CN112457519A - 一种微发泡淀粉基材料及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微发泡淀粉基材料及其加工方法，属于淀粉深加工技术领域。本发明以大宗淀粉为原料，通过淀粉复合改性与多元原位挤出反应制备新型微发泡淀粉基材料。具体方法为：将淀粉配成淀粉乳溶液，加热糊化处理后脱支酶处理1‑6h，反应结束后干燥处理得到脱支淀粉；在脱支淀粉中加水，并按照以重量份数计：脱支淀粉100份、醚化剂5‑10份、增塑剂1‑5份、发泡剂2‑8份、成核剂0.5‑2份，添加物料，混合均匀；以双螺杆挤出机为反应器，经物料捏合、熔融塑化、改性成型，挤压即得微发泡淀粉基材料。本发明的生产工艺简单、技术先进、安全性高、过程易于控制，产品可作为可降解材料应用于食品、医药、轻工等多个领域。

Description

一种微发泡淀粉基材料及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种微发泡淀粉基材料及其加工方法，属于淀粉深加工技术领域。
背景技术
当前保护环境、节约资源已是世界各国实现可持续发展的基本战略。在全球石油资源供给日趋紧张，环保问题日益突出，对低碳经济发展需求日益强烈的严峻形势下，可再生资源为基础的生物基材料迅速发展成为必然趋势。
以淀粉生物质为原料转化制造的生物基材料作为国际战略性新兴产业，受到发达国家广泛重视，并呈现快速发展的势头。在我国，淀粉资源充足，2019年总淀粉产量高达2160万吨，其中变性淀粉产量仅为135万吨。与欧美发达国家相比，我国淀粉深加工水平不高，产品质量档次低且品种较少。目前，我国淀粉基材料开发利用也尚处于起步阶段，与国际先进水平相比，在产品性能、制造成本、关键技术与产业化规模等方面还存在差距。例如，我国在20世纪80年代开始研究淀粉基材料，主要将废弃的淀粉或植物纤维等农林业剩余物加入到通用塑料中制备复合塑料，其主要目的是为了改善通用塑料、聚氨酯等材料废弃后在自然界的降解性，并且增加通用塑料的生物碳含量以满足一些地方的材料规定。但这种填充型材料在降解性能上存在着一些缺陷：被废弃在自然界时，淀粉以外部分是塑料依然较难降解，淀粉被降解后留下失去机械性能的多孔状塑料，这些崩解的塑料遗留在自然界会给回收再利用带来巨大麻烦。
基于上述原因，本发明对一种微发泡淀粉基材料的加工方法进行了详细研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微发泡淀粉基材料及其加工方法，本发明通过淀粉复合改性与多元原位挤出反应制备得到新型微发泡淀粉基材料，加工生产工艺简单、技术先进、安全性高、过程易于控制，产品可作为可降解材料应用于食品、医药、日用化学品等多个领域，应用前景广阔。
本发明的第一个目的是提供一种微发泡淀粉基材料的加工方法，包括如下步骤：
(1)将淀粉配成质量浓度为5-30％的淀粉乳溶液，加热糊化处理后冷却至40-60℃，调节pH至3.5-7.0后添加脱支酶处理1-6h，反应结束后干燥处理得到脱支淀粉；
(2)在步骤(1)得到的脱支淀粉中加水将淀粉体系调节至水分含量为10-30％，并按照各物质比例添加，以重量份数计：脱支淀粉100份、醚化剂5-10份、增塑剂1-5份、发泡剂2-8份、成核剂0.5-2份，混合均匀；
(3)以双螺杆挤出机为反应器，调整螺杆转速100-150r/min，物料捏合、熔融塑化、改性成型三段挤出区温度分别设定为60-90、90-120、120-140℃，螺杆长径比为20-30:1，挤压即得微发泡淀粉基材料。
在一种实施方式中，所述淀粉为大宗淀粉，包括谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉及其它植物来源的淀粉的任一种或几种。
在一种实施方式中，所述淀粉可以是玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉等一种或多种。
在一种实施方式中，所述加热糊化处理为任意一种糊化处理，优选的操作参数为：80-100℃处理20-60min。
在一种实施方式中，所述脱支酶包括微生物或植物来源的异淀粉酶、极限糊精酶、支链淀粉酶中一种或多种。
在一种实施方式中，所述脱支酶的添加量为0.5-10U/g淀粉。
在一种实施方式中，所述醚化剂包括环氧乙烷、环氧丙烷、2-氯乙醇、环氧氯丙烷、一氯乙酸、丙烯酰胺、一卤代羧酸、阳离子胺类试剂等一种或多种。
在一种实施方式中，所述阳离子胺类试剂包括氯代烷基胺根试剂及阳离子叔铵盐、2-氯乙基二乙基胺及具有环氧结构季铵型的醚化剂等。
