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长链脂肪酸淀粉酯
长链脂肪酸淀粉酯

长链脂肪酸淀粉酯(LFES),一般指脂肪链在C8以上的脂肪酸淀粉脂,是变性淀粉的一种重要类型,在淀粉引入长链脂肪酸,使长链脂肪酸淀粉酯具有很好的亲油性,从而有很好的表面活性。长链脂肪酸淀粉酯外观呈白色或微黄色粉具有特殊的热塑性、疏水性、乳化性和可生物降解性等性质,其乳化性及乳化稳定性高于原淀粉,应用于食品、纺织、化妆品、医药等行业。

长链脂肪酸淀粉酯基本参数

产品名称长链脂肪酸淀粉酯英文名称LFES
产品性状色或微黄色粉末制备工艺化学法、酶法、物理法等
性质亲油性、表面活性应用食品、纺织、化妆品、医药

长链脂肪酸淀粉酯的理化性质

一般情况下,长链脂肪酸淀粉酯外观仍同原淀粉相似,多呈白色或微黄色粉状。其溶解性受很多因素影响:脂肪酰基的量、淀粉的降解性、淀粉酯的聚合度、淀粉的类型、溶剂的性质以及温度等。

长链脂肪酸淀粉酯的吸水能力和持水时间均劣于原淀粉,而且随链长度的增加其吸水量减少,这是由于短脂肪链不能将淀粉分子上的羟基有效地包围,致使其亲水性强于长链的长链脂肪酸淀粉酯。

高取代长链脂肪酸淀粉酯一般只有一个可测定的玻璃转化温度(Tg),并且Tg随脂肪酸链长增加而降低,熔融温度(Tm)下降甚全完全消失。长链脂肪酸淀粉酯热稳定性较原淀粉要好,并且随碳链长度和取代度的增加而提高,最高分解温度可达330℃以上。

长脂肪链有内增塑作用,由于大量塑性脂肪链的引入,高取代的长链脂肪酸淀粉酯表现为抗张强度差而膜断裂伸长率较高,且长链脂肪酸淀粉酯膜的断裂伸长率还会随脂肪链的长度和取代度的增加而增加,但它的抗张强度则会降低。

长链脂肪酸淀粉酯的制备方法

长链脂肪酸淀粉酯的合成主要有化学法、酶法、物理法,不同方法的工艺条件,适用范围有所不同。其中化学法研究比较早,且广泛应用于各类脂肪酸淀粉酯的合成。与化学法相比脂肪酶催化合成淀粉酯反应过程无有毒溶剂,不污染环境。物理法主要以挤压法和滚筒法为主,微波法近年来也应用于长链淀粉酯的合成。

化学法

化学法包括有机溶剂法,水媒法,熔融法。溶剂法是二甲基甲酰胺等有机溶剂在碱性催化剂存在下进行酯化反应反应,适合于制备各种酯化度不同的淀粉脂肪酸酯,但该法需要使用较大量的有机溶剂,回收成本较高。熔融法对温度、压力很高,反应不易控制。水媒法合成工艺简单易控制,不需使用大量有机溶剂,生产成本较低,但使用的范围有限。

1、将玉米淀粉与二甲基亚砜在70℃混合3h,再加入硬脂酸乙烯酯或月桂酸乙烯酯,利用碳酸钠作为催化剂,110℃下反应24h,最后合成硬脂酸淀粉酯和月桂酸淀粉酯。

2、将淀粉与辛酰氯在有机溶剂中反应制备了不同取代度的淀粉辛酸酯,并对其乳化性能进行了研究。

酶法

酶法合成长链脂肪酸淀粉酯主要利用脂肪酶

1、利用淀粉与癸酸在脂肪酶(来自米曲霉)作用下合成癸酸淀粉酯。首先将淀粉与磷酸钠缓冲溶液混合(40%,w/v),置于50mL圆底烧瓶中,90℃反应1h。冷却到50℃后,加入脂肪酶溶液(0.5mL·g-1淀粉),最后加入0.5g癸酸,搅拌混合液,进行反应。混合液经沉淀,洗涤,干燥后得癸酸淀粉酯。

