Почему крахмал относят к биополимерам и какое свойство

Голосование за лучший ответ

Павел Кругленко

Искусственный Интеллект

(210460)

9 лет назад

Самым дешевым источником сырья для выпуска биополимеров является крахмал, который в промышленных масштабах можно получать из картофеля, пшеницы, кукурузы, риса, маиса и других растений.
Еще одним видом сырья для производства биополимеров являются масленичные культуры – подсолнечник, соя, рапс.
Сельскохозяйственные культуры выгодны тем, что это периодически восполняемое сырье, так называемый возобновляемый растительный ресурс. Посадил, вырастил и снова есть в наличии сырье для биополимеров.
1.ПОЛИЛАКТИД (ПЛА) – биополимер, который можно получить как синтетическим способом, так и путем брожения сусла кукурузы, картофеля, зерновых культур, сахарного тростника и другого сырья природного происхождения.
Изделия из ПЛА характеризуются высокой жесткостью, прозрачностью и блеском, а также лучшей способностью сохранять форму после сжатия или кручения по сравнению с полипропиленом. Из ПЛА изготавливают пленку, в т. ч. ориентированную и усадочную, бутылки для розлива жидкостей, контейнеры под пищевые продукты, одноразовую посуду.
Вместе с тем ПЛА уступает обычным полимерам по теплостойкости, поэтому упаковку из него нельзя заполнять содержимым с температурой выше 50 °С — она начнет плавиться. Кроме того, барьерные характеристики ПЛА по
отношению к кислороду хуже, чем у традиционных полимеров. Как следствие, тара из ПЛА чаще всего используется для упаковки сухих и замороженных продуктов, а также жидкостей с небольшим сроком хранения. Высокий коэффициент диффузии углекислоты не позволяет применять бутылки из ПЛА для розлива газированных напитков, ограничивая области их использования розливом молока, фруктовых соков, воды, растительного масла. Выпуском полилактида и изделий из него занимаются во многих странах.
Японская фирма Dai Nuppon изготавливает на основе полилактида разные виды упаковочных пленок. Жесткая пленка сравнима по свойствам с полистиролом, а эластичная — с полиэтиленом.
Британская компания Amcor PET Packaging, крупнейший европейский производитель полиэтилентерефталата, намерена начать выпуск пластиковых бутылок на основе ПЛА. При их производстве будет использоваться такое же оборудование, что и для обычной полимерной тары.
2.ECO-PLA – биополимер, созданный в США компанией Cargill Dow, на основе сельскохозяйственных культур, содержащих натуральный сахар. Его ударопрочность не уступает полистиролу и он способен подвергаться сварке. При температуре выше 60оС он полностью разлагается в течение 45 суток.
3.Novon – биополимер, созданный в США компанией Metabolix, также на основе процессов ферментации сахаров, но с применением технологии генной инженерии.
4. Solanyl – этот биополимер на основе крахмала из отходов кукурузы и картофеля производит голландская компания Rodenburg Polymers. Похож по своим физико-механическм свойствам на полипропилен и полистирол. Разлагается в компосте менее чем за 12 недель.
5. Plantic – биопластик на основе кукурузного крахмала производит австралийская компания Plantic Technologies. Применяет для упаковки бисквитов и шоколадных конфет.
6. Съедобные пленки, получаемые экструдированием смеси кукурузного крахмала, микрокристаллической целлюлозы и метилцеллюлозы с добавками пластификаторов. Такие пленки способны замедлить испарение влаги из пищевого продукта и защитить его от преждевременного высыхания. Пленки обладают определенными барьерными свойствами, например, регулируют проникновение извне кислорода или других веществ, что способствует продлению срока хранения пищевого продукта. Способность пленки удерживать различные соединения позволяет обогащать продукты питания витаминами, минеральными добавками, которые в дальнейшем попадают в человеческий организм, адсорбируя и выводя из него радионуклиды, ионы металла, другие вредные соединения.
7.Полигидроксиалканоаты (ПГА) – биополимеры на основе полиэфирных соединений, производимых особыми «пластиковыми» бактериями. Подходящим сырьем для получения ПГА являются масленичные культуры – подсолнечник, соя, рапс.

