CC BY
90
Стабилизация физико-химических свойств крахмала путём окислительной модификации Шарипов М. С.
Шарипов Музафар Самандарович /Sharipov Muzafar Samandarovich - кандидат технических наук, доцент,
кафедра химии,
Бухарский государственный университет, г. Бухара, Республика Узбекистан
Аннотация: изучено изменение физико-химических свойств крахмала при окисленной модификации его с хлоратом натрия в щелочной среде. Установлено что свойством и содержанием амилозы определяется стабильность клейстеров окисленного крахмала.
Abstract: the changing of physic-chemical properties of starch result of its oxidizing modification by chlorate of sodium on the alkali medium is studied. It’s destination that the stability of the solution of oxidizing starch characterized by properties and quantity of amylase.
Ключевые слова: крахмал, окисление, стабильность, модифицирование, амилоза.
Keywords: starch, oxidation, stability, modification, amylose.
Среди многочисленных способов модифицирования структуры и свойств полимеров, химическая модификация занимает особое место. Как путь создания материалов с улучшенным комплексом свойств этот способ получит развитие и в дальнейшем. И успехи в этой области, в первую очередь, должны быть связаны с физико-химическим подходом к оценке и обобщению уже существующего обширного экспериментального и теоретического материала с точки зрения полимерной природы реагирующих частиц, т. е. в таких условиях, где важную роль начинают играть межмолекулярные взаимодействия, конкуренция между внутримолекулярными и межмолекулярными превращениями, где необходимо учитывать реальные форму и размеры макромолекулярных клубков и разного рода конформационные и надмолекулярные эффекты. В настоящее время этот подход только начинает формироваться.
Отмечая важность физико-химического подхода, вместе с тем следует отметить, что успехи этого направления во многом связаны с решением ряда задач технологического характера. Представляется заманчивым проведение химической модификации, как это делается в случае ее структурного варианта, непосредственно на стадии переработки полимеризата. Однако, если учесть, что резкие изменения в структуре и свойствах полимеров, особенно кристаллических, происходят при наличии уже небольшого числа фрагментов инородной структуры, то можно полагать, что даже малая разнозвенность исходных полимеров, получаемая в результате неоднозначного протекания процессов полимеризации и полимераналогичных превращений, может быть полезна при получении модифицированных продуктов с необходимыми свойствами.
Достижения в этой области отражены в многочисленных публикациях, в том числе - в обстоятельных обзорах и монографиях [1, 2]. Способность к разрушению углерод-углеродных связей полимера глубоко не изучалась. Дезактивация таких потенционально-активных центров распада макромолекул с помощью химически активных соединений типа окислителей вместе с достижением ряда специфических свойств может привести к высоким эффектам стабилизации.
Для решения поставленных в настоящем исследовании задач, в качестве объекта использовались рисовый крахмал и полученные нами его окисленные производные. Как известно, при модификации крахмала сильными окислителями, в зависимости от типа используемого окислителя, гидроксильные группы 6-атома углерода окисляются даже до карбоксильных групп. В эти реакции вступает и амилоза, и амилопектин, но введение карбоксильных или карбонильных групп в цепочках амилозы - является главным фактором в сокращении к ретроградации и гелеобразования [3].
В процессе заваривания крахмала линейные молекулы амилозы выходят из объема гранулы, равномерно распределяются по всему объему раствора и связывают влагу, придавая определенную вязкость. В крахмале ассоциация амилозы и их деградация (выделением воды) превышает синерезис, и поэтому модифицирование целесообразно для длительного хранения [4].
Результаты проведенных нами микроскопических исследований [5], с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (Jeol ISM 5400), показали, что очень заметных и серьезных повреждений крахмальных зерен при обработке в эксперименте не происходит (Рис. 1).
