机械活化强化淀粉乙酰化的研究

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乙酰化淀粉又叫淀粉醋酸酯,是淀粉大分子中的羟基在一定条件下直接与醋酸反应或间接与醋酸衍生物反应得到的一种淀粉衍生物。乙酰化淀粉在食品、纺织、造纸工业上得到了广泛的应用。其中高取代度的乙酰化淀粉由于具有疏水性、耐水、耐油,并且具有一定的热塑性,近年来以高取代度乙酰化淀粉生物降解材料代替石油基材料的研究受到了极大的关注。然而淀粉具有半结晶的颗粒结构,颗粒内部主要是非晶区域,外层主要为结晶区域且非常牢固,结晶区约占颗粒体积的25%~50%,酯化试剂进入颗粒结晶区和无定形区都困难,因此在制备乙酰化淀粉时一般采用强剪力搅拌糊化、挤压等物理方法及氮杂苯、碱、液体氨、淀粉酶等化学、生物方法对淀粉进行活化预处理,目的是破坏淀粉颗粒结构以提高其反应活性。本文采用自制的搅拌磨对淀粉进行机械活化预处理,以不同活化时间的淀粉为原料、醋酸酐为酯化试剂、甲磺酸为催化剂、醋酸为反应介质制备乙酰化淀粉。以乙酰化淀粉的取代度为评价指标,分别研究机械活化时间、反应时间、反应温度、催化剂用量、醋酸酐用量等条件对取代度和乙酰化宏观反应动力学的影响来考察机械活化对淀粉乙酰化反应的强化作用;采用X-射线衍射仪、差示扫描量热仪、扫描电子显微镜、红外光谱等对乙酰化淀粉结构进行表征分析;对乙酰化淀粉进行溶解性和成膜性进行初步研究。通过上述的研究,得到如下主要结论:(1)机械活化预处理能显著提高木薯、玉米淀粉乙酰化反应的取代度,在相同实验条件下,木薯原淀粉及活化0.25、1.0h淀粉乙酰化反应的表观活化能分别为60.95、48.03、22.98kJ·mol-1,玉米原淀粉及活化0.25、1.0h淀粉乙酰化反应的表观活化能分别为66.21、51.92、25.06kJ·mol-1:木薯原淀粉及活化0.25、1.0h淀粉乙酰化反应的催化剂浓度级数分别为2.61、1.27、0.32,醋酸酐浓度级数为2.82、1.69、0.86,玉米原淀粉及活化0.25、1.0h淀粉乙酰化反应的催化剂浓度级数分别为2.65、1.37、0.82,醋酸酐浓度级数为2.99、1.75、1.31。表明木薯、玉米淀粉经机械活化预处理后,化学反应活性明显增加,乙酰化反应的表观活化能和反应级数降低,使乙酰化反应对反应温度、催化剂浓度及乙酰化试剂的依赖性降低,从而使反应速度加快。主要原因是机械活化使木薯、玉米淀粉紧密的颗粒表面和结晶结构受到破坏,降低了结晶度,酯化试剂更容易渗透到颗粒内部使淀粉乙酰化。(2)乙酰化淀粉和原淀粉及活化淀粉的结构差异随着取代度的增加而增大。机械活化预处理制备的乙酰化淀粉热塑性能和热稳定性均比原淀粉制备的乙酰化淀粉好。(3)随着取代度的提高,乙酰化淀粉在丙酮中的溶解性越好。经机械活化预处理制备的乙酰化淀粉成膜性好,取代度越高成膜性越好。
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