Источник

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.

Молекула крахмала. Автор: NEUROtiker – собственная работа, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3962569

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.

Источник изображения: https://www.alibaba.com/product-detail/100-Biodegradable-plastic-raw-material-for_522080036.html

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.

Источник

Крахмалы.

Строение крахмала и его разновидности.

Как и камеди, крахмалы- это полисахариды.Их образует множество сахаров, связанных связями. В случае крахмала сахаром является глюкоза. Не все молекулы крахмала похожи между собой. Глюкозные единицы могут соединяться двумя способами: в виде длинной прямой цепочки короткой, но очень разветвленной Длинные цепочки глюкозы называются амилозой, а разветвленные- амилопектином. Хотя амилоза является линейной, но она закручивается в спираль, тогда как амилопектин с его многочисленными ветвями выглядит как коралловый риф. Крахмальные зерна могут содержать не только амилозу или амилопектин, а также их смесь. Крахмальные зерна маленькие, похожие на песок, чистички, которые находятся в эндосперме злаковых, таких как пшеница и зерна кукурузы. Крахмальные зерна различаются по размеру и форме, в зависимости от крахмала. Например, картофельные крахмальные зерна относительно большие и овальные по форме, тогда как зерна крахмала кукурузы намного меньше и более граненые.

Крахмальные гранулы также объединяются в кольца крахмальных молекул. Крахмальные гранулы имееют хорошо организованную форму и структуру. В центральной части гранул( зерен) имеется ядро (зародыш, тока роста), вокруг которого находятся ряды концентрических слоев “колец роста” толщиной около 0,1 мкм.

Молекулы полисахаридов в зерне расположены складчато-радиально, т.е. сами цепи полисахаридов находятся в складчатой форме. при этом амилоза концентрируется ближе к центральной части зерна.В наружном слое крахмального зерна полисахариды образуют подобие прочной оболочки, не обладающей свойствами полупроницаемости, но способны расширяться и растягиваться. Все крахмальное зерно пронизано микропорами . На этом основано использование крахмала в качестве адсобента. Таким образом, крахмалы различаются:

по соотношению содержания линейных и разветвленных полисахаридов- амилозы и амилопектина;
по размеру гранул крахмала;
по форме гранул крахмала;
по однородности распределения гранул по размерам.

Разные виды крахмала- кукурузный, картофельный, амарантовый или тапиока- имеют свои уникальные свойства, которые их и отличают друг от друга.

Сравнение крахмалов, содержащих большое количество амилозы и амилопектина

Большое содержание амилозы	Большое содержание амилопектина
-при остывании мутный	-довольно прозрачный раствор
-образует прочный, густой гель при остывании	-застывает, но не образует гель
-гель становится гуще и выделяет влагу со временем	-меньше выделяет влаги со временем
-не стабилен при размораживании, становится плотнее и покрывается конденсатом	-меньше выделяет влагу при размораживании
-более плотный в холодном виде, чем в горячем состоянии	-одинаковый по густоте в холодном и горячем виде
-придает вкус	-не образует вкуса

Кукурузный крахмал является примером крахмала с высоким содержанием амилозы, а крахмал восковой кукурузы- крахмала с высоким содержанием амилопектина(восковидный крахмал). Крахмалы из корней, которые считаются крахмалами, содержащими среднее количество амилопектина, обладают свойствами между двумя этими крахмалами.

Полисахаридам в крахмальных зернах сопутствуют фосфорная, кремниевая и жирные кислоты. Фосфорная кислота связана с обоими полисахаридами, при этом в картофельном крахмале ее больше в амилопектине, в пшеничном- в амилозе.

Соотношение между самими полисахаридами в различных продуктах таково:

Виды крахмала	Содержание амилозы
кукурузный	около 20%
пшеничный	около 20%
рисовый	около 20%
картофельный	30%
амиломаисный крахмал	80%

Восковидный крахмал почти полность состоит из амилопектина.

Существует 4 группы крахмалов. На самом деле, все крахмалы получают сначала либо из зерна, либо из клубней, а потом уже путем изменения (модификации) получают другие виды.

