低共熔溶剂中玉米淀粉的酯化研究

王士芳，黄芷怡，马欣驰，李研，黄嘉伟，刘昆

（合肥工业大学化学与化工学院，安徽合肥230009）

作为一种重要的天然高分子材料，淀粉的防水性（Water Resistance）较差，严重限制其应用[1-2]。淀粉的酯化是一种能够有效提高其防水性的方法。在淀粉酯化改性中，淀粉葡萄糖单元上的羟基被酯基取代，削弱了分子间氢键；同时，淀粉侧链的长度增加导致疏水性能和热塑性明显提高[3]。一般的淀粉酯化中，采用水或者有机溶剂如DMSO、DMF等作为反应溶剂/介质，但是存在废水难以回收、溶剂有毒有害等问题。为此，近年来有研究者采用离子液体（Ionic Liquid，简称IL）作为淀粉酯化的溶剂/介质[4-5]。新溶剂消除了废水的产生，简化了产品分离和溶剂的回收，但离子液体本身却具有制备困难、成本高昂、有毒有害等缺点。与离子液体类似的低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent，简称DES）可能是一种更好的选择。

低共熔溶剂是指基于氢键作用的低共熔现象形成的溶剂。低共熔溶剂由氢键给予体和氢键接受体组成，具有蒸汽压低、无毒性、可生物降解、溶解性和导电性优良、电化学稳定窗口宽等独特的物理化学性质，广泛应用于有机合成、分离过程、电化学、功能材料和纳米材料等领域[6]。近年来，低共熔溶剂中的生物酶催化反应正在成为研究热点。Gorke等最早研究了DES中酶催化反应，他们考查了添加氯化胆碱-尿素低共熔溶剂的缓冲溶液中不同水解酶的反应活性，并发现相比于缓冲溶液水解酶的活性提高约了20倍[7]。Nian和Cao等报道了低共熔溶剂中CALB脂肪酶催化制备脂肪氨基酸反应，他们发现低共熔溶剂和CALB脂肪酶之间存在协同效应，该协同效应为低共熔溶剂中生物酶催化淀粉酯化的高产品收率和酯化淀粉的高羟基取代度提供了可能[8]。

本研究以玉米淀粉为原料，酸性较弱的顺丁烯二酸酐为酯化剂，脂肪酶Novozym 435为催化剂，探索乙二醇-氯化胆碱低共熔溶剂中酯化反应的取代度，并对酯化淀粉产品进行傅里叶红外、1H NMR、凝胶渗透色谱、XRD、DSC等表征。

1 实验部分

1.1 主要材料与仪器

乙二醇，AR，≥99.9%；氯化胆碱，AR，99.0%～100%；玉米淀粉，AR；顺丁烯二酸酐，AR；无水乙醇；浓盐酸，AR；氢氧化钠，AR，以上均购自国药。脂肪酶，Novozym 435，丹麦诺维信Novozymes。

磁力加热搅拌器，郑州科尔；100目过滤筛，九峰筛网；电子天平，郑州科尔；移液枪，国药。

1.2 实验步骤

1.2.1 淀粉糊化与酯化

氯化胆碱和乙二醇精准按摩尔比1∶2，其中氯化胆碱25.9 g，乙二醇23.1 g置于100 mL蓝口瓶中，加入搅拌子后在磁力搅拌器中加热至80℃，约2 h后获得澄清透明的低共熔溶剂。加入1.0 g干燥后的玉米淀粉，并通过摇晃将淀粉分散在低共熔溶剂中。将油浴锅温度设置成100℃，此温度下搅拌12 h对淀粉进行糊化处理。降温至40℃后加入脂肪酶Novozym 435 0.23 g和顺丁烯二酸酐5.0 g，在温度60℃、65℃、70℃和75℃下反应6 h。反应结束后趁热过100目滤筛去除酶，使用3倍溶液体积的无水乙醇洗涤、抽滤，滤纸在50℃真空干燥箱中干燥24 h，获得干燥的粉状产品。

1.2.2 顺丁烯二酸酐酯化淀粉取代度测定

采用化学滴定法测定淀粉中高级脂肪酸的取代度（DS）[9]。将0.50 g酯化淀粉和20 mL 0.50 mol/L NaOH加入250 mL碘量瓶中，然后将塞子塞紧，磁力搅拌2.5 h，让淀粉上的高级脂肪酸水解并溶入溶液。去塞，滴酚酞指示剂，之后用0.5 mol/L盐酸标准溶液进行滴定，使得最后一滴HCl溶液让试样变成白色且30 s不变色，记录称量的改性淀粉的质量。酯化淀粉的取代率（DS）计算公式如下：

式中：162—淀粉中脱氧葡萄糖苷的摩尔分子质量；V0—加入的NaOH水解溶液的体积，mL；V1-滴定使用的HCl标准溶液的体积，mL；M-高级脂肪酸的摩尔分子质量；cHCL-HCl标准溶液的浓度，mol/L；W-称量的改性淀粉的质量，g。

1.2.3 顺丁烯二酸酐酯化淀粉表征

分别采用傅里叶红外光谱（美国Thermo Nicolet，iS50）、1H核磁共振波谱（美国安捷VNMRS600）、凝胶色谱分析（美国Waters1515）、X射线光谱（日本理学，Bruker-AXS D8 Discover）、差热示差扫描电镜（美国TA，Q2000）和扫描电镜（日本日立，SU8020）对产品顺丁烯二酸酐酯化淀粉相关性质进行表征。

