尿素介导氢键断裂：高尿素摩尔比水合低共熔溶剂绿色溶解蜡质玉米淀粉及其非衍生化加工研究

本研究发现高尿素/氯化胆碱（ChCl）摩尔比（6:1至10:1）的水合低共熔溶剂（DES）在低温（-20°C）下可实现蜡质玉米淀粉（WCS）高效（>98%）、温和（60°C）溶解。分子动力学模拟揭示尿素通过氢键竞争破坏淀粉分子间网络，再生淀粉保持非晶态结构且分子量仅轻微下降，为淀粉绿色加工与非衍生化应用提供了新策略。

　　

Highlight

水合低共熔溶剂（DES）在尿素/氯化胆碱（ChCl）摩尔比6:1至10:1、含水量40–50%时，凝固点降至-20°C以下，显著增强对蜡质玉米淀粉（WCS）的溶解能力。

Physicochemical properties and characterization of DESs

尿素与ChCl摩尔比为2:1的低共熔混合物熔点为12°C，室温下为液体。增加尿素摩尔分数会导致体系在室温下逐渐结晶形成固相。向尿素/ChCl体系中加水可显著降低凝固点（图1a）。但在较高尿素摩尔比（如4:1）下，即使加水后体系在室温下仍为固体。当尿素/ChCl摩尔比达到6:1且含水量为50%时，体系的凝固点降至-20°C。进一步增加尿素摩尔比至10:1，凝固点变化不显著。这些结果表明，高尿素摩尔比结合适量水可形成在室温及更低温度下保持液态的水合DES，这为在温和条件下处理生物聚合物提供了可能。

Conclusions

本研究开发了一类由尿素和ChCl以高摩尔比组成的新型水合DES，并系统研究了WCS的溶解行为及分子间相互作用机制，同时全面分析了再生WCS的结构与性能。结果表明，当尿素/ChCl摩尔比为6:1至10:1且含水量为40–50%时，DES的凝固点降至-20°C以下，实现了WCS在60°C、30分钟内的快速高效溶解（溶解度>98%）。分子动力学模拟表明，在水合DES（尿素/ChCl=10:1）中，尿素分子与WCS形成更多氢键，同时削弱WCS链间的分子间相互作用，从而促进溶解。再生WCS从结晶结构转变为非晶态结构，未发生化学变化，仅分子量略有下降，热分解温度变化可忽略。这些发现表明，高摩尔比尿素/ChCl水合DES可作为非衍生化、可持续的绿色溶剂，用于WCS的溶解与利用，为DES的设计和淀粉基材料的工业应用提供了宝贵见解。