生物质材料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、生物质材料第1页主要内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 纤维素基材料纤维素基材料第三章第三章 木质素木质素第四章第四章 木材木材第五章第五章 淀粉基材料淀粉基材料第六章第六章 甲壳素基材料甲壳素基材料第七章第七章 蛋白质基材料蛋白质基材料第八章第八章 其它生物质材料其它生物质材料 第2页第五章 淀粉基材料目标和要求了解淀粉分布、了解淀粉分布、化学结构化学结构、基本性质基本性质及其主要应用,重点及其主要应用,重点掌握淀粉掌握淀粉化学结构化学结构及及改性改性。内容和关键点5.1 淀粉起源淀粉起源5.2 淀粉结构与性质淀粉结构与性质5.3 淀粉改性及应用淀粉改性及应用5.4 淀粉基材料及应用淀粉
2、基材料及应用第3页5.1 淀粉起源(1)概述淀粉是自然界植物体内存在一个高分子化合物,是绿色植物光合作用产物。淀粉既是食品工业原料,也是基础工业原料。全球淀粉产量约6880万吨,其中玉米淀粉约6100万吨,占总量89%。美国是世界淀粉产量最大国家,产量约2900万吨,其中玉米淀粉约2800万吨;我国居第二位,产量约2500万吨,约占世界淀粉总产量36.3%,其中玉米淀粉产量约2350万吨,约占我国淀粉总产量94%。从当代观点看,淀粉作为一个可由生物合成可再生资源,是取之不尽、用之不竭有机原料,必将愈来愈受到人们重视。第4页5.1 淀粉起源(2)淀粉起源天然淀粉又称原淀粉,其起源是依赖于植物体内
3、天然合成。天然淀粉又称原淀粉,其起源是依赖于植物体内天然合成。就其分布而言,淀粉起源遍布整个自然界,广泛存在于高就其分布而言,淀粉起源遍布整个自然界,广泛存在于高等植物根、块茎、籽粒、髓、果实、叶子等。等植物根、块茎、籽粒、髓、果实、叶子等。淀粉普通按起源可分为:淀粉普通按起源可分为:禾谷类淀粉禾谷类淀粉,主要包含玉米、大,主要包含玉米、大米、大麦、小麦、燕麦和黑麦等;米、大麦、小麦、燕麦和黑麦等;薯类淀粉薯类淀粉,在我国以甘,在我国以甘薯、马铃薯和木薯为主;薯、马铃薯和木薯为主;豆类淀粉豆类淀粉,主要有蚕豆、绿豆、,主要有蚕豆、绿豆、豌豆和赤豆等;豌豆和赤豆等;其它淀粉其它淀粉,在一些植物果
4、实(如香蕉、芭,在一些植物果实(如香蕉、芭蕉、白果等)、基髓(如西米、豆苗、菠萝等)中含有淀蕉、白果等)、基髓(如西米、豆苗、菠萝等)中含有淀粉;另外,一些细菌、藻类中也含有淀粉或糖元。粉;另外,一些细菌、藻类中也含有淀粉或糖元。第5页5.1 淀粉起源玉米淀粉玉米属一年生草本玉米属一年生草本植物,又名玉蜀黍,植物,又名玉蜀黍,在世界谷类作物中,在世界谷类作物中,玉米种植面积和总玉米种植面积和总产量仅次于小麦和产量仅次于小麦和水稻而居第三位,水稻而居第三位,平均单产则居首位。平均单产则居首位。我国玉米种植面积我国玉米种植面积占世界种植面积占世界种植面积18%左右,总产量左右,总产量高居世界第二位
