《International Journal of Biological Macromolecules》：Salt-stable ZnO nanoparticles stabilized by citric-acid-crosslinked Canna edulis ker. starch
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本研究通过合成不同取代度的柠檬酸交联Canna edulis果皮淀粉（CEkS），探究其在盐水环境中稳定ZnO纳米颗粒的机理。结果表明，中交联（DS≈0.30-0.40）的CA35%样品在200 mM NaCl下稳定性最佳，纳米胶体尺寸仅1271±5 nm，而未改性样品达2633±18 nm。高交联样品因结构刚度过大，在离子压缩下更易聚集。该研究为优化生物基稳定剂提供了设计规则。
Azmi Alvian Gabriel | Tetsu Yonezawa
北海道大学工学部材料科学与工程系，日本北海道，060-8628
摘要
本研究探讨了Canna edulis淀粉（CEkS）中柠檬酸交联密度如何调控ZnO纳米粒子在盐胁迫下的静电稳定作用。合成了不同取代度（DS = 0.26–0.67）的柠檬酸修饰CEkS聚合物，并通过水共沉淀法将其用于包覆ZnO纳米粒子。FTIR和XRD证实了酯的形成以及ZnO的结晶性，而热分析表明交联聚合物-ZnO体系的热稳定性得到了提高。通过动态光散射（DLS）、ζ电位和紫外-可见光（UV–Vis）浊度在0–200 mM NaCl浓度范围内量化了胶体稳定性。中间交联配方（CA35%）表现出最强的耐盐性：在200 mM NaCl条件下，7天后CA35%的粒径为1271 ± 5 nm，而非修饰的CEkS对照组则增长至2633 ± 18 nm。在无盐分散体系中，CA35%在7天后的粒径仍为301 ± 2 nm，而对照组为2896 ± 6 nm。高交联样品形成了更硬的壳层，尽管表面电荷更负，但对其离子压缩的耐受性更低。总体而言，这些结果为离子介质中多糖包覆ZnO纳米胶体的交联-稳定性设计提供了实用规则，并为需要安全性或法规测试的后续应用验证奠定了基础。
引言
基于淀粉的生物聚合物因其可生物降解性、可再生性、化学可调性、结构多样性和低成本而被越来越多地研究用于水介质中的无机纳米粒子（NPs）的稳定[1]。然而，天然淀粉通常具有较低的表面电荷密度、明显的水敏感性以及有限的热稳定性，这限制了其作为胶体稳定剂的效力，并削弱了纳米粒子-聚合物界面相互作用[2]、[3]、[4]、[5]。因此，化学修饰被广泛采用，而柠檬酸交联已成为一种高效且相对温和的策略来修饰淀粉界面。在胶体和界面科学中，基于淀粉的稳定剂可以通过空间位阻和氢键发挥作用，而引入离子基团的化学功能化还可以增强分散体的静电稳定性[5]、[6]、[7]、[8]。最近关于改性木质素和瓜尔胶的研究进一步说明了如何设计可再生的大分子载体，以提供额外的配位/锚定位点用于含金属的混合体系[9]、[10]。
淀粉的物理化学性质取决于其植物来源，这影响了颗粒形态、结晶度以及直链淀粉与支链淀粉的比例，从而影响糊化过程和机械性能[2]、[11]。Canna edulis淀粉虽然研究较少，但其报告的颗粒大小（25–50 μm）、高膨胀能力和适中的直链淀粉含量（20–30%）使其适合用于制备薄膜和纳米复合材料，显示出作为胶体和界面工程的可持续基材的潜力[12]、[13]、[14]、[15]。
尽管具有这些优势，天然淀粉仍存在一些固有的缺点，如表面电荷低、水敏感性高和热稳定性有限[16]、[17]。这些问题阻碍了其在水环境或高离子强度环境中的纳米粒子稳定能力。未经修饰的淀粉基薄膜在潮湿条件下会吸收50–70%的水分，并在约285°C以上发生热降解[18]。此外，其亲水性及缺乏反应性基团限制了其与无机纳米材料的相容性，从而限制了界面结合。为了解决这些问题，柠檬酸（CA）交联被广泛采用作为一种可持续且高效的策略。在热条件下，CA与淀粉羟基形成酯键，既产生了交联桥，也引入了带负电荷的羧酸根（-COO?）基团。这些改性增强了耐水性，提高了热降解起始温度（310–330°C），并减少了水分吸收。它们还改善了淀粉与金属纳米粒子的静电和空间位阻相互作用[19]、[20]、[21]。取代度（DS）表示被CA取代的羟基的平均数量，是这些效应的关键决定因素[22]、[23]、[24]。
