高分子材料学-淀粉的应用与合成课件.ppt
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- 高分子材料 淀粉 应用 合成 课件
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1、Natural Polymers:Starch淀淀 粉粉 StarchStarchNatural Polymers:Starch2 2 淀粉的来源淀粉的来源 淀粉的结构(化学结构、颗粒结构、结晶结构)淀粉的结构(化学结构、颗粒结构、结晶结构)淀粉的糊化淀粉的糊化 淀粉的改性(物理改性、化学改性、淀粉的功能淀粉的改性(物理改性、化学改性、淀粉的功能化)化)全淀粉塑料全淀粉塑料 淀粉共混与复合材料淀粉共混与复合材料主要内容主要内容Natural Polymers:Starch3 3淀粉的基本特性淀粉的基本特性 是由许多葡萄糖分子脱水聚合而成的一种高分子碳水是由许多葡萄糖分子脱水聚合而成的一种高分子
2、碳水化合物化合物(carbohydrates)(carbohydrates),分子式为,分子式为(C(C6 6H H1010O O5 5)n n。广泛存在于植物的茎、块根和种子中。广泛存在于植物的茎、块根和种子中。为无色无味的颗粒,无还原性,不溶于一般有机溶剂。为无色无味的颗粒,无还原性,不溶于一般有机溶剂。各种淀粉的各种淀粉的n n值相差较大,其从大到小的顺序为值相差较大,其从大到小的顺序为 马铃薯马铃薯 甘薯甘薯 木薯木薯 玉米玉米 小麦小麦 绿豆。绿豆。淀粉在酸作用下加热逐步水解生成糊精、麦芽糖及异淀粉在酸作用下加热逐步水解生成糊精、麦芽糖及异麦芽糖、葡萄糖。麦芽糖、葡萄糖。(C6H10
3、O5)n 淀粉(C6H10O5)mC12H22O11 C6H12O6 糊精 麦芽糖 葡萄糖 Natural Polymers:Starch5 5天然淀粉的来源天然淀粉的来源 广泛存在于高等植物的根、块茎、籽粒、髓、果实、广泛存在于高等植物的根、块茎、籽粒、髓、果实、叶子等叶子等 我国目前所利用的淀粉中我国目前所利用的淀粉中 80 80:玉米淀粉:玉米淀粉 14 14:木薯淀粉:木薯淀粉 6 6:其他薯类(马铃薯、甘薯):其他薯类(马铃薯、甘薯)谷类淀粉(小麦、大米、高梁淀粉)谷类淀粉(小麦、大米、高梁淀粉)野生植物淀粉野生植物淀粉木薯木薯cassavacassavaNatural Polyme
4、rs:Starch7 7 淀粉的淀粉的化学结构与性质化学结构与性质(直链淀粉与支链淀粉直链淀粉与支链淀粉)淀粉的淀粉的颗粒结构颗粒结构 淀粉的淀粉的物理性状物理性状淀粉的结构与性质淀粉的结构与性质 Natural Polymers:Starch8 8 6CO2+6H2O C6H12O6+6O2日光日光叶绿素叶绿素葡萄糖的合成反应葡萄糖的分子结构式Natural Polymers:Starch9 9H H2 2O O 麦芽糖麦芽糖【葡萄糖葡萄糖-(1414)葡萄糖苷葡萄糖苷】葡萄糖葡萄糖14COC糖苷键糖苷键糖苷糖苷形成形成糖苷糖苷反应反应Natural Polymers:Starch1010
5、淀粉是由淀粉是由直链结构直链结构和和支链结构支链结构的淀粉组成。的淀粉组成。amylose:amylose:直链淀粉直链淀粉 amylopectin:amylopectin:支链淀粉支链淀粉淀粉的化学结构与性质Natural Polymers:Starch1111由由D-D-葡萄糖残基葡萄糖残基通过通过-1,4-1,4糖苷键糖苷键连接成的一条长链连接成的一条长链。(1 1)直链淀粉)直链淀粉amyloseamylose直链淀粉的螺旋链结构直链淀粉直链淀粉是捲曲成是捲曲成螺旋螺旋状状的葡萄糖的葡萄糖长链长链。每每6 6个个葡萄糖单元组成螺旋的一个螺距,在螺旋内部只葡萄糖单元组成螺旋的一个螺距,在