在一种实施方式中，所述增塑剂包括甘油、乙二醇、山梨醇、木糖醇等一种或多种。
在一种实施方式中，所述发泡剂包括水、硬脂酸锌、硬脂酸钙、氧化锌、偶氮二甲酰胺、碳酸氢氨等一种或多种。
在一种实施方式中，所述成核剂包括滑石粉、碳酸钙等一种或两种。
在一种实施方式中，所述脱支淀粉中，直链淀粉含量为60-80％。
本发明的第二个目的是提供上述加工方法制备得到的微发泡淀粉基材料。
在一种实施方式中，所述微发泡淀粉基材料的密度≥1.60kg/m3，生物基含量>85％。
本发明的第三个目的是提供一种包含上述微发泡淀粉基材料的食品包装、缓冲材料或保温材料。
本发明的第四个目的是提供上述微发泡淀粉基材料或加工方法在食品、医药、日用化学品、化工等多个领域中的应用。
本发明有以下优点：
1、本发明的主要原料为普通谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉及其它植物来源的淀粉，原料来源广、不受产地和季节的限制。
2、本发明步骤简便，易于操作，反应条件可控，成本相对较低，而且采用清洁绿色生产工艺，对环境基本无污染。
3、本发明制备的微发泡淀粉基材料的密度≥1.60kg/m3，生物基含量>85％，可应用于食品、医药、日用化学品等多个领域，市场前景十分广阔，经济效益好。
4、本发明利用丰富的生物质资源开发环境友好和可循环利用的生物基材料，符合可持续发展的战略方针，对于解决石油危机和塑料污染、建设资源节约型和环境友好型社会具有重要意义。
具体实施方式
下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明所保护的内容不仅仅局限于下面的实例。
实施例1
将玉米淀粉配成质量浓度为5％的淀粉乳溶液，加热糊化处理后冷却至40℃，调节pH至3.5后添加0.5U/g淀粉异淀粉酶处理2h，反应结束后干燥处理；继续加蒸馏水将淀粉体系调节至水分含量为15％，并按照各物质添加量比例(重量百分比)：脱支淀粉100份、环氧丙烷5份、乙二醇1份、硬脂酸钙2份、滑石粉0.5份混合均匀；以双螺杆挤出机为反应器，调整螺杆转速100r/min，物料捏合、熔融塑化、改性成型等三段挤出区温度分别设定为60、90、120℃，螺杆长径比为20:1，挤压即得微发泡淀粉基材料。
实施例2
将木薯淀粉配成质量浓度为30％的淀粉乳溶液，加热糊化处理后冷却至60℃，调节pH至7.0后添加10U/g极限糊精酶处理6h，反应结束后干燥处理；继续加蒸馏水将淀粉体系调节至水分含量为30％，并按照各物质添加量比例(重量百分比)：脱支淀粉100份、氯乙酸10份、甘油5份、碳酸氢氨8份、碳酸钙2份混合均匀；以双螺杆挤出机为反应器，调整螺杆转速150r/min，物料捏合、熔融塑化、改性成型等三段挤出区温度分别设定为90、120、130℃，螺杆长径比为30:1，挤压即得微发泡淀粉基材料。
实施例3
将小麦淀粉配成质量浓度为20％的淀粉乳溶液，加热糊化处理后冷却至50℃，调节pH至7.0后添加8U/g支链淀粉酶处理4h，反应结束后干燥处理；继续加蒸馏水将淀粉体系调节至水分含量为20％，并按照各物质添加量比例(重量百分比)：脱支淀粉100份、环氧乙烷6份、山梨醇3份、偶氮二甲酰胺5份、碳酸钙1份混合均匀；以双螺杆挤出机为反应器，调整螺杆转速130r/min，物料捏合、熔融塑化、改性成型等三段挤出区温度分别设定为85、100、120℃，螺杆长径比为25:1，挤压即得微发泡淀粉基材料。
实施例4
将马铃薯淀粉配成质量浓度为10％的淀粉乳溶液，加热糊化处理后冷却至45℃，调节pH至4.5后添加5U/g淀粉异淀粉酶处理3h，反应结束后干燥处理；继续加蒸馏水将淀粉体系调节至水分含量为25％，并按照各物质添加量比例(重量百分比)：脱支淀粉100份、2-氯乙基二乙基胺10份、乙二醇2份、硬脂酸锌4份、滑石粉1份混合均匀；以双螺杆挤出机为反应器，调整螺杆转速120r/min，物料捏合、熔融塑化、改性成型等三段挤出区温度分别设定为90、110、140℃，螺杆长径比为20:1，挤压即得微发泡淀粉基材料。
密度、生物基含量、机械力学性能分别参照美国材料实验协会(ASTM)的标准方法ASTM-D297、ASTM-D6866和ASTM-D412进行测定，实施例1～4制备得到的微发泡淀粉基材料的各项性能指标检测数据见下表1。
当醚化剂、增塑剂、发泡剂等采用本发明的其他物质时，按照本发明方法同样能够制备得到的微发泡淀粉基材料，且微发泡淀粉基材料的密度≥1.60kg/m3，生物基含量>85％，纵向拉力和横向拉力分别大于20kgf/cm2。
表1实施例1～4和对比例1～5制备得到的微发泡淀粉基材料的各项性能指标检测数据
