一種基於改性澱粉的植物膠及其製備方法及用途與流程
2023-04-25 12:22:26 3
本發明涉及一類改性澱粉植物膠及其製備方法，該植物膠可應用於食品、藥品的包材包裝工業技術領域。
背景技術：
澱粉是一種重要的基礎工業和食品工業原料，由葡萄糖分子聚合而成，它是碳水化合物最普遍的儲藏形式。天然澱粉分為直鏈澱粉和支鏈澱粉兩類。直鏈澱粉含幾百個葡萄糖單元，在天然澱粉中佔20%-26%，為無分支的螺旋結構，具有可溶性；支鏈澱粉含幾千個葡萄糖單元，具有高度分支結構，溶解性較差。澱粉可以由大豆、小麥、玉米、木薯、馬鈴薯、甘薯、大米等農作物製得，因此，澱粉具有廉價易得，可再生，可生物降解、汙染小等一系列優點，符合環境保護和國家可持續發展戰略。澱粉也因此廣泛應用於造紙、紡織、膠黏劑、製藥、化妝品、洗滌劑、超吸水材料、水處理絮凝劑等領域。在食品工業中，澱粉多用於增稠劑和穩定劑，以增強食品口感，但是由於澱粉存在一定的缺陷，如在冷水中不溶、澱粉糊黏度不穩定、易發生凝沉等，特別是在低溫和冷凍食品中，容易發生凝沉失水而影響食品的品質，因此應用受到一定的限制。
在基礎工業領域，澱粉作為可再生資源而受到國際社會的青睞。廣泛應用於可降解塑料、紡織、石油、醫藥、造紙等領域。然而天然澱粉具有很強的分子間相互作用力，因此天然澱粉有難溶於水、難溶於油脂、糊化溫度高、易碎、易凝沉、透明度低、成模型差、乳化性能差等缺點。為了解決上述缺點，國內生產廠家通過酸解、氧化、醋酸化、交聯化等方法對澱粉進行改性，在澱粉中引入疏水基團以破壞分子間氫鍵，從而克服了澱粉分子間強的相互作用力，使得澱粉的力學性能有了較大的提高。隨著科技與工業技術的發展，簡單的澱粉改性已經不能滿足不同材料對其力學性能和加工性能的要求，因此，更好力學性能與加工性能的澱粉複合基質勢必會得到更好的發展和應用。
在膠囊和軟膠囊技術領域，明膠由動物皮膚、骨骼、肌膜或肌魅等結締組織中的膠原通過化學反應發酵而成，其過程中添加大量的化學成份，且生產過程中難以避免原料發黴，腐爛，動物攜帶的病菌也很難清除，從而危害消費者的建康。2012年，以工業廢皮為原料製作的明膠導致大規模鉻超標引發了我國的「毒膠囊」事件，加劇了消費者對明膠膠囊和軟膠囊的牴觸。明膠膠囊和軟膠囊本身存在如易於滋生微生物，易吸潮，環境溼度低則易碎，環境溼度大則易於發生粘連諸多缺點。此外，隨著全世界動物源傳染性疾病如狂牛症、禽流感、藍耳病、口蹄疫等的接連爆發，國際社會越來越擔憂動物製品的安全性。其實國際社會一直在尋找明膠的替代品。美國FDA較早前發出指引，希望在近幾年內,在美國市場上植物空心膠囊的市場佔有率達到80%。由於澱粉價格低廉易得，以其製備膠囊具有很大的潛力。國內諸多廠家也紛紛對澱粉膠囊可行性展開研究，但由於澱粉分子間易於形成很強的氫鍵，澱粉膜缺乏韌性而易碎，難以製得強度高，耐填裝的膠囊。
在塑料加工製作領域，聚氯乙烯、聚乙烯、聚醯胺、聚苯醚、聚甲基丙烯酸酯、聚甲醛樹脂等塑料的廣泛應用給生活到來了種種便利，但由於高分子塑料製品難以降解造成了嚴重的白色汙染。隨著我國經濟的快速發展，塑料工業規模逐漸擴大，塑料製品也應用到越來越多行業，因此而產生的塑料垃圾也逐年增多。劇專家推算，塑料製品的降解需要200年-1000年時間甚至更長。現在塑料的處理方法如焚燒、填埋和回收利用等方法難以從根本上解決問題，不能滿足人們低碳環保的要求。此外，塑料製品的原材料來自於石油天然氣等不可再生資源，不符合國家可持續發展戰略。隨著石油天然氣等資源的逐步開採和消耗，可降解塑料將成為必然的選擇。發達國家已投入大量人力物力到可降解塑料的研究開發中來，如美國的Metabolix公司、日本的Kaneka公司、巴西的PHB Industrial公司等，目前研發銷售的可降解塑料存在一定的問題而限制其應用，如原材料成本過高、力學與加工性能不理想、生產工藝過於複雜、降解時限太長等。這幾家公司可降解塑料年產量只有幾萬噸，存在著巨大的提升空間。
技術實現要素：
本發明針對澱粉自身存在的缺陷，通過在澱粉分子上引入疏水基團及對澱粉進行改性，從而克服了澱粉分子間強的相互作用力，添加複合植物質膠凝劑構建三維網狀結構，起到了增韌增強的作用，在此基礎上將澱粉及其衍生物作為復配物與可降解的高聚物共混、接枝共聚等方法製備得植物膠，具有可降解、可再生、成本低、可塑性好、成模型好、熱穩定和抗老化等優點，可應用於生物可降解塑料、膠囊殼、食品藥品包裝包材等相關產品。
本發明的目的及解決其主要技術問題是採用以下技術方案來實現的：一種基於改性澱粉的植物膠，以40-90份的改性澱粉、3-30份膠凝劑、2-20份增塑劑、2-20份聚合物、2-20份植物纖維、10-50份去離子水和1-15份交聯劑為原料，混合後在20-120℃反應10-200min，經捏合、擠出、切割工序製成植物膠，再根據需要製作成顆粒、片材或薄膜；
所述可食用改性澱粉選自木薯澱粉、馬鈴薯澱粉、甘薯、大米澱粉、小麥澱粉、玉米澱粉和豌豆澱粉中的一種或幾種；
所述膠凝劑選自卡拉膠、果膠、魔芋膠、瓊脂膠和阿拉伯膠中的一種或幾種；
所述增塑劑選自殼聚糖、木糖醇、山梨醇、甘露醇、丙二醇、甘油、果糖、蔗糖、海藻糖、氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉和醋酸鈉中的一種或幾種；
所述聚合物選自聚己內酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚-β-羥丁酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氨基葡萄糖、聚碳酸酯中的一種或幾種；
所述植物纖維選自不同取代度以及粘度的羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙甲基纖維素、羥丙羧甲基纖維素中的一種或幾種。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，按以下步驟製取：將原料按比例稱取，加入高速攪拌機混合，加熱升溫至20-120℃反應10-200min後經單螺杆或雙螺杆捏合擠出機擠出再切割，即得澱粉植物膠進而加工成顆粒、片材或薄膜。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，直徑65mm的單螺杆擠出機溫度依次為80~100℃、100~110℃、110~120℃、120~130℃，螺杆轉速為20~30r/min，粒料不發生粘連。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，直徑51~150mm的雙螺杆擠出機溫度依次為60~90℃，90~110℃、110~130℃、130~150℃，螺杆轉速為15~20r/min，粒料不發生粘連。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，切割工序中的切刀轉速調整到顆粒料長度3~4mm。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的用途，應用於生物可降解塑料、膠囊殼、食品藥品包裝包材相關產品。
本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。由以上技術方案可知，本發明通過澱粉與聚合物或高分子進行復配共混或接枝共聚等方法以克服原有澱粉存在的可塑性差、拉伸強度低、易碎和高分子存在的不易降解、不可再生等缺點，提供一種可降解、可再生、成本低、可塑性好、熱穩定和抗老化的澱粉植物膠，其製備方法主要控制擠出溫度、螺杆轉速、切刀轉速和粒料冷卻，使粒料不發生粘粒，顆粒尺寸均勻，塑化較好。可應用於可降解塑料、膠囊、食品藥品包裝包材等相關產品。
具體實施方式
以下結合較佳實施例，對依據本發明提出的一種基於改性澱粉的植物膠及其製備方法及用途具體實施方式、特徵及其功效，詳細說明如後。
一種基於改性澱粉的植物膠，以40-90份的改性澱粉、3-30份膠凝劑、2-20份增塑劑、2-20份聚合物、2-20份植物纖維、10-50份去離子水和1-15份交聯劑為原料，混合後在20-120℃反應10-200min，經捏合、擠出、切割工序製成植物膠，再根據需要製作成顆粒、片材或薄膜。
所述可食用改性澱粉選自木薯澱粉、馬鈴薯澱粉、甘薯、大米澱粉、小麥澱粉、玉米澱粉和豌豆澱粉中的一種或幾種。
所述膠凝劑選自卡拉膠、果膠、魔芋膠、瓊脂膠和阿拉伯膠中的一種或幾種。
所述增塑劑選自殼聚糖、木糖醇、山梨醇、甘露醇、丙二醇、甘油、果糖、蔗糖、海藻糖、氯化鉀、氯化鈣、氯化鈉和醋酸鈉中的一種或幾種。
所述聚合物選自聚己內酯、聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚-β-羥丁酸、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氨基葡萄糖、聚碳酸酯中的一種或幾種。
所述植物纖維選自不同取代度以及粘度的羧甲基纖維素、羥乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙甲基纖維素、羥丙羧甲基纖維素中的一種或幾種。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，按以下步驟製取：將原料按比例稱取，加入高速攪拌機混合，加熱升溫至20-120℃反應10-200min後經單螺杆或雙螺杆捏合擠出機擠出再切割，即得澱粉植物膠進而加工成顆粒、片材或薄膜。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，直徑65mm的單螺杆擠出機溫度依次為80~100℃、100~110℃、110~120℃、120~130℃，螺杆轉速為20~30r/min，粒料不發生粘連。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，直徑51~150mm的雙螺杆擠出機溫度依次為60~90℃，90~110℃、110~130℃、130~150℃，螺杆轉速為15~20r/min，粒料不發生粘連。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的製備方法，切割工序中的切刀轉速調整到顆粒料長度3~4mm。
上述的一種基於改性澱粉的植物膠的用途，應用於生物可降解塑料、膠囊殼、食品藥品包裝包材相關產品。
實施例1：
將馬鈴薯澱粉100份、阿拉伯膠10份、殼聚糖10份、聚乳酸40份，羥丙羧甲基纖維素40份、80份去離子水和交聯劑5份為原料加入高速攪拌機混合，加熱升溫至80℃反應50min後經直徑65mm的單螺杆擠出機，溫度依次為80℃、100℃、110℃、125℃，轉速為30r/min擠出即得澱粉植物膠，進而加工成薄膜測試其力學性能。將裁好的澱粉膜在測試室的相對溼度下平衡48h後，S-566型臺式電子萬能材料試驗機測定其拉伸強度和斷裂伸長率。每種膜測定4個樣，實驗機夾距設定為25mm，拉伸速度設定為1mm/s。薄膜的拉伸強度為4.35MP，斷裂伸長率為98.5%。
實施例2：
