Page 15 - 《精细化工》2022年第8期
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第 8 期 郑进宝,等: 淀粉基发泡材料制备及性能优化研究进展 ·1515·
进行改性处理以提高淀粉的使用性能具有重要意义。 粉或酯化淀粉的质量分数为 13.34%时,淀粉基泡沫
目前,国内外研究淀粉改性的方法众多,主要 的冲击强度分别提高至 16.49 和 16.98 J/m,而且与
有物理改性、化学改性、酶法改性、遗传改性和复 乙酰化淀粉基发泡材料相比,酯化淀粉基发泡材料
合改性,具体的改性方法及特点详见表 1。物理改 具有更高的泡孔密度和更小的平均泡孔面积,表现
性可以改变淀粉分子的堆积状态,分子内部的结晶 出更好的抗冲击性。此外,100 g TPS 泡沫的固体吸
区和无定形区被重新排列。同时,物理改性也会破 水量为 75 g,当乙酰化淀粉和酯化淀粉分别占泡沫
坏淀粉分子之间的氢键,使淀粉直链与支链的结构 总质量的 13%和 20%时,每 100 g 固体泡沫的吸水
比例发生改变,从而导致淀粉的糊化和凝胶等。值 量分别降至 42 和 45 g,其耐水性有所改善。尽管淀
得注意的是,改性淀粉的流变性和黏度变化会影响 粉改性可以改善泡沫的加工性、提高其疏水性和力
淀粉基发泡材料的泡孔结构参数,使多孔材料的机 学性能等,但部分变性淀粉的降解性会变差,而且
械性能和吸湿率产生变化。ENGEL 等 [22] 研究了木薯 淀粉单一改性的取代度较低。
淀粉预糊化处理对泡沫性能的影响,结果表明,基 为了提高淀粉的改性效率,研究者们采用具有
于预糊化淀粉的泡沫具有较低的堆积密度和更均匀 协同增效的复合改性,使用金属氯化物和酶等催化
的内部结构,与天然淀粉基泡沫相比(弹性模量为 剂、球磨、微波和超声波等手段处理淀粉,通过提
293 MPa),该泡沫具有更高的机械阻力(弹性模量 高淀粉在介质中的分散性,增加反应活性位点来提
为 417 MPa)。与物理改性不同,化学改性会使淀粉 高淀粉的取代度 [24-26] 。此外,有机溶剂也可以获得
分子引入新的官能团或改变分子内部结构,从而使 具有较高取代度的改性淀粉,如吡啶、甲苯、二甲
淀粉的理化性质发生显著变化,详见表 2。BERGEL 基亚砜(DMSO)等,但部分反应溶剂有毒有害且
等 [23] 对马铃薯淀粉进行了醋酸酐乙酰化和马来酸酐 很难处理。因此,寻找新型绿色反应介质(如离子
酯化,结果表明,不含变性淀粉的热塑性淀粉基泡 液体等)替代有毒有害的有机溶剂,成为研究者们
沫(TPS)的冲击强度仅为 12.33 J/m,当乙酰化淀 关注的新方向 [27-29] 。
表 1 淀粉改性方法及特点
Table 1 Methods and characteristics of starch modification
淀粉改性类型 主要方法 特点 参考文献
物理改性 热物理改性,如:预糊化、水热等;非热物 对环境影响较小,但设备昂贵、成本较高,难以实 [30-31]
理改性,如:高压、微波、超声、球磨等 现工业化生产
化学改性 塑化、氧化、酯化、醚化、乙酰化、交联、 低成本、效率高、易大规模工业化生产,但副产物 [32-33]
接枝、酸解和碱法等 可能存在安全问题
酶法改性 酶水解或作催化剂改变淀粉的分子结构 处理条件温和、反应迅速,但目前难以进行工业化 [34-36]
生产
遗传改性 通过基因手段对淀粉进行修饰 尽管比较安全,但周期相对较长 [37]
复合改性 物理-物理、化学-化学、酶法-酶法、物理-化 可兼具 2 种或多种改性方法所具有的性能,发挥协 [38]
学、物理-酶法、化学-酶法等复合改性 同增效的作用
表 2 淀粉化学改性方法及性质
Table 2 Chemical modification methods and properties of starch
化学改性 性质 参考文献
塑化 改善淀粉的柔韧性,可加工性能好 [39]
氧化 提高淀粉白度,黏度及糊化温度低,透明度高、成膜性好 [40-41]
酯化 具有良好的热塑性和疏水性,并且改善原淀粉的回生特性 [42-43]
醚化 更好的热稳定性、溶解性、流动性、渗透性和强度 [44]
乙酰化 降低结晶度和糊化焓,提高热稳定性,改善疏水性能 [45-46]
交联 提高抗酸性和抗剪切力,更好的冻融稳定性和颗粒稳定性,较低的溶胀力 [47]
接枝 具有聚合物和淀粉的混合特性 [48]
酸解 无定形区优先水解,改变淀粉颗粒的溶胀力和糊化特性 [49]
碱法 破坏淀粉颗粒的结晶结构,影响淀粉内的分子链排列,但分子并未形成新的官能团 [50]
1.2 纤维 环保可降解等优点,将其添加到淀粉基发泡材料中,
植物纤维作为天然高分子物质,具有低成本和 可与淀粉形成“三维网络”骨架结构,起到良好的