Почему крахмал относят к биополимерам и какое свойство крахмала
Голосование за лучший ответ
Павел Кругленко
Искусственный Интеллект
(210459)
8 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
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 9 октября 2019; проверки требуют 15 правок.
Крахма́л (C6H10O5)n — смесь полисахаридов амилозы и амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза. Крахмал, синтезируемый разными растениями в хлоропластах (под действием света при фотосинтезе) несколько различается по структуре зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам.
Физические свойства[править | править код]
Безвкусный аморфный порошок белого цвета, нерастворимый в холодной воде. Под микроскопом видны отдельные зёрна; при сжатии порошка крахмала он издаёт характерный скрип, вызванный трением частиц.
Химические свойства[править | править код]
В горячей воде набухает (растворяется), образуя коллоидный раствор — клейстер. В воде, при добавлении кислот (разбавленная H2SO4 и др.) как катализатора, постепенно гидролизуется с уменьшением молекулярной массы, с образованием т. н. «растворимого крахмала», декстринов, вплоть до глюкозы.
Молекулы крахмала неоднородны по размерам. Крахмал представляет собой смесь линейных и разветвлённых макромолекул.
При действии ферментов или нагревании с кислотами подвергается гидролизу[2]:
Качественные реакции:
- взаимодействует с йодом (окрашивание в синий цвет), образуется соединение включения. Эту реакцию открыли в 1814 году Жан-Жак Колен (Jean-Jacques Colin) и Анри-Франсуа Готье де Клобри (Henri-François Gaultier de Claubry)[3].
- Крахмал, в отличие от глюкозы, не даёт реакции серебряного зеркала;
- Подобно сахарозе, не восстанавливает гидроксид меди (II);
Биосинтез[править | править код]
Часть глюкозы, образующейся в зелёных растениях при фотосинтезе, превращается в крахмал:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (суммарная формула)
nC6H12O6(глюкоза) → (C6H10O5)n + nH2O
В общем виде это можно записать как 6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n+ 6nO2.
Крахмал в качестве резервного питания накапливается в клубнях, плодах, семенах растений. Так, в наиболее часто используемых для производства крахмала растениях, клубнях картофеля содержится до 24 % крахмала, в зёрнах пшеницы — до 64 %, риса — 75 %, кукурузы — 70 %.
Модификация крахмала[править | править код]
В промышленности превращение крахмала в глюкозу (процесс осахаривания) происходит путём его кипячения на протяжении нескольких часов в разбавленной серной кислоте (каталитическое влияние серной кислоты на осахаривание крахмала было обнаружено в 1811 году К. С. Кирхгофом). Чтобы из полученного раствора удалить серную кислоту, в него добавляют мел, получая из серной кислоты нерастворимый сульфат кальция. Последний отфильтровывают и вещество выпаривают. Получается густая сладкая масса — крахмальная патока, которая содержит, кроме глюкозы, значительное количество остальных продуктов гидролиза крахмала.
Патока используется для приготовления кондитерских изделий и для разнообразных технических целей.
Если нужно получить чистую глюкозу, то кипячение крахмала ведут дольше, чем достигается более полное превращение его в глюкозу. Полученный после нейтрализации и фильтрования раствор сгущают, пока из него не начнут выпадать кристаллы глюкозы.
Также в настоящее время гидролиз крахмала производят ферментативно, с использованием альфа-амилазы для получения декстринов различной длины, и глюкоамилазы − для дальнейшего их гидролиза с получением глюкозы.
При нагревании сухого крахмала до 200—250 °C происходит частичное его разложение и получается смесь менее сложных, чем крахмал, полисахаридов (декстрин и другие).
Физическое изменение позволяет получать крахмал с высокой способностью удерживать влагу, что, в свою очередь, придаёт конечному продукту желаемую консистенцию.
Пищевое значение[править | править код]
В желудочном тракте человека и животного крахмал поддаётся гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. Промежуточными продуктами гидролиза крахмала являются декстрины.
Крахмал как пищевая добавка используется для загущения многих пищевых продуктов, приготовления киселей, заправок и соусов.
Крахмал является наиболее распространённым углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания. Главными источниками крахмала в мире являются зерновые культуры: рис, пшеница, кукуруза; различные корнеплоды, в том числе картофель, а также маниок.[4] Большинство других крахмалистых продуктов произрастают только в местах с определённым климатом, например: рожь, ячмень, гречиха, овёс, пшено, жёлуди, бананы, каштаны, сорго, батат, плоды хлебного дерева, ямс, таро, чилим, маранта, арракача, канна, колоказия, кандык японский, пуэрария дольчатая, маланга, кислица клубненосная, такка перистонадрезанная, саго, и многие виды бобовых — таких, как чечевица, бобы садовые, маш, горох лущильный, нут.
