淀粉常温糊化及其改性与应用研究
作者单位：厦门大学
学位级别：硕士
导师姓名：熊晓鹏
授予年度：2020年
学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070305[理学-高分子化学与物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学]
摘 要：天然淀粉一直都是人类餐桌上不可缺少的角色,同时因其来源广泛、价格低廉、绿色环保等优势,对于淀粉非食品领域的开发从未被人们忽视。原生淀粉存在着水溶性差、易老化、耐水性差等缺点。通过氧化、交联、接枝聚合等改性方法,能够改善淀粉的上述缺点,并赋予淀粉新功能,从而获得了丰富多彩的衍生物。淀粉基材料来源广泛、无毒无害、降解性良好的优点能弥补传统化石能源资源有限、易造成污染、不易回收降解的短板,是绿色环保的材料。但现存的许多化学改性方法,普遍存在流程繁琐、条件苛刻、能耗较高、产生二次污染等问题,这使得绿色便捷的淀粉改性方法越来越得到人们的关注。因此,本文基于环境友好原则,使用尿素、聚乙烯醇、硼砂等材料对淀粉进行改性,在延续天然淀粉的生物相容性高、绿色环保等原生优势的基础上,制备了包括复合膜、复合凝胶等多种淀粉基新材料,并通过FT-IR、SEM、XRD对其组成和结构进行表征,同时针对诸如机械性能、溶胀溶解性能等进行分析测试,进而研究了改性材料的增强机理,扩展淀粉基材料在食品、生物医药等领域的应用。研究内容摘要如下:微波辐照法尿素改性淀粉及其用于壳聚糖复合膜的增强研究本部分工作中首先将淀粉和尿素在水中混合,室温下搅拌30 min直至获得半透明凝胶状混合物,即获得常温糊化淀粉,随后将混合物干燥研磨,在未使用溶剂与引发剂的条件下,直接将研磨样品在微波辐照条件下进行反应。采用FT-IR、XRD、SEM、元素分析对所得产物进行表征,结果表明改性淀粉（u-starch）中成功引入了-CONH2基团,实现了尿素对玉米淀粉的改性。同时,还研究了尿素与淀粉的质量比、微波辐射功率、微波辐照时间对接枝率的影响,并确定了微波辐照法尿素改性淀粉的最佳条件:质量比为1:2的淀粉和尿素糊化物在616W功率下经微波辐照4 min。随后,将所制备的u-starch颗粒添加到壳聚糖溶液中,经流延并再生成膜,制备改性淀粉增强的壳聚糖复合膜。FT-IR结果表明u-starch和壳聚糖基体之间存在着较强的氢键作用。当u-starch的含量为1wt%时,u-starch能在壳聚糖基体中均匀分散,此时的拉伸强度、杨氏模量和断裂能分别是纯壳聚糖膜的1.4、2.1、1.2倍,透明性仅略有降低。u-starch添加量继续提高,改性淀粉则会产生团聚,导致拉伸强度、杨氏模量和断裂能均有所下降。由此,通过淀粉的常温糊化和改性,我们成功制备了力学性能增强且透光性良好的复合膜材料,在包装领域具有一定的应用潜力。常温糊化淀粉用于复合水凝胶制备研究本部分先在常温下制备尿素糊化淀粉。随后,在常温糊化淀粉中加入聚乙烯醇（PVA）与不同比例的天然植物多酚单宁酸（TA）,通过冻融的方法制备了两组分或三组分的复合凝胶。采用FT-IR、SEM对复合凝胶的微观结构进行表征,同时针对其压缩性能、流变学性能、溶胀性能、回弹性能进行分析测试。结果表明复合凝胶组分之间通过氢键形成了网络结构,TA的增加能有效增强PVA+Starch凝胶的交联密度从而提升凝胶的力学性能。另外,压缩与溶胀结果还显示,淀粉与TA形成的氢键网络结构经破坏后,在常温下可重新构建而使凝胶具有更好的回弹性,且能实现部分自由TA的逐步释放,在生物抗菌和食品防腐领域具有一定的应用潜力。常温糊化淀粉用于膜材料制备研究在本部分工作中,首先将淀粉和尿素室温混合,制备常温糊化淀粉,再将其与10 wt%聚乙烯醇溶液混合,并将混合溶液通过流延、升温固化,最后将其浸泡入硼砂水溶液中,从而成功制备了复合膜。采用FT-IR、XRD、SEM等对复合膜进行表征,并对复合膜的力学性能、透光性能、溶胀性能及水溶性进行了相关测试。结果表明硼砂溶解在水中所形成的硼酸离子能够有效络合羟基,从而形成复杂的交联网络而成膜。在硼酸的量较少时,体系能够形成较为均匀的交联。当硼酸过量时,则会因为局部交联过度可能出现过量硼酸离子与交联体之间的静电排斥作用,降低了整体的交联程度。由此,适量硼酸的加入可以使复合膜的拉伸强度与杨氏模量得到一定的提高。当硼砂浸泡液的浓度为6 wt%时,复合膜的拉伸强度、杨氏模量是不含硼酸时的1.6倍。另外,复合膜的吸水速率与保水能力都有了一定的提升,在包装、农用覆盖膜领域具有一定的应用前景。
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