淀粉基塑料丨淀粉的7大物理改性方法

引言：淀粉是碳水化合物在植物细胞中最为普遍的一种储藏形式，在玉米、木薯、土豆、小麦等植物中的含量均较高。淀粉降解后会以二氧化碳和水的形式回到大自然，被认为是对环境不产生任何污染的天然可再生材料。

【前期回顾】：淀粉的4大化学改性方法

一、为什么要对淀粉改性？

淀粉是一种强极性的结晶性物质，分子间及分子内具有很强的氢键，热塑性差，加工困难，力学性能差，无法进行熔融挤出等热塑性加工，难以单独作为一种高分子材料使用。

同时淀粉是亲水性物质，由纯淀粉制备的泡沫塑料不适宜在有水或湿度较大的环境中使用，而且气候变化对制品的性能也有很大的影响，因而要对淀粉进行改性，再与其他聚合物进行共混加工制备，以适应生产和应用的要求。

常见的淀粉改性方法有化学改性、物理改性和酶改性。

化学改性法是目前企业最常用的制备方法，效率高，操作简便，但使用较多化学试剂不环保，且食用存在较大安全隐患。

酶改性法近年来备受研究者的喜爱，但反应条件受限，目前只适合在实验室进行制备，无法达到大规模生产。

物理法凭借其环保高效，无化学残留的特点，成为当今发展较为快速的淀粉改性方法。

二、淀粉物理改性方法

物理改性是指采用热、力、光、电等手段来改变淀粉颗粒原有的形态、结构、性质。淀粉的物理改性法包括热液处理、微波处理、电离放射线处理、超声波处理、球磨处理以及挤压处理等。

改性过程中淀粉分子之间的氢键被破坏，淀粉的结晶区受损、直链淀粉与支链淀粉的比值改变、分子链发生断裂或聚集，分子重新排列。淀粉改性后流变学性能及消化率变化最大。目前，较多学者对淀粉改性进行研究，但对物理改性研究较少，改性淀粉变化机理尚不明确。

1.热液处理

热液处理是指在一定量的水分存在（含水量大于或等于40%），一定的温度范围（高于玻璃化转变温度但低于糊化温度）处理淀粉的一种方法。淀粉经过热液处理后发生膨胀，分子内部的结晶区和非定型区分子重排使其物理化学性能改变而颗粒结构不被破坏。热能的作用破坏了淀粉分子内直链淀粉与支链淀粉交叉部位的α-1,6糖苷键，分子发生链内交互作用。

常见的热液处理方法根据处理时淀粉乳的水分含量及温度不同分为常压糊化处理、韧化、湿热处理和压热处理。热液处理全程不使用有机溶剂，凭借绿色环保的特点在淀粉改性领域中应用较广，且在绿色食品的生产中具有较大的发展空间。

FARIAS等发现退火（Annealing, ANN）处理可降低木薯淀粉糊化的峰值黏度、提高淀粉糊化温度、降低淀粉相对结晶度。

2.微波处理

微波是指频率在300~3000kHz范围内的电磁波。微波处理淀粉的过程中，淀粉中带电粒子向电场方向运动，产生热能。微波凭借其极强的穿透力，通过介质传递直接作用于淀粉内部的水分子，高频振动产热使淀粉分子发生糊化。

原淀粉中结合水的含量大概为30%左右，不同淀粉分子内的含水量不同决定了介电常数的不同，介质的介电常数及介质损耗直接决定反应过程中吸收多少微波能。微波热能的产生是通过偶极旋转和离子电导2种机制形成，这就决定了微波处理的时间短、效率高。微波处理过程中，淀粉分子的含水量不同导致淀粉颗粒表面出现不同程度的裂缝、形变。

3.挤压法

挤压法是指将机械产生的压力及剪切力作用到淀粉分子上，挤压过程中淀粉分子从有序到无序，气核形成，膜口膨胀，气泡成长和气泡塌陷。挤压使淀粉晶体结构消失,淀粉颗粒结构被破坏,糖苷键断裂以及分子间相互作用力重新形成。在高温、高压及强烈的挤压力下天然淀粉不可逆地转变成热塑性淀粉。

