绿色多孔交联淀粉的制备及吸附性能的研究
作者单位：齐鲁工业大学
学位级别：硕士
导师姓名：郭丽
授予年度：2023年
学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 083202[工学-粮食、油脂及植物蛋白工程] 0703[理学-化学]
摘 要：多孔淀粉作为一种绿色、安全、可降解的吸附材料,被广泛应用于药物的载体、重金属离子、染料的吸附剂和食品的缓释剂等领域。然而,与活性炭等无机吸附剂相比,多孔淀粉具有比表面积小得多、机械强度低、耐热性差等特点。因此,为改善多孔淀粉产业化应用的局限性,本论文以麦芽内源酶水解天然玉米淀粉(NCS)为原料制备多孔淀粉后,分别与三偏磷酸钠(STMP)、柠檬酸(CA)、苹果酸(MA)进行交联反应,探究多孔交联淀粉的物理化学性质并研究其对水、大豆油、挥发性精油、阳离子亚甲基蓝染料的吸附性能。具体研究结果如下:(1)采用麦芽内源酶制备多孔淀粉(MPS)。通过对比麦芽内源酶直接水解玉米淀粉与传统商业酶处理淀粉性能的差异研究了淀粉内部结构对多孔淀粉孔隙率、吸附容量和热稳定性的影响。结果表明:麦芽酶改性后,多孔淀粉晶体类型没有变化,但有序度降低。MPS中短链(DP6-12)的比例增加了9.36%,平均链长由18.97缩短至18.54。麦芽内源酶处理后MPS的比表面积和孔体积较α-淀粉酶单独处理分别增加了306.97%和124.53%,较β-淀粉酶单独处理分别增加了130.26%和73.13%。多孔淀粉的比表面积和孔体积与吸附性能呈正相关。多孔淀粉的吸水率和亚甲基蓝吸收率分别比天然淀粉高196.00%和110.82%。MPS对大豆油的吸附量较AA-BA-PS增加了50.15%。经麦芽酶水解后,MPS对精油的吸附能力约提高2倍。(2)采用麦芽内源酶对天然玉米淀粉进行水解后,与不同的交联剂进行交联,制备了三偏磷酸钠交联多孔淀粉(STMP-MPS,作为对照样品)、苹果酸交联多孔淀粉(MA-MPS)和柠檬酸交联多孔淀粉(CA-MPS)。交联处理后淀粉颗粒聚集在一起,且两种绿色有机酸交联后颗粒粘附地更紧密。MA-MPS和CA-MPS在1738 cm处出现了新的C=O拉伸吸收峰,证实了绿色有机酸交联效果佳。STMP-MPS由于交联程度较低特征吸收峰P-O(1242 cm)和P-O-C(1025 cm)没有出现在淀粉样品的光谱中。酯键的引入提高了MA-MPS和CA-MPS的降解温度。相对于STMP-MPS的平均孔径12.43 nm,CA-MPS(14.02 nm)和MA-MPS(14.79 nm)的增大更为显著。MA-MPS的比表面积较STMP-MPS提高了36%。交联后,STMP-MPS、MA-MPS和CA-MPS对MB的吸附量分别提高了97.87%、108.51%和107.45%。与STMP-MPS相比,MA-MPS和CA-MPS的吸水量分别提高了64%和32%。MA-MPS对精油的吸附能力最强,约为STMP-MPS的4倍。(3)前两部分的研究结果表明多孔交联淀粉对亚甲基蓝(MB)的吸附效果佳,因此,采用CA-MPS和MA-PS作为吸附剂,并用STMP-MPS淀粉作为对照,构建多孔交联淀粉对阳离子亚甲基蓝(MB)染料的吸附动力学模型。研究结果表明:相较于STMP-MPS,MA-MPS和CA-MPS对MB的吸附量分别提高了108.51%和107.45%。随着接触时间的增加,亚甲基蓝的吸附量也增加,在50 min时吸附量达到吸附平衡,同时达到最大吸附量。CA-MPS和MA-MPS对MB的吸附过程符合Langmuir模型,符合PFO粒子内扩散模型,为吸热自发吸附过程。证实了多孔交联淀粉对MB的吸附主要依赖于氢键和静电相互作用。在最佳吸附条件下,CA-MPS和MA-MPS的吸附量最大分别为0.54 mg/g和0.52 mg/g,循环2轮后可重复使用。本论文采用含淀粉酶的新鲜麦芽汁水解玉米淀粉为解决商业淀粉酶的制备成本高、提取工艺繁琐、储存时间短的缺点提供了解决思路。同时,并证实交联处理制备的多孔交联淀粉会进一步增加多孔淀粉的孔尺寸和比表面积,从而扩大多孔交联淀粉的吸附能力,对增加多孔淀粉材料的吸附能力具有一定的重要意义;且交联过程中化学键的引入为提高其热稳定性提供了新的视角。此外,多孔交联淀粉作为一种高效,方便,低成本的新型绿色可降解吸附剂,为处理高浓度有机阳离子染料废水提供了方向。
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