6、螺旋内部只有氢原子,羟基位于螺旋外侧。螺旋结构的有氢原子,羟基位于螺旋外侧。螺旋结构的内腔内腔表面呈表面呈疏水性疏水性。螺旋结构由。螺旋结构由分子内的氢键分子内的氢键维持。维持。直链淀粉一般也存在直链淀粉一般也存在微量的支化现象微量的支化现象,分支点是,分支点是-(1,6)-D-(1,6)-D-糖苷键连接,平均每糖苷键连接,平均每180180320320个葡个葡萄糖单元有一个支链,分支点萄糖单元有一个支链,分支点-(1,6)-D-(1,6)-D-糖苷糖苷键占总糖苷键的键占总糖苷键的0.3%-0.5%0.3%-0.5%。Natural Polymers:Starch1313直链淀粉遇碘的显色反应
7、:深蓝色螺旋管状内径恰可允许碘分子进入。直链淀粉遇碘时,螺旋管状内径恰可允许碘分子进入。直链淀粉遇碘时,碘分子便钻入管内呈链状排列,碘分子便钻入管内呈链状排列,会会吸引很多自由吸引很多自由电电子,子,由于分子间作用力形成复合物改变了原来碘的颜色而由于分子间作用力形成复合物改变了原来碘的颜色而变蓝。加热至沸时淀粉的螺旋结构完全破坏,蓝色便变蓝。加热至沸时淀粉的螺旋结构完全破坏,蓝色便消失。消失。Natural Polymers:Starch1414直链淀粉的主要性质 聚合度为聚合度为1000400010004000,分子量为,分子量为160,000600,000160,000600,000 易溶
8、于温水,水溶液黏度较小,溶液不稳定,静易溶于温水,水溶液黏度较小,溶液不稳定,静置后可析出沉淀置后可析出沉淀 遇碘变蓝遇碘变蓝Natural Polymers:Starch1515(2 2)支链淀粉)支链淀粉amylopectinamylopectinNatural Polymers:Starch1616 支链淀粉支链淀粉是有数千个是有数千个D-D-葡萄糖残基中一部分通过葡萄糖残基中一部分通过-1,41,4糖苷键连接成的一条长链为主链,再通过糖苷键连接成的一条长链为主链,再通过-1,6-1,6糖苷糖苷键与由键与由20252025个个D-D-葡萄糖残基构成的短链相连形成支链,葡萄糖残基构成的短链
9、相连形成支链,支链上每隔支链上每隔6767个个D-D-葡萄糖残基形成分支、呈树状分支结葡萄糖残基形成分支、呈树状分支结构。主链、支链均呈螺旋状,各自均为长短不一的小直链构。主链、支链均呈螺旋状,各自均为长短不一的小直链。直链淀粉的相对分子质量一般为直链淀粉的相对分子质量一般为10105 510106 6,流体流体力,流体流体力学半径为学半径为722nm722nm。支链淀粉的相对分子质量为。支链淀粉的相对分子质量为10107 710109 9,但,但流体力学半径仅为流体力学半径仅为2175nm2175nm,呈现高密度线团构象。,呈现高密度线团构象。Natural Polymers:Starch1
10、717 支链淀粉遇碘的显色反应:红紫色 直链在直链在4040个个D-D-葡萄糖残基以上者与碘变蓝,以下葡萄糖残基以上者与碘变蓝,以下者则变红棕或黄色。糯米淀粉中支链淀粉占者则变红棕或黄色。糯米淀粉中支链淀粉占70807080,30203020为直链淀粉,碘钻入长短不一的螺旋为直链淀粉,碘钻入长短不一的螺旋卷曲管内显出不同颜色,支链淀粉遇碘变紫色正卷曲管内显出不同颜色,支链淀粉遇碘变紫色正是兰、红混合色。是兰、红混合色。Natural Polymers:Starch1818支链淀粉的主要特性支链淀粉的主要特性 聚合度为聚合度为1,0003,000,000 1,0003,000,000 支链淀粉平
