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長鏈脂肪酸淀粉酯
長鏈脂肪酸淀粉酯

長鏈脂肪酸淀粉酯(LFES),一般指脂肪鏈在C8以上的脂肪酸淀粉脂,是變性淀粉的一種重要類型,在淀粉引入長鏈脂肪酸,使長鏈脂肪酸淀粉酯具有很好的親油性,從而有很好的表面活性。長鏈脂肪酸淀粉酯外觀呈白色或微黃色粉具有特殊的熱塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性等性質,其乳化性及乳化穩定性高于原淀粉,應用于食品、紡織、化妝品、醫藥等行業。

長鏈脂肪酸淀粉酯基本參數

產品名稱長鏈脂肪酸淀粉酯英文名稱LFES
產品性狀色或微黃色粉末制備工藝化學法、酶法、物理法等
性質親油性、表面活性應用食品、紡織、化妝品、醫藥

長鏈脂肪酸淀粉酯的理化性質

一般情況下,長鏈脂肪酸淀粉酯外觀仍同原淀粉相似,多呈白色或微黃色粉狀。其溶解性受很多因素影響:脂肪酰基的量、淀粉的降解性、淀粉酯的聚合度、淀粉的類型、溶劑的性質以及溫度等。

長鏈脂肪酸淀粉酯的吸水能力和持水時間均劣于原淀粉,而且隨鏈長度的增加其吸水量減少,這是由于短脂肪鏈不能將淀粉分子上的羥基有效地包圍,致使其親水性強于長鏈的長鏈脂肪酸淀粉酯。

高取代長鏈脂肪酸淀粉酯一般只有一個可測定的玻璃轉化溫度(Tg),并且Tg隨脂肪酸鏈長增加而降低,熔融溫度(Tm)下降甚全完全消失。長鏈脂肪酸淀粉酯熱穩定性較原淀粉要好,并且隨碳鏈長度和取代度的增加而提高,最高分解溫度可達330℃以上。

長脂肪鏈有內增塑作用,由于大量塑性脂肪鏈的引入,高取代的長鏈脂肪酸淀粉酯表現為抗張強度差而膜斷裂伸長率較高,且長鏈脂肪酸淀粉酯膜的斷裂伸長率還會隨脂肪鏈的長度和取代度的增加而增加,但它的抗張強度則會降低。

長鏈脂肪酸淀粉酯的制備方法

長鏈脂肪酸淀粉酯的合成主要有化學法、酶法、物理法,不同方法的工藝條件,適用范圍有所不同。其中化學法研究比較早,且廣泛應用于各類脂肪酸淀粉酯的合成。與化學法相比脂肪酶催化合成淀粉酯反應過程無有毒溶劑,不污染環境。物理法主要以擠壓法和滾筒法為主,微波法近年來也應用于長鏈淀粉酯的合成。

化學法

化學法包括有機溶劑法,水媒法,熔融法。溶劑法是二甲基甲酰胺等有機溶劑在堿性催化劑存在下進行酯化反應反應,適合于制備各種酯化度不同的淀粉脂肪酸酯,但該法需要使用較大量的有機溶劑,回收成本較高。熔融法對溫度、壓力很高,反應不易控制。水媒法合成工藝簡單易控制,不需使用大量有機溶劑,生產成本較低,但使用的范圍有限。

1、將玉米淀粉與二甲基亞砜在70℃混合3h,再加入硬脂酸乙烯酯或月桂酸乙烯酯,利用碳酸鈉作為催化劑,110℃下反應24h,最后合成硬脂酸淀粉酯和月桂酸淀粉酯。

2、將淀粉與辛酰氯在有機溶劑中反應制備了不同取代度的淀粉辛酸酯,并對其乳化性能進行了研究。

酶法

酶法合成長鏈脂肪酸淀粉酯主要利用脂肪酶

1、利用淀粉與癸酸在脂肪酶(來自米曲霉)作用下合成癸酸淀粉酯。首先將淀粉與磷酸鈉緩沖溶液混合(40%,w/v),置于50mL圓底燒瓶中,90℃反應1h。冷卻到50℃后,加入脂肪酶溶液(0.5mL·g-1淀粉),最后加入0.5g癸酸,攪拌混合液,進行反應。混合液經沉淀,洗滌,干燥后得癸酸淀粉酯。

