微波辅助法快速制备马铃薯醋酸酯淀粉

2微波辅助法快速制备马铃薯醋酸酯淀粉专业：生物工程姓名：李婧学号：10560240指导老师：冷非凡职称：副教授中文摘要本学位论文以马铃薯淀粉(NPS)为实验材料，醋酸酐作为酯化试剂，碘作为催化剂，通过微波辅助技术来快速制备乙酰化马铃薯淀粉（APS），并且对其反应条件进行了优化，主要包括：反应时间、催化剂添加量、醋酸酐添加量。最后通过光学显微镜、傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪、扫描电子显微镜(SEM)对APS的结构和特性进行了表征。研究发现，最佳反应条件为：反应时间为15分钟时，催化剂I2的添加量为2.5mmol，乙酸酐添加量为36.752g，此时乙酰基取代度高达0.86。此外，随着取代度的增加，糊透明度、凝沉性、冻融稳定性及吸湿性都与原淀粉有所不同。关键词：微波，乙酰化淀粉，傅里叶红外光谱，扫描电子显微镜，糊化特性UsingamicrowaveheatingtoproduceAcetylatedPotatoStarchAbstractInthisthesis,thenativepotatostarch(NPS)werecarriedoutandacetylatedwithaceticanhydrideinthepresenceofcatalyticagent(iodine)andusingmicrowaveheatingtoproduceacetylatedpotatostarch.Atthesametime,thereactionconditions,includingreactiontime,differentlevelsofcatalyticagent(iodine)anddifferentamountofaceticanhydride,wereoptimized.Finally,usingopticalmicroscopy，FTIRandSEMtoevaluatethestructuresandpropertiesofAPS.Thestudyshowedthattheoptimizedreactionconditionsare:reactiontime,15min;theconcentrationsofiodineascatalystis2.5mmolandtheaddingamountofaceticanhydrideis36.752g.Accordingtothesereactionconditions,theoptimalDSof0.86highsubstitutedAPSwasobtained.Inadditional,withtheincreasingofDS,the糊透明度，凝沉性，冻融稳定性及吸湿性均与原淀粉有所差异。KeyWords:Microwaveheating,Acetylatedstarch,FTIR,SEM,Gelatinizationproperties1、综述1.1、课题的的提出及研究意义在新工艺、新技术、新设备不断涌现的时势下，天然淀粉的应用范围是非常有限的。因此，在天然淀粉所具有的固有特性的基础上，改善淀粉的性能并扩大应用范围，同时利用各种改性技术来改善原淀粉的缺陷是具有重要研究意义的课题。变性淀粉的变性目的在于：一是为了适应各种工业应用的要求。如：食品行业中，高温技术（罐头杀菌）要求淀粉高温粘度稳定性好；冷冻食品要求淀粉冻融稳定性好；果冻食品要求透明性好、成膜性好等。二是为了开辟淀粉的新用途，扩大应用范围。如：纺织上使用淀粉；羟乙基淀粉、羟丙基淀粉代替血浆；高交联淀粉代替外科手套用滑石粉等。本文以马铃薯天然淀粉为原料，采用微波辅助处理技术，快速制备高取代度的醋酸酯变性淀粉，醋酸酯化淀粉比普通淀粉具有更好的成膜性，透明度和光泽度好，柔软性、伸长性、耐折度和耐磨度高，从而可进行复合改性，得到复合改性产品，并广泛用于淀粉降解塑料及食品包装材料等方面。