TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化酶解淀粉及其表面施胶

张玉娟 戴红旗 李媛媛 毛圣陶 王晶晶

(南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏南京，210037)

酶解淀粉在造纸工业中的应用始于20世纪70年代，多用于纸张表面施胶［1］。酶解淀粉制备工艺简单、黏度低、保水性好，但成膜后脆性大［2-3］。利用α-淀粉酶可切断淀粉的α-1，4糖苷键而制得高固含量低黏度的改性淀粉。但资料表明，存在酶活性的酶解淀粉不能完全灭活，酶解淀粉胶液产品易滋生细菌、贮存稳定性差等，从而影响酶解淀粉的应用［4-5］。

氧化淀粉是变性淀粉的一种，是重要的化工原料。氧化淀粉较天然淀粉有了极大改进。它具有胶液透明度好、固含量高、黏度低、黏结力强、流动性好等优点，已被广泛应用于纺织、造纸、食品、建筑材料、包装等领域。氧化淀粉多指羧基淀粉，造纸工业中主要将其用作表面施胶剂和涂布胶黏剂。氧化剂的种类颇多，Y.Kato等人［6］提出了一种新的 TEMPO介质氧化多糖的方法，研究了水溶性淀粉在稳定、低于4℃、pH值为10.75的条件下用TEMPO/NaBr/Na-ClO氧化体系进行氧化。氧化产物的13C-NMR谱图表明，原淀粉中与α-1，6糖苷键连接的支链淀粉在氧化过程中几乎都发生断裂，因此，产生大量纯的α-1，4糖苷键连接的聚多糖酸［6-7］。

TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系的特点是对分子链上的伯醇羟基具有选择性氧化作用，而对分子链其他官能团及结构不会产生氧化作用。因此，本研究首先利用α-淀粉酶对玉米原淀粉大分子进行切断，然后经TEMPO氧化体系进行氧化改性。一方面，TEMPO氧化体系可在温和的条件下将淀粉分子的伯醇羟基氧化成羧基，赋予其新的功能基团［8-9］，提高改性淀粉胶液的稳定性、成膜性和韧性;另一方面，TEMPO氧化体系可以对淀粉酶进行比较彻底的灭活，并保持改性淀粉的化学稳定性。

1 实验

1.1 原料

玉米原淀粉(山东平度淀粉厂)、氧化淀粉(广西明阳生化科技有限公司)、高温α-淀粉酶(山东隆大生物工程有限公司)、TEMPO(纯度99%，实验室自制)、原纸(50 g/m2，山鹰纸业股份有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 α-淀粉酶酶活测定

按QB/T 2306—1997标准，用7230G分光光度计测定。

1.2.2 酶解淀粉的制备

称取一定量淀粉配成60%的淀粉悬浮液，加入α-淀粉酶和醋酸钙，用0.1 mol/L的HCl调节pH值至6.0，置于已恒温的四口烧瓶中反应，酶解温度95℃，酶解时间30 min。

1.2.3 TEMPO/NaClO/NaBr体系氧化酶解淀粉

以酶解淀粉胶液为原料，采用TEMPO/NaBr/Na-ClO体系对酶解淀粉进行氧化改性。称取30 g绝干酶解淀粉，NaBr用量为0.01 g/g(文中用量均对绝干淀粉而言)，反应pH值用NaOH调节并维持在10.5左右。采用单因素法分别对TEMPO用量、pH值、反应温度、反应时间和NaClO用量进行实验，反应最后用1 mol/L的HCl调pH值到7.0，然后加10 mL 0.1 mol/L的硫代硫酸钠作为脱氯剂终止反应，得到改性淀粉表面施胶剂。

1.2.4 改性淀粉羧基含量测定

测试方法如下［10］:准确称取样品10 g(绝干)于250 mL烧杯中，加入75 mL 0.1 mol/L HCl，混合并充分搅拌30 min，用布氏漏斗抽滤。过滤出的淀粉用去离子水漂洗至无氯离子为止。将漂洗完的样品转移到250 mL容量瓶中，加入25 mL 0.5 mol/L CaAc2溶液，用去离子水稀释定容，在30 min内不时地摇动容量瓶，然后过滤到干燥的吸滤瓶中。吸取50 mL滤液于250 mL锥形瓶中，用0.05 mol/L NaOH标准溶液滴定到酚酞变色，记录消耗碱液的体积。