5、。高居世界第二位。成份范范围围平均平均值值成份范范围围平均平均值值水分水分淀粉淀粉蛋白蛋白质质脂肪脂肪72364788143.15.716.771.59.914.78灰分灰分纤维纤维糖糖1.13.91.83.51.03.01.422.662.58成份全粒全粒胚乳胚乳胚芽胚芽玉米皮玉米皮玉米冠玉米冠淀粉淀粉蛋白蛋白质质脂肪脂肪糖糖矿矿物物质质7110.34.821.486.49.40.80.60.68.218.834.510.810.17.33.710.30.85.39.13.81.61.6玉米化学成份范围及平均值玉米化学成份范围及平均值%(质量)(质量)玉米籽粒各部位组成玉米籽粒各部位组成%第
6、6页5.1 淀粉起源其它谷类淀粉 小麦淀粉:淀粉含量约小麦淀粉:淀粉含量约55%大米淀粉:淀粉含量大米淀粉:淀粉含量70%80%高粱淀粉:淀粉含量高粱淀粉:淀粉含量65.9%77.4%薯类淀粉 马铃薯:淀粉含量马铃薯:淀粉含量8%29.4%木薯:根内含量木薯:根内含量10%30%甘薯:淀粉含量甘薯:淀粉含量7%27%野生植物淀粉 分布在野生植物果实、种子、块根、鳞茎或根中分布在野生植物果实、种子、块根、鳞茎或根中第7页5.2 淀粉结构与性质(1)淀粉化学结构淀粉是由淀粉是由葡萄糖葡萄糖组成多组成多糖类碳水化合物糖类碳水化合物,化学结构式为,化学结构式为(C6H10O5)n,式中,式中C6H10
7、O5为脱水葡萄糖单位,为脱水葡萄糖单位,n为组成淀为组成淀粉高分子脱水葡萄糖单元数量,即聚合度。粉高分子脱水葡萄糖单元数量,即聚合度。用用热水处理热水处理后,可将淀粉分为两种:一是可溶解,称为后,可将淀粉分为两种:一是可溶解,称为直直链淀粉链淀粉;另一个不溶解,称为;另一个不溶解,称为支链淀粉支链淀粉。第8页5.2 淀粉结构与性质(2)直链淀粉 直链淀粉分子中直链淀粉分子中脱水葡萄糖结构单元脱水葡萄糖结构单元之间主要经过之间主要经过-D-(1,4)糖苷键糖苷键连接。连接。直链淀粉结构直链淀粉结构第9页5.2 淀粉结构与性质直链淀粉不是完全伸直,直链淀粉不是完全伸直,它分子通常为它分子通常为卷曲
8、螺旋形卷曲螺旋形,每一转有每一转有6个葡萄糖分子。个葡萄糖分子。螺旋内部只有氢原子,羟螺旋内部只有氢原子,羟基位于螺旋外侧。基位于螺旋外侧。直链淀粉螺旋形结构直链淀粉螺旋形结构第10页5.2 淀粉结构与性质直链淀粉大小与淀粉植物起源及淀粉加工方法有直接关系。直链淀粉大小与淀粉植物起源及淀粉加工方法有直接关系。即使是同一个淀粉,其相对分子质量也因采取试验方法不即使是同一个淀粉,其相对分子质量也因采取试验方法不一样而有相当大差异。一样而有相当大差异。直链淀粉聚合度约在直链淀粉聚合度约在1006000之间。之间。自然界中还未发觉完全由直链淀粉组成植物品种,普通品自然界中还未发觉完全由直链淀粉组成植物
9、品种,普通品种淀粉种淀粉多由直链淀粉和支链淀粉共同组成多由直链淀粉和支链淀粉共同组成,少数品种由支,少数品种由支链淀粉组成。链淀粉组成。第11页5.2 淀粉结构与性质(3)支链淀粉支链淀粉是指在其支链淀粉是指在其直链部分仍是由直链部分仍是由-1,4-糖苷键连结糖苷键连结,而,而在其在其分支位置则由分支位置则由-1,6-糖苷键联结糖苷键联结。支链淀粉结构支链淀粉结构第12页5.2 淀粉结构与性质(4)直链淀粉与支链淀粉比较判别:碘显色反应判别:碘显色反应分离:直链淀粉溶于分离:直链淀粉溶于7080热水,支链淀粉则不溶。热水,支链淀粉则不溶。正丁醇结晶沉淀。正丁醇结晶沉淀。直链淀粉与支链淀粉比较直