此外微波辐射技术可以有效提高反应速度，无有机溶剂残留，从而实现变性淀粉绿色化生产。21.2、国内外研究现状淀粉是绿色植物果实、种子、块茎、块根的主要成分,是植物利用二氧化碳和水进行光合作用合成的产物,是重要的可再生工业原料。随着工艺、技术的不断进步，近年来在淀粉特性及应用研究方面的成果不少，局限于天然淀粉颗粒特性、淀粉糊的特性、生物降解能力、非碳水化合物组份的数量和特性以及淀粉糊粘度稳定性而造成的应用范围狭小的问题，变性淀粉的研究以及对其未知应用领域的挖掘也变的炙手可热。变性淀粉是指利用物理、化学或酶法处理，在具有固定特性的天然淀粉分子上引入新的官能团或改变天然淀粉分子大小和淀粉颗粒性质，以改善淀粉的性能、扩大其应用范围，使其更适合于一定应用的要求的一类淀粉。目前，用于变性淀粉研究的天然淀粉有：（1）谷类淀粉：玉米、大米、小麦、燕麦等；（2）薯类淀粉：甘薯、木薯、马铃薯等；（3）豆类淀粉：豌豆：（4）其他淀粉：植物的果实（香蕉）。按生产工艺不同，变性淀粉的制备方法有：干法、湿法、有机溶剂法、挤压法、滚筒干燥法。按照不同的处理方法，变性淀粉又可分为以下几类：(l)物理变性淀粉：包括预糊化淀粉、烟熏变性淀淀粉、阳离子淀粉、淀粉磷酸醋、淀粉醋酸醋,挤压变性淀粉、金属离子变性淀粉、超高压辐射变最多的是阳离子淀粉(2)化学变性淀粉：极限糊精、酸变性淀粉、醋化淀粉、醚化淀粉、交联淀粉、淀粉接枝共聚物等。(3)酶法变性淀粉：直链淀粉、糊精、普鲁兰等。(4)复合变性淀粉：采用两种以上处理方法得到变性淀粉，如氧化交联淀粉、交联醋化淀粉等[1，刘亚东]。变性淀粉的开发研究已有多年历史，最早起源于欧洲英国胶(既“不列颠胶”，是糊精的一种)[2，孙亚男]。1804年Bouillon一Lagrange首次制得预糊化淀粉[3，MostafaKh.M.al]；1811年Kirchholf创立淀粉酸糖化法[4，WatsonS.A.],；十九世纪末,Linter研究用酸处理淀粉[5，JonathanA]，淀粉颗粒不糊化技术;；后来Duryea获得酸改性淀粉专利[6，KrzysztofN.W]。而大部分变性淀粉工业化是从1940年开始发展的,以欧美国家为代表，变性淀粉产品种类有2000多种。美国作为玉米产量大国和淀粉深加工大国，淀粉年产量可达2000万t，占世界总产量的55%—60%。除淀粉糖和发酵酒精外，变性淀粉消耗淀粉总量居第3位，占淀粉总量的10%以上，美国变性淀粉年产量为300万t左右，主要应用于造纸行业［7，丰宁］。CPC国际公司是全世界生产变性淀粉较大的公司，拥有41家工厂。美国最大的变性淀粉加工厂有美国国家淀粉和化学公司（NSCC）。在日本玉米湿磨工业领域，日本CPC-NSK技术株式会社中则是最大规模的CPC国际公司，它有着很高的技术水平。法国的Lil1e玉米淀粉工厂是CPC集团在欧洲的第二大工厂，每年可产生5万吨变性淀粉。荷兰的AyEBE公司、丹麦曲DDS－克罗耶公司、联邦德国的汉高公司均生产各种变性淀粉。变性淀粉的开发应用不但有助于改进加工过程、提高产品质量、降低环境污染，还能解决农产品出路，提高附加值。目前，欧美等西方发达国家变性淀粉年产量近600万t。亚洲的日本、泰国和中国也是变性淀粉的主要生产国［8-9，李德富；匿名］。中国是世界马铃薯生产大国，根据联合国粮农组织统计，目前全世界马铃薯种植面积2000万公顷（合3亿亩），总产量达3.5亿吨。其中中国的种植面积达488万公顷（合7321万亩），占世界的25%，亚洲的60%，总产量达7086万吨，占世界的20%和亚洲的70%，在世界均居领先地位。虽然中国的马铃薯生产总量在世界已处于领先地位，但马铃薯的加工利用率以及增值率却非常低，大部分应用局限在简单食用、饲料等，产业链条短，与其应有的经济价值有相当大的差距。而欧、美、日等发达国家，直接利用马铃薯为原料加工的各类食品有300多种，制成淀粉、多种类型的变性淀粉及淀粉深加工产品更达千余种。