羧基含量(%)=50×(V1/m1)×c×0.001×45×100

式中，V1为消耗碱液的体积，mL;m1为样品质量，g;c为NaOH标准溶液浓度，mol/L;45为羧基摩尔质量，g/mol。

1.2.5 表面施胶

配制质量分数为8%的改性淀粉胶液;将商品氧化淀粉在92℃下糊化，保温15 min，同样稀释到质量分数为8%;用这2种淀粉于70℃下分别进行表面施胶［11］。

1.2.6 施胶后纸张性能的测定

将表面施胶后的纸张于恒温恒湿室放置24 h后测其性能。抗张强度、表面强度的测定分别按照TAPPI T494、TAPPI T811方法进行。

2 结果与分析

2.1 淀粉酶解工艺条件的制定

酶法预处理中酶解淀粉的条件为:淀粉质量分数60%，pH值6.0，最适反应温度95℃，醋酸钙用量5 mmol/g，反应时间 30 min，酶用量75 IU/g。

2.2 不同工艺条件对TEMPO/NaBr/NaClO体系氧化淀粉的影响

2.2.1 TEMPO用量对改性淀粉羧基含量的影响

TEMPO用量对改性淀粉羧基含量的影响如图1所示。由图1可知，TEMPO用量达到1.0 mg/g后，产品的羧基含量维持在一个比较稳定的水平。这主要是因为TEMPO是一种稳定的自由基，从氧化反应机理中可以发现TEMPO与NaBr一样都发挥着催化剂的作用，在反应过程中循环使用，但其自身却没有参加反应。另一方面，TEMPO的催化效率极高、专一性好，只需要微量就可以使整个反应维持动态平衡。所以，TEMPO适宜用量为 1.0 mg/g。

2.2.2 pH值对改性淀粉羧基含量的影响

pH 值对改性淀粉羧基含量的影响见图2。由图2可以看出，在pH值为7.5～9.5时羧基含量随pH值的增大而稍有增加，但pH值再升高时，羧基含量反而减少。这是因为在强碱条件下，TEMPO/NaBr/Na-ClO体系的氧化活性更高，氧化选择性下降，在进攻淀粉的葡萄糖单元C6位上的伯羟基的同时，也进攻C2、C3碳原子上游离的仲羟基，从而生成酮基。在中性或弱碱性条件下，TEMPO/NaBr/NaClO体系的氧化活性相对降低，但具有相对较高的选择性，主要进攻空间位阻较小、反应活性较大的C6位上的游离羟基，但C2、C3上的羟基空间位阻较大，氧化体系较难进攻，所以在氧化过程中，C6位上的伯羟基的氧化对反应速率起决定性作用，伯碳原子上的氢更易以质子的形式离去;另外，C6是伯碳原子，而C2、C3是仲碳原子，氧化过程中C6位上的伯羟基被氧化成羧基，C2、C3位上的仲羟基却被氧化成羰基。因此，碱性越强，氧化淀粉中羧基含量越低［9，12］。

另外，碱性条件下伯碳上的氢更易离去，TEMPO易氧化，但反应体系的pH值对反应速率的影响也是很明显的;在强碱条件下，淀粉生成带负电的淀粉钠，其含量随pH值的升高而增加;同时，NaClO主要离解成ClO-，也带有负电荷，相互间的排斥作用影响了氧化反应。所以，TEMPO氧化体系的碱性不能太强，pH值在9.5左右为宜。