Figure BDA0002798869000000041
对比例1
当实施例3中不使用支链淀粉酶，即不对淀粉进行脱支处理时，其余步骤和参数和实施例3一致，制备得到了淀粉基材料，其性能见表1，可见微发泡淀粉基材料的密度1.2kg/m3,生物基含量88％，纵向拉力和横向拉力分别小于20kgf/cm2。
对比例2
将实施例3中的支链淀粉酶替换为非脱支淀粉酶(普通淀粉酶)，其余步骤和参数和实施例3一致，制备得到了淀粉基材料，其性能见表1，可见微发泡淀粉基材料的密度1.3kg/m3,生物基含量85％，纵向拉力和横向拉力分别小于20kgf/cm2。
对比例3
省去实施例3中的醚化剂——环氧乙烷，其余步骤和参数和实施例3一致，制备得到了淀粉基材料，其性能见表1，可见微发泡淀粉基材料的密度1.5kg/m3,生物基含量86％，纵向拉力和横向拉力分别小于20kgf/cm2。
对比例4
将实施例3中的支链淀粉酶浓度替换为50U/g淀粉，其余步骤和参数和实施例3一致，制备得到了淀粉基材料，其性能见表1，可见微发泡淀粉基材料的密度1.7kg/m3,生物基含量86％，纵向拉力和横向拉力分别小于20kgf/cm2。
对比例5
将实施例3中的支链淀粉酶浓度替换为0.1U/g淀粉，其余步骤和参数和实施例3一致，制备得到了淀粉基材料，其性能见表1，可见微发泡淀粉基材料的密度1.2kg/m3,生物基含量88％，纵向拉力和横向拉力分别小于20kgf/cm2。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种微发泡淀粉基材料的加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将淀粉配成质量浓度为5-30％的淀粉乳溶液，加热糊化处理后冷却至40-60℃，调节pH至3.5-7.0后添加脱支酶处理1-6h，反应结束后干燥处理得到脱支淀粉；
(2)在步骤(1)得到的脱支淀粉中加水将淀粉体系调节至水分含量为10-30％，并按照各物质比例添加，以重量份数计：脱支淀粉100份、醚化剂5-10份、增塑剂1-5份、发泡剂2-8份、成核剂0.5-2份，混合均匀；
(3)以双螺杆挤出机为反应器，调整螺杆转速100-150r/min，物料捏合、熔融塑化、改性成型三段挤出区温度分别设定为60-90、90-120、120-140℃，螺杆长径比为20-30:1，挤压即得微发泡淀粉基材料。
2.根据权利要求1所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法，其特征在于，所述淀粉包括谷类淀粉、薯类淀粉、豆类淀粉及其它植物来源的淀粉的任一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法，其特征在于，所述脱支酶包括微生物或植物来源的异淀粉酶、极限糊精酶、支链淀粉酶中一种或多种。
4.根据权利要求1～3任一所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法，其特征在于，醚化剂包括环氧乙烷、环氧丙烷、2-氯乙醇、环氧氯丙烷、一氯乙酸、丙烯酰胺、一卤代羧酸、阳离子胺类试剂中的一种或多种；增塑剂包括甘油、乙二醇、山梨醇、木糖醇中的一种或多种；发泡剂包括水、硬脂酸锌、硬脂酸钙、氧化锌、偶氮二甲酰胺、碳酸氢氨中的一种或多种；成核剂包括滑石粉、碳酸钙中的一种或两种。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法，其特征是在于，所述脱支淀粉中直链淀粉含量为60-80％。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法，其特征在于，所述淀粉包括玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、木薯淀粉中的一种或多种。
7.根据权利要求1～6任一所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法制备得到的微发泡淀粉基材料。
8.根据权利要求7所述的微发泡淀粉基材料，其特征在于，密度≥1.60kg/m3，生物基含量>85％。
9.包含权利要求7或8所述的微发泡淀粉基材料的食品包装、缓冲材料或保温材料。
10.权利要求1～6任一所述的一种微发泡淀粉基材料的加工方法或权利要求7或8所述的微发泡淀粉基材料在食品、医药、日用化学品、化工领域中的应用。
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