Что это такое, спросите вы...
Это такие вещества, которые состоят из крахмала, целлюлозы, хитина, хитозана и нескольких других полисахаридов и белков. Эти полимеры встречаются в природе и обладают широким спектром свойств и областей применения.
Крахмал - натуральный полимер. Это продукт фотосинтеза, полученный из диоксида углерода и воды. Крахмал недорогой и возобновляемый. Поэтому он является хорошим кандидатом на разработку экологически чистых материалов. Он полностью поддается биологическому разложению. В связи с этим с 1970-х годов крахмалу стало уделяться все больше внимания. Значительные усилия прилагаются для разработки полимеров на основе крахмала с целью экономии нефтехимических ресурсов и снижения вредного воздействия на окружающую среду. Крахмал подходит для промышленности. Он встречается в природе в виде дискретных гранул и состоит из элементов углерода, водорода и кислорода. Растения синтезируют и накапливают большое количество энергетических резервов: крахмал найден в листьях, стеблях, побегах и хранилищах органогенных сухастуберов (т.е. крахмал можно получить из нескольких источников, таких как пшеница, кукуруза, картофель, рис, ячмень и сорго). Кукурузный крахмал в больших количествах производится из картофеля, пшеницы и риса в Соединенных Штатах, Европе и Азии.
В высших растениях крахмал является основным углеводородным продуктом, обладающим широким спектром структур и свойств. Крахмал содержит линейную полисахаридную амилозу и, как правило, 20%-30% амилопектин, который является высокоразветвленным полисахаридом. Амилоза имеет небольшое количество боковых ветвей (9-20 на макромолекулу), содержащих до 6000 остатков глюкозы, соединенных а-1,4-гликозидными связями. Молекулярная масса амилозы находится в диапазоне от 105 до 106. Амилопектины представляют собой очень крупные разветвленные полимеры глюкозы, содержащие от одного до двух миллионов остатков.
Они состоят из нескольких амилоподобных цепей до 30 глюкозных единиц, соединенных альфа-связью (1-4), соединенных друг с другом точкой разветвления альфа-кислот (1-6). Амилопектин имеет молекулярную массу примерно в 1000 раз большую, от 105 до 106, и сильно разветвленную основную цепь. Боковые ветви изготавливаются с помощью альфа1,6-гликозидной тяги. Расстояние между соседними ветвями обычно равно 20-25 единицам альфа-D-глюкозы. Микроскопические исследования и рентгеновская кристаллография показали, что каркас амилопектина в гранулах крахмала кристалличен и организован в отдельные концентрические кольца, что можно увидеть в разрезах.
Амилоза более устойчива к перевариванию по сравнению с другими молекулами крахмала благодаря плотно упакованной спиральной структуре. Поэтому она является важной формой стойкого крахмала. Процентное соотношение амилозы к амилопектину и точкам разветвления альфа-(1/6) зависит от источника крахмала (кукуруза, пшеница, рис, картофель и т.д.). Например, амиломатизаторы содержат более 50% амилозы, в то время как кукуруза содержит очень мало.
Соотношение амилозы и амилопектина придает крахмалу разные свойства. Высокое содержание амилопектина приводит к повышению растворимости крахмала за счет высокоразветвленного полимера, тогда как амилоза нерастворима и гидролизуется очень медленно. Амилоза действует как гидроколлоид. Его длительная конформация приводит к высокой вязкости водорастворимого крахмала и изменяется относительно незначительно по сравнению с температурой, в результате чего расширяется свободно циркулирующая гидрофобная поверхность, которая не очень хорошо держит воду, и чем больше гидрофобных молекул может легко заменить ее.
Амилоза способна обрабатывать полезные гели и пленки. При охлаждении и хранении крахмал ретроградируется, что снижает стабильность его хранения, что приводит к сжатию и высвобождению воды. Увеличение концентрации амилозы снижает липкость, но повышает теплотворную способность гелей.
