量的15%)立即转移到流变仪测量杯中并于 80°C下平衡10分钟。于80°C和IOOs^的剪切速率下测量样品的粘度，测量2分钟。粘度为30秒 至60秒的测量的平均值。
[0034] 粘度仪和DSC是描述淀粉糊化的两种不同的方法。淀粉糊化的程度可通过例如来 自DSC的热谱图确定，例如使用峰面积(晶体的烙化)进行计算。粘度图（来自粘度仪)对于确 定部分糊化的程度来说不太理想，但是获得数据如淀粉的粘度变化、糊化最大值、糊化溫 度、回生、保溫过程中的粘度、冷却结束时的粘度等的良好工具。对于糊化的程度，在存在过 量的水、特别是水为67重量％或67重量％ ^上的情况下进行DSC测量。如果淀粉/水混合物 的水含量低于67%，则糊化溫度将随水含量下降而上升。当可用的水有限时将难W烙化淀 粉晶体。当淀粉/水混合物的水含量达到67%时，糊化溫度将保持恒定而不管向淀粉/水混 合物中多加了多少水。糊化起始溫度指示糊化的开始溫度。糊化结束溫度指示糊化的结束 溫度。糊化的热洽表示糊化过程中烙化的结晶结构的量。通过使用来自淀粉DS试A谱图的热 洽，可指示糊化的程度。
[0035] 不同的淀粉具有不同的糊化起始溫度、结束溫度和糊化热洽。因此，不同的淀粉可 在不同的溫度下变得完全糊化。应理解，当淀粉在过量的水中在超过糊化的结束溫度下加 热时，淀粉完全糊化。另外，对于任何特定的淀粉，如果淀粉在糊化的结束溫度W下加热，贝U 淀粉将部分糊化。因此，当淀粉在过量的水的存在下在糊化结束溫度W下加热时将发生部 分和不完全糊化，例如如通过DSC所确定。当淀粉在过量的水的存在下在糊化结束溫度W上 加热时将发生完全糊化，例如如通过DSC所确定。糊化的程度可W不同的方式调节，例如通 过在糊化结束溫度W下加热淀粉W形成部分糊化。例如，如果用于完全糊化淀粉的热洽为 4J/g，则当DSC显示淀粉的糊化热洽为仅2 J/g时，运意味着50 %的淀粉已糊化。在通过DSC测 量时，完全糊化的淀粉将不具有DS试A谱图糊化峰(热洽= 0J/g)。
[0036] 如所述，糊化的程度可为任何合适的量，如约70%或更高，等。然而，较小程度的糊 化将更紧密地接近于粒状淀粉而不能充分利用本发明的一些实施例的强度增强、更好的 (更完全的)分散和/或水需求减少。因此，在一些实施例中，优选更高程度的糊化，例如至少 约75 %、至少约80 %、至少约85 %、至少约90 %、至少约95 %、至少约97 %、至少约99 %或完 全(100%)糊化。在石膏板的情况下，可向浆料加入具有较低糊化程度的淀粉并在害中进行