2、利用胰脂肪酶合成不同碳鏈長度的脂肪酸玉米淀粉酯,并對溶劑、溫度對淀粉酯的影響和淀粉酯的結構進行了研究。

物理法

1、將硬脂酸與鹽酸的混合液與淀粉混合,經過螺桿擠壓機,進行淀粉酯的合成。

2、利用滾筒干燥技術合成了硬脂酸大米淀粉酯。

3、以玉米淀粉為原料,油酸為酯化劑,在微波條件下合成油酸玉米淀粉酯,著重研究了油酸玉米淀粉酯的透明度、抗凝沉性和乳化性等性質。

4、利用微波法合成硬脂酸淀粉酯,并對硬脂酸玉米淀粉酯的性質進行了深入研究。

與其他方法相比,微波法的優勢在于反應過程中酸解和酯化同時進行,大大縮短了反應時間,提高了反應效率。

經長鏈脂肪酸酯化后的淀粉大大改進了原淀粉的性能,粘度較低、透明度較高、抗凝沉性好。淀粉由于長鏈脂肪酸的引入使其具有很好的親油性,從而有很好的表面活性。其乳化性及乳化穩定性高于原淀粉。長鏈脂肪酸淀粉酯的吸水能力和持水時間低于原淀粉,高取代的長鏈脂肪酸淀粉酯抗張強度差而膜斷裂伸長率較高,且隨脂肪鏈的長度和取代度的增加而增加,但它的抗張強度則會降低。

長鏈脂肪酸淀粉酯在食品工業中主要作為乳化劑,增稠劑、凝膠穩定劑等,可應用于諸如低脂冰淇淋、色拉調味料、焙烤食品、奶酪、酸奶等食品中。還可代替原淀粉用于紡織業,其上漿率比原淀粉高;作為乳化劑、懸浮劑、洗滌劑等應用于化妝品行業;可應用于生物可降解材料的合成;可以作為藥物的基質載體和保健性食品中的有效成分。

長鏈脂肪酸淀粉酯的合成方法

長鏈脂肪酸淀粉酯的合成方法按加工條件的不同可分為有機溶劑法、水媒法、熔融法。

有機溶劑法:以惰性有機溶劑(N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、甲苯等)作為反應介質,在堿性催化劑作用下實現均相反應,可以制各取代度不同的長鏈脂肪酸淀粉酯。由于使用了有毒的有機溶劑,制備的產品在應用時受到一定的限制。

熔融法:在高溫高壓下使淀粉與酯化劑直接反應,此法的優點是雖反應速度較快,但工藝條件不易控制,且產品的成本較高。

水媒法:在水中使脂眆酸甲酯和淀粉混合均勻,然后升溫,不斷將水蒸除,以利于淀粉酯的生成。該法雖不使用有機溶劑,成本最低,但對反應物有特殊要求,只適用于脂肪酸甲酯與淀粉的反應。按酯化劑的不同,長鏈脂肪酸淀粉酯的合成方法還可分為酸法、氯法和交換法。

酸酐法

以脂肪酸酐為酯化劑時,在堿性催化劑作用下,酸酐鍵被打開,其中一端以酯鍵與淀粉分子中羥基相結合,另一端則產生一個羧酸,整個反應體系的pH值隨反應的進行而下降。在反應過程中需不斷加入堿液中和產生的羧酸,以維持反應體系的堿性環境,使反應向有利于酯化反應的方向進行。

酰氯法

脂肪酰氯可以在有機溶劑中以吡啶為催化劑直接與淀粉的羥基進行反應。由于長鏈脂肪酸結構的影響,其他形式的脂化劑不易與淀粉發生酯化反應,通過該法可以制備取代度較高的長鏈脂肪酸淀粉酯。

酯交換法

酯交換法使用接近于天然的脂肪酸中為酯化劑,在堿性條件下,由脂肪酸甲酯和淀粉生成長鏈脂肪酸淀粉酯的反應是殺核取代反應,可以看出,為使反應持續進行,必須增加催化劑與淀粉的碰撞概率,使生成的活性中心ST-O-增加。淀粉經過酸水解形成水解淀粉后,分子鏈變短,但淀粉的結晶結構并未完全破壞,分子內、分子間的氫鍵依然存在,催化劑難以進入結晶區。只有使淀粉充分溶脹后,催化劑、酯化劑才能夠與淀粉分子接觸,實現酯化反應。

