广州大学刘鹏副教授与英国华威大学谢丰蔚研究员:天然高分子在无机盐溶液中的温和解构和分子重组
随着各国政府“限塑令”的出台，利用可再生天然高分子设计开发新型材料正逐渐成为人们普遍关注的焦点。淀粉是自然界中含量最多的碳水化合物之一，价格低廉、可再生性、可降解、生物相容性好，可用于制备功能因子载体、组织工程支架、聚电解质、生物传感器、功能凝胶等新型材料，应用潜力巨大。然而，天然淀粉中存在复杂的多尺度结构和较强的氢键网络，加工难度大，能耗高，例如熔融成型等常见的加工方法往往需要在高温下（可达160 °C）才可将淀粉制成特定的材料。对此，寻找能温和解构淀粉多尺度结构的溶剂，是突破淀粉材料加工瓶颈的关键。
最近，广州大学化学化工学院、广东省节能环保精细化学品工程技术研究开发中心刘鹏副教授所在团队在淀粉溶剂领域取得了重要进展，相关工作以《氯化盐溶液离子体系对高直链淀粉的解构和重组》(Structural disorganization and chain aggregation of high-amylose starch in different chloride salt solutions, DOI: 10.1021/acssuschemeng.9b07726)为题，作为封面文章发表于国际学术期刊《美国化学学会可持续化学与工程》(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)。广州大学刘鹏副教授和英国华威大学谢丰蔚（Fengwei Xie）研究员为共同通讯作者，广州大学硕士研究生李颖为论文第一作者，广州大学尚小琴教授和汪黎明教授是论文的共同作者。
他们的研究表明，廉价的氯化锌、氯化镁、氯化钙溶液可以在50℃的温和条件下溶解高直链淀粉（其在水中的糊化温度为120℃以上），且三种盐溶液分别提供了酸性（pH=3.65）、中性（pH=6.54）和碱性（pH=9.17）的溶解环境。同时，当溶解后的淀粉分子进行重组时，会与溶液中的离子体系相互作用，自组装形成直径几百纳米的纳米粒子。这些纳米粒子为淀粉基材料带来了诸多新功能：一方面可以对淀粉基材料进行自增强，提升材料的机械性能；另一方面，被包埋在凝胶中的离子，又赋予了材料导电性能；而且包埋有Zn2+、Mg2+、Ca2+等人体必需离子的纳米粒子，还具有一定的抗酶解特性。
对于解构的机理，课题组认为是离子体系复合作用的结果：溶液中的Cl−可以接受淀粉羟基解离出的H+，阳离子上的空轨道可以与淀粉羟基O原子上的孤电子对配位结合，从而削弱淀粉分子链间的氢键。但此作用非常弱，因此需要高离子浓度，穿透淀粉颗粒的致密外壳，才能由内而外逐步解构颗粒。
图1 高直链淀粉在三种氯化盐溶液中的解构和重组过程
图2 高直链重组淀粉的扫描电镜图，放大倍数5000
这些廉价的氯化盐溶液，为突破淀粉材料加工瓶颈、降低加工能耗、提供均相化学改性环境、制备淀粉纳米粒子、设计新型功能性淀粉材料提供了思路和方法，将有利于进一步开拓淀粉材料的功能和应用。
相关工作发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》和《Carbohydrate Polymers》。该工作获得了广东省自然科学基金、广州市科技计划项目（珠江科技新星专项）等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b07726
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.11.034
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