Зерновые крахмалы.

Зерновые крахмалы получают из эндосперма зерна. К ним относятся: кукурузный, рисовый, пшеничный и восковидный крахмал. Для получения кукурузного крахмала сырье замачивают в слегка теплой воде с добавлением сернистого ангидрида, который разрушает белки, а также действует в качестве отбеливателя. После этого измельчают во влажном состоянии, промывают и отделяют на центрифуге, потом сушат. Современные технологии позволяют минимизировать содержание остаточного белка. Пшеничный крахмал выделяют путем перемешивания сырья в проточной воде- крахмал вымывается в виде кашице, а затем осаждается. Существует способ разрушения клейковины путем ферментирования мучной суспензии.

Клубневые крахмалы.

Получают из корней или клубневых растений. Клубневые крахмалы отличаются от зерновых, главным образом тем, что содержат больше амилопектина.Они образуют более мягкий гель и не обладают зерновым вкусом. примероми являются картофельный крахмал и тапиока. Тапиока выделяется из корней юки, которая также называется маниока или кассава. Тапиока продается в виде порошка, а также в виде гранул. При выделении крахмала из клубней их необходимо хорошо очистить и превратить в жидкое пюре, которое затем процеживают для удаления клетчатки. Находящийся во взвешенном состоянии крахмал, пройдя через сито, многократно промывают и отделяют на центрифуге.

Модифицированные крахмалы.

Крахмалы, которые претерпевают химические изменения для получения определенных свойств. Вещество под названием “модифицированный крахмал” не имеет никакого отношения к генетически модифицированным продуктам. Это обычный крахмал с добавками, необходимыми для определленных целей. Например, крахмал с желатином образует желе. А от генетически модифицированного крахмала не может быть в принципе. И вот почему. Предположим, что крахмал который входит в состав купленного нами десерта, получили из кукурузы. Представим также, что эта кукуруза генетически модифицированная. тогда полученные от нее зерно, мука, крупа и силос тоже будут генетически модифицированными, поскольку содержат ДНК данной кукурузы. Крахмал же не содержит ДНК, в нем нет клеток или частей все той же кукурузы, нет генов.

Виды модифицированного крахмала.

Кипящие крахмалы	Кукурузный крахмал, размягченный путем обработки разбавленный раствором кислоты. В 0,5% растворе серной или соляной кислоты при 52 ºС разводят взвесь жидкой крахмальной кашицы и выдерживают в течении 12ч. Такие кипящие крахмалы классифицируют по текучести- чем ниже рН и чем больше времени обработки, тем крахмал получается более жидким. Обработанные кислотой крахмалы нейтрализуют, отделяют фильтрованием и высушивают. При смешивании с водой и нагревании, кипящие крахмалы не набухают и не загустевают.
Окисленные крахмалы	Технология производства этого вида крахмалов сходна с процессом приготовления кипящего крахмала, но при этом вместо кислоты используют гиплохлорит натрия, что оказывает определенное влияние на молекулярную структуру крахмала, обеспечивая большую сопротивляемость клейстаризации.
Сшитые крахмалы	Реакция сшивания необходима для обеспечения устойчивости крахмала при кипячении в составе с низким рН или в случаях, когда продукт предстоит нагревать под давлением.Реакция сшивания вызывается с помощью обработки крахмальной суспензии такими реагентами, как хлорокись фосфора или уксусный ангидрит, в результате чего между отдельными молекулами крахмала образуются связи. Таким образом усиливаются водородные связи и гранулы становятся более устойчивыми к расщеплению. Благодаря сшиванию крахмальный гель меньше повреждается механическими воздействиями. Натуральный крахмал, разбухший при нагревании, во время перемешивания легко разбивается на мелкие частицы, в результате чего утрачивается вязкость.Сшивание крахмала не оказывает на амилозу в его составе влияния, предотвращающего последующее желирование. В этих случаях реакция сшивания проводится с крахмалами, не содержащими амилозы.

Процесс клейстаризации крахмала.

