機(jī)械力化學(xué)作用下納米淀粉的制備與性能

盧麒麟 黃 彪 唐麗榮 李 濤 陳燕丹 陳學(xué)榕

（福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院1，福州 350002）

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院2，福州 350002）

納米淀粉（starch nanoparticles）是由天然淀粉中分離出的結(jié)晶度較高、粒徑較小的淀粉納米晶粒［1］，具有天然淀粉的性質(zhì)，且具備納米粒子的特性，如較大的比表面積，較高的楊氏模量，良好的分散穩(wěn)定性。納米淀粉良好的分散性、吸附性、溶解性使其在聚合物材料、藥物載體及其他領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于化妝品撲粉、照相紙粉末、造紙施膠、糖果糖衣和藥片賦形劑等［2-3］領(lǐng)域。

納米淀粉的制備方法有反相乳液聚合法［4］，交聯(lián)沉淀法［5］，微乳液法［6］和緩慢酸水解法［7］，但采用機(jī)械力化學(xué)法（Mechanochemical Process）如研磨、超聲波等制備納米淀粉的研究很少。Ostwarldf［8］在20世紀(jì)初首次提出“機(jī)械力化學(xué)（mechanochemistry）”的概念，即認(rèn)為在化學(xué)研究領(lǐng)域中存在著一個(gè)由機(jī)械能誘發(fā)化學(xué)變化和物理化學(xué)變化的反應(yīng)。近年來，機(jī)械力化學(xué)法又被進(jìn)一步用于制備超微及納米材料等方面，在制備納米材料與納米復(fù)合材料方面，發(fā)揮了其獨(dú)特的效應(yīng)［9］。采用機(jī)械力的不同作用方式，如研磨、超聲、剪切等，可促進(jìn)能量累積，在物料界面產(chǎn)生瞬間的高溫高壓，同時(shí)，在熱力的作用下，物料的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生較快和較大變化，提高體系的反應(yīng)活性，激發(fā)和加速化學(xué)反應(yīng)。利用機(jī)械力化學(xué)法可以實(shí)現(xiàn)許多在熱力學(xué)上無法發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，合成一般物理、化學(xué)方法所不能得到的功能材料。

研磨過程中，物料受到強(qiáng)烈的剪切力、高頻震蕩力、摩擦力等機(jī)械力作用，導(dǎo)致物料的物理、化學(xué)及結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化，即發(fā)生機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)。超聲波處理過程中會(huì)產(chǎn)生空化作用，空化作用形成的瞬間產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊波，形成瞬時(shí)高能環(huán)境，這些能量可促使化學(xué)鍵的斷裂，使淀粉的大分子結(jié)構(gòu)被破壞，有助于納米顆粒的形成。本研究擬采用機(jī)械力化學(xué)法制備納米淀粉，分析納米淀粉的結(jié)構(gòu)、微觀形貌和譜學(xué)性能，以期為納米淀粉的綠色、高效制備提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

玉米淀粉：河北華辰淀粉糖有限公司；溴化鉀（AR）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；試驗(yàn)用水為去離子水。

SM-120型超細(xì)磨（研磨設(shè)備）：無錫新光粉體加工工藝有限公司；KQ-250DB型超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司；GL-20G-Ⅱ型高速冷凍離心機(jī)：上海安亭科學(xué)儀器廠；TD-1B-50真空冷凍干燥機(jī)：北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器廠；Hitachi-H7650透射電子顯微鏡：日本日立公司；Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀：美國(guó)Thermo Electron公司；X’Pert Pro MPD X-射線粉末衍射儀：荷蘭飛利浦公司；SZP-06型 Zeta電位測(cè)定儀：瑞典BTG公司；NETZSCH STA449F3熱重分析儀：德國(guó)耐馳公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 納米淀粉的制備

