基本介紹
- 中文名：改性澱粉
- 外文名：modified starch
- 簡介：變性澱粉的品種、規格達兩千多種
- 特點：流動性好，凝沉性弱
- 套用：.氧化澱粉
簡介,改性方法,物理改性,化學改性,生物改性,複合改性,用途,食品工業,醫藥,水處理,造紙工業,鑄造業,包裝材料,改性澱粉工業的發展現狀和前景,
簡介
改性澱粉的品種、規格達兩千多種，澱粉的分類一般是根據處理方式來進行。加工精白澱粉，必須選用澱粉含量高的白薯品種。經加工後的澱粉雖選用了天然原料,但經人為加工,也就不可能算是天然的了。食用類的專用改性澱粉是不會對身體有副作用的。
改性方法
澱粉改性的方法有許多，主要的處理方法有物理改性、化學改性、生物改性、複合改性等。
物理改性
澱粉的物理改性是指通過熱、機械力、物理場等物理手段對澱粉進行改性。澱粉的物理改性主要有熱液處理、微波處理、電離放射線處理、超音波處理、球磨處理、擠壓處理等。微波處理在食品工業中有較多的套用，是物理改性澱粉的一個重要方法。澱粉接枝共聚物合成的高吸水性樹脂具有強的吸水性和保水性，用途非常廣泛，而微波輻射法與傳統加熱法製備澱粉接枝共聚高吸水樹脂相比，可明顯縮短反應時間、簡化工藝和降低成本，具有顯著的優勢和良好的發展前景。採用物理方法改性澱粉，僅是涉及水、熱等天然的資源，不會對環境造成污染，且產品的安全性比化學改性的高，可以作為清潔生產和綠色食品加工的重要資源，套用前景十分廣闊。
化學改性
澱粉的微觀結構是以葡萄糖基組成的澱粉大分子環式結構，澱粉分子中具有數目較多的醇羥基，能與眾多的化學試劑反應生成各種類型的改性澱粉。通常，澱粉的化學改性有酸水解、氧化、醚化、酯化和交聯等。化學法是澱粉改性套用最廣的方法。酸水解廣泛套用於澱粉工業，Jianmin Man等在2.2moL/L HCl條件下酸解高直鏈轉基因大米澱粉，在酸水解過程中，起始階段糊化溫度降低，水解高峰期和最後階段水解溫度上升，吸熱值隨著酸水解先增加後降低，高直鏈轉基因大米澱粉的膨脹力和溶解度都增加。澱粉羥丙基化是澱粉醚化的一種形式，羥丙基化澱粉可以減少澱粉的降解，改變澱粉的糊化溫度、糊粘度等特性。Olayide S. Lawal等研究發現，龍爪稷澱粉經過羥丙基改性後，提高了澱粉的自由膨脹能力、摩爾取代度，降低了濁度、脫水收縮百分率和降解率。交聯和酯化常被用來改性天然澱粉，特別是用於生產低水敏感材料。酯化可以通過羥基取代賦予澱粉產品疏水性，交聯處理的目的是為了在澱粉顆粒的隨機位置增加分子內部和分子間的聯繫，同時由於能夠增加澱粉結構中交聯的密度，交聯處理也能夠用於限制水分的吸收。
生物改性
複合改性
複合改性澱粉是指用兩種或者兩種以上處理方法得到的改性澱粉，它具有兩種或兩種以上改性澱粉各自性能的優點。澱粉薄膜被廣泛用於食品包裝中，單獨使用交聯或酯化改性原澱粉能提高原澱粉薄膜差的脆性和機械強度，但是卻時常滿足不了我們對澱粉薄膜在某些特定情況所需的性能，而複合改性綜合兩種改性方式的優點，平衡改性膜的套用性能，拓寬了澱粉薄膜在食品包裝中的套用。鋅是人體不可缺少的礦物質，而很多鋅的衍生物吸收率低，且會刺激胃，所以最近幾年許多研究都開始關注澱粉鋅配合物的合成。用酶法和化學法可以用於製備澱粉鋅配合物，有研究表明[19]在-澱粉酶和葡糖澱粉酶的水解條件下，木薯澱粉和乙酸鋅反應生成澱粉-鋅配合物，既不會引起人體不良反應，又能較好地達到補鋅的目的。
用途
食品工業
