近年来,纳米纤维素凭借在各类技术领域的巨大应用潜力,以及在可持续性、生物降解性与可再生性方面的突出优势,受到学界越来越多的关注。纳米纤维素也被称作纤维素纳米材料,一般定义为主要由纤维素构成、至少有一维处于纳米尺度,或是内部/表面具备纳米级结构且结构主体为纤维素的材料。常见的纳米纤维素主要分为三类:纳米纤维素晶体(CNC)、纳米纤维素纤丝(CNF)以及细菌纤维素(BC),三者依据粒径、形貌、表面化学性质和原料来源划分。此外,制备工艺也会直接影响纳米纤维素的理化性质与微观结构。
目前,纳米纤维素已在生物工程、生物医学、食品、日化、医药、水处理、电子器件等诸多领域得到应用,常被用作结构增强组分,也可用于新型材料的研发。现有文献已针对纳米纤维素在柔性储能与电子器件、纳米纤维素功能特性、细菌纤维素在食品工业中的应用、纳米纤维素在先进材料中的应用等方向展开综述研究。绿色复合材料是当下热门的研究方向,相关研究多聚焦于生物塑料与新型生物基材料的开发。淀粉因储量大、成本低、可生物降解、绿色可持续等优势,成为制备绿色复合材料的理想原料。热塑性淀粉(TPS)是淀粉改性的常见产物,一般将淀粉与水、多元醇(如甘油)等低挥发性助剂混合,采用溶剂浇铸法或熔融共混法制备得到。
探明纳米纤维素对淀粉加工及储存过程中结构演变的作用机理,能够为新型绿色淀粉基复合材料的定向设计、以及淀粉特定功能结构的调控提供理论支撑。因此,首先需要明确纳米纤维素(尤其是不同粒径的纳米纤维素)对淀粉糊化特性与流变特性的影响。开展淀粉-纳米纤维素复合体系的流变学表征、探究二者之间的相互作用,是提升淀粉基产品品质、开发新型淀粉制品的关键前提。淀粉颗粒糊化后,直链淀粉会从颗粒中析出;在回生初期(短期回生阶段),原本因糊化被破坏的直链淀粉双螺旋结构会重新形成。
在后续的长期回生阶段,受环境条件影响,支链淀粉分子链也会逐步重建螺旋结构。目前,纳米纤维素如何干预淀粉短期回生与长期回生过程尚不明确,而纳米纤维素的粒径、淀粉与纳米纤维素在体系中的分布状态,都会影响二者的相互作用,进而干预淀粉回生。该问题尚未得到充分阐释,但会直接决定淀粉-纳米纤维素复合材料的使用性能。生物工程、生物医学、食品、医药等领域定制化复合材料的研发,均需要开展此类基础研究。
基于上述背景,该研究选取两种不同粒径的纳米纤维素(细菌纤维素、纳米纤维素晶体),结合光学显微镜、偏光显微镜与原子力显微镜,探究其对小麦淀粉加工及短期储存过程中结构变化、糊化特性、流变特性的影响;同时表征两类纳米纤维素的微观形貌、粒径、ζ电位,以及低浓度(质量体积分数小于1%)纳米纤维素悬浮液的流变行为。该研究还针对小粒径纳米纤维素更易促使淀粉与纳米纤维素形成共团聚体这一假设开展验证,分析粒径差异带来的性能区别。