高直链玉米淀粉糊化特性及成膜性能研究

作     者：王家麟 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁超

授予年度：2023年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 08[工学] 083202[工学-粮食、油脂及植物蛋白工程] 

主      题：高直链玉米淀粉 氯化钙 超声波 成膜性能 理化特性 

摘      要：高直链玉米淀粉(HACS)具有良好的成膜性和凝胶性,是制备生物可降解材料的主要原料之一,但高直链玉米淀粉颗粒结构紧实,不易糊化,这限制了高直链玉米淀粉在新型可降解材料领域的应用。据报道,氯化钙作为一种稳定性高,环境友好的淀粉溶剂,常规温度下可以破坏高直链玉米淀粉颗粒内部结构,提高淀粉在水溶液中的溶解度。另外,超声波可以破坏淀粉颗粒表面使其产生裂痕,增加淀粉成膜液的均匀性。目前,关于氯化钙协同超声处理高直链玉米淀粉,制备淀粉膜的研究较少。本研究以高直链玉米淀粉为主要成膜材料制备淀粉膜,通过单因素试验和正交试验对制备工艺进行优化。通过流变、力学、显微技术、差示扫描量热法、X-射线衍射、红外、水蒸气透过率等测试,研究了氯化钙添加量和超声/氯化钙协同处理对高直链玉米淀粉糊化性能、成膜性能的影响,制备了一种具有良好力学性能和抗菌能力的可降解生物基包装膜。主要内容和研究结论包括:(1)采用单因素和正交实验,优化并确定了氯化钙作为淀粉助散剂制备高直链玉米淀粉膜的最佳工艺条件:淀粉添加量为4%(w/w,基于成膜液质量)、干燥时间为10 h、干燥温度为45℃。优化后,膜的抗张强度和断裂延伸率分别为1.17 MPa和37.06%。(2)研究了氯化钙添加量对HACS糊化和成膜性能的影响。在剪切速率1～400s内,随着氯化钙添加量的增加,HACS成膜液的表观黏度逐渐增大。力学性能测试结果表明,高直链玉米淀粉膜的拉伸强度和断裂伸长率先增加后减小,在氯化钙添加量为8%(w/w)时,HACS膜力学性能最优,其抗张强度达到2.79 MPa,断裂延伸率为25.13%。表面微观形态分析表明,氯化钙添加量增加降低了HACS膜表面粗糙度,膜表面更加平坦光滑。(3)利用超声波处理氯化钙/高直链玉米淀粉分散液,并通过单因素和正交确定了最佳超声条件:超声时间为60 min、超声功率为25%、超声温度为70℃。优化后,膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为3.12 Mpa和84.24%。(4)研究了超声/氯化钙协同处理对HACS糊化和成膜性能的影响。电子显微镜和光学显微镜观察图像表明,超声或氯化钙处理后的HACS颗粒表面出现裂痕且少量颗粒变形。低功率/长时间和高功率/长时间处理组塌陷变形的淀粉颗粒数量增加,马耳他十字结构的透明度变得更弱和模糊。X-射线衍射、红外和DCS结果分析表明,相比于超声或氯化钙处理的HACS,超声/氯化钙处理后的HACS淀粉颗粒结晶度减小明显,短程有序度降低,HACS糊化温度降低,糊化焓值减小。流变结果表明,HACS成膜液的表观黏度随超声功率和时间的增加而增大,在较低功率和较长时间的超声处理下,水溶液中的淀粉得到较好的溶解。HACS膜拉伸强度和断裂伸长率提高,水蒸气透过系数减小。综合上述研究,超声/氯化钙处理提高高直链玉米淀粉糊化和成膜性能的原因包括:(a)Ca Cl破坏了淀粉颗粒的内部结构,增加了淀粉在水中的溶解度;(b)超声波使淀粉颗粒表面松弛,进一步增加淀粉在水中的溶解量;(c)成膜过程中,淀粉链与Ca的螯合作用增加了淀粉链的交联,抑制淀粉的回生,增强了淀粉的力学性能和阻隔性能。(5)采用离子交换法去除成膜液中的氯化钙,并添加天然抑菌剂肉桂精油制备高直链玉米淀粉复合膜。采用单因素和正交试验优化确定了聚乙烯醇、甘油、肉桂精油在复合膜中的最佳含量。优化后,膜的抗拉强度和断裂伸长率分别为15.74MPa和13.10%。抗菌试验结果表明,复合膜具有明显的抑菌能力,抑菌率分别为88.14%、86.15%。