2、利用胰脂肪酶合成不同碳链长度的脂肪酸玉米淀粉酯,并对溶剂、温度对淀粉酯的影响和淀粉酯的结构进行了研究。

物理法

1、将硬脂酸与盐酸的混合液与淀粉混合,经过螺杆挤压机,进行淀粉酯的合成。

2、利用滚筒干燥技术合成了硬脂酸大米淀粉酯。

3、以玉米淀粉为原料,油酸为酯化剂,在微波条件下合成油酸玉米淀粉酯,着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质。

4、利用微波法合成硬脂酸淀粉酯,并对硬脂酸玉米淀粉酯的性质进行了深入研究。

与其他方法相比,微波法的优势在于反应过程中酸解和酯化同时进行,大大缩短了反应时间,提高了反应效率。

经长链脂肪酸酯化后的淀粉大大改进了原淀粉的性能,粘度较低、透明度较高、抗凝沉性好。淀粉由于长链脂肪酸的引入使其具有很好的亲油性,从而有很好的表面活性。其乳化性及乳化稳定性高于原淀粉。长链脂肪酸淀粉酯的吸水能力和持水时间低于原淀粉,高取代的长链脂肪酸淀粉酯抗张强度差而膜断裂伸长率较高,且随脂肪链的长度和取代度的增加而增加,但它的抗张强度则会降低。

长链脂肪酸淀粉酯在食品工业中主要作为乳化剂,增稠剂、凝胶稳定剂等,可应用于诸如低脂冰淇淋、色拉调味料、焙烤食品、奶酪、酸奶等食品中。还可代替原淀粉用于纺织业,其上浆率比原淀粉高;作为乳化剂、悬浮剂、洗涤剂等应用于化妆品行业;可应用于生物可降解材料的合成;可以作为药物的基质载体和保健性食品中的有效成分。

长链脂肪酸淀粉酯的合成方法

长链脂肪酸淀粉酯的合成方法按加工条件的不同可分为有机溶剂法、水媒法、熔融法。

有机溶剂法:以惰性有机溶剂(N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、甲苯等)作为反应介质,在碱性催化剂作用下实现均相反应,可以制各取代度不同的长链脂肪酸淀粉酯。由于使用了有毒的有机溶剂,制备的产品在应用时受到一定的限制。

熔融法:在高温高压下使淀粉与酯化剂直接反应,此法的优点是虽反应速度较快,但工艺条件不易控制,且产品的成本较高。

水媒法:在水中使脂眆酸甲酯和淀粉混合均匀,然后升温,不断将水蒸除,以利于淀粉酯的生成。该法虽不使用有机溶剂,成本最低,但对反应物有特殊要求,只适用于脂肪酸甲酯与淀粉的反应。按酯化剂的不同,长链脂肪酸淀粉酯的合成方法还可分为酸法、氯法和交换法。

酸酐法

以脂肪酸酐为酯化剂时,在碱性催化剂作用下,酸酐键被打开,其中一端以酯键与淀粉分子中羟基相结合,另一端则产生一个羧酸,整个反应体系的pH值随反应的进行而下降。在反应过程中需不断加入碱液中和产生的羧酸,以维持反应体系的碱性环境,使反应向有利于酯化反应的方向进行。

酰氯法

脂肪酰氯可以在有机溶剂中以吡啶为催化剂直接与淀粉的羟基进行反应。由于长链脂肪酸结构的影响,其他形式的脂化剂不易与淀粉发生酯化反应,通过该法可以制备取代度较高的长链脂肪酸淀粉酯。

酯交换法

酯交换法使用接近于天然的脂肪酸中为酯化剂,在碱性条件下,由脂肪酸甲酯和淀粉生成长链脂肪酸淀粉酯的反应是杀核取代反应,可以看出,为使反应持续进行,必须增加催化剂与淀粉的碰撞概率,使生成的活性中心ST-O-增加。淀粉经过酸水解形成水解淀粉后,分子链变短,但淀粉的结晶结构并未完全破坏,分子内、分子间的氢键依然存在,催化剂难以进入结晶区。只有使淀粉充分溶胀后,催化剂、酯化剂才能够与淀粉分子接触,实现酯化反应。