改性澱粉具有許多產品的質構特性，被廣泛套用在食品工業中，作為增稠劑、穩定劑、膠凝劑、黏結劑等。糧食是最基本的生活資料，改性澱粉在食品工業有著舉足輕重的地位。人們對食品的種類、營養、健康等要求顯著增強，在食品工業中，改性澱粉正向著產品品種多樣、規格齊全、安全、健康、營養、低脂、生態等方向發展。飲食上人們越來越重視低脂肪飲食和提高複雜的碳水化合物的攝入量。Hyun-Jung Chung等研究發現，體外消化率和血糖指數上都會發生改變，抗性澱粉含量明顯增加，慢消化澱粉的含量減少，快速消化澱粉含量明顯降低，這樣能夠降低人體血糖上升的速率。速食麵在市場上的需求量很大，但是用原澱粉產品缺乏穩定性，且油炸及高脂肪含量影響食品的質量及我們的健康。研究發現，乙醯化馬鈴薯澱粉既提高了速食麵的硬度又不會顯著地影響凝聚力值，並且它可以部分替代用於生產速食麵的低蛋白小麥麵粉，減少脂肪的攝取。酶改性澱粉可以較好地套用於食品工業，將酶改性羧甲基澱粉套用於香腸中的，發現羧甲基澱粉在香腸中能夠增加保水能力和乳化穩定性，是香腸理想的脂肪替代品。改性澱粉在麵包中也有較好的套用，能降低麵包的惡化率，提高口感，生產出具有特定性質的麵包食譜。有研究將改性澱粉乙醯化己二酸雙澱粉和羥丙基二澱粉磷酸酯套用在無麩質麵包中，發現其體積和彈性明顯，使烘焙製品保持柔軟蓬鬆。改性澱粉在乳液體系中對系統的穩定性、粘度及降低表面張力的能力等都是很重要的。KrystynaProchaska等研究表明，澱粉的改性在乳液體系中可以影響表面活性及可作為增稠劑，且研究發現，辛烯基琥珀酸澱粉鈉對於降低表面張力的效率很高，能很好的運用於食品工業中。
醫藥
澱粉在醫藥方面具有較好的套用，但是其套用常受到澱粉溶脹性能、溶解性能、凝膠作用、流變學性能、機械性能和被酶消化的特徵等的影響，通過改性後能夠改善原澱粉的不足。眼藥水治療眼部疾病時，角膜上皮由於低的透氣性而對藥物的吸收率較少，且剩餘的藥液可能會引起副作用。A.P.Vieira等用甲基丙烯酸2-異氰酸酯改性澱粉，得到含有氨基甲酸乙酯鍵和碳-碳雙鍵的聚合物，可以減少藥物損失，使患者找到了一種可以長久持續控制的新藥物。薑黃素具有抗氧化、抗炎和抗癌作用，然而它的水溶解度和生物利用性卻非常低，且在體內會被快速地降解和排泄。Hailong Yu等研究表明疏水改性澱粉可以形成膠團並將薑黃素裝入膠囊中，提高薑黃素的溶解度和體外抗腫瘤的活性。大多數用於藥物的表面活性劑會擾亂人體正常的膜結構，導致細胞的毒性。Martin Kuentz等研究用辛烯基琥珀酸酯改性澱粉得到具有優良技術性能的無表面活性劑的藥物懸浮液，以充分潤濕藥物，提高溶解度和性能。可降解澱粉微球可用於局部止血，但不能用於大出血時的止血，而經過化學改性的可降解澱粉微球可以刺激凝血的活化和觸發體外血小板的結合，從而提高其在止血套用的範圍。改性澱粉在藥物方面具有重大的套用，它可以改善一些藥物溶解性、流動性能和壓縮性等，提高人體對藥物的吸收，減少藥物的副作用。也可以通過改性澱粉研製出一些新型的藥物，這對於一些疑難雜症的治癒有重要貢獻。醫藥關係著國民的健康、社會的穩定和經濟的發展，改性澱粉在醫學上具有重大套用價值和發展潛力。
水處理
