乙二醇中高直链玉米淀粉相变机制解析：实验与分子动力学模拟研究

为解决高直链玉米淀粉(HAS)传统水热糊化不完全导致的工业应用受限问题，研究人员通过差示扫描量热法(DSC)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和分子动力学(MD)模拟，揭示了乙二醇(EG)作为增塑剂和氢键竞争者的双重作用机制，证实EG在234°C高温下可有效破坏淀粉分子内氢键网络，为生物可降解材料的高温加工提供新策略。

　　

合成塑料的不可降解性引发严峻环境问题，生物可降解材料成为研究热点。高直链玉米淀粉(HAS)因其高直链淀粉含量(>50%)成为理想候选，但其致密颗粒结构导致传统水热糊化不完全，制品存在脆性大、延展性差等问题。虽然甘油等增塑剂可改善性能，但其高温挥发性限制了工业应用。乙二醇(EG)因分子量小、扩散系数高成为潜在替代品，但EG与HAS的相互作用机制尚不明确。

中国研究人员通过多尺度研究揭示了EG对HAS的调控机制。采用差示扫描量热法(DSC)测定相变温度，结合共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)观察结晶度变化，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析氢键网络变化，并构建分子动力学(MD)模型模拟淀粉链构象转变。研究队列采用Henan Hengrui Starch Technology公司提供的HAS(直链淀粉含量67.5%)。

3.1 热学性质
DSC显示EG体系中HAS相变温度(To=223.2°C, Tp=226.5°C, Tc=233.5°C)显著高于水体系。CLSM证实EG处理使双折射消失，表明结晶结构完全破坏。当EG/HAS比例提升至9:1(w/w)并经超声处理后，淀粉颗粒呈现均质化形态，证明EG通过长期渗透实现有效塑化。

3.2 傅里叶变换红外光谱分析
FTIR谱图显示EG-HAS体系的O-H伸缩振动带从3254 cm^-1蓝移至3369 cm^-1，表明EG削弱了淀粉分子间氢键。1047/1022 cm^-1吸收峰比值(R_1047/1022)降低证实短程有序结构破坏，且EG体系比水体系更显著抑制淀粉回生。

3.3 分子动力学模拟
MD模拟揭示EG在147°C时淀粉链解旋速度慢于水体系，需升至234°C才能达到类似水的糊化效果。溶剂可及表面积(SASA)分析显示EG延迟淀粉链聚集，氢键数量变化证实EG通过竞争性结合破坏淀粉分子内氢键网络。相变路径分析表明EG使淀粉存在半有序中间态，高温下才转化为完全解旋构象。

该研究首次阐明EG通过"氢键竞争-构象解旋-高温稳定"三重机制促进HAS相变。EG的低介电常数(ε=37.7)使其更易渗透淀粉结晶区，双羟基结构可同时竞争淀粉链间氢键位点。这为开发耐高温淀粉基生物材料提供理论依据，尤其适用于挤出成型或注塑成型等工业加工。但需注意EG的食品接触安全性尚未评估，未来应优化浓度参数并开展毒理学研究。研究结果发表于《Food Chemistry: X》，为生物塑料替代传统石油基材料开辟新途径。