На ретроградацию влияют следующие факторы:
- Отношение амилозы к амилопектину
- Длина цепочки амилозы и амилопектина
- содержание твердых веществ и липидов
Амилопектин препятствует взаимодействию между цепочками амилозы (и ретроградации) и его раствор может привести к начальной потере вязкости и последующей слизистости. Амилопектины также частично кристаллизуются и образуют гели через двойные спиральные структуры с внешними цепями смежных молекул. Как внешние, так и внутренние цепи образуют комплексы винтового включения, которые оказывают влияние на функциональные свойства крахмала, с видимыми небольшими различиями в длине сегментов, оказывающих значительное влияние на застывание.
Крахмал из различных источников может быть физически отделен под микроскопом, каждый вид имеет свои собственные характеристики при вставке и отливке в качестве оптики. Крахмал обычно осаждается в виде мелких гранул или клеток различной формы и размера, имеющих различные физико-химические и функциональные характеристики. Диаметр мелких крахмальных гранул составляет от 1 до 100 мм.
Крахмальные гранулы - это естественный способ хранения энергии в зеленых растениях в течение длительного времени. Эти гранулы нерастворимы в воде и компактно упакованы, но все еще доступны для метаболической системы растений. Таким образом, эти гранулы хорошо подходят для этой роли. Крахмальные гранулы могут быть легко выделены из различных источников влажным способом измельчения.
Термопластичный крахмал становится все более популярным в промышленности. Эти полимеры накапливают нерастворимые в воде гранулы, содержащие два полимера, которые содержатся в растениях. Методы селекции растений используются для получения новых штаммов с различным количеством содержания амилозы и амилопектина.
Свойства крахмала варьируются в широких пределах и зависят от количества пластификатора. Модуль упругости аналогичен полиолефинам, а температура стеклования (Tg) варьируется в диапазоне от 50 C до 110 C.
Производство крахмальных пластмасс сопряжено со многими трудностями. Структура крахмала частично нелинейная и сложная, что приводит к проблемам с пластичностью, к повышению хрупкости крахмала и увеличению его кристалличности со временем. Существует требование идентифицировать пластификаторы для разработки крахмальных пластмасс, свойства которых сопоставимы со свойствами упаковки, получаемой из полиолефинов.
Смеси пластифицированного крахмала и композитов и/или химические модификации могут решить эти проблемы. Они способны производить биоразлагаемые полимеры, обладающие достаточной гибкостью, прочностью и барьерными свойствами для коммерческих упаковочных и потребительских продуктов. Материалы на основе крахмала являются экономичными биоматериалами и наиболее широко используются. Крахмал смешивается с несколькими продуктами из-за его низкой стоимости и доступности. Около 60% крахмала используется в пищевой, а остальные 40% - в других видах промышленности.
Крахмал существует либо как "натуральный крахмал", либо как "модифицированный крахмал". Натуральный крахмал извлекается из растения. Модифицированный крахмал получается при выполнении химических модификаций на природном крахмале.
Но большинство крахмалов в родном виде имеют определенные ограничения. В связи с этим, большая часть современного крахмала, используемого в различных областях применения - гранулированный.
Модификация крахмала (химическая и/или физическая) производится для:
- Улучшить положительные характеристики
- Снизить их нежелательные характеристики, такие как высокая вязкость, склонность к ретроградности и отсутствие технологической устойчивости
- Включить новые свойства, такие как образование, удержание, усваиваемость, растворимость и т.д.
Существуют также некоторые недостатки при использовании крахмала. К ним относятся гидрофильные свойства (плохой барьер влажности) и плохие механические свойства по сравнению с обычными небиодеградируемыми полимерными пленками, используемыми в упаковке пищевых продуктов. Морфология и свойства полимеров на основе крахмала могут быть изменены путем смешивания с синтетическими полимерами.
Бумажная промышленность является крупнейшим сектором, использующим непродовольственный крахмал. Крахмал применяется в процессе изготовления бумаги во влажной среде, а также в расчете размеров поверхности и нанесении покрытий. Для нанесения покрытий используются как модифицированные, так и немодифицированные крахмалы. Крахмал используется в бумаге в качестве оптической добавки, так как он повышает ее прочность, гладкость и плотность.