전분을 호화시키기 위해서 수용액상에서 가열하거나 전분현탁액에 알칼리를 첨가하는 공정이 주로 사용되고 있다. 그러나 알칼리 호화는 공업적으로 주로 사용되고 있음에도 많은 연구가 진행되지 않았다. 본 연구에서는 옥수수 전분의 알칼리 호화 특성과 양이온화 공정의 최적화 및 제조된 다양한 치환도의 옥수수 양이온성 전분의 물리화학적인 특성, 제지공정에의 적용 특성을 연구하였다.
옥수수전분의 호화도는 NaOH 첨가에 의하여 지수적으로 증가하였으며, 호화도가 급격히 증가하기 시작하는 구간을 알칼리호화 개시점(Alkali Gelatinization Initiation Point, AGIP)으로 추정하였다. 10%(w/w) 옥수수전분 현탁액의 40℃에서 호화개시점은 24.1 meq NaOH/g-starch인 반면 60℃에서는 9.8 meq NaOH/g-starch이었다. 또한 옥수수전분 현탁액의 농도를 40%로 증가시킨 경우 40℃에서 9.5 meq NaOH/g-starch에서 호화가 개시되었다. 이와 같은 결과로부터 전분의 알칼리호화 개시농도(Alkali Gelatinization Initiation ...
전분을 호화시키기 위해서 수용액상에서 가열하거나 전분현탁액에 알칼리를 첨가하는 공정이 주로 사용되고 있다. 그러나 알칼리 호화는 공업적으로 주로 사용되고 있음에도 많은 연구가 진행되지 않았다. 본 연구에서는 옥수수 전분의 알칼리 호화 특성과 양이온화 공정의 최적화 및 제조된 다양한 치환도의 옥수수 양이온성 전분의 물리화학적인 특성, 제지공정에의 적용 특성을 연구하였다.
옥수수전분의 호화도는 NaOH 첨가에 의하여 지수적으로 증가하였으며, 호화도가 급격히 증가하기 시작하는 구간을 알칼리호화 개시점(Alkali Gelatinization Initiation Point, AGIP)으로 추정하였다. 10%(w/w) 옥수수전분 현탁액의 40℃에서 호화개시점은 24.1 meq NaOH/g-starch인 반면 60℃에서는 9.8 meq NaOH/g-starch이었다. 또한 옥수수전분 현탁액의 농도를 40%로 증가시킨 경우 40℃에서 9.5 meq NaOH/g-starch에서 호화가 개시되었다. 이와 같은 결과로부터 전분의 알칼리호화 개시농도(Alkali Gelatinization Initiation Concentration, AGIC)가 전분현탁액의 농도와 온도에 반비례하는 것을 알 수 있었다.
옥수수전분의 용해도, 아밀로오스 용출량 및 용출당 함량은 알칼리호화도에 따라 모두 증가하였다. 알칼리호화의 경우 낮은 호화도에서도 특정 X-ray 회절각도에서의 intensity 및 DSC의 호화엔탈피가 감소하여 가열호화와는 달리 호화 초반에 전분입자의 결정질이 손상되는 것을 알 수 있었으며, 결정질이 손상됨에 따라 용출당중의 아밀로오스의 상대적 함량이 낮아지고, 호화과정 중의 전분 입자크기는 거의 변하지 않았다. 또한 DSC의 흡열곡선이 호화도가 증가함에 따라 고온으로 이동하였다. 이와 같은 현상으로 미루어 볼 때 알칼리 첨가에 의하여 전분입자의 팽창보다는 약한 결정질부터 파괴되면서 호화가 진행되는 것으로 추정된다.
한편 전분의 양이온화공정에서 반응속도는 촉매로 사용하는 NaOH의 양에 많은 영향을 받으므로 전분의 호화는 가능한 억제하면서 NaOH의 첨가량을 증가시키는 것이 중요하다. 따라서 알칼리호화 억제제인 Na_(2)SO_(4)의 호화억제 효과를 정량분석하였다. 40℃에서 10% 옥수수전분 현탁액에 4% Na_(2)SO_(4)를 첨가한 경우 AGIC는 24.1 meq NaOH/g-starch에서 33.0 meq NaOH/g-starch로 증가하였으며 그 증가율은 Na_(2)SO_(4) 첨가량 및 현탁액의 온도와 일정한 상관관계를 보였다.