热塑性淀粉不仅能够解决天然淀粉高脆低韧的问题，还可作为一种环境可降解的新型包装材料，成为食品塑料包材的良好替代品。改性淀粉膜与天然淀粉膜相比具有更好的物理、光学、机械和阻隔性能。

4.球磨法

球磨法属于超细粉碎分级技术的一种，与挤压法都是通过机械对淀粉施加作用力。不同的是球磨法的作用力为极强的冲击力、剪切力、摩擦力。球磨使淀粉分子内部化学键断裂、相对分子量降低、晶格受损、表面能降低，导致一系列的化学反应发生。

改性后的淀粉具有较好的冷糊和热糊稳定性，扩大了淀粉在高中低黏体系内的应用。

5.高压均质处理

高压均质处理是指利用一定的压力或动力在短时间内对淀粉液进行高速搅拌、振荡、剪切，以空气、溶解液体作为介质将机械能传递给淀粉，从而产生空化效应将淀粉变成极细微颗粒的过程。在高压均质处理的过程中淀粉的晶体发生变化可以分为3个阶段：受力阶段、聚集阶段、团聚阶段。

6.电离辐照处理

电离辐照处理是利用电离放射线对淀粉进行辐照的过程。电离放射线（低频辐射线）是一种:电场和磁场随时间变化而在空间传播形成的高频率、高能量辐射线。当有放射线穿过淀粉时，淀粉吸收辐射能使其分子链发生断裂，化学键被破坏，迫使其结构发生改变，且伴随着降解及交联反应的发生。

电离辐照处理最大的优点是可以在较短时间内最大程度地保持食品原有的营养价值及风味。据报道：玉米淀粉(2%)在γ-射线辐照下相对黏度、溶解力降低；小麦淀粉在辐照后分子发生断裂，退行性增加，但营养品质并未降低；对马铃薯淀粉进行辐照更有利于凝胶化，这是因为淀粉颗粒内的晶体有序结构被破坏。

7.渗透压处理

渗透压处理（Osmotic Pressure Treatment, OPT）是一种利用高浓度盐溶液对淀粉进行物理改性的方法。硫酸盐为常用的盐试剂，将淀粉处于高盐体系中进行加压热处理可引起淀粉的糊化温度升高，原因是硫酸盐离子降低了游离水的含量。

PUKKAHUTA等采用渗透压处理对马铃薯淀粉进行物理改性，渗透压的作用导致淀粉颗粒发生质壁分离现象。偏振光显微镜捕获了天然淀粉和改性淀粉颗粒的形状，由较完整的椭圆态变为无规则的折叠结构，且颗粒的中心核区有深沟形成。此时，淀粉颗粒由B型全部转变为A型。MARTA等参照PUKKAHUTA的方法对淀粉进行改性，研究发现OPT可降低淀粉的膨胀性、相对结晶度及回退黏度，但增加了吸水能力。

总结

本文总结了7种物理改性淀粉的方法，阐述了淀粉在改性后分子和结构的变化，并对其作用原理进行概括。采用物理法制备改性淀粉，操作方便、绿色环保，但生产设备价格相对较高，增加了生产成本。为此，在达到期望的改性程度的基础上，选择合适的物理改性方法显得尤为重要。

我国是仅次于美国的世界第二大淀粉生产国，但淀粉的利用率低，应用范围受限。

淀粉改性后不仅可以应用在食品的生产加工中，

还可以作为黏着剂应用在医药、化妆品中；

作为可降解原料应用在造纸、包材中；

作为絮凝剂应用在污水处理中。

扩大改性淀粉的种类、提高改性淀粉的品质，以解决当今人民日益增长的生产生活需要与不充分发展之间的矛盾，改性淀粉的潜在市场还需等待更多地开发。

参考文献 | 

[1]崔添玉,辛嘉英,王广交,陈书明.物理法改性淀粉的研究进展[J].粮食与油脂,2020,33(02):17-19.

[2]刁晓倩,翁云宣.淀粉基塑料研究进展及产业现状[J].中国塑料,2017,31(09):22-29.

编辑整理 | 小将

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