低共熔溶劑中玉米淀粉的酯化研究

王士芳，黃芷怡，馬欣馳，李研，黃嘉偉，劉昆

（合肥工業(yè)大學化學與化工學院，安徽合肥230009）

作為一種重要的天然高分子材料，淀粉的防水性（Water Resistance）較差，嚴重限制其應用[1-2]。淀粉的酯化是一種能夠有效提高其防水性的方法。在淀粉酯化改性中，淀粉葡萄糖單元上的羥基被酯基取代，削弱了分子間氫鍵；同時，淀粉側鏈的長度增加導致疏水性能和熱塑性明顯提高[3]。一般的淀粉酯化中，采用水或者有機溶劑如DMSO、DMF等作為反應溶劑/介質，但是存在廢水難以回收、溶劑有毒有害等問題。為此，近年來有研究者采用離子液體（Ionic Liquid，簡稱IL）作為淀粉酯化的溶劑/介質[4-5]。新溶劑消除了廢水的產(chǎn)生，簡化了產(chǎn)品分離和溶劑的回收，但離子液體本身卻具有制備困難、成本高昂、有毒有害等缺點。與離子液體類似的低共熔溶劑（Deep Eutectic Solvent，簡稱DES）可能是一種更好的選擇。

低共熔溶劑是指基于氫鍵作用的低共熔現(xiàn)象形成的溶劑。低共熔溶劑由氫鍵給予體和氫鍵接受體組成，具有蒸汽壓低、無毒性、可生物降解、溶解性和導電性優(yōu)良、電化學穩(wěn)定窗口寬等獨特的物理化學性質，廣泛應用于有機合成、分離過程、電化學、功能材料和納米材料等領域[6]。近年來，低共熔溶劑中的生物酶催化反應正在成為研究熱點。Gorke等最早研究了DES中酶催化反應，他們考查了添加氯化膽堿-尿素低共熔溶劑的緩沖溶液中不同水解酶的反應活性，并發(fā)現(xiàn)相比于緩沖溶液水解酶的活性提高約了20倍[7]。Nian和Cao等報道了低共熔溶劑中CALB脂肪酶催化制備脂肪氨基酸反應，他們發(fā)現(xiàn)低共熔溶劑和CALB脂肪酶之間存在協(xié)同效應，該協(xié)同效應為低共熔溶劑中生物酶催化淀粉酯化的高產(chǎn)品收率和酯化淀粉的高羥基取代度提供了可能[8]。

本研究以玉米淀粉為原料，酸性較弱的順丁烯二酸酐為酯化劑，脂肪酶Novozym 435為催化劑，探索乙二醇-氯化膽堿低共熔溶劑中酯化反應的取代度，并對酯化淀粉產(chǎn)品進行傅里葉紅外、1H NMR、凝膠滲透色譜、XRD、DSC等表征。

1 實驗部分

1.1 主要材料與儀器

乙二醇，AR，≥99.9%；氯化膽堿，AR，99.0%～100%；玉米淀粉，AR；順丁烯二酸酐，AR；無水乙醇；濃鹽酸，AR；氫氧化鈉，AR，以上均購自國藥。脂肪酶，Novozym 435，丹麥諾維信Novozymes。

磁力加熱攪拌器，鄭州科爾；100目過濾篩，九峰篩網(wǎng)；電子天平，鄭州科爾；移液槍，國藥。

1.2 實驗步驟

1.2.1 淀粉糊化與酯化

氯化膽堿和乙二醇精準按摩爾比1∶2，其中氯化膽堿25.9 g，乙二醇23.1 g置于100 mL藍口瓶中，加入攪拌子后在磁力攪拌器中加熱至80℃，約2 h后獲得澄清透明的低共熔溶劑。加入1.0 g干燥后的玉米淀粉，并通過搖晃將淀粉分散在低共熔溶劑中。將油浴鍋溫度設置成100℃，此溫度下攪拌12 h對淀粉進行糊化處理。降溫至40℃后加入脂肪酶Novozym 435 0.23 g和順丁烯二酸酐5.0 g，在溫度60℃、65℃、70℃和75℃下反應6 h。反應結束后趁熱過100目濾篩去除酶，使用3倍溶液體積的無水乙醇洗滌、抽濾，濾紙在50℃真空干燥箱中干燥24 h，獲得干燥的粉狀產(chǎn)品。

