TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化酶解淀粉及其表面施膠

張玉娟 戴紅旗 李媛媛 毛圣陶 王晶晶

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，江蘇南京，210037)

酶解淀粉在造紙工業(yè)中的應(yīng)用始于20世紀70年代，多用于紙張表面施膠［1］。酶解淀粉制備工藝簡單、黏度低、保水性好，但成膜后脆性大［2-3］。利用α-淀粉酶可切斷淀粉的α-1，4糖苷鍵而制得高固含量低黏度的改性淀粉。但資料表明，存在酶活性的酶解淀粉不能完全滅活，酶解淀粉膠液產(chǎn)品易滋生細菌、貯存穩(wěn)定性差等，從而影響酶解淀粉的應(yīng)用［4-5］。

氧化淀粉是變性淀粉的一種，是重要的化工原料。氧化淀粉較天然淀粉有了極大改進。它具有膠液透明度好、固含量高、黏度低、黏結(jié)力強、流動性好等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、食品、建筑材料、包裝等領(lǐng)域。氧化淀粉多指羧基淀粉，造紙工業(yè)中主要將其用作表面施膠劑和涂布膠黏劑。氧化劑的種類頗多，Y.Kato等人［6］提出了一種新的 TEMPO介質(zhì)氧化多糖的方法，研究了水溶性淀粉在穩(wěn)定、低于4℃、pH值為10.75的條件下用TEMPO/NaBr/Na-ClO氧化體系進行氧化。氧化產(chǎn)物的13C-NMR譜圖表明，原淀粉中與α-1，6糖苷鍵連接的支鏈淀粉在氧化過程中幾乎都發(fā)生斷裂，因此，產(chǎn)生大量純的α-1，4糖苷鍵連接的聚多糖酸［6-7］。

TEMPO/NaBr/NaClO氧化體系的特點是對分子鏈上的伯醇羥基具有選擇性氧化作用，而對分子鏈其他官能團及結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生氧化作用。因此，本研究首先利用α-淀粉酶對玉米原淀粉大分子進行切斷，然后經(jīng)TEMPO氧化體系進行氧化改性。一方面，TEMPO氧化體系可在溫和的條件下將淀粉分子的伯醇羥基氧化成羧基，賦予其新的功能基團［8-9］，提高改性淀粉膠液的穩(wěn)定性、成膜性和韌性;另一方面，TEMPO氧化體系可以對淀粉酶進行比較徹底的滅活，并保持改性淀粉的化學(xué)穩(wěn)定性。

1 實驗

1.1 原料

玉米原淀粉(山東平度淀粉廠)、氧化淀粉(廣西明陽生化科技有限公司)、高溫α-淀粉酶(山東隆大生物工程有限公司)、TEMPO(純度99%，實驗室自制)、原紙(50 g/m2，山鷹紙業(yè)股份有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 α-淀粉酶酶活測定

按QB/T 2306—1997標準，用7230G分光光度計測定。

1.2.2 酶解淀粉的制備

稱取一定量淀粉配成60%的淀粉懸浮液，加入α-淀粉酶和醋酸鈣，用0.1 mol/L的HCl調(diào)節(jié)pH值至6.0，置于已恒溫的四口燒瓶中反應(yīng)，酶解溫度95℃，酶解時間30 min。

1.2.3 TEMPO/NaClO/NaBr體系氧化酶解淀粉

以酶解淀粉膠液為原料，采用TEMPO/NaBr/Na-ClO體系對酶解淀粉進行氧化改性。稱取30 g絕干酶解淀粉，NaBr用量為0.01 g/g(文中用量均對絕干淀粉而言)，反應(yīng)pH值用NaOH調(diào)節(jié)并維持在10.5左右。采用單因素法分別對TEMPO用量、pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和NaClO用量進行實驗，反應(yīng)最后用1 mol/L的HCl調(diào)pH值到7.0，然后加10 mL 0.1 mol/L的硫代硫酸鈉作為脫氯劑終止反應(yīng)，得到改性淀粉表面施膠劑。