取10 g玉米淀粉，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的淀粉溶液，加入到研磨設(shè)備中。增加壓力至20 MPa，控制溫度低于50℃，研磨反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，收集樣品，靜置12 h，高速離心去掉上層水溶液，下層樣品，置于超聲波反應(yīng)器中，一定溫度下超聲處理（頻率40 kHz，功率250W）。超聲反應(yīng)結(jié)束，混合液在轉(zhuǎn)速9 000 r／min條件下進(jìn)行多次離心，收集上層的乳白色懸浮液，直至上層不再出現(xiàn)乳白色懸浮液，停止收集。上層懸浮液和下層樣品分別進(jìn)行透射電子顯微鏡觀察顯示，乳白色懸浮液為納米淀粉，下層樣品粒徑未達(dá)到納米。

1.2.2 納米淀粉得率的測(cè)定

測(cè)量納米淀粉懸浮液的總體積，用移液管吸取20 mL于已稱量過的稱量瓶中，真空冷凍干燥48 h至恒重，然后在分析天平上稱重。

式中：m1為冷凍干燥后樣品與稱量瓶的質(zhì)量／g；m2為稱量瓶的質(zhì)量／g；m為原料的質(zhì)量／g；v1為納米淀粉懸浮液的總體積／mL；v2為移取納米淀粉的體積／mL。

1.2.3 透射電鏡分析（TEM）

采用透射電子顯微鏡對(duì)納米淀粉的形貌進(jìn)行觀察。測(cè)試條件：0.2%的納米淀粉懸浮液超聲分散30 min，磷鎢酸染色，滴到涂有碳膜的銅網(wǎng)上觀察。

1.2.4 紅外光譜分析（FTIR）

采用傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。測(cè)試條件：1 mg干燥后的樣品與200 mg溴化鉀混合，壓膜制片，置于紅外光譜儀上掃描，掃描范圍4 000～400 cm-1。

1.2.5 X-射線衍射（XRD）分析

采用X-射線粉末衍射儀對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。測(cè)試條件：特征射線Cu Ka，Ni片濾波，電壓80 kV，測(cè)量范圍2θ＝6°～90°（θ為衍射角度）。

1.2.6 Zeta電位測(cè)試

采用Zeta電位測(cè)定儀測(cè)定樣品的電位值，分析其電化學(xué)性質(zhì)。測(cè)試條件：淀粉懸浮液以水作為介質(zhì)，中性條件下超聲分散60 min。

1.2.7 熱失重分析（TGA）

采用熱重分析儀測(cè)定樣品的熱穩(wěn)定性。測(cè)試條件：試樣質(zhì)量5～10 mg，升溫速率10℃／min，溫度范圍25～500℃，N2作為保護(hù)氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 研磨時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響

固定超聲溫度為40℃，超聲時(shí)間為5 h，考察研磨時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響。研磨時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響結(jié)果見圖1。由圖1可知，研磨時(shí)間在4～6 h內(nèi)，隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，納米淀粉得率明顯增加，研磨時(shí)間為6 h時(shí)，基本達(dá)到最大值40%。原因可能是隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉在研磨過程中受到剪切力、摩擦力和高頻震蕩力等機(jī)械力的充分作用，產(chǎn)生機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)［10］，淀粉顆粒的反應(yīng)活性增加，淀粉的大分子結(jié)構(gòu)變得松散，更容易在超聲作用下形成納米淀粉晶粒，而存在于上層懸浮液中，未達(dá)到納米尺度的淀粉顆粒沉積在下層。當(dāng)研磨時(shí)間超過6 h，隨著研磨時(shí)間的增加，納米淀粉得率呈下降趨勢(shì)，原因可能是較長(zhǎng)時(shí)間的研磨會(huì)使淀粉的結(jié)晶區(qū)受到破壞，淀粉發(fā)生水解。另外，較長(zhǎng)時(shí)間的研磨也會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)形成的納米淀粉顆粒發(fā)生團(tuán)聚作用，使納米淀粉的得率下降。因此確定最佳研磨時(shí)間為6 h。