1.2.2 順丁烯二酸酐酯化淀粉取代度測定

采用化學滴定法測定淀粉中高級脂肪酸的取代度（DS）[9]。將0.50 g酯化淀粉和20 mL 0.50 mol/L NaOH加入250 mL碘量瓶中，然后將塞子塞緊，磁力攪拌2.5 h，讓淀粉上的高級脂肪酸水解并溶入溶液。去塞，滴酚酞指示劑，之后用0.5 mol/L鹽酸標準溶液進行滴定，使得最后一滴HCl溶液讓試樣變成白色且30 s不變色，記錄稱量的改性淀粉的質量。酯化淀粉的取代率（DS）計算公式如下：

式中：162—淀粉中脫氧葡萄糖苷的摩爾分子質量；V0—加入的NaOH水解溶液的體積，mL；V1-滴定使用的HCl標準溶液的體積，mL；M-高級脂肪酸的摩爾分子質量；cHCL-HCl標準溶液的濃度，mol/L；W-稱量的改性淀粉的質量，g。

1.2.3 順丁烯二酸酐酯化淀粉表征

分別采用傅里葉紅外光譜（美國Thermo Nicolet，iS50）、1H核磁共振波譜（美國安捷VNMRS600）、凝膠色譜分析（美國Waters1515）、X射線光譜（日本理學，Bruker-AXS D8 Discover）、差熱示差掃描電鏡（美國TA，Q2000）和掃描電鏡（日本日立，SU8020）對產(chǎn)品順丁烯二酸酐酯化淀粉相關性質進行表征。

2 結果與討論

2.1 取代度

根據(jù)1.2.2的方法測定了以0.46wt%的脂肪酶Novo?zym 435為催化劑在不同溫度條件下制備的順丁烯二酸酐酯化淀粉的羥基取代度，如表1所示。

表1 酯化淀粉取代度

溫度對合成順丁烯二酸酐酯化淀粉的影響較大。在本實驗范圍內，隨著溫度的升高，產(chǎn)品的取代度增加，反應溫度為75℃時取代度達到最大。在Deng[10]的研究中，70℃時使用長鏈酸作為酯化劑所得酯化淀粉的取代度最高為0.16。而本研究中，70℃時使用酸酐作為酯化劑所得酯化淀粉的取代度最高為0.20。這可歸因于酸酐的酸性相對較弱，脫氧葡萄糖上的羥基較為活化，易于被酯化劑進攻，從而提高了酸酐與淀粉分子中羥基的反應幾率，取代度上升。

2.2 淀粉酯化表征

2.2.1 紅外光譜

圖1顯示了原淀粉和順丁烯二酸酐酯化淀粉樣品的紅外光譜圖。其中，859 cm-1，762 cm-1，575 cm-1處為-CH2-的搖擺振動吸收特征峰，2 923 cm-1對應C-H的伸縮振動吸收特征峰，而3 370 cm-1為-OH的伸縮振動吸收峰。與原淀粉相比，順丁烯二酸酐酯化淀粉在1 729 cm-1出現(xiàn)了新的吸收峰[11]，屬于酯羰基的伸縮振動吸收峰，而在3 370 cm-1處屬于-OH的特征峰消失了[12]，表明-OH參與了反應，與順丁烯二酸酐發(fā)生了酯化反應，生成了順丁烯二酸淀粉酯。

圖1 紅外譜圖：（a）天然淀粉；（b）順丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.2 核磁共振氫譜