1.2.4 改性淀粉羧基含量測定

測試方法如下［10］:準確稱取樣品10 g(絕干)于250 mL燒杯中，加入75 mL 0.1 mol/L HCl，混合并充分攪拌30 min，用布氏漏斗抽濾。過濾出的淀粉用去離子水漂洗至無氯離子為止。將漂洗完的樣品轉(zhuǎn)移到250 mL容量瓶中，加入25 mL 0.5 mol/L CaAc2溶液，用去離子水稀釋定容，在30 min內(nèi)不時地搖動容量瓶，然后過濾到干燥的吸濾瓶中。吸取50 mL濾液于250 mL錐形瓶中，用0.05 mol/L NaOH標準溶液滴定到酚酞變色，記錄消耗堿液的體積。

羧基含量(%)=50×(V1/m1)×c×0.001×45×100

式中，V1為消耗堿液的體積，mL;m1為樣品質(zhì)量，g;c為NaOH標準溶液濃度，mol/L;45為羧基摩爾質(zhì)量，g/mol。

1.2.5 表面施膠

配制質(zhì)量分數(shù)為8%的改性淀粉膠液;將商品氧化淀粉在92℃下糊化，保溫15 min，同樣稀釋到質(zhì)量分數(shù)為8%;用這2種淀粉于70℃下分別進行表面施膠［11］。

1.2.6 施膠后紙張性能的測定

將表面施膠后的紙張于恒溫恒濕室放置24 h后測其性能?？箯垙姸?、表面強度的測定分別按照TAPPI T494、TAPPI T811方法進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 淀粉酶解工藝條件的制定

酶法預(yù)處理中酶解淀粉的條件為:淀粉質(zhì)量分數(shù)60%，pH值6.0，最適反應(yīng)溫度95℃，醋酸鈣用量5 mmol/g，反應(yīng)時間 30 min，酶用量75 IU/g。

2.2 不同工藝條件對TEMPO/NaBr/NaClO體系氧化淀粉的影響

2.2.1 TEMPO用量對改性淀粉羧基含量的影響

TEMPO用量對改性淀粉羧基含量的影響如圖1所示。由圖1可知，TEMPO用量達到1.0 mg/g后，產(chǎn)品的羧基含量維持在一個比較穩(wěn)定的水平。這主要是因為TEMPO是一種穩(wěn)定的自由基，從氧化反應(yīng)機理中可以發(fā)現(xiàn)TEMPO與NaBr一樣都發(fā)揮著催化劑的作用，在反應(yīng)過程中循環(huán)使用，但其自身卻沒有參加反應(yīng)。另一方面，TEMPO的催化效率極高、專一性好，只需要微量就可以使整個反應(yīng)維持動態(tài)平衡。所以，TEMPO適宜用量為 1.0 mg/g。

2.2.2 pH值對改性淀粉羧基含量的影響

pH 值對改性淀粉羧基含量的影響見圖2。由圖2可以看出，在pH值為7.5～9.5時羧基含量隨pH值的增大而稍有增加，但pH值再升高時，羧基含量反而減少。這是因為在強堿條件下，TEMPO/NaBr/Na-ClO體系的氧化活性更高，氧化選擇性下降，在進攻淀粉的葡萄糖單元C6位上的伯羥基的同時，也進攻C2、C3碳原子上游離的仲羥基，從而生成酮基。在中性或弱堿性條件下，TEMPO/NaBr/NaClO體系的氧化活性相對降低，但具有相對較高的選擇性，主要進攻空間位阻較小、反應(yīng)活性較大的C6位上的游離羥基，但C2、C3上的羥基空間位阻較大，氧化體系較難進攻，所以在氧化過程中，C6位上的伯羥基的氧化對反應(yīng)速率起決定性作用，伯碳原子上的氫更易以質(zhì)子的形式離去;另外，C6是伯碳原子，而C2、C3是仲碳原子，氧化過程中C6位上的伯羥基被氧化成羧基，C2、C3位上的仲羥基卻被氧化成羰基。因此，堿性越強，氧化淀粉中羧基含量越低［9，12］。

