天然淀粉改性機制及應用概述

陳嚴雙

（西北民族大學，甘肅蘭州 730071）

天然淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類，基本構成單位為α-D-吡喃葡萄糖，分子式為（C6H10O5）n。它是一種由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，廣泛分布于自然界中，主要來源于高等植物的根、莖、葉和果實等器官中。其品種十分豐富，一般包括禾類淀粉、薯類淀粉和豆類淀粉。

天然淀粉以其許多獨特的性能被人們所喜愛，其中包括可再生性、無毒無害性、可降解、可被修飾以及環境友好性和來源廣泛、價格低廉等。因此天然淀粉被廣泛應用于各種行業。但是在實際生產生活中，天然淀粉仍然存在容易老化、不溶于冷水、表面性能穩定性差、耐機械性差和成型膠體不穩定的缺陷，這極大地限制了天然淀粉在生產生活中的應用。因此將天然淀粉通過特定的改性改善其性能，使其更好地服務于大眾成為近年來的研究熱點。其中常用的改性機制包括物理改性、化學改性、復合改性以及生物酶改性，這些方法針對生產要求對天然淀粉進行特定改性，使改性淀粉擁有特定性能，實現更好地服務于特定行業，擴大天然淀粉在各個行業的應用范圍。本文詳細闡述了幾種改性機制以及應用現狀，并對改性天然淀粉材料在未來的發展做出了展望[1]。

1 改性機制

天然淀粉顆粒是由多種成分組合而成的混合物，對其改性就是通過各種特定方法改變其顆粒的結構分布，使其具有新的且符合要求的特性。目前這些方法大體可分為物理改性、化學改性、復合改性以及生物酶改性四種，以下對四種方法做詳細介紹。

1.1 物理改性

物理改性機制是通過物理手段作用于天然淀粉，以此獲得不同性能的改性淀粉。包括通過磁場、力場、熱場、電場對天然淀粉進行微波處理、超聲波處理、高壓或擠壓處理、熱液處理、電離處理等。物理改性主要對天然淀粉的結晶度和反應活性等進行改變[2]。熱處理后的天然淀粉規則排列的膠束被破壞，微晶消失且容易接受酶的作用，這種改性后的產品便是預糊化淀粉，也叫a-淀粉。通過高壓或擠壓處理的天然淀粉，結構上也會發生不同變化，所得產品被廣泛應用于食品行業、石油工業和紡織工業中。與化學改性相比，該法具有便捷，操作較安全，對環境無害的優點，但是由于其改性機制大多處于特定的物理環境下，因此其設備成本較高，生產能力較低，不滿足大規模化的生產需求。

1.2 化學改性

化學改性是通過一系列化學處理手段對天然淀粉進行改性，使天然淀粉分子結構發生相應變化，包括分子量改變，分子鏈上引入功能性基團等。常見的技術包括氧化、醚化、酯化以及酸性化和接枝化。該法所得產品性能極大改善，例如提高了穩定性、耐老化性、成膜性、黏合性和透明度等。由化學改性所得的改性淀粉性能更加廣泛且十分優異，被廣泛應用于各個行業[3]。

1.2.1 氧化、酸化淀粉

研究表明，利用次氯酸鈉、雙氧水、高錳酸鉀等氧化劑在特定條件下（溫度，壓力，反應時間）對天然淀粉進行氧化處理，其性能會有大幅改變，例如次氯酸鈉氧化淀粉，它是氧化淀粉工藝最成熟、應用最廣泛的一類。由該工藝得到的產品成膜性、光亮度、穩定性流動性好，可較好地應用于造紙行業和紡織工業，并且能代替瓊脂和阿拉伯膠制造果凍和軟糖，建材方面還可作黏合劑制造墻板、紙板等。高錳酸鉀氧化淀粉由于其催化劑的特點，基本很少使用于食品行業，但研究其對淀粉基生物塑料薄膜的影響結果表明，提高了塑料薄膜的生物降解性和材料的力學性能，并且可作為黏合劑和水溶性涂料應用于建筑行業。酸改性淀粉主要是在酸性作用下改變淀粉顆粒結構，使分子鏈斷鏈，從而分子量變小。由此可以使原淀粉的膠凝性增強，廣泛應用于食品工業中果凍和軟糖的生產。

1.2.2 醚化、酯化淀粉

這兩種改性方法都是通過在特定反應條件下引入功能性基團，使改性后的淀粉具有特定的性質。醚化是天然淀粉分子中的羥基和活性物質反應生成的取代基醚，包括羥烷基淀粉、羧烷基淀粉、烷基淀粉醚等。通過淀粉和環氧烷化合物在堿性條件下合成的羥烷基淀粉具有較高的透明性、親水性、流動性、成膜性和穩定性。酯化是天然淀粉在無機酸或有機酸作用下發生酯化反應生成淀粉酯，常見的包括淀粉醋酸酯和淀粉磷酸酯，其具有良好的熱塑性和疏水性等特點。天然淀粉通過醚化酯化極大改善了其原有的性能，擴大了天然淀粉的應用領域[4]。

1.2.3 接枝淀粉

淀粉的接枝共聚物是天然淀粉通過物理或化學反應，和丙烯酸、丙烯腈、MMA等烯類單體發生接枝共聚反應而得到的一類新型的高分子材料。它具有優良的熱穩定性、流變性能、生物降解性及生物相容性，可用于制備高吸水樹脂、絮凝劑、可降解材料等，具有十分廣闊的應用前景。