Широко известными блюдами, содержащими крахмал, можно назвать: хлеб, блины, лапшу, макароны, каши, кисели и различные лепёшки, в том числе тортильи.
Для пищеварительных ферментов расщепление кристаллического крахмала (класс РК3) представляет некоторую сложность. Сырой крахмал плохо переваривается в двенадцатиперстной и тонкой кишках, а бактериальное разложение будет проходить в основном в толстой кишке. Продукты с большим количеством амилозы хуже перевариваются, чем с амилопектином. При этом даже резистентный (неперевариваемый) крахмал (классов РК2, РК3, РК4) играет свою физиологическую роль: медленная переработка такого крахмала в кишечнике не вызывает гипергликемии (увеличения концентрации глюкозы в крови, что особенно важно для больных сахарным диабетом), образует органические кислоты — основной источник энергии эпителия толстого кишечника, поддерживает иммунитет кишечного тракта, противовоспалительную защиту организма и другое.[5] В целях повышения усваиваемости крахмала его термически обрабатывают. Поэтому, прежде чем люди начали использовать огонь, зерно и другие высококрахмалосодержащие продукты были не самым лучшим способом получения энергии организмом (в отличие от белковой пищи). Термическая обработка изменила это, но это изменение в поступлении энергии из пищи с быстро легкоусваиваемыми углеводами стало одним из факторов развития метаболических синдромов в наше время, включая ожирение и диабет.
Клейстеризация и желатинизация крахмала, например, во время выпечки торта, может быть снижена за счёт сахара, конкурирующего за воду, что улучшает текстуру крахмала, предотвращая «зарезинивание».
Применение в промышленности[править | править код]
В мире наибольшее применение крахмал нашёл в целлюлозно-бумажной промышленности, насчитывая миллионы метрических тонн ежегодно[6].
В пищевой промышленности крахмал используется для получения глюкозы, патоки, этанола, в текстильной — для обработки тканей, в бумажной — в качестве наполнителя. Кроме того, крахмал входит в состав большинства колбас, майонеза, кетчупа и других продуктов.
Модифицированный крахмал является основным компонентом клея для обоев.
Применяется в фармацевтической промышленности в качестве наполнителя таблетированных форм лекарственных препаратов, некоторых лекарственных капсул, декстраны (декстрины) используются для приготовления ряда инфузионных растворов для внутривенных вливаний (гемодез, полиглюкин, реополиглюкин и т. д.).
Аддукт крахмала с иодом под названием амилойодин использовался в качестве антисептика и при лечении дефицита иода.
Применение в быту[править | править код]
Применение крахмала для приклеивания в быту
Крахмал используется для накрахмаливания предметов одежды: воротников, халатов и так далее. Крахмальный клейстер применяется для приклеивания обоев, изготовления папье-маше. Иногда крахмал используется в качестве присыпок.
Биологические свойства[править | править код]
Крахмал, являясь одним из продуктов фотосинтеза, широко распространён в природе. Для растений он является запасом питательных веществ и содержится в основном в плодах, семенах и клубнях. Наиболее богато крахмалом зерно злаковых растений: риса (до 86 %), пшеницы (до 75 %), кукурузы (до 72 %), а также клубни картофеля (до 24 %).
Для организма человека крахмал наряду с сахарозой служит основным поставщиком углеводов — одного из важнейших компонентов пищи. Под действием собственных ферментов человека крахмал гидролизуется до глюкозы, которая окисляется в клетках до углекислого газа и воды с выделением энергии, необходимой для функционирования живого организма.
Раствор крахмала в воде является неньютоновской жидкостью.
Грязевой крахмал[править | править код]
Грязевой крахмал — побочный продукт при производстве первого сорта крахмала: та его часть, которая отлагается вверху при отмывке в осадочных чанах или чанах с мешалкой. Содержит 90—95 % крахмала, перерабатывается вторично на крахмал.
См. также[править | править код]
- Клейстер
- Амилопектин
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Крахмал // Краткая энциклопедия домашнего хозяйства / под ред. А. И. Ревина. — М.: Советская энциклопедия, 1960. — Т. 1. — С. 293—294. — 770 с.
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