옥수수전분 현탁액의 AGIC와 전분의 농도, 온도 및 호화억제제 첨가량과의 상관관계를 기초로 RSM을 이용하여 양이온화 반응조건을 최적화하였다. 8%의 양이온화 시약을 첨가하여 18시간 반응시킨 경우 38.48℃에서 Na_(2)SO_(4)를 1.89%(w/w) 첨가한 경우 AGIC 보다 6.75 meq/g-starch 만큼 높은 NaOH농도에서 치환도 0.03022(67.28%의 반응효율)의 양이온성전분을 제조할 수 있었다. 양이온화시약 첨가량을 20%로 증가시켜 40℃에서 24시간까지 양이온화를 진행하였으나 RSM 분석 결과 반응이 완료되지 않은 것으로 밝혀져 water-slurry process에 의한 고치환 양이온성전분을 최적조건으로 제조하기 위해서는 그 이상의 반응시간이 필요한 것을 알 수 있었으며 실험 구간내의 최적조건은 Na_(2)SO_(4)를 1.99%(w/w) 첨가하고 AGIC 보다 5.73 meq/g-starch 만큼 NaOH를 증가시켜 첨가한 경우로, 치환도 0.0642(반응효율 57.37%)의 양이온성전분을 제조할 수 있었다.
제지산업의 양이온성 전분에 대한 다양한 요구를 충족키 위해 치환도 0.02∼0.06의 양이온성 전분의 특성을 연구하였다. 치환도가 증가함에 따라 water holding capacity는 일반전분의 3배이상 증가하였으며, 요오드 흡착능력이 감소하여 전분입자의 integrity가 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나 X-ray 회절도에서 peak intensity는 거의 변하지 않아 전분 입자의 integrity 감소는 양이온기의 치환반응이 전분 무정형영역에서 주로 발생하는 것을 알 수 있었다.
Amylograph 의 최고점도 및 50℃에서의 점도는 치환도에 비례하여 증가하였으며, 호화개시온도와 최고점도온도는 일정하게 감소하는 경향을 나타내었다. 1% 전분 호화액의 유동특성을 분석한 결과 천연 옥수수전분은 Newtonian fluid의 거동을 보인 반면, 양이온성 전분은 pseudoplastic fluid의 거동을 나타내었다. 치환도에 따라 호화액의 점도는 비례하여 증가하였으나 전기전도도에 대해서는 반비례 관계를 보였다. 또한 일정한 shearrate에서 점도는 치환도에 정비례하였으며, 치환도가 높을수록 호화개시온도 부근에서 팽윤력이 급격히 증가되었다.
양이온성 옥수수전분을 제지공정에 1% 첨가한 결과 치환도의 증가에 따라 보류율과 여수도가 증가하였으며 종이의 인장강도 및 내부결합 강도도 증가되는 효과를 나타내었다. 본 실험을 통해 다양한 치환도의 양이온성 옥수수전분의 특성을 밝힘으로써 향 후 제지공정에 효율적인 적용이 가능할 것으로 기대된다.
전분을 호화시키기 위해서 수용액상에서 가열하거나 전분현탁액에 알칼리를 첨가하는 공정이 주로 사용되고 있다. 그러나 알칼리 호화는 공업적으로 주로 사용되고 있음에도 많은 연구가 진행되지 않았다. 본 연구에서는 옥수수 전분의 알칼리 호화 특성과 양이온화 공정의 최적화 및 제조된 다양한 치환도의 옥수수 양이온성 전분의 물리화학적인 특성, 제지공정에의 적용 특성을 연구하였다.
옥수수전분의 호화도는 NaOH 첨가에 의하여 지수적으로 증가하였으며, 호화도가 급격히 증가하기 시작하는 구간을 알칼리호화 개시점(Alkali Gelatinization Initiation Point, AGIP)으로 추정하였다. 10%(w/w) 옥수수전분 현탁액의 40℃에서 호화개시점은 24.1 meq NaOH/g-starch인 반면 60℃에서는 9.8 meq NaOH/g-starch이었다. 또한 옥수수전분 현탁액의 농도를 40%로 증가시킨 경우 40℃에서 9.5 meq NaOH/g-starch에서 호화가 개시되었다. 이와 같은 결과로부터 전분의 알칼리호화 개시농도(Alkali Gelatinization Initiation Concentration, AGIC)가 전분현탁액의 농도와 온도에 반비례하는 것을 알 수 있었다.
