基于淀粉的生物可降解材料的制备和研究

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淀粉是植物中第二储量的天然多糖,仅次于纤维素,是人类重要的能量来源,也是食品工业和非食品工业的重要原料。它有着可再生性,生物降解性和一定的生物相容性,被视为是传统石油基高分子最有潜力的替代品之一。然而,淀粉基材料也存在着综合机械性能差,吸水性高,长期稳定性差等缺点,限制了其大规模的实际应用。本论文在保持淀粉材料生物可降解性的基础上,对淀粉进行改性,增塑和增强,改善了淀粉基材料的性能并且扩大其应用范围。  本文利用了一种相对经济,简便的制备方法制备了高直链含量的线性长链淀粉糊精。以价廉,糊化温度低的天然木薯淀粉作为原料。使用稀碱溶液预处理淀粉颗粒,提高普鲁蓝酶对淀粉溶液的作用活性。利用碘比色法测得,制备得到的线性长链淀粉糊精的表观直链淀粉含量达到90%以上。通过高效液相色谱测试了产物的分子量分布,确定了最适酶添加量为25U/g淀粉。通过X射线衍射(XRD),全反射红外光谱(ATR-IR)和13C固体核磁共振光谱(13C CP/MAS NMR)确定了产物的晶体结构为V6I。最后,以稀碱溶液糊化产物,采用溶液涂膜法制备得到可全降解的淀粉薄膜,尽管含有碱颗粒缺陷,其拉伸强度和断裂伸长率仍然可分别达到8.2MPa和45.5%。  本文采用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯化物([BMIM]Cl)和甘油作为复配增塑剂制备热塑性淀粉薄膜,并研究了离子液体用量和直链淀粉含量对热塑性淀粉结构与性能的影响。扫描电镜分析(SEM)表明,当[BMIM]Cl与甘油的比例为15/15时,全部的天然淀粉颗粒结构都被破坏了,变成了连续相。相较于甘油,复配增塑剂有助于降低热塑性淀粉的水份含量,结晶度和玻璃化转变温度,制各得到薄膜也有着更高的断裂拉伸强度。相较于[BMIM]Cl,复配增塑剂增塑的薄膜虽然断裂伸长率略有下降,但是具有更高的热稳定性和拉伸强度。并且与价廉的甘油复配后,增塑成本下降,更具有实际应用价值。复配增塑剂对于线性长链淀粉糊精增塑效果稍差于天然木薯淀粉。与天然木薯淀粉薄膜相比,线性长链淀粉薄膜具有更低的水份含量,稍高的结晶度,较高的拉伸强度及更低的断裂伸长率  本文进一步利用埃洛石纳米管增强热塑性淀粉制备了淀粉基纳米复合材料。所用的增塑剂为甘油,山梨醇和甘油/山梨醇共混物。系统地研究了增塑剂种类和纳米管用量对复合材料性能和结构的影响。ATR-IR和SEM分析表明,山梨糖醇不利于纳米管在淀粉基质中的分散。XRD结果表明,将纳米管掺入含有甘油增塑的体系中会导致了新的晶体结构形成。无论使用何种类型的增塑剂,添加纳米管能够改善了热塑性淀粉的力学性能,热稳定性并降低水份含量。  本文制备了香草醛/埃洛石纳米管/热塑性淀粉新型功能复合材料,并研究了增塑剂种类对香草醛释放机理的影响。紫外吸收光谱分析和热失重分析(TGA)测得的载药率约为8%。ATR-IR和XRD分析证明香草醛分子成功的被包裹在埃洛石纳米管的管孔隙中。以其作为填料成功制备了具有抗菌性和风味释放性能的新型淀粉基功能复合材料。相比未包覆进热塑性淀粉基体中,香草醛在水和食品模拟液中的释放速度明显减缓。0~60%释放量范围内,香草醛从甘油增塑复合材料中释放出来速度最快,从甘油/山梨醇醇混合增塑复合材料中释放出来速度次之,从山梨醇增塑复合材料中释放出来速度最慢。香草醛从复合材料中释放的曲线与Higuchi模型契合度不高,与Ritger-Peppas模型和Peppas-Sahlin模型(m=0.5)契合度高。拟合分析结果显示,香草醛的释放行为符合不规则释放行为,包含药物的扩散和基体的溶胀两方面的贡献。包覆进香草醛后,复合材料的拉伸性能几乎不变,热稳定性略有下降。
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