圖2顯示了天然淀粉與順丁烯二酸酐酯化淀粉的1H NMR譜圖。其中，3.50 mL/m3和5.60 mL/m3之間的信號屬于脫氧葡萄糖苷上的氫原子[13-14]。在天然淀粉的光譜中出現(xiàn)的5.54峰對應于H-2，5.43峰對應于H-3，3.58峰對應于H-5的化學位移，H-1和OH-6的化學位移分別為5.11和4.61。在改性淀粉的核磁共振氫譜中，在7.19、7.94處出現(xiàn)了新的峰，且積分面積比為1∶1，可歸功于碳碳雙鍵上的氫原子。這就證實了脫氧葡萄糖單元上羥基的氫原子被取代，發(fā)生酯化反應，在改性淀粉上成功接枝了酸酐。

圖2 1H NMR譜圖：（a）天然淀粉；（b）順丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.3 凝膠滲透色譜（GPC）

圖3顯示了天然淀粉和順丁烯二酸酐酯化淀粉的GPC測試結果。其中，原始淀粉的Mw和PDI分別為5.20×106g/mol和1.50，而酯化淀粉的Mw和PDI分別為9.59×106g/mol和1.08。盡管淀粉的酯化可能導致其重均分子量增大，但是如此巨大的分子量增大很有可能是由于原淀粉中中等或小分子量的淀粉降解及其在隨后處理過程中的流失而導致。

圖3 GPC譜圖：（a）天然淀粉；（b）順丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.4 X射線衍射

圖4顯示了天然淀粉和順丁烯二酸酐酯化淀粉的X光衍射譜圖。其中，天然淀粉在2θ角為15°、17°、18°、23°處出現(xiàn)了強烈的反射峰，是典型的B型結晶[15]，同時，酯化淀粉的XRD譜圖中沒有強烈的反射峰，表明其結晶度低于玉米淀粉。這是因為淀粉酯化反應會在淀粉分子主鏈上引入酯基支鏈結構，在一定程度上降低了淀粉結晶的能力；同時，也會削弱分子間的氫鍵，增加淀粉的熱塑性等[16]。

圖4 原淀粉與酯化淀粉的XRD譜圖：（a）天然淀粉；（b）順丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.5 差示掃描量熱儀（DSC）分析

天然淀粉和順丁烯二酸酐酯化淀粉的DSC測試結果如圖5所示。玉米淀粉在118℃左右有很明顯的結晶峰，而酯化淀粉的結晶溫度向低溫移動，同時，玉米淀粉的結晶峰面積大于酯化淀粉。這表明玉米淀粉的結晶度大于酯化淀粉。該現(xiàn)象與前文XRD測試結果一致。

圖5 DSC圖譜：（a）天然淀粉；（b）順丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.6 掃描電鏡（SEM）

對玉米淀粉酯化改性前后的形貌特征進行掃描電鏡觀察，結果如圖6所示。原淀粉顆粒表面光滑，結構致密，顆粒為直徑5～20 μm的圓形和多邊形，且分散性良好。與原淀粉相比，順丁烯二酸酐酯化淀粉在淀粉顆粒間的聚集增加，顆粒尺寸變大，顆粒表面被侵蝕，光滑度降低。這可能是酯化反應已深入到了顆粒內部的結晶區(qū)，破壞了原淀粉晶區(qū)結構。這與XRD和DSC分析的結論一致。

圖6 原淀粉與酯化淀粉的SEM照片

3 結論

本研究成功進行了低共熔溶劑中玉米淀粉和順丁烯二酸酐的酯化反應。酯化淀粉取代度隨著溫度的升高而升高，當反應溫度為75℃時的取代度達到最大，為0.24。紅外光譜和核磁譜圖確定了酯化反應的完成。GPC測試表明酯化淀粉分子量明顯提高。XRD和DSC表明酯化淀粉破壞了淀粉的結晶結構，結晶度降低。掃描電鏡結果表明，酯化反應導致淀粉顆粒表面粗糙，顆粒尺寸增大，并呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。