另外，堿性條件下伯碳上的氫更易離去，TEMPO易氧化，但反應(yīng)體系的pH值對反應(yīng)速率的影響也是很明顯的;在強堿條件下，淀粉生成帶負電的淀粉鈉，其含量隨pH值的升高而增加;同時，NaClO主要離解成ClO-，也帶有負電荷，相互間的排斥作用影響了氧化反應(yīng)。所以，TEMPO氧化體系的堿性不能太強，pH值在9.5左右為宜。

2.2.3 溫度對改性淀粉羧基含量的影響

由圖3可知，隨反應(yīng)溫度的升高，在0～5℃范圍內(nèi)，產(chǎn)品的羧基含量有增加趨勢;當(dāng)反應(yīng)溫度達到5℃后，產(chǎn)品的羧基含量不斷減少，說明反應(yīng)溫度對TEMPO/NaBr/NaClO體系的氧化能力存在一定的影響。原因是反應(yīng)溫度越高，分子間相對運動速率越快，淀粉分子與次氯酸根離子的有效碰撞幾率越大，氧化程度越深，羧基含量也隨之增加。但溫度繼續(xù)升高，雖然氧化反應(yīng)速率加快，可酶解淀粉氧化所需的活化能較低，反應(yīng)本身又放熱，一方面不利于氧化反應(yīng)的進行，同時由TEMPO產(chǎn)生的亞硝鎓離子氧化能力會更強，它不僅會進攻空間位阻較小的C6位上的伯羥基，還能進攻空間位阻較大的C2及C3位上的仲羥基，這樣會導(dǎo)致淀粉氧化降解程度加劇。因此，反應(yīng)溫度控制在5℃最合適，既保證了NaClO的有效成分充分用于C6位上的伯羥基的氧化，又減少了陽離子淀粉的氧化降解，增加了TEMPO/NaBr/NaClO氧化體系的專一性。

2.2.4 反應(yīng)時間對改性淀粉羧基含量的影響

由圖4可知，隨反應(yīng)時間的延長，羧基含量先增加后減小;在反應(yīng)2.0 h時，氧化淀粉羧基含量達到最大值，為3.02%;繼續(xù)延長反應(yīng)時間，羧基含量稍有下降。原因可能是氧化反應(yīng)在2.0 h左右時已基本完成，而隨反應(yīng)時間的延長，副反應(yīng)卻在繼續(xù)，因而導(dǎo)致羧基含量降低;同時反應(yīng)時間過長也會導(dǎo)致淀粉降解程度加劇、氧化淀粉得率下降。開始反應(yīng)速率很快，羧基含量增加明顯，因為酶解淀粉的結(jié)晶區(qū)已被破壞，初始反應(yīng)速率大，而后反應(yīng)速率變小，并且隨反應(yīng)的進行，淀粉分子降解明顯，小分子增多，水溶性增強，測定羧基含量時可能會有損失。所以，適宜的反應(yīng)時間為2.0 h。

2.2.5 NaClO用量對改性淀粉羧基含量和黏度的影響

從圖5可以看出，氧化淀粉的羧基含量隨NaClO用量的增加而增加;當(dāng)NaClO用量從0.25 mmol/g增至 2.00 mmol/g時，羧基含量從 1.23% 提高到5.06%，幾乎呈線性關(guān)系，增加了311%，NaClO對酶解淀粉氧化效果好于原淀粉［9］。因為酶解淀粉時溫度為95℃，淀粉顆粒狀態(tài)已被破壞，結(jié)晶區(qū)也被破壞，利于氧化劑與淀粉的接觸，加速反應(yīng)，提高反應(yīng)程度，并且α-淀粉酶將淀粉分子鏈上的α-1，4糖苷鍵不同程度切斷，羥基含量增加，氧化劑和淀粉接觸面積增大，氧化反應(yīng)更好地進行，使得最終反應(yīng)產(chǎn)物為聚多糖酸形式［6］，增加羧基含量。

圖5 NaClO用量對改性淀粉羧基含量和黏度的影響

由圖5可知，氧化淀粉隨氧化程度的增強，淀粉黏度不斷降低，在羧基含量為5.06%時，淀粉黏度僅為7.0 mPa·s。羧基含量的增加與黏度的降低表明，改性淀粉水溶性更好，有利于施膠時淀粉膠液向紙張內(nèi)部滲透，提高纖維間的結(jié)合面積。

