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等离子体作用对淀粉结构及性质影响的研究

蒲华寅  
【摘要】:近年来,等离子体技术(主要是低温等离子体技术)在化学合成、微电子、超导技术、材料科学、表面科学、环境科学、生物及生命科学等领域中应用呈现出巨大的发展潜力和应用前景,越来越受关注。其中介质阻挡放电(DBD)等离子体技术由于具有适应频率宽,可在较大空间内获得高密度非平衡等离子体,并且工艺简单、快速高效、节能环保,是最有可能应用于工业化的等离子技术之一,因此成为应用于改性粉体的研究热点。目前将等离子体技术应用于淀粉粉体改性的研究处于初步探索阶段,缺乏对等离子体作用对淀粉多尺度结构影响的系统研究,以至难以实现从分子水平设计利用等离子体技术对淀粉性质进行调控。因此,本论文所开展的研究有很好的学术价值和实际意义,涉及等离子体技术真正应用于淀粉改性领域的关键基础科学问题。 本论文选择马铃薯淀粉及玉米淀粉作为研究对象,在探讨利用DBD等离子体技术并以空气作为气源对淀粉粉体进行常压干法改性的基础上,利用多种先进仪器分析技术,系统地研究了等离子体作用对两种淀粉颗粒结构、层状结构、结晶结构、链结构等多尺度结构的影响,以及等离子体对两种淀粉的作用方式和作用效果的差异,并建立了相关的物理模型。此外,还考察等离子体作用对两种淀粉的酸性、溶解度、流变性质和糊化过程的影响。 研究结果表明等离子体作用基本不改变马铃薯淀粉和玉米淀粉的整体颗粒形貌,但却导致马铃薯淀粉颗粒表面产生裂纹,玉米淀粉颗粒孔道数量增加,孔径增大;两种淀粉的结晶形态和层状结构厚度基本不受等离子体作用的影响,但其相对结晶度降低,尤其是马铃薯淀粉的相对结晶度下降程度更高;等离子体对马铃薯淀粉和玉米淀粉偏光十字(结晶结构)的破坏形式不同,前者是由外向内发展,后者是由内向外发展。 等离子体作用可引发两种淀粉分子链发生氧化反应,作用时间越长氧化程度越高,在玉米淀粉分子链上主要引入羧基,马铃薯淀粉分子链上引入羰基和羧基;在等离子体作用下,两种淀粉颗粒表面短程有序结构均受到破坏,马铃薯淀粉破坏程度更高,但两种淀粉颗粒内部的短程有序结构(螺旋结构)变化并不明显,表明等离子体作用主要是降低螺旋结构的一致性,导致晶格畸变而影响结晶区结构;等离子体作用使两种淀粉分子链发生断裂,分子量变小及分布变宽,马铃薯淀粉的重均分子量由107g·mol~(-1)降低到106g·mol~(-1),玉米淀粉的重均分子量由107g·mol~(-1)降低到105g·mol~(-1)。 等离子体作用对淀粉的酸性影响显著,导致马铃薯淀粉糊和玉米淀粉糊的pH值由中性分别快速下降至2.23和1.88。水分子的迁移和强酸性环境,一方面导致改性淀粉结构在水体系中进一步发生变化,出现部分螺旋结构解旋,并形成新的尺度更大的重复结构;另一方面会强化改性效果,即等离子体改性前后淀粉性质的变化是由等离子体和水分子协同作用的结果。等离子体作用改变了马铃薯淀粉的糊化历程,但对玉米淀粉的糊化历程影响不明显;等离子体作用能有效促进淀粉溶解,使马铃薯淀粉的常温溶解度由1.4%提高至64.1%,玉米淀粉的溶解度由0.8%提高至40.6%;经等离子体作用两种淀粉糊仍为假塑性非牛顿流体,但其稠度系数和表观粘度均大幅度降低,流动系数增大,剪切稀化作用减缓,触变性降低,并向牛顿流体趋近。 等离子体对两种淀粉的作用方式和作用效果存在差异,对马铃薯淀粉的作用途径是作用于颗粒表面再不断往内部渗透,而玉米淀粉的作用途径则是在作用表面结构的同时通过孔道结构进入内部作用,可见等离子体的改性效果很大程度上受淀粉自身结构的影响。 研究结果充分显示,等离子体的高能粒子撞击、辐射、能量传递和聚集、应力集中等多种效应,能不同程度的影响淀粉的多尺度结构,进而调控淀粉的性质,特别是赋予了淀粉常温较高溶解度和高浓低粘的特性。这不仅丰富了粉体等离子体改性的理论,而且也为等离子体技术应用于淀粉深加工,为淀粉粉体改性提供了一种方便、快速、高效和绿色的新型干法改性技术。


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