陈严双

（西北民族大学，甘肃兰州 730071）

天然淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类，基本构成单位为α-D-吡喃葡萄糖，分子式为（C6H10O5）n。它是一种由葡萄糖分子聚合而成的高分子碳水化合物，广泛分布于自然界中，主要来源于高等植物的根、茎、叶和果实等器官中。其品种十分丰富，一般包括禾类淀粉、薯类淀粉和豆类淀粉。

天然淀粉以其许多独特的性能被人们所喜爱，其中包括可再生性、无毒无害性、可降解、可被修饰以及环境友好性和来源广泛、价格低廉等。因此天然淀粉被广泛应用于各种行业。但是在实际生产生活中，天然淀粉仍然存在容易老化、不溶于冷水、表面性能稳定性差、耐机械性差和成型胶体不稳定的缺陷，这极大地限制了天然淀粉在生产生活中的应用。因此将天然淀粉通过特定的改性改善其性能，使其更好地服务于大众成为近年来的研究热点。其中常用的改性机制包括物理改性、化学改性、复合改性以及生物酶改性，这些方法针对生产要求对天然淀粉进行特定改性，使改性淀粉拥有特定性能，实现更好地服务于特定行业，扩大天然淀粉在各个行业的应用范围。本文详细阐述了几种改性机制以及应用现状，并对改性天然淀粉材料在未来的发展做出了展望[1]。

1 改性机制

天然淀粉颗粒是由多种成分组合而成的混合物，对其改性就是通过各种特定方法改变其颗粒的结构分布，使其具有新的且符合要求的特性。目前这些方法大体可分为物理改性、化学改性、复合改性以及生物酶改性四种，以下对四种方法做详细介绍。

1.1 物理改性

物理改性机制是通过物理手段作用于天然淀粉，以此获得不同性能的改性淀粉。包括通过磁场、力场、热场、电场对天然淀粉进行微波处理、超声波处理、高压或挤压处理、热液处理、电离处理等。物理改性主要对天然淀粉的结晶度和反应活性等进行改变[2]。热处理后的天然淀粉规则排列的胶束被破坏，微晶消失且容易接受酶的作用，这种改性后的产品便是预糊化淀粉，也叫a-淀粉。通过高压或挤压处理的天然淀粉，结构上也会发生不同变化，所得产品被广泛应用于食品行业、石油工业和纺织工业中。与化学改性相比，该法具有便捷，操作较安全，对环境无害的优点，但是由于其改性机制大多处于特定的物理环境下，因此其设备成本较高，生产能力较低，不满足大规模化的生产需求。

1.2 化学改性

化学改性是通过一系列化学处理手段对天然淀粉进行改性，使天然淀粉分子结构发生相应变化，包括分子量改变，分子链上引入功能性基团等。常见的技术包括氧化、醚化、酯化以及酸性化和接枝化。该法所得产品性能极大改善，例如提高了稳定性、耐老化性、成膜性、黏合性和透明度等。由化学改性所得的改性淀粉性能更加广泛且十分优异，被广泛应用于各个行业[3]。

1.2.1 氧化、酸化淀粉

研究表明，利用次氯酸钠、双氧水、高锰酸钾等氧化剂在特定条件下（温度，压力，反应时间）对天然淀粉进行氧化处理，其性能会有大幅改变，例如次氯酸钠氧化淀粉，它是氧化淀粉工艺最成熟、应用最广泛的一类。由该工艺得到的产品成膜性、光亮度、稳定性流动性好，可较好地应用于造纸行业和纺织工业，并且能代替琼脂和阿拉伯胶制造果冻和软糖，建材方面还可作黏合剂制造墙板、纸板等。高锰酸钾氧化淀粉由于其催化剂的特点，基本很少使用于食品行业，但研究其对淀粉基生物塑料薄膜的影响结果表明，提高了塑料薄膜的生物降解性和材料的力学性能，并且可作为黏合剂和水溶性涂料应用于建筑行业。酸改性淀粉主要是在酸性作用下改变淀粉颗粒结构，使分子链断链，从而分子量变小。由此可以使原淀粉的胶凝性增强，广泛应用于食品工业中果冻和软糖的生产。

1.2.2 醚化、酯化淀粉

这两种改性方法都是通过在特定反应条件下引入功能性基团，使改性后的淀粉具有特定的性质。醚化是天然淀粉分子中的羟基和活性物质反应生成的取代基醚，包括羟烷基淀粉、羧烷基淀粉、烷基淀粉醚等。通过淀粉和环氧烷化合物在碱性条件下合成的羟烷基淀粉具有较高的透明性、亲水性、流动性、成膜性和稳定性。酯化是天然淀粉在无机酸或有机酸作用下发生酯化反应生成淀粉酯，常见的包括淀粉醋酸酯和淀粉磷酸酯，其具有良好的热塑性和疏水性等特点。天然淀粉通过醚化酯化极大改善了其原有的性能，扩大了天然淀粉的应用领域[4]。

1.2.3 接枝淀粉

淀粉的接枝共聚物是天然淀粉通过物理或化学反应，和丙烯酸、丙烯腈、MMA等烯类单体发生接枝共聚反应而得到的一类新型的高分子材料。它具有优良的热稳定性、流变性能、生物降解性及生物相容性，可用于制备高吸水树脂、絮凝剂、可降解材料等，具有十分广阔的应用前景。