綜上所述，TEMPO/NaBr/NaClO體系催化氧化酶解淀粉的最佳工藝為:pH值9.5，溫度5℃，反應(yīng)時間2.0 h，TEMPO用量1.0 mg/g。當(dāng)其他工藝條件確定后，可以通過調(diào)節(jié)NaClO用量來滿足目標產(chǎn)物對淀粉羧基含量的需求。

2.3 改性淀粉用于紙張表面施膠

以商品氧化淀粉(用“s”表示)為參照，判斷TEMPO改性淀粉(羧基含量最高 5.06%的用“Ta”表示、中等羧基含量2.89%的用“Tb”表示、最低羧基含量1.23%的用“Tc”表示)用于紙張表面施膠時其對紙張強度和表面強度的影響。

2.3.1 對紙張抗張強度的影響

施膠劑在紙張表面的留著和紙張內(nèi)部的滲透都會使其抗張強度增大。由圖6可以看出，施膠后紙張的抗張強度隨施膠量的增加而不斷增大，并且總體上改性淀粉的增強效果好于商品氧化淀粉;經(jīng)TEMPO體系氧化改性的淀粉中，羧基含量越高，紙張的抗張強度越大，因為羧基含量越高，成膜性越好［13］，黏結(jié)性強，利于淀粉與纖維形成氫鍵結(jié)合，同時氧化程度越大，改性淀粉分子質(zhì)量越小，利于淀粉液向紙張內(nèi)部滲透，淀粉分子在紙張中的交織和結(jié)合必定會提高紙張強度;施膠量為4 g/m2時，抗張強度達55.0 N·m/g，與未施膠原紙相比，抗張強度可提高51.6%。但是，氧化程度不能太大，否則淀粉降解太多，不利于施膠液在紙張中留著。

2.3.2 對紙張表面強度的影響

表面施膠對紙張表面強度的改善效果更顯著(見圖7)，在表面施膠量1 g/m2時，Ta的增強效果基本上是Tc和商品氧化淀粉的2倍;而表面強度為145 cm/s時，商品氧化淀粉用量幾乎是Ta的4倍。這說明TEMPO氧化改性的酶解淀粉，氧化程度越高，膠液黏度越低，淀粉分子向紙張內(nèi)部滲透越好，而且成膜性也更好，對紙張表現(xiàn)出優(yōu)異的抗張強度和表面強度。

2.4 電鏡掃描分析

將酶法預(yù)處理后的淀粉和TEMPO改性淀粉應(yīng)用于表面施膠后，通過掃描電鏡可觀察施膠后紙張的表面形態(tài)，以便判斷改性淀粉是否滲透到紙張內(nèi)部。圖8～圖10分別為原紙、酶解淀粉表面施膠后紙張和TEMPO改性淀粉表面施膠后紙張的掃描電鏡照片。

由圖8～圖10可知，未施膠紙張表面隱約可見大量交叉排列的裸露纖維和顆粒狀填料;經(jīng)酶解淀粉表面施膠后的紙張表面覆蓋了一層較平整的淀粉膜，幾乎沒有纖維裸露于紙張表面;從TEMPO改性淀粉表面施膠后紙張的電鏡掃描照片中仍能看到交織排列的纖維，只是纖維表面變得平滑，因為淀粉膠液滲透到纖維和纖維、纖維和填料之間，使得細小纖維、填料互相黏結(jié)成片后與較粗纖維貫串起來，纖維編織得更緊密，且纖維表面光滑。

α-淀粉酶水解的酶解淀粉較改性淀粉的分子質(zhì)量大、體積大，不足以滲透到紙張內(nèi)部，而經(jīng)TEMPO體系氧化后，淀粉分子體積變小，羧基含量增加，滲透性變好，與纖維的吸附和交織力增強，所以可較好地滲入纖維之間，提高紙張的內(nèi)結(jié)合強度。同時，由于表面結(jié)構(gòu)的改變，紙張表面性能隨之變化，從而改善油墨吸收性能。