根据反应条件和CA浓度，DS值通常在0.10到0.35之间。较高的DS会增加表面电荷，但可能导致结构过于刚性且交联程度过高，从而降低灵活性。相反，较低的DS会产生柔韧性较高但功能化程度较低的淀粉。因此，必须优化DS以平衡空间位阻保护和界面反应性。先前的研究表明，中等程度的DS（例如0.2–0.35）可提高水凝胶和薄膜等纳米复合体系的分散性和稳定性[25]、[26]。然而，DS对离子应力下胶体稳定性的影响，特别是在基于CEkS的体系中，仍不明确。鉴于许多胶体应用（尤其是涉及ZnO等金属氧化物纳米粒子的应用）的离子敏感性，理解这一关系对于合理设计基于生物的稳定剂至关重要。
氧化锌纳米粒子（ZnO-NPs）具有多种功能特性，包括高紫外线屏蔽能力、抗菌活性和活性氧（ROS）生成能力。这些特性使得ZnO-NPs在食品包装、生物医学涂层、抗菌剂和化妆品等领域具有应用价值[27]、[28]。它们的宽禁带（约3.37 eV）和高激子结合能（约60 meV）有助于有效吸收紫外线，而紫外线照射下的ROS生成增强了抗菌效果[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。此外，ZnO-NPs具有高表面积和热稳定性，使其可用作聚合物纳米复合材料的增强剂[34]、[35]。尽管如此，由于其高表面能，ZnO-NPs在离子介质（如NaCl或磷酸盐缓冲盐水（PBS）中容易聚集，从而影响分散体的均匀性和实际应用中的性能。
尽管许多最终应用将ZnO嵌入聚合物基质中，但分散体的稳定性往往在水处理和配方步骤中就已确定，在这些步骤中增加离子强度会显著减弱静电排斥并引发聚集[38]。因此，这里使用盐溶液作为受控模型环境，以施加离子筛选并测试在抑制静电作用时，经DS调整的CA–CEkS壳层是否仍能保持空间位阻稳定。这种机制筛选为后续在成品聚合物或涂层基质中的研究提供了理论基础。
有机包覆剂已被用于改善纳米粒子的分散性和胶体稳定性。柠檬酸修饰的淀粉尤其具有前景，因为通过酯化引入羧酸基团可赋予负表面电荷以实现静电排斥，而分支的交联结构则增加了空间位阻[34]、[36]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。这些静电和空间位阻效应有望提高ZnO在离子筛选条件下的分散稳定性。这种双重功能对于基于淀粉的胶体系统尤为重要，因为保持纳米粒子分散性对于维持抗菌活性、紫外线屏蔽和热稳定性等性能至关重要。通过改善纳米粒子-基质的相容性和控制聚集，柠檬酸修饰的淀粉不仅稳定了ZnO-NPs，还提升了复合材料的整体性能。
然而，尽管CA修饰的普遍益处已被认可，但交联密度（以取代度表示）对离子应力下胶体稳定性的影响仍不完全清楚。特别是，不同DS如何影响CEkS-ZnO体系在盐条件下的静电和空间位阻稳定平衡尚未得到系统研究。填补这一知识空白对于优化耐盐纳米复合材料的基于淀粉的稳定剂设计至关重要。与仅定性描述或仅在单一盐条件下研究分散性的研究不同，本研究量化了不同离子强度和老化时间下的稳定性趋势，从而确定了静电稳定的操作DS窗口。与将CA交联视为二元修饰的先前报告不同，本研究将稳定性视为DS/交联密度在离子强度和时间上的函数，从而得出了一个机制性的静电设计规则。
在本研究中，Canna edulis淀粉通过不同浓度的CA（30–50% w/w）进行化学修饰，制备了具有不同取代度的样品。然后使用这些CA–CEkS基质通过水共沉淀法合成并包覆ZnO纳米粒子。对这些纳米杂化物进行了全面的表征，包括FTIR、XRD、热分析和显微镜观察，并使用动态光散射、ζ电位和紫外-可见光浊度在高达200 mM NaCl浓度下评估了7天内的分散行为。本研究旨在阐明CA–淀粉–ZnO体系中的DS-稳定性关系，并确定在离子筛选条件下实现稳健静电稳定的最佳交联密度。研究结果为在受控离子筛选条件下稳定水性ZnO纳米分散体提供了DS调节的设计原则，并为在聚合物薄膜、涂层和复杂电解质环境等特定应用中的未来验证提供了依据。
材料
Canna edulis淀粉（CEkS）由Mama Kamu公司（印度尼西亚日惹）提供。淀粉按接收状态使用（未在我们的实验室进行提取），并通过100目筛网过滤以确保均匀性。氢氧化钠（NaOH；Kanto Chemical Co., Inc.，日本；特殊等级，>97.0%；目录编号37184–00；CAS 1310-73-2）和柠檬酸（CA；Kanto Chemical Co., