重组淀粉基材料的纳米结构及其可控相变的研究

淀粉基材料是一种安全、环保的绿色食品包装材料，符合可持续发展和绿色加工的要求，极具开发和应用前景。但其在加工和应用环境中容易发生分子重组和结构相变，材料性质不稳定，因此探求淀粉基材料结构重组-相变-性质之间的关系是提高材料稳定性、进行新材料设计的基础。前人对这方面的研究多是从分子层面上开展，而本项目将从纳米层面上对重组淀粉基材料的纳米结构、及其在可控环境中的相变过程进行探讨。本研究将利用分子重组和拓扑显微技术，如原子力显微镜、扫描电镜等仪器，研究直链/支链淀粉分子对淀粉基材料纳米结构重组的定向控制；利用原位动态的检测技术，如变温探针隧道扫描显微镜、动态机械热分析仪等仪器，解析纳米结构在温度、湿度、时间等可控环境中的相变过程，以及相变与材料性质的关系。通过本项目的研究，最终建立起重组淀粉基材料的分子-纳米结构-可控相变-材料性质之间的关系，为淀粉基材料稳定性的提高和新材料的设计提供理论依据。

本课题经过三年的研究工作，基本完成了预定的研究内容，取得了如下的成果：.1、通过对直链/支链淀粉分子对淀粉基材料纳米结构重组定向控制的研究，发现直链淀粉在淀粉颗粒结构重组为材料的过程中起着关键的作用。当直链淀粉在颗粒中的含量为0时（蜡质淀粉），颗粒崩解后，纳米粒子被大量支链淀粉分子包裹，相互间的摩擦力大。当直链淀粉在颗粒中的含量为23%时（普通淀粉），颗粒崩解后，由于直链淀粉分子能够迅速游离开，纳米粒子单一存在，摩擦力小。因此蜡质淀粉糊化的起始黏度远高于普通淀粉。当直链淀粉分子含量高于50%（高直链淀粉），颗粒中的纳米粒子被包裹脐点附近的一小片区域，外围由直链淀粉分子相互缠绕构成，不含纳米结构。该外围区域结构紧密，增塑剂难以渗入，因此相变温度高，相变难度大，这是导致高直链淀粉难以熔融挤出加工的直接原因。.2、通过对淀粉颗粒纳米结构对材料加工影响的研究，发现当颗粒中存在纳米粒子时，连接其之间的区域较为松散，是增塑剂向颗粒内部渗透的主要通道。而颗粒中不存在纳米粒子时（高直链淀粉颗粒的外围区域），增塑剂难以渗透，因此难以熔融相变，加工能耗高。对此，本课题组在高直链淀粉基材料的挤出加工过程中加入了淀粉酶。研究发现，耐高温淀粉酶在挤出的高温环境中能够迅速酶解高直链淀粉颗粒的脐点及纳米结构区域，从而促进增塑剂（水）向颗粒内部的渗透。当耐高温淀粉酶的添加量为0.5%~1%时，即可显著观察到挤出机螺杆扭矩的降低。同时挤出时的温度，又可控制酶解的程度，防止淀粉分子被过度酶解而削弱材料的力学性能。.3、通过对材料结构在可控环境中的相变研究，发现重组淀粉基材料中不存在纳米结构，仅为一种短程有序、长程无序的状态。通过考察这种结构在各种环境中的变化规律，本课题组设计出了一些功能材料。例如淀粉基材料亲水但无法完全溶于水，以其为基材，可以控制被包埋物质的溶出。由此我们设计制备了能够实现控制释放的抗菌材料，以及具有益生活性的速溶材料。.4、本课题组在对淀粉基材料内部结构的研究过程中，设计建立了涂膜-微波复合膨化工艺，开发出了新的薯类膨化食品。