옥수수전분의 용해도, 아밀로오스 용출량 및 용출당 함량은 알칼리호화도에 따라 모두 증가하였다. 알칼리호화의 경우 낮은 호화도에서도 특정 X-ray 회절각도에서의 intensity 및 DSC의 호화엔탈피가 감소하여 가열호화와는 달리 호화 초반에 전분입자의 결정질이 손상되는 것을 알 수 있었으며, 결정질이 손상됨에 따라 용출당중의 아밀로오스의 상대적 함량이 낮아지고, 호화과정 중의 전분 입자크기는 거의 변하지 않았다. 또한 DSC의 흡열곡선이 호화도가 증가함에 따라 고온으로 이동하였다. 이와 같은 현상으로 미루어 볼 때 알칼리 첨가에 의하여 전분입자의 팽창보다는 약한 결정질부터 파괴되면서 호화가 진행되는 것으로 추정된다.
한편 전분의 양이온화공정에서 반응속도는 촉매로 사용하는 NaOH의 양에 많은 영향을 받으므로 전분의 호화는 가능한 억제하면서 NaOH의 첨가량을 증가시키는 것이 중요하다. 따라서 알칼리호화 억제제인 Na_(2)SO_(4)의 호화억제 효과를 정량분석하였다. 40℃에서 10% 옥수수전분 현탁액에 4% Na_(2)SO_(4)를 첨가한 경우 AGIC는 24.1 meq NaOH/g-starch에서 33.0 meq NaOH/g-starch로 증가하였으며 그 증가율은 Na_(2)SO_(4) 첨가량 및 현탁액의 온도와 일정한 상관관계를 보였다.
옥수수전분 현탁액의 AGIC와 전분의 농도, 온도 및 호화억제제 첨가량과의 상관관계를 기초로 RSM을 이용하여 양이온화 반응조건을 최적화하였다. 8%의 양이온화 시약을 첨가하여 18시간 반응시킨 경우 38.48℃에서 Na_(2)SO_(4)를 1.89%(w/w) 첨가한 경우 AGIC 보다 6.75 meq/g-starch 만큼 높은 NaOH농도에서 치환도 0.03022(67.28%의 반응효율)의 양이온성전분을 제조할 수 있었다. 양이온화시약 첨가량을 20%로 증가시켜 40℃에서 24시간까지 양이온화를 진행하였으나 RSM 분석 결과 반응이 완료되지 않은 것으로 밝혀져 water-slurry process에 의한 고치환 양이온성전분을 최적조건으로 제조하기 위해서는 그 이상의 반응시간이 필요한 것을 알 수 있었으며 실험 구간내의 최적조건은 Na_(2)SO_(4)를 1.99%(w/w) 첨가하고 AGIC 보다 5.73 meq/g-starch 만큼 NaOH를 증가시켜 첨가한 경우로, 치환도 0.0642(반응효율 57.37%)의 양이온성전분을 제조할 수 있었다.
제지산업의 양이온성 전분에 대한 다양한 요구를 충족키 위해 치환도 0.02∼0.06의 양이온성 전분의 특성을 연구하였다. 치환도가 증가함에 따라 water holding capacity는 일반전분의 3배이상 증가하였으며, 요오드 흡착능력이 감소하여 전분입자의 integrity가 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나 X-ray 회절도에서 peak intensity는 거의 변하지 않아 전분 입자의 integrity 감소는 양이온기의 치환반응이 전분 무정형영역에서 주로 발생하는 것을 알 수 있었다.
Amylograph 의 최고점도 및 50℃에서의 점도는 치환도에 비례하여 증가하였으며, 호화개시온도와 최고점도온도는 일정하게 감소하는 경향을 나타내었다. 1% 전분 호화액의 유동특성을 분석한 결과 천연 옥수수전분은 Newtonian fluid의 거동을 보인 반면, 양이온성 전분은 pseudoplastic fluid의 거동을 나타내었다. 치환도에 따라 호화액의 점도는 비례하여 증가하였으나 전기전도도에 대해서는 반비례 관계를 보였다. 또한 일정한 shearrate에서 점도는 치환도에 정비례하였으며, 치환도가 높을수록 호화개시온도 부근에서 팽윤력이 급격히 증가되었다.
양이온성 옥수수전분을 제지공정에 1% 첨가한 결과 치환도의 증가에 따라 보류율과 여수도가 증가하였으며 종이의 인장강도 및 내부결합 강도도 증가되는 효과를 나타내었다. 본 실험을 통해 다양한 치환도의 양이온성 옥수수전분의 특성을 밝힘으로써 향 후 제지공정에 효율적인 적용이 가능할 것으로 기대된다.
Starch is one of the most abundant carbohydrates and its gelatinized form has been used in food and chemical industries. Heat or alkali treatment of starch solution have been two common processes used for the gelatinization of starch. Although widely used in most industries, the alkali gelatinizatio...
Starch is one of the most abundant carbohydrates and its gelatinized form has been used in food and chemical industries. Heat or alkali treatment of starch solution have been two common processes used for the gelatinization of starch. Although widely used in most industries, the alkali gelatinization process of starch has not been well characterized. In this study, we discuss the characterization of alkali gelatinization of corn starch and the physiochemical characteristics of corn starch during the process.
Degree of gelatinization of corn starch increased exponentially with the amount of NaOH added. Alkali gelatinization initiation point(AGIP) was obtained from the critical point where the degree of gelatinization was markedly changed.
The effects of temperature and concentration of corn starch on alkali gelatinization was studied with 10%(w/w) corn starch suspension. Corn starch was gelatinized in the 24.1 meq/ g-starch of NaOH at 40℃, whereas 9.8 meq/ g-starch at 60℃. Moreover, 40%(w/w) corn starch suspension was gelatinized with 9.5 meq/ g-starch even at 40℃. These results indicated that the amount of alkali added for the gelatinization of corn starch had reverse relation against the temperature and concentration of corn starch.
In contrast, solubility and amount of eluted polysaccharides and amyloses increased proportionally to the amount of alkali added. X-ray diffraction patterns and DSC thermogram showed that, in early stage of alkali gelatinization, crystallinity of starch granules was disrupted compared to that of heat gelatinization. This resulted in the low amylose contents in eluted saccharides while granule sizes were little changed in the alkali treated corn starch. Endotherm peak in DSC thermogram shifted toward higher temperature region as the degree of gelatinization increased, suggesting that retained starch granules were more compactly crystallized during alkali gelatinization than during heat process. It is concluded that, during alkali gelatinization of corn starch, disruption of weak particles would occur first before swelling of granules.
The inhibition of gelatinization of corn starch suspension by Na_(2)SO_(4) was quantitatively analysed. When 4%(w/w) Na_(2)SO_(4) was added to 10% corn starch suspension at 40℃, alkali gelatinization initiation concentration(AGIC) increased from 24.1 to 33.0 meq/ g-starch. The increasing ratio showed constant relations with the added amount of Na_(2)SO_(4) and temperature of suspension.
On the basis of results about AGIC, the optimization of canonization of corn starch was performed by RSM. When 8%(w/w) cationic reagent added to starch suspension with 1.89%(w/w) of Na_(2)SO_(4) and NaOH which was more added than AGIC by 6.75 meq/ g-starch at 38.48℃, cationic starch could be produced with 67.28% of a reaction yield (DS, 0.03022) during 18hrs. In case of increasing cationic reagent to 20%(w/w), more than 24hrs were needed to reach maximum reaction yield. This means water-slurry process is inadequate to produce cationic starch of high DS.
Cationic starch is widely used in paper-making process as wet-end additives to improve sheet strength and to give better retention of fines as well as fillers. Cationic starches of different origins, such as potato, corn, or waxycorn, are available with various degree of substitution(DS). Cationic corn starch, among them, is generally used to most grades of paper because of their cheapness and opulency.
The characterization of cationic corn starches having the substitution range of 0.02 to 0.06 were characterized in this study. With the increase of the degree of substitution, water holding capacity of a cationic starch was over three times more increased than that of a general starch and iodine absorption ability was decreased due to the decrease of the intensity of a starch granule. From X-ray diffraction pattern, however, peak intensity was little changed. Therefore, the decrease of integrity of a starch granule was due to the substitution of cationic groups concentrated on the amorphous region.
The analysis of rheological properties of 1% gelatinized cationic corn starch solution showed that natural corn starch was Newtonian fluid but a cationic starch was psedoplastic fluid. The viscosity was increased with the degree of substitution but decreased with the electrical conductivity of a starch suspension increased. The viscosity was proportional to the degree of substitution at a constant shear rate and the swelling power was sharply increased around the gelatinization temperature region.
