廣西大學黃麗婕課題組：一種具有良好耐酸堿性的木薯淀粉改性水凝膠的制備和性能研究

一、 【導讀】?

本文報道了關于改性木薯淀粉緩釋水凝膠的制備和性能研究。研究旨在解決二氧化氯緩釋過程中二元固體二氧化氯被酸堿腐蝕，導致其力學性能較差的問題。研究使用木薯淀粉和聚乙烯醇作為水凝膠的主體和軟段，并通過添加季銨化羧甲基纖維素和殼聚糖來改性水凝膠，使其具有酸堿抗性。同時，引入碳酸氫鈉使水凝膠具有多孔性，解決了固態氯氣在緩釋過程中被酸堿腐蝕導致機械性能差的問題。研究通過固態核磁共振等方法確認了改性水凝膠的化學結構和形貌。壓縮性能測試結果表明，改性水凝膠在pH=3.5和pH=10.5時的抗酸堿性能最強。氯氣釋放曲線與一級動力學模型吻合良好。該研究的結果對于環境消毒、水果和蔬菜保鮮以及廢水吸附等領域具有廣泛的應用前景。

二、【成果掠影】

近日廣西大學王雙飛院士領銜的生物質包裝材料團隊黃麗婕副研究員等人成功合成了一種基于木薯淀粉改性水凝膠的二氧化氯固體制劑，具有良好的耐酸堿性，有望應用于空間消毒等領域。該水凝膠對pH高度敏感；不同條件下（亞氯酸鈉濃度、檸檬酸濃度、溫度）二氧化氯日釋放量均呈現先升高后降低的趨勢；緩釋動力學可以用一階動力學描述，速率常數（k）與初始亞氯酸鈉和檸檬酸濃度無關，任何給定時間的釋放速率與基質中的亞氯酸鈉和檸檬酸濃度成正比。研究成果以題為“Preparation and pro perties of modified cassava starch slow-release hydrogel with acid and alkali resistance”發表在一區Top期刊《Industrial Crops & Products》上。

?三、【核心創新點】

成功合成了一種基于木薯淀粉改性水凝膠的二氧化氯固體制劑。提供了一種提高凝膠類固體二氧化氯產品耐酸堿性的新方法。克服了以凝膠類有機物為載體的固體二氧化氯在酸堿環境下容易崩塌瓦解的問題。這種緩釋水凝膠具有較強的酸堿抗性和壓縮強度，能夠在pH = 3.5和pH = 10.5的條件下分別承受200.47 kPa和180.65 kPa的壓力。這使得該水凝膠在環境消毒、果蔬保鮮中具有潛在的應用前景。

?四、【數據概覽】

圖1? 用于環境消毒領域的應用:1) 離子釋放；2) 環境消毒；3) 應用。

圖2? 原料及木薯淀粉改性水凝膠的表征：(a,b) FTIR；(c)固體核磁碳譜；(d,e)XRD；(f)表面形貌和(g)截面形貌SEM。

圖3? 改性木薯淀粉水凝膠：(a)雙交聯機制和(b)三維結構。?

圖4? 木薯淀粉改性水凝膠的壓縮應力變化：(a)不同pH值的檸檬酸溶液；(b)不同pH值的亞氯酸鈉溶液。

圖5? 二氧化氯釋放趨勢：(a)亞氯酸鈉濃度；(b)檸檬酸濃度；(c)溫度。

總釋放量：(d)亞氯酸鈉濃度；(e)檸檬酸濃度；(f)溫度；(g)木薯淀粉改性水凝膠吸酸吸堿機理。

圖6? 一級動力學擬合：(a)不同檸檬酸濃度；(b)不同亞氯酸鈉濃度；(c)不同溫度。

五、【成果啟示】

本研究以木薯淀粉為骨架，以聚乙烯醇為軟段，通過對羧甲基纖維素季銨化改性，再加入甲殼素和碳酸氫鈉。在整個水凝膠體系中引入季銨基，利用季銨基的氮與堿的配位鍵作用以提高水凝膠對堿的選擇性吸附性能，提高凝膠的耐堿性；引入羧基和氨基，在酸性pH中，氨基被質子化，正電荷離子間相互排斥，防止在酸性溶液中溶脹降低，提高其耐酸性，從而制備可生物降解、低成本的淀粉基耐酸堿水凝膠。這項研究在環境消毒、食品保鮮和廢水吸附等方面具有廣泛的應用前景。

參考文獻：Lijie H,Xiaoxue H,Qi M, et al. Preparation and properties of modified cassava starch slow-release hydrogel with acid and alkali resistance[J]. Industrial Crops & Products,2023,206.

DOI：10.1016/J.INDCROP.2023.117699