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
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