淀粉交联环糊精多孔吸附材料的制备及性能研究

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多孔淀粉作为一种无毒且经济的吸附剂,由于其孔隙率高、比表面积大、吸附性强、负载量大而被用作药物载体、污染物吸附剂和膳食补充成分包封剂。然而,多孔淀粉的高孔隙度结构导致其颗粒强度和稳定性较差,淀粉的强亲水性也严重制约着其对疏水性成分的装载。本课题采用化学交联法将吸附性能优良并具有刚性分子结构的β-环糊精(β-CD)引入淀粉结构,结合生物酶解技术成功制备了一种新型多孔交联淀粉。该改性淀粉具有良好热稳定性、抗剪切性,且对疏水性活性物质有良好的吸附效果,为开发性能优良的多孔淀粉材料并拓宽其应用领域提供参考。首先,探究了β-CD和玉米淀粉(CS)的交联对多孔淀粉吸附性能的影响。以β-CD和CS为原料,环氧氯丙烷(ECH)为交联剂,制备了环糊精交联淀粉(CS-CD),再利用α-淀粉酶:糖化酶(1:3,v/v)复合酶进行酶解,制备多孔环糊精交联淀粉(PCS-CD)。当β-CD和CS的物料比为20:0.8(w/w),反应p H为10,并在50℃温度条件下反应6 h,且后续酶解加酶量为0.5%时,可获得吸油性能最佳、成孔效果良好且孔隙分布均匀的PCS-CD,最佳吸油率为316.28%。其次,通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和差示扫描量热仪(DSC)等技术手段对CS-CD进行结构表征和理化性质分析。FT-IR结果表明CS与β-CD成功通过醚键实现交联;XRD、SEM以及DSC结果分析表明交联反应未破坏淀粉颗粒结构,但导致淀粉的相对结晶度下降和结晶异质性增加;此外,与CS相比,快速黏度仪(RVA)、水溶性指数(WSI)、溶胀力指数(SPI)和糊化透明度分析发现CS-CD具有更高的糊化温度(由79℃升高至85.60℃)、热稳定性、抗溶胀性和抗剪切性;且β-CD的引入显著提高了CS-CD的酶敏感度。再者,分析了酶解改性对CS-CD结构和理化性质的影响。XRD和DSC结果表明酶解反应通过破坏淀粉结构的无定形区同时打破分子链间结合较弱的氢键,从而完善淀粉的晶体结构;RVA、WSI、SPI和糊化透明度分析结果表明,酶解反应保留了CS-CD的性质特点,所制得PCS-CD具有良好的抗溶胀性、热稳定性和抗剪切性。最后,以对热、酸、碱不稳定的疏水性活性物质姜黄素为吸附模型物,探究了PCSCD添加量、吸附时间、吸附温度以及姜黄素初始浓度对姜黄素吸附量的影响。姜黄素最大吸附量为60.06 mg/g,相较于文献报道的多孔淀粉基吸附材料提高了6倍。采用吸附动力学模型、吸附热力学模型和吸附等温线模型对姜黄素吸附过程进行拟合,结果表明PCS-CD对姜黄素的吸附符合准一级动力学方程,且在303 K和323 K条件下,吸附表现为Langmuir模型,343 K条件下表现为Freundlich模型。明确了PCS-CD与姜黄素之间通过物理吸附作用结合,且吸附过程在氢键作用力和疏水作用力下自发进行。此外,稳定性分析表明PCS-CD显著改善了姜黄素的热稳定性和p H稳定性。
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