澱粉及其衍生物因為來源廣，價格便宜，對環境安全等優點成為污水處理的重要物質，而改性澱粉較天然澱粉具有更優越的性能，是一種很有發展前途的新型水處理劑。陽離子型澱粉衍生物絮凝劑無毒，易降解，可以與水中微粒起電荷中和及吸附架橋作用，常被用來處理攜帶有負電荷的污水。絮凝劑陽離子澱粉醚，二（二乙氨基）均三嗪有高的絮凝劑能力，在時對陰離子染料廢水的脫色率可高達 ，對酸性染料 的絮凝能力可達 ，且對於有色廢水處理，該絮凝劑可循環再利用。在許多研究 中以（環氧丙基）三甲基氯化銨為醚化劑引入到澱粉骨架上，合成一系列陽離子型澱粉衍生物絮凝劑，這些陽離子型澱粉衍生物絮凝劑都具有良好的絮凝效果。陰離子型澱粉絮凝劑也能用於污水處理，它與重金屬離子生成難溶物沉澱，從水中去除重金屬離子。陰離子型澱粉醚曾在日本、美國、德國等多個國家引起過相當的重視，得到了多種改性澱粉絮凝劑。許多污水中同時含有正負電荷的懸浮顆粒與膠體，因此用兩性改性澱粉絮凝劑處理污水常比單使用一種離子型絮凝劑更有效。Hui Song等合成了一種兩性澱粉聚丙烯醯胺接枝共聚物，此兩性接枝共聚物對於多種工業廢水的處理效果特別好。就改性澱粉絮凝劑而言，非離子型絮凝劑生產成本低，但由於不具有電中和性能，絮凝效果並不令人滿意；得到了廣泛套用，市場上成熟的商業化產品豐富，但是總體品系單一，選擇餘地不多，而且價格較高；陰離子型絮凝劑主要用於吸附重金屬離子，功能相對單一；兩性絮凝劑雖然效果顯著，但是生產工藝複雜，成本很高，我們應該看到，當前改性澱粉絮凝劑的功能還不如傳統無機絮凝劑全面，在實際套用中仍存在一些不足，尤其是對水處理工藝的研究較少，且許多產品還沒有及時轉化為實際套用。所以，今後我們需要進一步提高改性澱粉絮凝劑的絮凝性能，加強實際工藝的研究，充分考慮到影響絮凝劑對廢水處理效果的因素。
造紙工業
澱粉分子結構與造紙纖維原料中纖維分子的結構極其相似，加之來源廣，價格低廉，對環境污染小等優點，被廣泛套用於造紙工業中。造紙工業上常用的改性澱粉有：氧化澱粉、陽離子澱粉、陰離子澱粉、磷酸酯澱粉和雙醛澱粉等。澱粉經過改性後，能賦予紙張優異的性能，改性澱粉用量大，是一種極為重要的造紙化學品，其用量約占造紙精細化學品總量的。我國是一個造紙大國，改性澱粉在造紙工業中占有重要的位置與巨大套用發展潛力。
陽離子澱粉對於纖維、填料及其他陰離子性物質具有強烈的吸附性，可作為濕部添加劑，有助於提高細小纖維和填料的留著，加速紙料的濾水和提高紙頁強度，因而能有效提高紙機車速，提高產品質量、降低成本。它還可作為合成施膠劑的助留劑，使膠料留著於纖維上而取得良好的施膠效果，特別對於鹼性施膠劑，烷基烯酮二聚體和烯基琥珀酸酐與陽離子澱粉一起使用，能夠起到助留劑及乳液穩定劑的作用。澱粉在鹼性條件下與辛烯基琥珀酸酐進行酯化反應而製得辛烯基琥珀酸澱粉鈉，在造紙工業中有很大的用途。能提高退漿能力和賦予紙張很強的抗水性。使用氧化劑過氧化氫將澱粉氧化降解，再通過乙醯基酯化反應和己二酸交聯來穩定澱粉，此改性澱粉可用來在紙的表面施膠中作為結合劑，以及作為塗覆糊劑和染料的結合劑，從而使紙張具有抗掉粉、掉毛、起泡等缺點。澱粉與一些磷酸鹽起酯化反應，可製得磷酸酯澱粉，它可用於紙頁表面施膠，能夠改善紙張的平滑度，提高成膜性能。
鑄造業
鑄造用粘結劑可分為無機、有機兩大類。一些無機和有機粘結劑鑄造業的套用中存在嚴重缺點，比如呋喃樹脂，它的成本高，延展性低，對環境有嚴重的污染，作為鑄造粘合劑並不是很理想。澱粉是一種無污染、低成本的粘合劑，鑄造工業中常直接採用澱粉或澱粉製成的糊精等形式做型芯砂的輔料或塗料粘結劑。但是，澱粉直接作粘結劑型粘結性低，而糊精的加入量大，型芯砂極易粘模，並且吸濕嚴重，因此，必須對澱粉進行適當的改性處理，改進其粘結性能和吸濕性能等。 等以羧甲基澱粉為粘結劑，並添加少量物質合成蕊砂，它比用呋喃樹脂的成本低，且無污染下使得鑄件具有更好的內部表面質量。馬鈴薯來源廣泛，再生性強，也可以作為一種天然的水溶性高分子粘結劑。於文斌等製備出的改性馬鈴薯澱粉粘結劑具有較好的乾拉強度、潰散性和抗吸濕性，適用於鑄鐵、鑄鋼和有色金屬等各種鑄件，能代替部分油砂、水玻璃砂和自硬樹脂砂等製造型芯，並可以在一般濕度條件下正常使用。改性澱粉粘結劑較傳統的無機粘結劑和一些有機粘結劑價格低、來源廣、對環境污染少、延展性大，粘結性能強、吸濕性能低，且又能改進原澱粉粘結劑的不足，是鑄造業具有遠大發展前途的粘結劑。
包裝材料
大量廢棄的塑膠包裝製品因其不可降解性而帶來了“白色污染”的困擾。而澱粉來源廣泛，品種多，成本低廉，且能在自然環境下完全降解，不會對環境造成任何污染，因而澱粉基降解塑膠能夠較好地套用於包裝材料上。澱粉基生物降解塑膠分為生物破壞性降解塑膠和全生物降解塑膠，前者主要是指將澱粉與不可降解樹脂共混，後者則包括：熱塑性澱粉塑膠、澱粉可降解聚合物共混物和澱粉天然高分子共混物。原澱粉基薄膜對環境的濕度比較敏感，而乙醯化澱粉薄膜具有較好的水汽屏障性能和機械特性，添加到原澱粉基薄膜中能顯著增加薄膜的熱封性能，但是這種薄膜價格比較高。Olivia V. Lpez等的研究表明，將原玉米澱粉和乙醯化玉米澱粉混合製成的薄膜既能降低價格，又能顯著提高薄膜的熱封性能，提高薄膜在包裝上的套用性能。澱粉-聚乙烯醇共混塑膠薄膜由於耐水性和機械性能較差，一定程度上影響了其在包裝材料上的套用。HanGuo Xiong等將納米SiO2添加到澱粉-聚乙烯醇共混塑膠薄膜中，薄膜的吸水率降低了70%，機械性能、透光率和耐水性均顯著提高，生物降解性達到了iSO148551999的要求。破壞性生物降解塑膠，對環境污染的問題未能根除，而全生物降解塑膠能迅速降解，產品也滿足基本的機械性能要求，但是他們在潮濕的環境下穩定性差，很難控制降解時間，且其生產工藝複雜，成本高，大面積推廣使用困難[45]。因次，如何開發成本更低，對環境污染更小的澱粉基生物降解塑膠是一個十分重要的課題。
改性澱粉工業的發展現狀和前景
改性澱粉在澱粉原有性質的基礎上根據需要，通過不同的途徑改變澱粉的天然性質，增加了一些功能特性或引進了新的特性，從而大大增加了澱粉的使用範圍，被廣泛套用於食品工業、醫藥、水處理、造紙工業、鑄造業、包裝材料等領域，在工業套用中占有重要的位置。開發澱粉資源，生產具有多種用途的改性澱粉已成為我國工業的重要組成部分。
從19世紀中葉開始，改性澱粉工業的發展已有160多年的歷史，在近30年中，改性澱粉的種類不斷增加，套用範圍也不斷擴大，改性澱粉的年產量近600萬噸，主要集中在歐美等已開發國家。我國幅員遼闊，澱粉作物品種多，是澱粉的生產大國，改性澱粉在我國已得到了快速的發展，並形成了一定的規模。但是，我國無論是從產量、品種，還是質量和套用範圍等方面與已開發國家相比，都存在著較大差距。我國澱粉改性技術落後，一方面國內澱粉產品過剩、銷路不暢；另一方面又須從國外進口高質量的改性澱粉。這種現象引起了我國澱粉科技工作者的高度重視，提高澱粉改性技術，豐富改性澱粉種類，增強改性澱粉的質量和功能，降低生產成本，減少污染，從整體提高我國在改性澱粉領域的水平，從而縮小與世界先進水平的差距。改性澱粉今後的發展趨勢將趨於生產高吸液材料的接枝共聚澱粉，以澱粉為基料的脂肪替代品，發展生物降解塑膠及澱粉粘合劑的開發等方向發展。同時品種多樣化、功能複合化的改性澱粉及比單一改性產品具有更優越的使用性能的兩性澱粉和多元改性澱粉也將受到青睞。