10、链淀粉与支链淀粉比较项项目目直直链链淀粉淀粉支支链链淀粉淀粉分子形状分子形状直直链链分子分子支支链链分子分子聚合度聚合度100600010003000000尾端基尾端基一端一端为为非非还还原尾端基,另一端原尾端基,另一端为还为还原尾端基原尾端基分子含有一个还原尾端基和许多个非还原尾端基碘着色反碘着色反应应深深蓝蓝色色红红紫色紫色吸附碘量吸附碘量/%1920 1凝沉性凝沉性质质溶液不溶液不稳稳定,凝沉性定,凝沉性强强溶液溶液稳稳定,凝沉性很弱定,凝沉性很弱络络合合结结构构能与极性有机物和碘生成能与极性有机物和碘生成络络合合结结构构不能与极性有机物和碘生成不能与极性有机物和碘生成络络合合结结构构X
11、光衍射分析光衍射分析高度高度结结晶晶无定形无定形乙乙酰酰衍生物衍生物能制成强度很高薄膜制成薄膜很脆弱第13页5.2 淀粉结构与性质(5)淀粉颗粒结构玉米淀粉颗粒(光学显微镜)玉米淀粉颗粒(光学显微镜)玉米淀粉颗粒(扫描电子显微镜)玉米淀粉颗粒(扫描电子显微镜)第14页5.2 淀粉结构与性质(6)淀粉结晶结构淀粉含有半结晶性质,它结晶度不高,而且其结晶度与其淀粉含有半结晶性质,它结晶度不高,而且其结晶度与其起源有亲密关系。起源有亲密关系。结晶结构占颗粒体积结晶结构占颗粒体积25%50%,其余为无定形结构。,其余为无定形结构。淀粉化学反应主要发生在无定形结构区。淀粉化学反应主要发生在无定形结构区。
12、淀粉结晶区和无定形区并无明确界限,其改变是渐进。淀粉结晶区和无定形区并无明确界限,其改变是渐进。第15页5.2 淀粉结构与性质(7)淀粉物理性状淀粉为白色粉末,含有很强淀粉为白色粉末,含有很强吸湿性吸湿性和和渗透性渗透性,水能够自由,水能够自由地渗透淀粉颗粒内部。地渗透淀粉颗粒内部。淀粉颗粒不溶于普通有机溶剂,但可溶于二甲亚砜。淀粉颗粒不溶于普通有机溶剂,但可溶于二甲亚砜。淀粉热降解温度为淀粉热降解温度为180220。淀粉密度随含水量不一样略有改变。通常干淀粉密度为淀粉密度随含水量不一样略有改变。通常干淀粉密度为1.52g/cm3。淀粉存在着很强淀粉存在着很强分子内分子内和和分子间氢键分子间氢
13、键,因而,因而Tg高于热降解高于热降解温度,无法经过试验得到纯淀粉温度,无法经过试验得到纯淀粉Tg。在淀粉中加入水(甘油等),能够显著降低在淀粉中加入水(甘油等),能够显著降低Tg,水对淀粉,水对淀粉含有很好增塑作用。含有很好增塑作用。第16页5.2 淀粉结构与性质(8)淀粉胶体化学性质淀粉高分子结构中含有许多淀粉高分子结构中含有许多羟基羟基,但淀粉颗粒却不溶于水,但淀粉颗粒却不溶于水,这是因为羟基经过这是因为羟基经过氢键氢键连接在一起,这也是淀粉颗粒能够连接在一起,这也是淀粉颗粒能够在植物体内大量存在主要原因。在植物体内大量存在主要原因。将淀粉倒入冷水中,经搅拌能够得到乳白色、不透明悬浮将淀