2.5 酶解淀粉與TEMPO改性淀粉穩(wěn)定性比較

取酶解淀粉和TEMPO改性淀粉Ta，置于室溫下，隨時間變化觀察淀粉黏度的改變，進而反映出改性淀粉的化學(xué)穩(wěn)定程度。酶解淀粉由于α-淀粉酶未經(jīng)過滅活，淀粉酶仍會起作用。由圖11可知，在連續(xù)6 d之內(nèi)，酶解淀粉黏度一直下降，而改性淀粉黏度幾乎未變。因為酶解淀粉膠液經(jīng)過TEMPO氧化后，一方面，淀粉羧基含量增大，降低了淀粉分子間的重聚作用;另一方面，TEMPO氧化體系的氧化作用及毒性導(dǎo)致α-淀粉酶蛋白質(zhì)變性，使其滅活。所以，酶解后的淀粉膠液再經(jīng)TEMPO氧化體系氧化后，化學(xué)穩(wěn)定性提高。

圖11 酶解淀粉和改性淀粉膠液黏度隨時間的變化

3 結(jié)論

3.1 TEMPO/NaBr/NaClO體系催化氧化酶解淀粉的最佳工藝為:pH值9.5，溫度5℃，反應(yīng)時間2.0 h，TEMPO用量1.0 mg/g;當(dāng)其他工藝條件確定后，可以通過調(diào)節(jié)NaClO的用量來滿足目標產(chǎn)物對淀粉羧基含量的需求。

3.2 改性淀粉表面施膠后的效果表明，經(jīng)TEMPO氧化體系改性的酶解淀粉對紙張進行表面施膠，其增強性能優(yōu)于商品氧化淀粉。因為表面施膠時改性淀粉膠液會滲入紙張內(nèi)部，從而提高纖維間的結(jié)合強度。

3.3 TEMPO改性淀粉的化學(xué)穩(wěn)定性好于酶解淀粉，證明TEMPO有滅活α-淀粉酶的作用。

［1］張國運.造紙用表面施膠劑的概況及發(fā)展［J］.西南造紙，2003(2):8.

［2］薛玉可.表面施膠用α-淀粉酶改性淀粉工藝及機理的研究［D］.西安:陜西科技大學(xué)，2007.

［3］景 宜，凡 霞.紙張表面施膠劑的應(yīng)用實驗設(shè)計［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，35(5):83.

［4］Copeland L，Blazek J，Salman H，et al.Form and functionality of starch［J］.Food Hydrocolloids，2009，23:1527.

［5］劉澤福，張俊梅，王 濤.酶改性玉米淀粉表面施膠液制備的工藝改進［J］.造紙化學(xué)品，2010，22(2):34.

［6］Kato Y，Matsuo R，Isogai A.Oxidation process of water-soluble starch in TEMPO-mediated system［J］.Carbohydrate Polymers，2003，51:69.

［7］孫 賓，顧春菊，馬敬紅，等.TEMPO-NaClO-NaBr氧化體系氧化再生纖維素的動力學(xué)研究［J］.東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，30(2):14.

［8］Ruudter H，Johan W，Timmermans T M，et al.TEMPO oxidation of gelatinized potato starch results in acid resistant blocks of glucuronicacid moieties［J］.Carbohydrate Polymers，2010，81:830.

［9］曹晶晶，楊益琴.TEMPO/NaBr/NaClO體系下氧化淀粉的制備及其結(jié)構(gòu)性能表征［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011，35(2):88.

［10］Sangseethong K，Termvejsayanon N，Sriroth K.Characterization of physicochemical properties of hypochlorite-and peroxide-oxidized cassava starches［J］.Carbohydr Polymer，2010，82(2):446.

［11］李媛媛.水性環(huán)氧樹脂及其改性物的表面施膠應(yīng)用［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2011.

［12］Saito T，Shibat I，Isogai A，et al.Distribution of carboxylate groups introduced into cotton linters by the TEMPO-mediated oxidation［J］.Carbohydrate Polymers，2005，61:414.

［13］王 芳，陳 港，方志強.表面施膠淀粉與表面施膠劑協(xié)同作用的研究［J］.造紙科學(xué)與技術(shù)，2009(6):56.