编辑：陈敏/ 主编：张大川、蒋羽鸽/ 学术顾问：寇兴然
山东农业大学侯汉学教授团队发表论文：
多元酸通过“酸解-缔合平衡”效应调控木薯淀粉向热塑性淀粉转化过程中的结构、性能演变
ACS Sustainable Chemistry & Engineering
●近日，山东农业大学食品科学与工程学院侯汉学教授团队在ACS Sustainable Chemistry & Engineering在线发表了题为“Polyacid-Regulated Acidolysis-Association Balance Enables Scalable Conversion of Cassava Starch into Thermoplastic Composite Films”的研究论文。2023级博士研究生高山为第一作者，侯汉学教授为通讯作者。
木薯淀粉来源丰富、可再生且成本较低，是替代石油基塑料的重要生物质原料。但天然淀粉颗粒内部由密集氢键和半结晶结构维系，直接挤出时既难以形成均一熔体，又会在热-机械作用下发生糖苷键断裂。传统认识常把分子量下降视为性能损失，然而淀粉具有刚性吡喃糖环和高度支化的支链淀粉结构，难以像线性聚烯烃那样依靠经典链缠结形成复合体系。因此，将淀粉转化为热塑性淀粉（TPS）的关键并非一味地抑制降解，而是在适度分子降解与氢键网络重构之间建立平衡。
研究据此提出“酸解-缔合平衡”框架。多元酸一方面提供酸性环境，促进糖苷键断裂、降低熔体黏度；另一方面，其羧基、羟基或酚羟基又可与淀粉链形成多点氢键，参与分子间缔合和网络重构。研究揭示了不饱和二羧酸、饱和羟基取代羧酸、三羧酸和多酚酸等多种不同有机酸结构类型对木薯淀粉向热塑性淀粉转化过程的影响。
图1 六种多元酸的分子结构及其对淀粉酸解-缔合平衡的调控路径
图2 天然木薯淀粉及不同多元酸调控TPS的分子量分布与表观直链淀粉含量
图5 不同多元酸调控TPS的频率响应、温度响应与流变模型拟合
图7 多元酸调控TPS在PBAT热压复合与挤出吹膜中的应用验证
为检验这些调控是否能进入工业化柔性膜体系，作者将TPS与PBAT按等质量共混。对照体系出现两个明显扭矩峰，说明TPS和PBAT熔融塑化不同步；加入多元酸后，双峰减弱或消失，其中丁二酸、酒石酸和柠檬酸改善最明显。热压复合膜中，苹果酸样品强度最高且酸刻蚀后形成细小、均匀孔洞，显示淀粉分散和界面相容性较好；丁二酸和单宁酸样品的伸长率甚至高于纯PBAT，说明TPS不再只是脆性填充相，而能参与变形和界面应力传递。基于熔融混合、热压性能和形貌结果，作者选取丁二酸、苹果酸和单宁酸体系进行挤出吹膜。三类改性体系均提高了泡管稳定性和吹胀比。所得TPS/PBAT吹膜的拉伸强度/断裂伸长率分别达到15.03 MPa/942.33%、12.31 MPa/773.87%和11.58 MPa/734.20%，明显优于相应热压膜，也高于多项已报道的淀粉/PBAT吹膜。吹膜引起的PBAT富集连续相取向，与多元酸预先调控的TPS界面结构共同实现了高强度和大延展。
DOI：10.1021/acssuschemeng.6c05434
第一作者：高山，男，中共党员，山东农业大学食品科学与工程学院2023级博士研究生，入选第四届全国高校百名研究生党员标兵、中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划、“十百千万”农业新质人才培养工程，现为中国食品科学技术学会会员、美国食品技术协会（IFT）会员，研究方向为挤出过程中功能性淀粉/生物降解聚酯复合体系的结构转变、成膜机制与性能调控。以第一作者/共同第一作者在ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Carbohydrate Polymers、Food Chemistry、Food Packaging and Shelf Life、Journal of Future Foods、Food Bioscience等期刊发表学术论文20篇（ESI高被引论文1篇），累计影响因子180+；申请/授权国家发明专利5项（授权2项），联合制定企业标准2项。在2024年赴塞尔维亚诺维萨德市参加第5届“食品质量、科技和安全”（FoodTech 2024）国际大会，并作题为“Manufacturing of Antimicrobial & Smart Food Biodegradable Packaging”的会议报告；2026年获山东省食品科学技术学会研究生论坛一等奖。获中国研究生乡村振兴科技强农+创新大赛第二届乡村振兴志愿服务技能大赛全国季军、中国研究生乡村振兴科技强农+创新大赛第四届科技作品竞赛全国一等奖、中国国际大学生创新创业大赛国赛金奖/铜奖、中国研究生“双碳”创新与创意大赛国家级三等奖、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛国家级三等奖等国家级奖项7项、省级奖项10余项。担任第二届山东农业大学党员博士兴农团团长，获评山东农业大学“优秀共产党员”、“研究生党员标兵”等荣誉称号；获博士研究生国家奖学金、硕士研究生国家奖学金、山东省研究生创新成果奖、上海数郜机电奖学金等荣誉。
通讯作者：侯汉学，男，博士，教授，博士生导师，泰山产业领军人才，美国谷物化学家协会会员，中国农学会农产品贮藏加工分会理事，山东省粮食加工技术工程中心主任，德州市现代产业首席专家，肥城市优秀科技创新团队带头人。曾在美国堪萨斯州立大学谷物科学与工业系、阿克隆大学高分子工程系做访问学者。近年来主持国家自然科学基金、山东省科技发展计划、山东省自然科学基金、山东省中青年科学家奖励基金和国家博士后科学基金等项目，并参与国家重大科技专项、国家863重点项目及省级科研项目。在Carbohydrate Polymers、Food Hydrocolloids、Food Chemistry、Food Packaging and Shelf Life、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、International Journal of Biological Macromolecules、Applied Clay Science、Journal of Applied Polymer Science等高水平学术期刊上以通讯作者身份发表淀粉基材料方向相关论文60余篇。荣获山东省科技进步二等奖2项、三等奖3项，授权专利14项，副主编、参编全国统编教材4部。指导研究生获得国家奖学金5项、山东省学术学位研究生创新成果奖2项、山东省专业学位研究生优秀实践成果奖2项、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国家级铜奖2项与省级金奖2项。
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