Так как молекулы крахмала плотно упакованы определенным образом в крахмальных гранулах, то, когда гранулы помещаются в холодную воду, молекулы крахмала внутри гранулы притягивают воду и набухают. Если воду нагреть, то крахмальные гранулы подвергаются необратимому процессу клейстаризации.

Клейстаризация- разрушение кристаллической структуры крахмальных гранул и набухание этих гранул, вызываемое притоком воды внутрь гранулы. Большие гранулы обычно клейстеризуются первыми, маленькие гранулы для полной абсорбции воды и набухания требуют времени. Различают 4 стадии клейстаризации:

Набухание	Первая стадия происходит при температуре 35-40ºС. Набухание характеризуется образованием мельчайших углублений и трещин. Вода, поступающая внутрь зерен, растворяет некоторое количество полисахаридов. Часть из них (амилоза) переходят из зерен.Температура, при которой это наблюдается называбт температурой клейстаризации.
Разбухание крахмальных зерен	Происходит при температуре 45-65ºС и характеризуется превращением крахмальных зерен в студенистые пузырьки. Суспензия превращается в клейстер- дисперсию, состоящую из набухших крахмальных зерен и растворенных в воде полисахаридов(амилоза).Значительно вырастает вязкость системы.
Разбухание крахмальных пузырьков	Происходит при 60-80ºС и характеризуется распадом больших пузырьков на мелкие. Слоистое строение исчезает. Объем резко увеличивается до 1000%, что является следствием разрыва связей между макромолекулами полисахаридов и их гидратации. часть полисахаридов растворяется и остается в подсети крахмального зерна, а часть(главным образом, амилоза)- диффундирует в окружающую среду. Вязкость клейстера значительно возрастает.
Распад крахмальных пузырьков	Начинается при 80-100ºС, характеризуется диспергированием(разрушением) крахмального вещества до коллоидного состояния. Процесс идет тем интенсивнее, чем выше температура и длительнее нагрев. Считается, что вязкость клейстеров при нагревании объясняется не набуханием зерен крахмала, а свойствами излекаемой из них водорастворимой фракции, образующей в растворе трехмерную сетку и удерживающую больше влаги, чем набухшие крахмальные зерна.

Свойства нативных крахмалов:

Крахмал	Диаметр(микрон)	Температура клейстаризации(ºС)	Содержание амилозы(%)
Кукурузный	5-26	62-72	22-28
Восковидный	5-26	63-72	<1
Тапиоковый	5-25	72-73	17-22
Картофельный	15-100	59-68	23
Сорго	6-30	68-78	23-28
Пшеничный	2-35	58-64	17-27
Рисовый	3-8	68-78	16-17
Высокоамилозная кукуруза	3-24	63-92	50-90

Ретроградация – это типичная форма перехода растворенных крахмальных полисахаридов в нерастворимую форму в результате их агрегации при охлождении и хранения продукции. Объяснить ретрограцию можно неустойчивостью крахмальных полисахаридов в растворе, особенно амилозы. Если ретроградация идет без видимого образования осадка, то считается, что амилоза посредством водородных связей соединяется с амилопектином. Такой процесс обратим. если же процесс идет как самоагрегация амилозы, то образуются нерастворимые комплексы.

Ретроградация амилозы протекает в несколько стадий: вначале произвольно скрученные спирали амилозных цепей вытягиваются, после этого они теряют гидратную оболочку и располагаются одна подле другой. Между гидроксильными группами, расположенными на близком расстоянии, возникают водородные связи. Связывание таким образом большого числа молекул приводит к образованию видимых хлопьев.

В крахмальном клейстере ретроградации подвергается в основном амилоза. Глубина процесса зависит от температуры,концентрации, наличия добавок, природы крахмала , времени. Амилопектин ретроградирует медленнее и в меньшей степени , чем амилоза. Повышение температуры сдерживает процесс ретроградации. Концентрация способствует ретроградации.Чем выше вязкость, тем сильнее ретрограция. Ретроградация крахмала пшеницы идет быстрее, чем крахмала других крупяных культур. Время способствует ретроградации.В процессе снижается количество растворимых веществ и снижается водоудерживающая способность системы, как видимо, за счет связанной и свободной воды, т.е. структура грубее.

Источник