圖1 研磨時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響

2.2 超聲時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響

固定研磨時(shí)間為6 h，超聲溫度為40℃，考察超聲時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響。超聲時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，納米淀粉得率明顯增加，超聲時(shí)間為5 h時(shí)，基本達(dá)到最大值，此后再延長(zhǎng)超聲時(shí)間，納米淀粉得率并沒有明顯增加。可能是由于超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，淀粉顆粒受到超聲波產(chǎn)生的強(qiáng)烈的空化作用，空化氣泡在超聲波的正負(fù)壓相作用中積累能量，空化氣泡破碎時(shí)產(chǎn)生暫時(shí)的強(qiáng)壓力脈沖，形成高速微射流射向淀粉界面，使淀粉顆粒被破碎，形成納米淀粉，超聲時(shí)間5 h左右時(shí)，超聲反應(yīng)達(dá)到飽和，納米淀粉得率基本趨于穩(wěn)定［11］。

圖2 超聲時(shí)間對(duì)納米淀粉得率的影響

2.3 超聲溫度對(duì)納米淀粉得率的影響

固定研磨時(shí)間為6 h，超聲時(shí)間為5 h，考察超聲溫度對(duì)納米淀粉得率的影響。超聲溫度對(duì)納米淀粉得率的影響結(jié)果見圖3。由圖3可知，超聲溫度在20～40℃范圍內(nèi)，隨著超聲溫度的升高，納米淀粉得率明顯增加，溫度為40℃時(shí)，基本達(dá)到最大值。主要是由于隨著溫度的升高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，淀粉受到充分潤(rùn)脹，結(jié)構(gòu)更為松散，在超聲波的空化作用下更容易破碎成納米淀粉。當(dāng)溫度超過40℃，隨著溫度的升高，納米淀粉得率呈下降趨勢(shì)，原因可能是淀粉的糊化溫度較低，較高的溫度會(huì)使淀粉糊化，導(dǎo)致納米淀粉得率下降。因此確定最佳超聲溫度為40℃。

圖3 超聲溫度對(duì)納米淀粉得率的影響

綜合分析研磨時(shí)間、超聲時(shí)間、超聲溫度對(duì)納米淀粉得率的影響可以得出，研磨時(shí)間為6 h，超聲時(shí)間為5 h，超聲溫度為40℃，納米淀粉得率較高，達(dá)到40.33%。

2.4 透射電鏡分析

目前，淀粉顆粒粒徑的測(cè)定方法主要有激光粒度分析法和聚焦光速發(fā)射分析法顯微鏡法。張本山等［12］對(duì)3種方法進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，不同方法測(cè)得的淀粉顆粒粒徑不同，主要是由于儀器的原理不同引起的。激光粒度分析法測(cè)試速度快，測(cè)試范圍大，通常測(cè)定粒徑大小為微米及以上的顆粒。聚焦光速發(fā)射分析法需要在設(shè)定的淀粉濃度、介質(zhì)及攪拌速率下進(jìn)行，對(duì)粒徑為納米級(jí)以下的顆粒測(cè)試效果較好。顯微鏡法可直接觀察顆粒的形貌，非常直觀。透射電子顯微鏡分辨率達(dá)到0.1～0.2 nm，可用于觀察納米材料的超微結(jié)構(gòu)，且操作環(huán)境不受限制［13］。因此，本研究采用透射電子顯微鏡分析納米淀粉的微觀形貌。圖4為玉米淀粉的透射電鏡圖，圖5為納米淀粉的透射電鏡圖。由圖4可觀察到玉米淀粉呈球形，直徑約為6～10μm，由圖5可觀察到，玉米淀粉在機(jī)械力化學(xué)作用下形成的納米淀粉呈球形，直徑約為50～70 nm，粒徑較玉米淀粉減小，單個(gè)的納米淀粉晶粒均勻分散。