其他方法

有人直接将硬脂酸和淀粉混合,在酸性条件下使淀粉部分水解后,高温、高压下反应一定时间,制备了硬脂酸淀粉酯,但是取代度相对较低。

表征方法

长链脂肪酸淀粉酯的各种性质取决于取代度、脂肪链饱和度与碳链长度及直链/支链淀粉之比(Ap/Am)等。目前测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。元素分析法是通过测定样品中C、H、O等元素的百分含量,然后与各理论取代度的样品中C的含量进行对照,以确定样品的取代度。

长链脂肪酸淀粉酯的应用

长链脂肪酸淀粉酯在食品中的应用

长链脂肪酸淀粉酯在食品工业中主要作为食品添加剂,增稠剂、凝胶稳定剂等,可应用于诸如低脂冰淇淋、色拉调味料、焙烤食品、奶酪、酸奶等食品中。将硬脂酸玉米淀粉酯替代氢化油应用在低脂植脂奶油中,经感观评定和流变学性质测定发现:用部分硬脂酸淀粉酯制得的产品与标准样品相比,流变学性质相似,但是光泽度好,没有油腻感。用低取代度的硬脂酸淀粉配成3%的浆液糊化后冷冻,形成类脂肪质构的光滑而有弹性的凝胶,口感细腻,使用方便,在反复冷冻-解冻下仍有较好的稳定性。

长链脂肪酸淀粉酯在纺织业中的应用

低取代度的长链脂肪酸淀粉酯的外观和形状与原淀粉相同,由于引入了疏水性酯基,能够增加对合成纤维的黏结力,形成的浆膜柔韧,耐弯曲,稳定性强,透明度好。用辛烯基琥珀酸淀粉酯与润滑油混合进行轻纱上浆,能提高纺织性能和上浆能力,上浆效率比原淀粉高1%-3%,辛烯基琥珀酸淀粉酯与乳化剂、大豆油等配成的浆料对玻璃纤维上浆后发现,玻璃纤维的移动阻滞力和玻璃纤维的完整性有了很大的改善。

长链脂肪酸淀粉酯在化妆品中的应用

由于长链脂肪酸淀粉酯具有很好的乳化性、起泡能力、泡沫稳定性和黏稠性,在化妆品中主要作为乳化剂、悬浮剂、洗涤剂等来使用,可使化妆品在其特定的黏度下有好的稳定性,以防止乳化分子和粉末发生分离。辛烯基琥珀酸淀粉酯在化妆品中可用做基材,它配制的化妆品滑腻、触感好、对皮肤无刺激。

长链脂肪酸淀粉酯在生物降解性材料中的应用

美国专利指出长链脂肪酸淀粉酯可替代石油化工产品,作为热熔性黏结剂和包装材料的主要成分,同时长链脂肪酸淀粉酯还可作为药物、肥料的缓释剂,以实现对药物和肥料释放的控制。另外,长链脂肪酸淀粉酯作为聚乙烯塑料的内增塑剂,与低密度聚苯乙烯混合挤出后,成为一种可生物降解的热塑性材料,可通过调节聚合物中淀粉酯的含量,改善聚乙烯料的耐热、机械和降解性能。

长链脂肪酸淀粉酯在医药中的应用

烯基琥珀酸淀粉酯在医药中应用较多,可以作为药物的基质载体和保健性食品中的有效成分。将辛烯基和十二烯基琥珀酸淀粉酯(作为一种增塑剂)加入到一种新的包装聚合物后,对聚合物形成的膜进行了研究。研究发现:淀粉酯的引入使得聚合物形成的膜塑性增加、渗透性低,具有很好的力学性能。辛烯基琥珀酸淀粉酯作为微胶囊壁材优于β-环糊精、明胶等常用壁材,其中辛烯基琥珀酸淀粉酯效果最好。

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