2.2.3 温度对改性淀粉羧基含量的影响

由图3可知，随反应温度的升高，在0～5℃范围内，产品的羧基含量有增加趋势;当反应温度达到5℃后，产品的羧基含量不断减少，说明反应温度对TEMPO/NaBr/NaClO体系的氧化能力存在一定的影响。原因是反应温度越高，分子间相对运动速率越快，淀粉分子与次氯酸根离子的有效碰撞几率越大，氧化程度越深，羧基含量也随之增加。但温度继续升高，虽然氧化反应速率加快，可酶解淀粉氧化所需的活化能较低，反应本身又放热，一方面不利于氧化反应的进行，同时由TEMPO产生的亚硝鎓离子氧化能力会更强，它不仅会进攻空间位阻较小的C6位上的伯羟基，还能进攻空间位阻较大的C2及C3位上的仲羟基，这样会导致淀粉氧化降解程度加剧。因此，反应温度控制在5℃最合适，既保证了NaClO的有效成分充分用于C6位上的伯羟基的氧化，又减少了阳离子淀粉的氧化降解，增加了TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系的专一性。

2.2.4 反应时间对改性淀粉羧基含量的影响

由图4可知，随反应时间的延长，羧基含量先增加后减小;在反应2.0 h时，氧化淀粉羧基含量达到最大值，为3.02%;继续延长反应时间，羧基含量稍有下降。原因可能是氧化反应在2.0 h左右时已基本完成，而随反应时间的延长，副反应却在继续，因而导致羧基含量降低;同时反应时间过长也会导致淀粉降解程度加剧、氧化淀粉得率下降。开始反应速率很快，羧基含量增加明显，因为酶解淀粉的结晶区已被破坏，初始反应速率大，而后反应速率变小，并且随反应的进行，淀粉分子降解明显，小分子增多，水溶性增强，测定羧基含量时可能会有损失。所以，适宜的反应时间为2.0 h。

2.2.5 NaClO用量对改性淀粉羧基含量和黏度的影响

从图5可以看出，氧化淀粉的羧基含量随NaClO用量的增加而增加;当NaClO用量从0.25 mmol/g增至 2.00 mmol/g时，羧基含量从 1.23% 提高到5.06%，几乎呈线性关系，增加了311%，NaClO对酶解淀粉氧化效果好于原淀粉［9］。因为酶解淀粉时温度为95℃，淀粉颗粒状态已被破坏，结晶区也被破坏，利于氧化剂与淀粉的接触，加速反应，提高反应程度，并且α-淀粉酶将淀粉分子链上的α-1，4糖苷键不同程度切断，羟基含量增加，氧化剂和淀粉接触面积增大，氧化反应更好地进行，使得最终反应产物为聚多糖酸形式［6］，增加羧基含量。

图5 NaClO用量对改性淀粉羧基含量和黏度的影响

由图5可知，氧化淀粉随氧化程度的增强，淀粉黏度不断降低，在羧基含量为5.06%时，淀粉黏度仅为7.0 mPa·s。羧基含量的增加与黏度的降低表明，改性淀粉水溶性更好，有利于施胶时淀粉胶液向纸张内部渗透，提高纤维间的结合面积。

综上所述，TEMPO/NaBr/NaClO体系催化氧化酶解淀粉的最佳工艺为:pH值9.5，温度5℃，反应时间2.0 h，TEMPO用量1.0 mg/g。当其他工艺条件确定后，可以通过调节NaClO用量来满足目标产物对淀粉羧基含量的需求。

2.3 改性淀粉用于纸张表面施胶

以商品氧化淀粉(用“s”表示)为参照，判断TEMPO改性淀粉(羧基含量最高 5.06%的用“Ta”表示、中等羧基含量2.89%的用“Tb”表示、最低羧基含量1.23%的用“Tc”表示)用于纸张表面施胶时其对纸张强度和表面强度的影响。

2.3.1 对纸张抗张强度的影响

施胶剂在纸张表面的留着和纸张内部的渗透都会使其抗张强度增大。由图6可以看出，施胶后纸张的抗张强度随施胶量的增加而不断增大，并且总体上改性淀粉的增强效果好于商品氧化淀粉;经TEMPO体系氧化改性的淀粉中，羧基含量越高，纸张的抗张强度越大，因为羧基含量越高，成膜性越好［13］，黏结性强，利于淀粉与纤维形成氢键结合，同时氧化程度越大，改性淀粉分子质量越小，利于淀粉液向纸张内部渗透，淀粉分子在纸张中的交织和结合必定会提高纸张强度;施胶量为4 g/m2时，抗张强度达55.0 N·m/g，与未施胶原纸相比，抗张强度可提高51.6%。但是，氧化程度不能太大，否则淀粉降解太多，不利于施胶液在纸张中留着。