我国对于变性淀粉的研究起步于20世纪80年代，仅仅30年的发展，使得中国马铃薯变性淀粉用于加工增值的比重相比其他国家少很多。如：荷兰加工品达47%，美国达48%，英国占240%，法国占59%，而我国加工率仅占5%[10,农产品加工业]。虽然中国马铃薯加工产业不及国外，但也因此有着巨大的发展空间和市场潜力。30多年的发展中，我国淀粉糖由6个品种发展到26个，变性淀粉也由几个常用的品种发展到复合变性、两性淀粉、多孔淀粉和抗消化淀粉等百余个品种［11，陈晨］。淀粉在众多领域都有所应用。天然淀粉凭借其特有的粉颗粒特性、淀粉糊化特性、生物降解能力、非碳水化合物组份的数量及特性，以及淀粉糊粘度稳定性，应用范围极广。基于它有着增稠、胶凝、黏合和成膜性及价廉、易得、质量容易控制等特点，它可以作为一种填充原料和工艺助剂广泛应用于食品工业；此外还可广泛地用于造纸[12，Y.Du,Y.H.Zang]、医药、药剂[13,P.Linden]、化工[14,J.Shey]、纺织[15,J.Tatongjai]、石油钻井[16,X.Z.Tang]，以及胶粘剂、农药、洗涤剂、生物降解塑料的填充剂、精炼等行业[17，AlbertssonAC]。即使如此，天然淀粉尚不能满足各种特殊需要。天然淀粉水溶性差、乳化能力和胶凝能力低、稳定性不足等缺点,也是促使淀粉改性的一大重要因素，就目前研究的变性淀粉的性质来看，变性淀粉在水溶性、乳化能力、胶凝能力以及稳定性，都优于天然淀粉，从而在各种工业生产中变性淀粉有着更广泛的应用。随着对变性淀粉研究的深入以及种类的不断增多，新功能的不断涌现,在食品领域的应用越来越广泛,我国每年用于食品行业的变性淀粉有3-4万t。主要用于微胶囊化技术、改善饮料口感、提高产品稳定性等[18，刘晶],如:用于果冻、胶姆糖、软糖、香肠、面包、面条等食品。食品用变性淀粉种类繁多，包括酸解淀粉、酶解淀粉、氧化淀粉、糊精、淀粉酶、淀粉醚、交联淀粉、复合变性淀粉、a-淀粉(即预糊化淀粉)等[19，包劲松等]。变性淀粉在造纸工业中的每年消耗量为14万t,因其有着提高纸张物理强度、表面性能、印刷适性及助留、助滤等,同时节能降耗、减轻3废污染等特点，而成为最重要的造纸化学添加剂。主要用于湿部添加、层间喷雾、表面施胶和涂布粘合等方面。变性淀粉在医药工业中应用也相当广泛,我国每年用于医药行业的变性淀粉有1.4万t,主要用作片剂的赋形剂、润滑剂、医用撒粉辅料、代血浆、保护剂、药物载体、稀释剂、吸收剂、崩解剂及胶粘剂等[20，龙光生],如:交联淀粉具有可抵抗高压灭菌的特点，从而不影响淀粉的组织和可被吸收的特性,可用作外科手套的润滑剂及赋形剂,也可作吸收性的医用撒粉辅料。而对淀粉酶解具有抵抗作用的羟乙基淀粉和羟丙基淀粉可用作代血浆。用于医药的变性淀粉主要有白糊精、援甲基淀粉、羟乙基淀粉和交联淀粉。变性淀粉在纺织工业中应用也极为广泛,在纺织上变性淀粉主要用于浆纱、印染、织物后整理及非织造布和复合制品上。可有效提高轻纱的可织性,纱线的耐磨性,单丝的抱合力,集束作用,以及改善强度。纺织用的变性淀粉主要有酸解淀粉、氧化淀粉、羧甲(或乙)基淀粉、交联淀粉、磷酸酶淀粉、阳离子淀粉及接枝共聚淀粉等[21,谢碧霞]。此外，在石油钻井液、压裂液等多中场所，淀粉可作为油田化学剂中的水溶性聚合物而得以应用，例如：梭甲基淀粉、轻丙基淀粉、轻乙基淀粉、接枝共聚淀粉等用作钻井液的降失水剂；在压裂液中，利用变性淀粉的吸水膨胀和降解特性，用作可降低伤害的降滤失剂[22，韩斐]。但就目前的发展趋势而言，变性淀粉的发展及应用还有着很大的提升空间，变性淀粉的许多未知的新功能也在积极开发中。本学位论文旨在通过微波辐射来制备醋酸酯淀粉。醋酸酯淀粉又名乙酰化淀粉，是淀粉的羟基在一定条件下与醋酸或醋酸衍生物反应得到的一种酯化淀粉。醋酸酯淀粉是在原淀粉分子上接入一个具有空间位阻作用的基团，削弱了氢键的缔合，糊化温度显著降低，凝沉稳定性、冻融稳定性、热稳定性和透明度均有所提高。低取代度的醋酸酯淀粉性质稳定，在国内外食品工业中均有着广泛的应用。在国外，Pajak等