Крахмал — природный полисахарид, основной запасной углевод растений. Его молекулы состоят из двух полимерных компонентов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой линейный полимер α-D-глюкозы, соединённой α-(1→4)-гликозидными связями. Амилопектин — разветвлённый полимер с α-(1→4)-гликозидными цепями и α-(1→6)-разветвлениями, обеспечивающими его компактную структуру. Пропорция амилозы и амилопектина в крахмале зависит от источника: например, в картофельном крахмале содержание амилозы составляет 20–25%, а в кукурузном — 25–28%.
Молекулы крахмала формируют гранулы различной формы и размера, обладающие специфическим кристаллическим строением. Существует несколько типов кристаллической упаковки: тип A, характерный для злаковых; тип B, типичный для клубневых; тип C, промежуточный тип. Кристаллическая структура влияет на физико-химические свойства, такие как температура желатинизации, водопоглощение и реакционная способность.
Крахмал проявляет уникальные свойства при нагревании в воде. Гелеобразование (желатинизация) происходит при 60–80 °C, когда гранулы крахмала набухают, нарушается кристаллическая структура, и полисахаридные цепи растворяются, образуя вязкий коллоидный раствор. При последующем охлаждении происходит ретроградация, формирование частично кристаллической структуры, сопровождаемое отделением воды и изменением текстуры геля.
Растворимость крахмала в воде ограничена, но она значительно увеличивается при химических модификациях. Натуральный крахмал способен к энзиматическому гидролизу (α-амилаза, β-амилаза, глюкоамилаза), что лежит в основе производства глюкозного сиропа, декстринов и мальтозы.
Модификация крахмала позволяет изменять его физико-химические свойства и расширять области применения. Основные направления:
Крахмал окисляют с помощью гипохлорита или пероксида водорода. Процесс приводит к введению карбонильных и карбоксильных групп в молекулу. Окисленный крахмал обладает улучшенной растворимостью, стабильностью при замораживании и пониженной ретроградацией. Применяется в бумажной, текстильной и пищевой промышленности.
Этерификация включает реакции с органическими кислотами, ангидридами или спиртами. Примеры: ацетилирование (введение ацетильной группы), октенилирование (для эмульгирующих свойств). Этерифицированный крахмал характеризуется повышенной термостойкостью и устойчивостью к кислотам, используется в пищевых стабилизаторах и клеевых составах.
Введение катионных функциональных групп (например, аммониевых) обеспечивает положительный заряд на молекуле, улучшая взаимодействие с отрицательно заряженными частицами. Катионный крахмал активно применяется в бумажной промышленности для улучшения механических свойств бумаги и в качестве флокулянта.
Карбоксилированный крахмал получают окислением с щавелевой кислотой или другими реагентами, вводящими карбоксильные группы. Это повышает гидрофильность, способность к гелеобразованию и вязкость водных растворов.
Химические агенты (например, фосфорные или эпихлоргидриновые соединения) создают поперечные связи между молекулами крахмала. Это повышает термостабильность, устойчивость к кислотам, механическую прочность гелей. Кросслинкованные крахмалы находят применение в промышленной пище, таблеточной фармацевтике и строительных смесях.
Преджелатинизированный крахмал получают путем нагревания и высушивания крахмала с образованием водорастворимых гранул. Используется в пищевой промышленности для быстрого приготовления продуктов, требующих растворимого крахмала.
Уменьшение размера гранул повышает скорость растворения, вязкость и взаимодействие с другими компонентами. Тонкодисперсные крахмальные порошки применяются в косметике, фармацевтике и бумажной промышленности.
Модифицированные крахмалы используются в следующих областях:
Современные исследования сосредоточены на создании биоразлагаемых материалов и функциональных крахмальных композитов с улучшенной механической и термической стабильностью. Особое внимание уделяется наномодификациям и сочетанию крахмала с другими природными полимерами для получения экологически чистых упаковочных материалов и медицинских биоматериалов.