11、均聚合度高达支链淀粉平均聚合度高达100100万以上,相对分子质万以上,相对分子质量在量在2 2亿以上,是天然高分子化合物中相对分子质亿以上,是天然高分子化合物中相对分子质量最大的。量最大的。难溶于水,只有在加热条件下,才能溶于水,形难溶于水,只有在加热条件下,才能溶于水,形成粘滞糊精成粘滞糊精 遇碘变成红紫色遇碘变成红紫色Natural Polymers:Starch1919不同品种淀粉的直链淀粉含量淀粉来源淀粉来源直链淀直链淀粉粉含量含量 wtwt淀粉来淀粉来源源直链淀粉直链淀粉含量含量 wtwt玉米玉米黏玉米黏玉米高直链淀粉玉高直链淀粉玉米米高梁高梁黏高梁黏高梁稻米稻米27270 070
12、7027270 01919糯米糯米小麦小麦马铃薯马铃薯木薯木薯甘薯甘薯0 02727202017171818Natural Polymers:Starch2020淀粉的颗粒结构与物理性状淀粉的颗粒结构与物理性状 不同的淀粉品种,呈现不同的颗粒形状和颗粒尺寸不同的淀粉品种,呈现不同的颗粒形状和颗粒尺寸玉米玉米马铃薯马铃薯甘薯甘薯小麦小麦大米大米淀粉粒形淀粉粒形多面形,多面形,单粒单粒卵形,单粒卵形,单粒多面形,多面形,有复粒有复粒凸镜形,单粒凸镜形,单粒多面形,复粒多面形,复粒淀粉粒径淀粉粒径(m)621510024054028平均粒径平均粒径(m)165018204Natural Polyme
13、rs:Starch2121不同的不同的植物储藏的淀粉颗粒植物储藏的淀粉颗粒有不同的形式。有不同的形式。玉米淀粉玉米淀粉马铃薯淀粉马铃薯淀粉小麦淀粉小麦淀粉豌豆淀粉豌豆淀粉Corn starchCorn starchPotato starchPotato starch X-X-射线衍射和偏光显微镜观察表明:射线衍射和偏光显微镜观察表明:淀粉颗粒内部具有淀粉颗粒内部具有结晶结构结晶结构。并且结晶结构占颗粒。并且结晶结构占颗粒体积的体积的25502550。偏光显微镜偏光显微镜:呈现呈现“十十”字消光图样。字消光图样。Potato Starch Under Polarized Light PLMPot
14、ato Starch Under Polarized Light PLMCorn Starch Under Polarized Light PLMCorn Starch Under Polarized Light PLMNatural Polymers:Starch2525A-A-、B-B-和和Vh-Vh-型淀粉的型淀粉的X X射线衍射图谱射线衍射图谱 Natural Polymers:Starch2626Natural Polymers:Starch2727Schematic view of the structure of a starch granule,with Schematic v
15、iew of the structure of a starch granule,with alternating amorphous and semi-crystalline zones alternating amorphous and semi-crystalline zones constituting the growth ringsconstituting the growth ringsNatural Polymers:Starch2828淀粉颗粒的组织结构淀粉颗粒的组织结构 淀粉颗粒具有类似洋葱的环层结构,有的可以看到明显的淀粉颗粒具有类似洋葱的环层结构,有的可以看到明显的环纹