圖4 玉米淀粉的透射電鏡圖

圖5 納米淀粉透射電鏡圖

2.5 紅外光譜分析

采用紅外光譜法研究機(jī)械力化學(xué)作用下淀粉化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。圖6為玉米淀粉和納米淀粉的紅外光譜圖。由圖6可知，玉米淀粉經(jīng)機(jī)械力化學(xué)作用后沒有出現(xiàn)新的吸收峰，說明機(jī)械力化學(xué)作用下形成的納米淀粉中沒有新的基團(tuán)產(chǎn)生，納米淀粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)并未被破壞、改變，仍然保持著玉米淀粉的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。573 cm-1為糖環(huán)內(nèi)酯的C—O—C伸縮振動(dòng)吸收峰，是淀粉的特征吸收峰，1 010 cm-1為淀粉醇的 C—O單鍵伸縮振動(dòng)峰［14］，1 170 cm-1為C—C骨架的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 640 cm-1為醛基的吸收峰。與玉米淀粉相比較，納米淀粉在1 010 cm-1和1 170 cm-1處的吸收峰向低波數(shù)移動(dòng)，1 640 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度增強(qiáng)。原因可能是淀粉在機(jī)械力化學(xué)作用下，無定形區(qū)被破壞，結(jié)晶區(qū)中的淀粉鏈排列比較整齊，剩余的結(jié)晶區(qū)域含量的增加導(dǎo)致C—O—C鍵上連接的氫鍵比例增加，使得1 010 cm-1和1 170 cm-1處的吸收峰向低波數(shù)移動(dòng)［15］。淀粉在機(jī)械力化學(xué)作用下，分子中的糖苷鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生更多的醛基，因此1 640 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖6 不同淀粉的紅外光譜

2.6 晶體結(jié)構(gòu)分析

淀粉是復(fù)雜的多晶體系，其結(jié)晶度的測(cè)定方法還不完善，目前，X射線衍射法是測(cè)定淀粉顆粒結(jié)晶度最常用的方法。利用X射線衍射法測(cè)定其結(jié)晶度時(shí)，由于測(cè)定方案和數(shù)據(jù)處理方法的不同，其結(jié)果會(huì)有一定的差異。X射線衍射圖譜如圖7所示。由圖7可知，2θ＝17°，22°，26°有較強(qiáng)的衍射峰出現(xiàn)，因此認(rèn)為制備的納米淀粉屬于B型［16］。結(jié)晶度的計(jì)算采用Nara和Komiya［17］等提出的計(jì)算公式：

式中：Xc為相對(duì)結(jié)晶度；Ac為晶區(qū)部分面積；Aa為非晶區(qū)部分面積。

圖7 不同淀粉的XRD圖譜

由式（1）可計(jì)算出納米淀粉的結(jié)晶度為58%，玉米淀粉為38%，納米淀粉的結(jié)晶度較玉米淀粉顯著增大。這主要是由于在研磨、超聲波等機(jī)械力作用下，淀粉大分子結(jié)構(gòu)中的糖苷鍵斷裂，結(jié)構(gòu)較為松散的無定形區(qū)受到破壞，而結(jié)晶區(qū)由于其特有的晶體形態(tài)不易受到破壞而得以保留。楊成等［18］的研究報(bào)道中，以緩慢酸水解法制備納米淀粉，結(jié)晶度達(dá)到了78.72%，本研究采用機(jī)械力化學(xué)法制備的納米淀粉結(jié)晶度偏低，主要是因?yàn)榫徛崴膺^程中，淀粉中的無定形區(qū)水解較為充分，而且酸解的作用還逐漸破壞了結(jié)晶晶片之間的無定形區(qū)，使得納米淀粉的結(jié)晶度較高。

