纤维素纳米纤丝/普鲁兰酶体系对淀粉膜性能的影响研究
王成1,4 刘利琴1,4 鲁宾2 程正柏2 曹海兵2 华飞果3 安兴业1,4,*
1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室
2.浙江景兴纸业股份有限公司
3.浙江金加浩绿色纳米材料股份有限公司
4.天津科技大学生物源纤维制造技术国家重点实验室
创新点
本研究分析了纤维素纳米纤丝（CNF）/普鲁兰酶（Pul）体系对淀粉膜性能的影响，针对普鲁兰酶对淀粉脱支水解效率有限、难以得到具有高直链/支链淀粉比例的酶解液等问题，利用CNF辅助增强普鲁兰酶的酶学特性的特点，以期利用CNF强化的Pul对淀粉的高效脱支机制及CNF对淀粉膜的增强机理，制备高力学性能且光/水蒸汽透过率可控的淀粉膜。
选题依据
淀粉主要由直链淀粉和支链淀粉组成，具有较好的成膜性能。然而，淀粉基膜材料存在着机械性能差的瓶颈问题，这严重限制了其在诸多领域中的广泛应用。通常淀粉制备成其他材料之前需要经过物理、化学、生物的改性。普鲁兰酶（pullulanase，Pul）是一类淀粉脱支酶，其能专一地水解支链淀粉分支点中的α-1,6糖苷键，可将分子质量大的支链淀粉定向水解为分子质量小的短直链淀粉，提高淀粉水解产物中直链/支链淀粉比例，但普通普鲁兰酶的水解效率有限，很难得到具有高直链/支链淀粉比例的酶解液，这主要是因为淀粉分子具有复杂的长短程多层级致密结构，且生物酶易受外界环境影响，酶活不稳定，酶解效率低。纳米纤维素具有比表面积大、强度高、密度低、透明性好等特点，将纳米纤维素添加到复合薄膜中可大幅提高复合薄膜的机械性能。研究表明，纳米纤维素可辅助增强普鲁兰酶的酶学特性，另外，纳米纤维素对膜的增强效果已被很多研究证实。基于此，本研究通过利用纤维素纳米纤丝（CNF）/Pul体系处理玉米淀粉，以期利用Pul对淀粉的脱支处理及CNF对淀粉膜的增强作用，探究CNF/Pul体系对淀粉膜性质的影响。
研究方案或路线
取4份5 g绝干淀粉分别置于250 mL圆底烧瓶中，然后分别加入50 g蒸馏水并置于38 ℃水域环境下，缓慢搅拌使淀粉分散开，充分搅拌5 min后，在上述4份淀粉悬浮液中分别添加蒸馏水、普鲁兰酶（4 U/g）、CNF（质量分数 1.5%）和4 U/g普鲁兰酶/质量分数1.5%CNF 混合体系，以上4种物质添加量均为20 g（相对于淀粉绝干质量）。用蒸馏水将各圆底烧瓶溶液质量补充到100 g，4组样品分别充分搅拌 5 min后将水浴锅按1 ℃/min升温到95 ℃后，加入40%甘油（占绝干淀粉质量）并保温30 min。将所得淀粉溶液去除气泡后，利用流延法将其均匀铺展到亚克力板上，放入50 ℃烘箱中干燥8 h。干燥完成后，从亚克力板上取下薄膜，在温度和相对湿度分别为25 ℃和 50% 的条件下保存48 h，以备进一步使用。将上述4种淀粉膜分别命名为：Nature-StF、Pul-StF、CNF-StF、CNF/Pul-StF。
主要研究结果与分析
图2 4种淀粉膜的红外谱图
主要结论
（1）CNF添加和普鲁兰酶处理均对淀粉膜的结构、晶型、有序性等方面产生显著影响。
（2）CNF的加人可有效改善普鲁兰酶对淀粉的酶解脱支行为。
（3）CNF/PmI体系处理后得到的淀粉膜具有很好的表面均匀性和机械性能，淀粉膜的拉伸强度从Nature-StF的 2.44 MPa增加到CNF/Pul-St的7.32MPa，增加了200%。
（4）光/水蒸气透过率测试结果表明，CNF/Pu体系处理后的淀粉膜具有更好的光学透过率，从透光率49.32%~51.23%（Nature-StF）增加到透光率56.13%~60.08%（CNF/Pu-St）。对水蒸汽阻隔性能有一定的增强作用，水蒸气透过系数从9.26×10−12 g·cm/(Pa·s·cm2)（Nature-StF）减小至6.33×10−12 g·cm/(Pa·s·cm2) （CNF/Pul-StF）。
作者简介
第一作者:王成，硕士；主要从事淀粉改性与淀粉膜性能的研究。
*通信作者:安兴业，副教授：研究方向：造纸技术、生物质基功能材料。
引文格式
王成,刘利琴,鲁宾,等.纤维素纳米纤丝/普鲁兰酶体系对淀粉膜性能的影响研究[J].中国造纸,2024,43(9):1-6.
WANG Cheng, LIU Liqin, LU Bin, et al. Effects of Cellulose Nanofibril/Pullulanase System on the Performance of Starch Film[J].China Pulp & Paper,2024,43(9):1-6.
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