广西大学黄丽婕课题组：一种具有良好耐酸碱性的木薯淀粉改性水凝胶的制备和性能研究

一、 【导读】 

本文报道了关于改性木薯淀粉缓释水凝胶的制备和性能研究。研究旨在解决二氧化氯缓释过程中二元固体二氧化氯被酸碱腐蚀，导致其力学性能较差的问题。研究使用木薯淀粉和聚乙烯醇作为水凝胶的主体和软段，并通过添加季铵化羧甲基纤维素和壳聚糖来改性水凝胶，使其具有酸碱抗性。同时，引入碳酸氢钠使水凝胶具有多孔性，解决了固态氯气在缓释过程中被酸碱腐蚀导致机械性能差的问题。研究通过固态核磁共振等方法确认了改性水凝胶的化学结构和形貌。压缩性能测试结果表明，改性水凝胶在pH=3.5和pH=10.5时的抗酸碱性能最强。氯气释放曲线与一级动力学模型吻合良好。该研究的结果对于环境消毒、水果和蔬菜保鲜以及废水吸附等领域具有广泛的应用前景。

二、【成果掠影】

近日广西大学王双飞院士领衔的生物质包装材料团队黄丽婕副研究员等人成功合成了一种基于木薯淀粉改性水凝胶的二氧化氯固体制剂，具有良好的耐酸碱性，有望应用于空间消毒等领域。该水凝胶对pH高度敏感；不同条件下（亚氯酸钠浓度、柠檬酸浓度、温度）二氧化氯日释放量均呈现先升高后降低的趋势；缓释动力学可以用一阶动力学描述，速率常数（k）与初始亚氯酸钠和柠檬酸浓度无关，任何给定时间的释放速率与基质中的亚氯酸钠和柠檬酸浓度成正比。研究成果以题为“Preparation and pro perties of modified cassava starch slow-release hydrogel with acid and alkali resistance”发表在一区Top期刊《Industrial Crops & Products》上。

 三、【核心创新点】

成功合成了一种基于木薯淀粉改性水凝胶的二氧化氯固体制剂。提供了一种提高凝胶类固体二氧化氯产品耐酸碱性的新方法。克服了以凝胶类有机物为载体的固体二氧化氯在酸碱环境下容易崩塌瓦解的问题。这种缓释水凝胶具有较强的酸碱抗性和压缩强度，能够在pH = 3.5和pH = 10.5的条件下分别承受200.47 kPa和180.65 kPa的压力。这使得该水凝胶在环境消毒、果蔬保鲜中具有潜在的应用前景。

 四、【数据概览】

图1  用于环境消毒领域的应用:1) 离子释放；2) 环境消毒；3) 应用。

图2  原料及木薯淀粉改性水凝胶的表征：(a,b) FTIR；(c)固体核磁碳谱；(d,e)XRD；(f)表面形貌和(g)截面形貌SEM。

图3  改性木薯淀粉水凝胶：(a)双交联机制和(b)三维结构。 

图4  木薯淀粉改性水凝胶的压缩应力变化：(a)不同pH值的柠檬酸溶液；(b)不同pH值的亚氯酸钠溶液。

图5  二氧化氯释放趋势：(a)亚氯酸钠浓度；(b)柠檬酸浓度；(c)温度。

总释放量：(d)亚氯酸钠浓度；(e)柠檬酸浓度；(f)温度；(g)木薯淀粉改性水凝胶吸酸吸碱机理。

图6  一级动力学拟合：(a)不同柠檬酸浓度；(b)不同亚氯酸钠浓度；(c)不同温度。

五、【成果启示】

本研究以木薯淀粉为骨架，以聚乙烯醇为软段，通过对羧甲基纤维素季铵化改性，再加入甲壳素和碳酸氢钠。在整个水凝胶体系中引入季铵基，利用季铵基的氮与碱的配位键作用以提高水凝胶对碱的选择性吸附性能，提高凝胶的耐碱性；引入羧基和氨基，在酸性pH中，氨基被质子化，正电荷离子间相互排斥，防止在酸性溶液中溶胀降低，提高其耐酸性，从而制备可生物降解、低成本的淀粉基耐酸碱水凝胶。这项研究在环境消毒、食品保鲜和废水吸附等方面具有广泛的应用前景。

参考文献：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