When a cationic starch was added to the paper making process in the final concentration of 1% based on the weight of dry pulp, fine retention rate and freeness were increased with the increase of the degree of substitution and the tensile index and Scott internal bond were also increased.
Starch is one of the most abundant carbohydrates and its gelatinized form has been used in food and chemical industries. Heat or alkali treatment of starch solution have been two common processes used for the gelatinization of starch. Although widely used in most industries, the alkali gelatinization process of starch has not been well characterized. In this study, we discuss the characterization of alkali gelatinization of corn starch and the physiochemical characteristics of corn starch during the process.
Degree of gelatinization of corn starch increased exponentially with the amount of NaOH added. Alkali gelatinization initiation point(AGIP) was obtained from the critical point where the degree of gelatinization was markedly changed.
The effects of temperature and concentration of corn starch on alkali gelatinization was studied with 10%(w/w) corn starch suspension. Corn starch was gelatinized in the 24.1 meq/ g-starch of NaOH at 40℃, whereas 9.8 meq/ g-starch at 60℃. Moreover, 40%(w/w) corn starch suspension was gelatinized with 9.5 meq/ g-starch even at 40℃. These results indicated that the amount of alkali added for the gelatinization of corn starch had reverse relation against the temperature and concentration of corn starch.
In contrast, solubility and amount of eluted polysaccharides and amyloses increased proportionally to the amount of alkali added. X-ray diffraction patterns and DSC thermogram showed that, in early stage of alkali gelatinization, crystallinity of starch granules was disrupted compared to that of heat gelatinization. This resulted in the low amylose contents in eluted saccharides while granule sizes were little changed in the alkali treated corn starch. Endotherm peak in DSC thermogram shifted toward higher temperature region as the degree of gelatinization increased, suggesting that retained starch granules were more compactly crystallized during alkali gelatinization than during heat process. It is concluded that, during alkali gelatinization of corn starch, disruption of weak particles would occur first before swelling of granules.
The inhibition of gelatinization of corn starch suspension by Na_(2)SO_(4) was quantitatively analysed. When 4%(w/w) Na_(2)SO_(4) was added to 10% corn starch suspension at 40℃, alkali gelatinization initiation concentration(AGIC) increased from 24.1 to 33.0 meq/ g-starch. The increasing ratio showed constant relations with the added amount of Na_(2)SO_(4) and temperature of suspension.
On the basis of results about AGIC, the optimization of canonization of corn starch was performed by RSM. When 8%(w/w) cationic reagent added to starch suspension with 1.89%(w/w) of Na_(2)SO_(4) and NaOH which was more added than AGIC by 6.75 meq/ g-starch at 38.48℃, cationic starch could be produced with 67.28% of a reaction yield (DS, 0.03022) during 18hrs. In case of increasing cationic reagent to 20%(w/w), more than 24hrs were needed to reach maximum reaction yield. This means water-slurry process is inadequate to produce cationic starch of high DS.
Cationic starch is widely used in paper-making process as wet-end additives to improve sheet strength and to give better retention of fines as well as fillers. Cationic starches of different origins, such as potato, corn, or waxycorn, are available with various degree of substitution(DS). Cationic corn starch, among them, is generally used to most grades of paper because of their cheapness and opulency.
The characterization of cationic corn starches having the substitution range of 0.02 to 0.06 were characterized in this study. With the increase of the degree of substitution, water holding capacity of a cationic starch was over three times more increased than that of a general starch and iodine absorption ability was decreased due to the decrease of the intensity of a starch granule. From X-ray diffraction pattern, however, peak intensity was little changed. Therefore, the decrease of integrity of a starch granule was due to the substitution of cationic groups concentrated on the amorphous region.
The analysis of rheological properties of 1% gelatinized cationic corn starch solution showed that natural corn starch was Newtonian fluid but a cationic starch was psedoplastic fluid. The viscosity was increased with the degree of substitution but decreased with the electrical conductivity of a starch suspension increased. The viscosity was proportional to the degree of substitution at a constant shear rate and the swelling power was sharply increased around the gelatinization temperature region.
When a cationic starch was added to the paper making process in the final concentration of 1% based on the weight of dry pulp, fine retention rate and freeness were increased with the increase of the degree of substitution and the tensile index and Scott internal bond were also increased.
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