1.3 复合改性

随着当今社会发展对材料性能的要求不断提高，单一材料的性能已不能满足人们的需要，这就需要同时拥有多种性能的材料，而复合改性就是其中的关键技术。通过多种处理方式，包括交联酯化淀粉、交联醚化淀粉、醚化氧化淀粉等获得的变性淀粉拥有多种的优良性能，以此来满足人们的需求。关于复合改性的研究也随着材料行业的不断发展而发展，其应用前景非常可观。

1.4 生物酶法改性

近年来，利用生物酶对淀粉进行改性处理是一种有效的手段，并逐渐受到人们重视。改性中常用到的生物酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、转葡糖苷酶、普鲁兰酶、糖化酶等，不同酶对淀粉的作用不同，得到改性后淀粉的性能也有所差异。但酶改性淀粉普遍具有良好的抗老化性能、优良的流变性能并且绿色环保无污染。此外酶改性条件较温和，其产品更是符合绿色环保理念，易于被人体消化吸收且具有特定的生理特性。例如夏新兴等用α-淀粉酶作用于天然玉米淀粉[5]，将获得的酶改性淀粉应用于表面施胶，可以显著提高纸张表面的强度性能。热分析后可以明显看到天然玉米淀粉强度，流变性能均得到较大改善。但该法也有一定缺陷，包括生物酶成本高、处理量小、难以工业化等。

2 改性天然淀粉的应用

2.1 食品工业

随着人民生活水平的不断提高，人们对食品卫生，质量的要求也越来越高。利用天然淀粉和改性天然淀粉为原料生产的食品具有绿色环保，易于人体吸收，口感细腻等诸多优点，因此备受青睐。改性天然淀粉作为常用的食品添加剂被广泛应用于面制品、果冻糖果类制品以及膳食纤维类制品行业中，例如在面团中加入改性天然淀粉可增加面团的黏弹性、易成型性，使面条口感细腻，在肉制品中可以增加其冻融稳定性、弹性、保水性等。此外果冻中添加胶体淀粉，可以改善果冻的凝胶特性，使口感更加饱满。当今食品工业中应用较广泛的改性天然淀粉有交联酯化淀粉、羟丙基淀粉、羟丙基交联淀粉、醚化淀粉等[6]。

2.2 医药行业

由于淀粉具有无毒无害，良好的生物相容性，且容易被人体吸收的特性，因此被广泛应用于生物制药行业。根据不同需要可制成功能不同的药物制剂。例如靶向给药载体“接枝交联淀粉纳米粒”具有较高的膨胀性，能有效传递药物至病灶处，有助于药物的精确吸收达到良好的药效，在癌症肿瘤的治疗方面起到积极意义。当高直链淀粉羧甲基钠的取代度为0.1~0.2时可用作药物的赋形剂，对药物控释良好。此外医药中还常被用作为片剂、医用手套润滑剂等。改性淀粉在医药方面意义重大，随着技术的进步，其应用价值和前景值得期待。

2.3 黏合剂行业

在日益倡导绿色环保的今天，淀粉基黏合剂越来越受到人们关注，由于传统的三醛胶普遍存在甲醛VOC排量放较大，对环境污染严重，因此淀粉基黏合剂的研究与开发迫在眉睫。淀粉胶黏剂具有原材料淀粉来源广泛、价格低廉、天然无刺激等特点，已成为传统合成树脂胶黏剂的一种理想替代产品，但由于其存在耐水性较差、固含量较低等缺陷，并没有被广泛使用，但随着对其改性机制的研究不断深入[7]，相信在未来一定会得到综合性能良好的黏合剂产品。

2.4 造纸行业

天然淀粉来源广泛，价格低廉，对环境污染小且具有和纤维类似的结构，因此被广泛应用于造纸行业[8]。改性后的天然淀粉能赋予纸张优良的性能，例如改善表面纹理，提高纸张强度等。据文献报道磷酸酯淀粉可用于纸页表面施胶，能够改善纸张的平滑度，提高成膜性能，并且淀粉改性填料与纤维的黏结性和接触性较好，粒径较大，研究表明当在纸张配料中添加量为10%时，可使纸张强度提高约15%。

综上所述，改性天然淀粉在食品、医药、黏合剂、造纸等行业的应用广泛，不仅如此在制革、纺织印染、铸造业和水处理等方面也有应用，是众多工业的辅助原料。

3 结束语

随着人类文明的发展历程，天然淀粉一直被广泛应用于生产生活中。近年来，随着科技的不断发展，改性天然淀粉不断成为人们的主要研究对象，由于改性后的天然淀粉在各个方面的性能均有较大的改善，因此被广泛应用于当今社会食品、医药、黏合剂、造纸等行业，随着材料行业的不断进步，改性天然淀粉的性能也将越来越优异。通过对天然淀粉改性机的详细阐释，可以看出各种改性方法都有一定缺陷，相信随着人们对材料需求的不断提升，各种新型技术和设备也将浮现，定会开辟改性淀粉综合利用的新领域，届时新型的改性技术将会使改性淀粉有更加广阔的应用前景。