A
Б
В
Г
Рис.1. Электронные микрофотографии гранул (нативного (А) и окисленного (Б-Г) крахмала риса (с=30 %) (при введении
окислителя 0,12 % (Б-35°С), 0,13 % (В-40 °С) и 0,15 % (Г-50°С), к сухому весу крахмала)
Активирующее действие окислителя подтверждается микроскопическими наблюдениями; видно, что по мере увеличения концентрации окислителя в растворе и температуры реакционной смеси, зерна крахмала претерпевают все большие изменения, они постепенно теряют сферическую форму, в них появляются и развиваются углубления, складки, изломы.
Появление полярных групп, принадлежащих продуктам окисления крахмала и его органических примесей, на поверхности крахмальных зерен обусловливает увеличение адгезии между ними при формировании структуры геля [6]. В результате химической модификации наблюдаются изменения и в реологическом поведении клейстеров, заваренных из обработанных суспензий. При выдерживании такого клейстера после заварки в состоянии покоя образуется флуктуационная физическая сетка геля, прочность структуры которого, а точнее, сила адгезионного сцепления между зернами, характеризуется значением предельного напряжения сдвига (тт).
Таблица 1. Зависимость свойств суспензий и выделенного из них модифицированного крахмала от продолжительности
химической обработки
Время модифика ции, мин. Суспензия Влагопогло шение сухого модифициро ванного крахмала, % Реология 5 % клейстеров
Нативный крахмал Темпер атура клейст еризац ии, 0С Колл оид- ная фрак ция, D400 рН Водо- раство- римая фракция, % nmax, Па-с Tt, Па-10-1
(76-81) 0,176 6,52 13,8 13,8 14,1 650
30 (74-79) 0,162 6,38 17,9 19,7 13,2 620
60 (71-75) 0,122 6,17 32,5 32,6 11,7 510
90 (69-73) 0,093 5,84 54,6 47,8 8,5 390
120 (67-70) 0,078 5,36 61,3 66,4 6,7 260
Как видим из таблицы, Tt у гелей из обработанных суспензий возрастает с увеличением времени обработки крахмальных суспензий модификаторами. На изменение поверхностных свойств указывает также закономерный рост кислотности и влагопоглощения крахмала, полученного высушиванием химически модифицированных суспензий.
Гидрогели клейстера окисленного рисового крахмала представляет волокнистую реологию, подобно клейстеру окисленного крахмала кукурузы. Крахмальные гидрогели являются типичным примером систем, проявляющих свойства неньютоновской жидкости. Влияние концентрации в этом процессе показано на Рисунке 2.
Рис. 2. Охлажденные гидрогели окисленного (нижний ряд) и нативного (верхний ряд) рисового крахмала (полученные из 5, 6, 7 % -ных клейстеров)
В горячих состояниях паста нативного крахмала была полностью прозрачна, но в холодных состояниях паста была весьма непрозрачна. Однако пасты модифицированного крахмала в обоих состояниях были прозрачны.
Из выше сказанного видно, что крахмал представляет собой чрезвычайно сложную систему. Состав и структура такой системы в конечном итоге определяют свойства материалов на основе крахмала.
Литература
1. BeMiller J. N. and Whistler R. L. Starch: Chemistry and Technology, Academic Press, London, UK, 2009. 894
P2. Гамин Д. С. Общий обзор крахмалопаточной отрасли РФ и мирового производства и продуктов его переработки. // Вестник СамГУ. 2007. № 5/2 (55) С. 252-260.
3. Kesselmans R. P. W., Bleeker I. P. Oxidation of starch. Patent US6822091, 2004.
4. Tomasik P., Schilling C. H. Chemical modification of starch. // Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, 2004, vol. 59, pp. 175-403.
5. Шарипов М. С., Ниёзов Э. Д., Олимов Б. Б., Амонов М. Р. Изучение структурных изменений в процессе окисления рисового крахмала хлоратом натрия. // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы химии природных соединений», Ташкент, 2015. - С. 236.
6. Lukasiewicz M., Bednarz S. and Ptaszek A. Environmental friendly polysaccharide modification - microwave -assisted oxidation of starch. // Starch-Starke, 2011, vol. 63. no. 5, pp. 268-273.