將木薯澱粉100份、卡拉膠15份、殼聚糖10份、氯化鉀2份、聚乙烯醇50份，羥丙基纖維素40份、100份去離子水和交聯劑6份為原料加入高速攪拌機混合，加熱升溫至70℃反應35min後經直徑85mm的雙螺杆擠出機，溫度依次為70℃，90℃、110℃、130℃，螺杆轉速為20r/min擠出即得澱粉植物膠，進而加工成薄膜測試其力學性能。將裁好的澱粉膜在測試室的相對溼度下平衡48h後，S-566型臺式電子萬能材料試驗機測定其拉伸強度和斷裂伸長率。每種膜測定4個樣，實驗機夾距設定為25mm，拉伸速度設定為1mm/s。薄膜的拉伸強度為5.42MP，斷裂伸長率為107.3%。
實施例3：
將玉米澱粉900份、魔芋膠10份、甘油10份、聚己內酯60份，羧甲基纖維素350份、80份去離子水和交聯劑4份為原料加入高速攪拌機混合，加熱升溫至60℃反應45min後經直徑85mm的雙螺杆擠出機，溫度依次為70℃，90℃、110℃、130℃，螺杆轉速為20r/min擠出即得澱粉植物膠，進而加工成薄膜測試其力學性能。將裁好的澱粉膜在測試室的相對溼度下平衡48h後，S-566型臺式電子萬能材料試驗機測定其拉伸強度和斷裂伸長率。每種膜測定4個樣，實驗機夾距設定為25mm，拉伸速度設定為1mm/s。薄膜的拉伸強度為3.38MP，斷裂伸長率為121.6%。
實施例4：
將小麥澱粉75份、阿拉伯膠10份、海藻糖10份、聚-β-羥丁酸55份，羥丙基纖維素40份、80份去離子水和交聯劑5份為原料加入高速攪拌機混合，加熱升溫至65℃反應55min後經直徑65mm的單螺杆擠出機，溫度依次為80℃、100℃、110℃、125℃，轉速為30r/min擠出即得澱粉植物膠，進而加工成薄膜測試其力學性能。將裁好的澱粉膜在測試室的相對溼度下平衡48h後，S-566型臺式電子萬能材料試驗機測定其拉伸強度和斷裂伸長率。每種膜測定4個樣，實驗機夾距設定為25mm，拉伸速度設定為1mm/s。薄膜的拉伸強度為6.41MP，斷裂伸長率為72.9%。
實施例5：
將大豆澱粉85份、瓊脂膠10份、果糖10份、氯化鈉3份、聚碳酸酯60份，羥乙基纖維素40份、80份去離子水和交聯劑8份為原料加入高速攪拌機混合，加熱升溫至70℃反應60min後經直徑85mm的雙螺杆擠出機，溫度依次為70℃，90℃、110℃、130℃，螺杆轉速為20r/min擠出即得澱粉植物膠，進而加工成薄膜測試其力學性能。將裁好的澱粉膜在測試室的相對溼度下平衡48h後，S-566型臺式電子萬能材料試驗機測定其拉伸強度和斷裂伸長率。每種膜測定4個樣，實驗機夾距設定為25mm，拉伸速度設定為1mm/s。薄膜的拉伸強度為5.76MP，斷裂伸長率為94.1%。
實施例6：
將大米澱粉110份、卡拉膠15份、丙二醇10份、聚乙烯醇70份，羥丙羧甲基纖維素40份、80份去離子水和交聯劑10份為原料加入高速攪拌機混合，加熱升溫至45℃反應65min後經直徑85mm的雙螺杆擠出機，溫度依次為70℃，90℃、110℃、130℃，螺杆轉速為20r/min擠出即得澱粉植物膠，進而加工成薄膜測試其力學性能。將裁好的澱粉膜在測試室的相對溼度下平衡48h後，S-566型臺式電子萬能材料試驗機測定其拉伸強度和斷裂伸長率。每種膜測定4個樣，實驗機夾距設定為25mm，拉伸速度設定為1mm/s。薄膜的拉伸強度為5.13MP，斷裂伸長率為80.2%。
本發明通過澱粉與聚合物或高分子進行復配共混或接枝共聚等方法以克服原有澱粉存在的可塑性差、拉伸強度低、易碎和高分子存在的不易降解、不可再生等缺點，提供一種可降解、可再生、成本低、可塑性好、熱穩定和抗老化的澱粉植物膠，其製備方法主要控制擠出溫度、螺杆轉速、切刀轉速和粒料冷卻，使粒料不發生粘粒，顆粒尺寸均勻，塑化較好。可應用於可降解塑料、膠囊、食品藥品包裝包材等相關產品。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對發明型作任何形式上的限制，任何未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。