其他方法

有人直接將硬脂酸和淀粉混合,在酸性條件下使淀粉部分水解后,高溫、高壓下反應一定時間,制備了硬脂酸淀粉酯,但是取代度相對較低。

表征方法

長鏈脂肪酸淀粉酯的各種性質取決于取代度、脂肪鏈飽和度與碳鏈長度及直鏈/支鏈淀粉之比(Ap/Am)等。目前測定取代度的方法主要采用元素分析法、高分辨核磁共振方法。元素分析法是通過測定樣品中C、H、O等元素的百分含量,然后與各理論取代度的樣品中C的含量進行對照,以確定樣品的取代度。

長鏈脂肪酸淀粉酯的應用

長鏈脂肪酸淀粉酯在食品中的應用

長鏈脂肪酸淀粉酯在食品工業中主要作為食品添加劑,增稠劑、凝膠穩定劑等,可應用于諸如低脂冰淇淋、色拉調味料、焙烤食品、奶酪、酸奶等食品中。將硬脂酸玉米淀粉酯替代氫化油應用在低脂植脂奶油中,經感觀評定和流變學性質測定發現:用部分硬脂酸淀粉酯制得的產品與標準樣品相比,流變學性質相似,但是光澤度好,沒有油膩感。用低取代度的硬脂酸淀粉配成3%的漿液糊化后冷凍,形成類脂肪質構的光滑而有彈性的凝膠,口感細膩,使用方便,在反復冷凍-解凍下仍有較好的穩定性。

長鏈脂肪酸淀粉酯在紡織業中的應用

低取代度的長鏈脂肪酸淀粉酯的外觀和形狀與原淀粉相同,由于引入了疏水性酯基,能夠增加對合成纖維的黏結力,形成的漿膜柔韌,耐彎曲,穩定性強,透明度好。用辛烯基琥珀酸淀粉酯與潤滑油混合進行輕紗上漿,能提高紡織性能和上漿能力,上漿效率比原淀粉高1%-3%,辛烯基琥珀酸淀粉酯與乳化劑、大豆油等配成的漿料對玻璃纖維上漿后發現,玻璃纖維的移動阻滯力和玻璃纖維的完整性有了很大的改善。

長鏈脂肪酸淀粉酯在化妝品中的應用

由于長鏈脂肪酸淀粉酯具有很好的乳化性、起泡能力、泡沫穩定性和黏稠性,在化妝品中主要作為乳化劑、懸浮劑、洗滌劑等來使用,可使化妝品在其特定的黏度下有好的穩定性,以防止乳化分子和粉末發生分離。辛烯基琥珀酸淀粉酯在化妝品中可用做基材,它配制的化妝品滑膩、觸感好、對皮膚無刺激。

長鏈脂肪酸淀粉酯在生物降解性材料中的應用

美國專利指出長鏈脂肪酸淀粉酯可替代石油化工產品,作為熱熔性黏結劑和包裝材料的主要成分,同時長鏈脂肪酸淀粉酯還可作為藥物、肥料的緩釋劑,以實現對藥物和肥料釋放的控制。另外,長鏈脂肪酸淀粉酯作為聚乙烯塑料的內增塑劑,與低密度聚苯乙烯混合擠出后,成為一種可生物降解的熱塑性材料,可通過調節聚合物中淀粉酯的含量,改善聚乙烯料的耐熱、機械和降解性能。

長鏈脂肪酸淀粉酯在醫藥中的應用

烯基琥珀酸淀粉酯在醫藥中應用較多,可以作為藥物的基質載體和保健性食品中的有效成分。將辛烯基和十二烯基琥珀酸淀粉酯(作為一種增塑劑)加入到一種新的包裝聚合物后,對聚合物形成的膜進行了研究。研究發現:淀粉酯的引入使得聚合物形成的膜塑性增加、滲透性低,具有很好的力學性能。辛烯基琥珀酸淀粉酯作為微膠囊壁材優于β-環糊精、明膠等常用壁材,其中辛烯基琥珀酸淀粉酯效果最好。

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