14、粉倒入冷水中,经搅拌能够得到乳白色、不透明悬浮液,停顿搅拌淀粉就慢慢沉淀;而将淀粉倒入液,停顿搅拌淀粉就慢慢沉淀;而将淀粉倒入热水热水中,淀中,淀粉颗粒受热膨胀,若继续加热,淀粉颗粒高度膨胀,当粉颗粒受热膨胀,若继续加热,淀粉颗粒高度膨胀,当加加热到一定温度热到一定温度时,淀粉变成含有黏性半透明凝胶或胶体溶时,淀粉变成含有黏性半透明凝胶或胶体溶液,习惯称为液,习惯称为淀粉糊淀粉糊,这种现象称为,这种现象称为糊化糊化。第17页5.2 淀粉结构与性质淀粉深加工玉米淀粉深加工工业化产品玉米淀粉深加工工业化产品第18页5.3 淀粉改性及应用(1)淀粉变性天然淀粉及其悬浮液在加热时所表现出来许多性质限制
15、了它天然淀粉及其悬浮液在加热时所表现出来许多性质限制了它应用。其缺点主要包含以下几个方面:应用。其缺点主要包含以下几个方面:1)缺乏流动性或淀粉颗粒斥水性;)缺乏流动性或淀粉颗粒斥水性;2)冷水中不溶性、不膨胀性及黏度不扩展性;)冷水中不溶性、不膨胀性及黏度不扩展性;3)烧煮后黏度过高或不易控制;)烧煮后黏度过高或不易控制;4)烧煮后形成胶黏体或类似橡胶体;)烧煮后形成胶黏体或类似橡胶体;5)在剪切力作用下或在较低)在剪切力作用下或在较低pH环境中,伴随烧煮时间延长对环境中,伴随烧煮时间延长对破坏更敏感;破坏更敏感;6)淀粉溶液缺乏透明性,冷却时有变浑浊及形成凝胶倾向。)淀粉溶液缺乏透明性,冷
16、却时有变浑浊及形成凝胶倾向。第19页5.3 淀粉改性及应用变性淀粉变性淀粉变性淀粉(改性淀粉或淀粉衍生物):天然淀粉经物理、(改性淀粉或淀粉衍生物):天然淀粉经物理、化学、生物等方法处理改变了淀粉分子中一些化学、生物等方法处理改变了淀粉分子中一些D-吡喃葡萄吡喃葡萄糖单元化学结构,同时也不一样程度地改变了天然淀粉物糖单元化学结构,同时也不一样程度地改变了天然淀粉物理和化学性质,经过这种变性处理淀粉通称为变性淀粉。理和化学性质,经过这种变性处理淀粉通称为变性淀粉。变性淀粉制造加工方法:变性淀粉制造加工方法:物理法物理法(14%)、)、化学法化学法(80%)、)、生物法生物法(6%)改性方法:改性
17、方法:衍生化衍生化、接枝接枝、交联交联 第20页5.3 淀粉改性及应用(2)淀粉衍生化 A、糊化广义上认为经过化学或酶法处理所取得淀粉降解产物均可广义上认为经过化学或酶法处理所取得淀粉降解产物均可称为糊精,但为了区分水解程度高低,通常将称为糊精,但为了区分水解程度高低,通常将局部或部分局部或部分淀粉降解产物淀粉降解产物称为糊精。称为糊精。在糊精生产过程中在糊精生产过程中(糊化)(糊化)发生主要反应是:发生主要反应是:-1,4苷键水苷键水解解;重聚重聚,伴随反应条件不一样重聚反应有可能是,伴随反应条件不一样重聚反应有可能是转苷转苷反反应,也可能是应,也可能是还原还原反应。反应。糊精依据生产工艺和
18、参数不一样通常分为糊精依据生产工艺和参数不一样通常分为白糊精白糊精、黄糊精黄糊精和和大不列颠胶大不列颠胶三种类型。三种类型。第21页5.3 淀粉改性及应用白糊精白糊精是淀粉是淀粉-1,4键断裂后降解产物,相对分子质量较低,键断裂后降解产物,相对分子质量较低,在水中有一定溶解性。在水中有一定溶解性。黄糊精黄糊精是水解和重聚反应综合结果,这两种反应是相继发生。是水解和重聚反应综合结果,这两种反应是相继发生。在重聚反应中将发生在重聚反应中将发生还原还原(醛基与(醛基与C6、C3或或C2上羟基之间反上羟基之间反应)和应)和转苷转苷两种路线。反应条件尤其是水分含量会影响详细两种路线。反应条件尤其是水分含