2.7 Zeta電位測(cè)試

淀粉結(jié)構(gòu)中含有糖醛酸基、極性羥基等基團(tuán)，其表面總是帶負(fù)電荷。采用Zeta電位測(cè)定儀測(cè)定淀粉的Zeta電位，結(jié)果如表1所示。由表1可知，制備的納米淀粉的Zeta電位絕對(duì)值比玉米淀粉大。這可能是因?yàn)榈矸蹖儆诟叻肿泳酆衔?，隨著尺寸的減小其特性會(huì)發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)在體積效應(yīng)和表面效應(yīng)2個(gè)方面［19］。這2種效應(yīng)使得納米淀粉的表面積增加，官能團(tuán)密度增大，選擇性吸附能力增強(qiáng)，達(dá)到吸附平衡的時(shí)間縮短，導(dǎo)致其在水介質(zhì)中的分散穩(wěn)定性增強(qiáng)，因而其Zeta電位值增大。

表1 淀粉懸浮液的Zeta電位

2.8 熱失重分析

淀粉的熱穩(wěn)定性受淀粉分子質(zhì)量和其晶體結(jié)構(gòu)的影響。熱重分析，可以在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化的關(guān)系，分析物質(zhì)的熱穩(wěn)定性［20］。因此可以采用熱重分析法研究機(jī)械力化學(xué)作用下淀粉熱性能的變化，由TG、DTG曲線的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系表征樣品的熱穩(wěn)定性。

玉米淀粉、納米淀粉的TG曲線如圖8所示，DTG曲線如圖9所示。由圖8可知，玉米淀粉和納米淀粉在110℃之前有少量的失重，這主要是由于淀粉樣品中結(jié)合水的蒸發(fā)［21］。表2中是TG和DTG曲線的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。采用SPSS 11.5數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行顯著性P值計(jì)算和分析。從表2可知，玉米淀粉的起始分解溫度為300℃，納米淀粉的起始熱分解溫度為290℃，略低于玉米淀粉，兩者的起始分解溫度具有顯著性差異（P＜0.05）。這是因?yàn)橛衩椎矸鄣姆肿淤|(zhì)量較大，分子鏈相互交叉、相互纏繞形成了穩(wěn)定的凝膠狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此其起始分解溫度較高。機(jī)械力化學(xué)作用下，淀粉的分子鏈變短，分子內(nèi)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)幾乎消失，因而不能有效抵抗熱分解作用，其起始分解溫度降低［22］。從表2可知，315℃左右淀粉熱失重速率達(dá)到最大，420℃左右淀粉熱分解過程結(jié)束，玉米淀粉在315℃時(shí)的失重比例和420℃時(shí)的總分解比例均高于納米淀粉，同時(shí)，SPSS 11.5數(shù)據(jù)處理軟件分析顯示，玉米淀粉和納米淀粉在315和422℃時(shí)的分解比例分別具有顯著性差異（P＜0.05）。這是因?yàn)殡m然納米淀粉的分子質(zhì)量減小，也沒有了原淀粉中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但其分子結(jié)構(gòu)中的無定形區(qū)減少，結(jié)晶區(qū)所占比例增加，結(jié)晶區(qū)中分子鏈之間的結(jié)構(gòu)緊湊，排列緊密，是淀粉顆粒中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)排列，因此其熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖8 不同淀粉的TG曲線

圖9 不同淀粉的DTG曲線

表2 樣品的分解溫度及失重比例

3 結(jié)論

3.1 淀粉在機(jī)械力化學(xué)作用下發(fā)生了機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)，使其粒徑減小，形成納米淀粉。

3.2 機(jī)械力化學(xué)法制備納米淀粉的較佳工藝條件為：研磨時(shí)間6 h，超聲溫度40℃，超聲時(shí)間5 h。在此條件下，納米淀粉得率達(dá)到40.33%。

3.3 制備的納米淀粉呈球形，直徑約為50～70 nm，結(jié)晶度達(dá)到58%，熱穩(wěn)定性較玉米淀粉增強(qiáng)。

3.4 機(jī)械力化學(xué)法能夠充分利用過程中產(chǎn)生的機(jī)械力、熱力及化學(xué)力的協(xié)同效應(yīng)，降低反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速率，而且環(huán)境友好，可為納米淀粉的綠色、高效制備提供理論依據(jù)。

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