16、和轮纹,各环层共同围绕的一点称为粒心或核。环纹和轮纹,各环层共同围绕的一点称为粒心或核。直链淀粉分子和支链淀粉分子的侧链都是直链,趋向平行直链淀粉分子和支链淀粉分子的侧链都是直链,趋向平行排列,相邻羟基间经氢键结合成散射状结晶排列,相邻羟基间经氢键结合成散射状结晶“束束”的结构,的结构,可将它看成双螺旋结构。淀粉晶束之间的区域分子排列较可将它看成双螺旋结构。淀粉晶束之间的区域分子排列较杂乱,形成无定形区。杂乱,形成无定形区。支链淀粉分子庞大,可以穿过多个晶区和无定形区,为淀支链淀粉分子庞大,可以穿过多个晶区和无定形区,为淀粉颗粒结构起到骨架作用。粉颗粒结构起到骨架作用。Natural Poly
17、mers:Starch2929淀粉糊化和溶解 糊化是淀粉的基本特性之一糊化是淀粉的基本特性之一:将淀粉倒入热水中,淀:将淀粉倒入热水中,淀粉颗粒吸水受热膨胀;继续加热,淀粉颗粒高度膨胀;粉颗粒吸水受热膨胀;继续加热,淀粉颗粒高度膨胀;当加热到一定温度时,淀粉变成具有黏性的半透明凝当加热到一定温度时,淀粉变成具有黏性的半透明凝胶或胶体溶液,称为淀粉糊。这种现象称为糊化或淀胶或胶体溶液,称为淀粉糊。这种现象称为糊化或淀粉的粉的 化。此时淀粉称为化。此时淀粉称为-淀粉。淀粉。淀粉的糊化过程是淀粉分子间的淀粉的糊化过程是淀粉分子间的氢键断裂氢键断裂、晶体结构晶体结构解体解体的过程。的过程。胶体体系的性
18、质主要取决于颗粒结构,直链或支链淀胶体体系的性质主要取决于颗粒结构,直链或支链淀粉的含量及其性质。粉的含量及其性质。Natural Polymers:Starch3030淀粉糊化的三个阶段淀粉糊化的三个阶段 第一阶段:加热初期(低于第一阶段:加热初期(低于50)50),颗粒吸收少量水分,体积轻,颗粒吸收少量水分,体积轻度膨胀,颗粒表面变软并逐渐发黏,但没有溶解,水溶液黏度度膨胀,颗粒表面变软并逐渐发黏,但没有溶解,水溶液黏度也没有增加,此时若脱水干燥后仍为颗粒状态。也没有增加,此时若脱水干燥后仍为颗粒状态。第二阶段:温度升高到一定阶段(如第二阶段:温度升高到一定阶段(如65 65 ),颗粒急剧
19、膨胀,),颗粒急剧膨胀,表面黏度大大提高,并有少量淀粉溶于水中,溶液的黏度开始表面黏度大大提高,并有少量淀粉溶于水中,溶液的黏度开始上升,此时的温度称为淀粉糊化的开始温度。上升,此时的温度称为淀粉糊化的开始温度。第三阶段:温度继续上升至第三阶段:温度继续上升至80 80 以上,淀粉颗粒增大到数百倍以上,淀粉颗粒增大到数百倍甚至上千倍,大部分淀粉颗粒逐渐消失,体系黏度逐渐升高,甚至上千倍,大部分淀粉颗粒逐渐消失,体系黏度逐渐升高,最后变成透明或半透明淀粉胶体,此时淀粉完全糊化。最后变成透明或半透明淀粉胶体,此时淀粉完全糊化。Natural Polymers:Starch3232淀粉的糊化性质淀粉
20、的糊化性质 淀粉的糊化性质主要包括:淀粉的糊化性质主要包括:(1 1)糊化温度)糊化温度(2 2)溶解度)溶解度(3 3)临界浓度)临界浓度Natural Polymers:Starch3333 虽然单颗淀粉颗粒的发生糊化的温度范围很窄,但是虽然单颗淀粉颗粒的发生糊化的温度范围很窄,但是由于淀粉体系本身的结构比较复杂,颗粒结构的差异、直由于淀粉体系本身的结构比较复杂,颗粒结构的差异、直链淀粉与支链淀粉的含量不同、分子量分布、晶型多样、链淀粉与支链淀粉的含量不同、分子量分布、晶型多样、稀释剂(如水)含量不同等导致大量淀粉颗粒的糊化温度稀释剂(如水)含量不同等导致大量淀粉颗粒的糊化温度相对较宽。相