2 结果与讨论

2.1 取代度

根据1.2.2的方法测定了以0.46wt%的脂肪酶Novo⁃zym 435为催化剂在不同温度条件下制备的顺丁烯二酸酐酯化淀粉的羟基取代度，如表1所示。

表1 酯化淀粉取代度

温度对合成顺丁烯二酸酐酯化淀粉的影响较大。在本实验范围内，随着温度的升高，产品的取代度增加，反应温度为75℃时取代度达到最大。在Deng[10]的研究中，70℃时使用长链酸作为酯化剂所得酯化淀粉的取代度最高为0.16。而本研究中，70℃时使用酸酐作为酯化剂所得酯化淀粉的取代度最高为0.20。这可归因于酸酐的酸性相对较弱，脱氧葡萄糖上的羟基较为活化，易于被酯化剂进攻，从而提高了酸酐与淀粉分子中羟基的反应几率，取代度上升。

2.2 淀粉酯化表征

2.2.1 红外光谱

图1显示了原淀粉和顺丁烯二酸酐酯化淀粉样品的红外光谱图。其中，859 cm-1，762 cm-1，575 cm-1处为-CH2-的摇摆振动吸收特征峰，2 923 cm-1对应C-H的伸缩振动吸收特征峰，而3 370 cm-1为-OH的伸缩振动吸收峰。与原淀粉相比，顺丁烯二酸酐酯化淀粉在1 729 cm-1出现了新的吸收峰[11]，属于酯羰基的伸缩振动吸收峰，而在3 370 cm-1处属于-OH的特征峰消失了[12]，表明-OH参与了反应，与顺丁烯二酸酐发生了酯化反应，生成了顺丁烯二酸淀粉酯。

图1 红外谱图：（a）天然淀粉；（b）顺丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.2 核磁共振氢谱

图2显示了天然淀粉与顺丁烯二酸酐酯化淀粉的1H NMR谱图。其中，3.50 mL/m3和5.60 mL/m3之间的信号属于脱氧葡萄糖苷上的氢原子[13-14]。在天然淀粉的光谱中出现的5.54峰对应于H-2，5.43峰对应于H-3，3.58峰对应于H-5的化学位移，H-1和OH-6的化学位移分别为5.11和4.61。在改性淀粉的核磁共振氢谱中，在7.19、7.94处出现了新的峰，且积分面积比为1∶1，可归功于碳碳双键上的氢原子。这就证实了脱氧葡萄糖单元上羟基的氢原子被取代，发生酯化反应，在改性淀粉上成功接枝了酸酐。

图2 1H NMR谱图：（a）天然淀粉；（b）顺丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.3 凝胶渗透色谱（GPC）

图3显示了天然淀粉和顺丁烯二酸酐酯化淀粉的GPC测试结果。其中，原始淀粉的Mw和PDI分别为5.20×106g/mol和1.50，而酯化淀粉的Mw和PDI分别为9.59×106g/mol和1.08。尽管淀粉的酯化可能导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随后处理过程中的流失而导致。

图3 GPC谱图：（a）天然淀粉；（b）顺丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.4 X射线衍射

图4显示了天然淀粉和顺丁烯二酸酐酯化淀粉的X光衍射谱图。其中，天然淀粉在2θ角为15°、17°、18°、23°处出现了强烈的反射峰，是典型的B型结晶[15]，同时，酯化淀粉的XRD谱图中没有强烈的反射峰，表明其结晶度低于玉米淀粉。这是因为淀粉酯化反应会在淀粉分子主链上引入酯基支链结构，在一定程度上降低了淀粉结晶的能力；同时，也会削弱分子间的氢键，增加淀粉的热塑性等[16]。

图4 原淀粉与酯化淀粉的XRD谱图：（a）天然淀粉；（b）顺丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.5 差示扫描量热仪（DSC）分析

天然淀粉和顺丁烯二酸酐酯化淀粉的DSC测试结果如图5所示。玉米淀粉在118℃左右有很明显的结晶峰，而酯化淀粉的结晶温度向低温移动，同时，玉米淀粉的结晶峰面积大于酯化淀粉。这表明玉米淀粉的结晶度大于酯化淀粉。该现象与前文XRD测试结果一致。

图5 DSC图谱：（a）天然淀粉；（b）顺丁烯二酸酐酯化淀粉

2.2.6 扫描电镜（SEM）

对玉米淀粉酯化改性前后的形貌特征进行扫描电镜观察，结果如图6所示。原淀粉颗粒表面光滑，结构致密，颗粒为直径5～20 μm的圆形和多边形，且分散性良好。与原淀粉相比，顺丁烯二酸酐酯化淀粉在淀粉颗粒间的聚集增加，颗粒尺寸变大，颗粒表面被侵蚀，光滑度降低。这可能是酯化反应已深入到了颗粒内部的结晶区，破坏了原淀粉晶区结构。这与XRD和DSC分析的结论一致。

图6 原淀粉与酯化淀粉的SEM照片

3 结论

本研究成功进行了低共熔溶剂中玉米淀粉和顺丁烯二酸酐的酯化反应。酯化淀粉取代度随着温度的升高而升高，当反应温度为75℃时的取代度达到最大，为0.24。红外光谱和核磁谱图确定了酯化反应的完成。GPC测试表明酯化淀粉分子量明显提高。XRD和DSC表明酯化淀粉破坏了淀粉的结晶结构，结晶度降低。扫描电镜结果表明，酯化反应导致淀粉颗粒表面粗糙，颗粒尺寸增大，并呈现不规则形状。