2.3.2 对纸张表面强度的影响

表面施胶对纸张表面强度的改善效果更显著(见图7)，在表面施胶量1 g/m2时，Ta的增强效果基本上是Tc和商品氧化淀粉的2倍;而表面强度为145 cm/s时，商品氧化淀粉用量几乎是Ta的4倍。这说明TEMPO氧化改性的酶解淀粉，氧化程度越高，胶液黏度越低，淀粉分子向纸张内部渗透越好，而且成膜性也更好，对纸张表现出优异的抗张强度和表面强度。

2.4 电镜扫描分析

将酶法预处理后的淀粉和TEMPO改性淀粉应用于表面施胶后，通过扫描电镜可观察施胶后纸张的表面形态，以便判断改性淀粉是否渗透到纸张内部。图8～图10分别为原纸、酶解淀粉表面施胶后纸张和TEMPO改性淀粉表面施胶后纸张的扫描电镜照片。

由图8～图10可知，未施胶纸张表面隐约可见大量交叉排列的裸露纤维和颗粒状填料;经酶解淀粉表面施胶后的纸张表面覆盖了一层较平整的淀粉膜，几乎没有纤维裸露于纸张表面;从TEMPO改性淀粉表面施胶后纸张的电镜扫描照片中仍能看到交织排列的纤维，只是纤维表面变得平滑，因为淀粉胶液渗透到纤维和纤维、纤维和填料之间，使得细小纤维、填料互相黏结成片后与较粗纤维贯串起来，纤维编织得更紧密，且纤维表面光滑。

α-淀粉酶水解的酶解淀粉较改性淀粉的分子质量大、体积大，不足以渗透到纸张内部，而经TEMPO体系氧化后，淀粉分子体积变小，羧基含量增加，渗透性变好，与纤维的吸附和交织力增强，所以可较好地渗入纤维之间，提高纸张的内结合强度。同时，由于表面结构的改变，纸张表面性能随之变化，从而改善油墨吸收性能。

2.5 酶解淀粉与TEMPO改性淀粉稳定性比较

取酶解淀粉和TEMPO改性淀粉Ta，置于室温下，随时间变化观察淀粉黏度的改变，进而反映出改性淀粉的化学稳定程度。酶解淀粉由于α-淀粉酶未经过灭活，淀粉酶仍会起作用。由图11可知，在连续6 d之内，酶解淀粉黏度一直下降，而改性淀粉黏度几乎未变。因为酶解淀粉胶液经过TEMPO氧化后，一方面，淀粉羧基含量增大，降低了淀粉分子间的重聚作用;另一方面，TEMPO氧化体系的氧化作用及毒性导致α-淀粉酶蛋白质变性，使其灭活。所以，酶解后的淀粉胶液再经TEMPO氧化体系氧化后，化学稳定性提高。

图11 酶解淀粉和改性淀粉胶液黏度随时间的变化

3 结论

3.1 TEMPO/NaBr/NaClO体系催化氧化酶解淀粉的最佳工艺为:pH值9.5，温度5℃，反应时间2.0 h，TEMPO用量1.0 mg/g;当其他工艺条件确定后，可以通过调节NaClO的用量来满足目标产物对淀粉羧基含量的需求。

3.2 改性淀粉表面施胶后的效果表明，经TEMPO氧化体系改性的酶解淀粉对纸张进行表面施胶，其增强性能优于商品氧化淀粉。因为表面施胶时改性淀粉胶液会渗入纸张内部，从而提高纤维间的结合强度。

3.3 TEMPO改性淀粉的化学稳定性好于酶解淀粉，证明TEMPO有灭活α-淀粉酶的作用。

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