21、对较宽。糊化温度可以用热台偏光显微镜或旋转式粘度计测得。糊化温度可以用热台偏光显微镜或旋转式粘度计测得。1.糊化温度Natural Polymers:Starch3434热台偏光显微法是利用糊化过程中热台偏光显微法是利用糊化过程中淀粉晶体结构被破坏淀粉晶体结构被破坏来测来测定糊化温度。将淀粉颗粒稀释于水中,滴于载波片上,置定糊化温度。将淀粉颗粒稀释于水中,滴于载波片上,置于偏光显微镜的加热台。缓慢升温,观察淀粉颗粒偏光十于偏光显微镜的加热台。缓慢升温,观察淀粉颗粒偏光十字的变化情况。当有的颗粒亮区开始减少,便表明淀粉糊字的变化情况。当有的颗粒亮区开始减少,便表明淀粉糊化开始发生;当约化开始发生
22、;当约9898的颗粒中偏光十字现象消失,表明的颗粒中偏光十字现象消失,表明淀粉糊化完成。淀粉糊化完成。旋转式粘度法是利用淀粉开始糊化时,旋转式粘度法是利用淀粉开始糊化时,体系的粘度体系的粘度也随之上也随之上升来测得糊化温度。用外筒旋转式粘度仪按一定速度升来测得糊化温度。用外筒旋转式粘度仪按一定速度(1.5(1.5C/min)C/min)对淀粉悬浮液进行加热,通过扭矩的变化可以对淀粉悬浮液进行加热,通过扭矩的变化可以测定淀粉糊粘度的变化。随着温度升高,淀粉颗粒开始膨测定淀粉糊粘度的变化。随着温度升高,淀粉颗粒开始膨胀,粘度随着上升,粘度快速上升时的温度即为糊化温度。胀,粘度随着上升,粘度快速上升
23、时的温度即为糊化温度。Natural Polymers:Starch3535测试淀粉糊化的装置示意图测试淀粉糊化的装置示意图 溶液透明度的变化可以反映淀粉的糊化程度。溶液透明度的变化可以反映淀粉的糊化程度。Natural Polymers:Starch3636淀粉的糊化温度(C)淀粉种类淀粉种类膨胀开始温度膨胀开始温度糊化开始温度糊化开始温度糊化终了温度糊化终了温度甘薯淀粉526065马铃薯淀粉505963小麦淀粉506165大米淀粉545961玉米淀粉505563Natural Polymers:Starch3737 淀粉产品的溶解度是指在一定温度下(如淀粉产品的溶解度是指在一定温度下(如9
24、595C C),),在水中加热在水中加热30min30min后,淀粉分子的溶解质量百分比。后,淀粉分子的溶解质量百分比。临界浓度指淀粉在临界浓度指淀粉在9595C C、100mL100mL水中形成均一而不含水中形成均一而不含有游离水的糊所需要的淀粉干基质量。有游离水的糊所需要的淀粉干基质量。2.溶解度3.临界浓度Natural Polymers:Starch3838天然淀粉的糊化特性天然淀粉的糊化特性淀粉种类淀粉种类糊化温度范围糊化温度范围(oC)膨胀度膨胀度(干淀粉)(干淀粉)(ml/g)溶解度溶解度()()临界浓度值临界浓度值(g)马铃薯淀粉马铃薯淀粉西米淀粉西米淀粉木薯淀粉木薯淀粉番薯淀
25、粉番薯淀粉玉米淀粉玉米淀粉高梁淀粉高梁淀粉小麦淀粉小麦淀粉稻米淀粉稻米淀粉糯玉米淀粉糯玉米淀粉糯高梁淀粉糯高梁淀粉糯米淀粉糯米淀粉玻皮豌豆淀粉玻皮豌豆淀粉高直链玉米淀粉高直链玉米淀粉566658.5 7062 7268.5 7552 6361 77.563 7267.5 7466 921000977146242221196449665682394818252241182319191213 黏玉米和木薯淀粉糊黏玉米和木薯淀粉糊 普通玉米和小麦淀粉糊普通玉米和小麦淀粉糊Natural Polymers:Starch4444(6 6)淀粉糊的凝沉性淀粉糊的凝沉性 淀粉糊在低温下放置一段时间后,淀粉糊
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