1.3 復合改性

隨著當今社會發展對材料性能的要求不斷提高，單一材料的性能已不能滿足人們的需要，這就需要同時擁有多種性能的材料，而復合改性就是其中的關鍵技術。通過多種處理方式，包括交聯酯化淀粉、交聯醚化淀粉、醚化氧化淀粉等獲得的變性淀粉擁有多種的優良性能，以此來滿足人們的需求。關于復合改性的研究也隨著材料行業的不斷發展而發展，其應用前景非常可觀。

1.4 生物酶法改性

近年來，利用生物酶對淀粉進行改性處理是一種有效的手段，并逐漸受到人們重視。改性中常用到的生物酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、轉葡糖苷酶、普魯蘭酶、糖化酶等，不同酶對淀粉的作用不同，得到改性后淀粉的性能也有所差異。但酶改性淀粉普遍具有良好的抗老化性能、優良的流變性能并且綠色環保無污染。此外酶改性條件較溫和，其產品更是符合綠色環保理念，易于被人體消化吸收且具有特定的生理特性。例如夏新興等用α-淀粉酶作用于天然玉米淀粉[5]，將獲得的酶改性淀粉應用于表面施膠，可以顯著提高紙張表面的強度性能。熱分析后可以明顯看到天然玉米淀粉強度，流變性能均得到較大改善。但該法也有一定缺陷，包括生物酶成本高、處理量小、難以工業化等。

2 改性天然淀粉的應用

2.1 食品工業

隨著人民生活水平的不斷提高，人們對食品衛生，質量的要求也越來越高。利用天然淀粉和改性天然淀粉為原料生產的食品具有綠色環保，易于人體吸收，口感細膩等諸多優點，因此備受青睞。改性天然淀粉作為常用的食品添加劑被廣泛應用于面制品、果凍糖果類制品以及膳食纖維類制品行業中，例如在面團中加入改性天然淀粉可增加面團的黏彈性、易成型性，使面條口感細膩，在肉制品中可以增加其凍融穩定性、彈性、保水性等。此外果凍中添加膠體淀粉，可以改善果凍的凝膠特性，使口感更加飽滿。當今食品工業中應用較廣泛的改性天然淀粉有交聯酯化淀粉、羥丙基淀粉、羥丙基交聯淀粉、醚化淀粉等[6]。

2.2 醫藥行業

由于淀粉具有無毒無害，良好的生物相容性，且容易被人體吸收的特性，因此被廣泛應用于生物制藥行業。根據不同需要可制成功能不同的藥物制劑。例如靶向給藥載體“接枝交聯淀粉納米粒”具有較高的膨脹性，能有效傳遞藥物至病灶處，有助于藥物的精確吸收達到良好的藥效，在癌癥腫瘤的治療方面起到積極意義。當高直鏈淀粉羧甲基鈉的取代度為0.1~0.2時可用作藥物的賦形劑，對藥物控釋良好。此外醫藥中還常被用作為片劑、醫用手套潤滑劑等。改性淀粉在醫藥方面意義重大，隨著技術的進步，其應用價值和前景值得期待。

2.3 黏合劑行業

在日益倡導綠色環保的今天，淀粉基黏合劑越來越受到人們關注，由于傳統的三醛膠普遍存在甲醛VOC排量放較大，對環境污染嚴重，因此淀粉基黏合劑的研究與開發迫在眉睫。淀粉膠黏劑具有原材料淀粉來源廣泛、價格低廉、天然無刺激等特點，已成為傳統合成樹脂膠黏劑的一種理想替代產品，但由于其存在耐水性較差、固含量較低等缺陷，并沒有被廣泛使用，但隨著對其改性機制的研究不斷深入[7]，相信在未來一定會得到綜合性能良好的黏合劑產品。

2.4 造紙行業

天然淀粉來源廣泛，價格低廉，對環境污染小且具有和纖維類似的結構，因此被廣泛應用于造紙行業[8]。改性后的天然淀粉能賦予紙張優良的性能，例如改善表面紋理，提高紙張強度等。據文獻報道磷酸酯淀粉可用于紙頁表面施膠，能夠改善紙張的平滑度，提高成膜性能，并且淀粉改性填料與纖維的黏結性和接觸性較好，粒徑較大，研究表明當在紙張配料中添加量為10%時，可使紙張強度提高約15%。

綜上所述，改性天然淀粉在食品、醫藥、黏合劑、造紙等行業的應用廣泛，不僅如此在制革、紡織印染、鑄造業和水處理等方面也有應用，是眾多工業的輔助原料。

3 結束語

隨著人類文明的發展歷程，天然淀粉一直被廣泛應用于生產生活中。近年來，隨著科技的不斷發展，改性天然淀粉不斷成為人們的主要研究對象，由于改性后的天然淀粉在各個方面的性能均有較大的改善，因此被廣泛應用于當今社會食品、醫藥、黏合劑、造紙等行業，隨著材料行業的不斷進步，改性天然淀粉的性能也將越來越優異。通過對天然淀粉改性機的詳細闡釋，可以看出各種改性方法都有一定缺陷，相信隨著人們對材料需求的不斷提升，各種新型技術和設備也將浮現，定會開辟改性淀粉綜合利用的新領域，屆時新型的改性技術將會使改性淀粉有更加廣闊的應用前景。