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天然淀粉由于溶解度低、透明度差、易老化等缺點使其在食品和其他工業(yè)上的應用受到了極大限制。因此必須采用不同的技術手段對淀粉進行改性處理以改善其加工操作性能,擴大淀粉的應用范圍。淀粉改性是指在淀粉固有特性的基礎上,利用加熱、酸、堿、氧化劑以及具有各種官能團的有機反應試劑改變淀粉的天然性質,增強某些機能或引進新的特性。淀粉改性包括物理改性、化學改性、酶改性和復合改性,隨著高新技術的飛速發(fā)展,新型的物理改性手段層出不窮。

等離子一詞最初由美國物理學家歐文朗繆爾于1928年引入。隨著固體到液體到氣體并最終到等離子體能級的增加,等離子體通常被稱為第四物質狀態(tài)。等離子體是一種電離氣體,含有各種各樣的活性粒子,如電子、正離子和負離子、自由基、原子、激發(fā)或非激發(fā)分子,它們具有足夠的能量來破壞共價鍵并引發(fā)一些反應,形成揮發(fā)性化合物。等離子體中正離子和負離子的數(shù)量相等,是一種準中性氣體,通過兩個電極之間恒定(直流電場)或交替振幅(通常是高頻場)的電場放電使氣體電離產(chǎn)生。等離子體可以通過使用各種形式的能量來產(chǎn)生,例如熱、磁場或電場以及微波或射頻,這些能量增加了粒子的動能和碰撞次數(shù),導致等離子的形成。

等離子體有多種分類,表1-1簡單介紹了等離子種類,包括熱力學性質、溫度及應用范圍。目前學術界通常把等離子體歸為以下三類:熱等離子體,放電所需要的能量較大氣壓下產(chǎn)生大,整體呈高溫狀;當電子溫度在10⁸~10⁹K時,即為高溫等離子體,如熱核聚變時的等離子體;隨著電子溫度降低到10²~10⁵K時,即為低溫等離子體,如介質阻擋放電等離子體。本文研究的為低溫等離子體,雖然離子溫度比較低,但是電子溫度卻很高(>104^K),由于非電子的溫度很低,因而整體呈低溫狀態(tài),所以低溫等離子體也叫非熱平衡等離子體。

表1-1 等離子體分類 

等離子體處理技術在淀粉領域中的應用

隨著等離子技術的發(fā)展,其在淀粉領域的研究內容越來越豐富,通過與反應物種的相互作用,等離子體處理也是一種適合應用于淀粉研究的技術。

等離子體技術作為一種新興的綠色技術,在淀粉領域中應用最廣泛的是淀粉改性,不需要添加化學劑及催化劑,由等離子體產(chǎn)生過程中形成的自由基和高能電子誘導化學變化,如含氧基團的交聯(lián)或接枝、淀粉鏈的解聚以及新官能團的形成。由于交聯(lián)反應伴隨著脫水,水分子分解形成的羥基(?OH)和氧氣存在條件下等離子體產(chǎn)生過程中形成的羥基(?OH)會裂解糖苷鍵,在兩條聚合鏈(C-OH)的還原端之間發(fā)生裂解并在這兩條鏈之間形成新的C-O-C鍵,與其他葡萄糖分子位點相比,C-2位點最容易發(fā)生交聯(lián)。高能等離子體的轟擊引起淀粉分子直鏈淀粉和支鏈淀粉側鏈的解聚,產(chǎn)生較小的碎片,即使在低能量水平下也可能導致小的解聚程度。在等離子體產(chǎn)生過程中存在的氧導致?OH和O3的形成,臭氧會破壞C2-C3之間的鍵,導致糖苷鍵解聚。等離子體僅僅利用非平衡等離子體作為引發(fā)化學反應的能源,合成支鏈高分子或者氣體電離后引入相應的基團得以改性,賦予淀粉新的功能。