19、量会影响详细发生哪种反应。还原反应形成发生哪种反应。还原反应形成-1,6、-1,3糖苷键,并放出水糖苷键,并放出水,水可深入诱发水解,产生还原糖。转苷反应是先将,水可深入诱发水解,产生还原糖。转苷反应是先将C-O-C链断裂,再接到水解反应所释放醛基碳上。链断裂,再接到水解反应所释放醛基碳上。将淀粉加热到将淀粉加热到180200,保温,保温20h,不加催化剂或加入少许,不加催化剂或加入少许碱性缓冲物,可降低淀粉水解,得到碱性缓冲物,可降低淀粉水解,得到大不列颠胶大不列颠胶,其溶液冷,其溶液冷却时粘度下降很快,有很好胶体性质。却时粘度下降很快,有很好胶体性质。第22页5.3 淀粉改性及应用淀粉糊化
20、首先要淀粉糊化首先要破坏淀粉团粒结构破坏淀粉团粒结构,造成团粒润胀造成团粒润胀,使淀粉,使淀粉分子进行水合和溶解。分子进行水合和溶解。糊化方式糊化方式J间接加热法间接加热法:最基本淀粉糊化方式,需要加入大量水,并经:最基本淀粉糊化方式,需要加入大量水,并经过蒸煮烘烤等传统加热处理实现糊化。其实质是淀粉和水组过蒸煮烘烤等传统加热处理实现糊化。其实质是淀粉和水组成悬浮液在受热情况下发生一定物理化学改变。成悬浮液在受热情况下发生一定物理化学改变。J通电加热法通电加热法:其特点是升温速率快,加热均匀,无传热面,:其特点是升温速率快,加热均匀,无传热面,也没有传热面污染问题,热效率高(也没有传热面污染问
21、题,热效率高(90%以上),易于连续以上),易于连续操作,能够在较短时间内实现淀粉完全糊化。操作,能够在较短时间内实现淀粉完全糊化。J高压糊化高压糊化:指淀粉:指淀粉-水悬浮液在较高压力下发生糊化。高压糊水悬浮液在较高压力下发生糊化。高压糊化优点在于节约能源。化优点在于节约能源。第23页5.3 淀粉改性及应用糊精性质及应用颗粒结构颗粒结构:仍保留原淀粉颗粒结构,但较高转化度糊精含有:仍保留原淀粉颗粒结构,但较高转化度糊精含有显著结构弱点及外层剥落现象。显著结构弱点及外层剥落现象。色泽色泽:含有一定颜色。:含有一定颜色。溶解度溶解度:白糊精(:白糊精(60%95%),黄糊精(),黄糊精(100%
22、),大不列),大不列颠胶溶解度取决于其转化度,最大可达颠胶溶解度取决于其转化度,最大可达100%。黏度及成膜性黏度及成膜性:黏度较低,在水中含有更高固含量,从而更:黏度较低,在水中含有更高固含量,从而更易成膜并含有更加好粘接能力。易成膜并含有更加好粘接能力。溶液稳定性溶液稳定性:黄糊精:黄糊精大不列颠大不列颠白糊精。添加硼砂或烧碱有白糊精。添加硼砂或烧碱有利于增加糊精稳定性。利于增加糊精稳定性。应用:应用:食品食品、医药、化工、医药、化工、水产饲料水产饲料、石油钻探、铸造、石油钻探、铸造、纺纺织织、造纸、造纸 第24页5.3 淀粉改性及应用 B、氧化改性氧化淀粉:一系列经各种不一样氧化淀粉:一
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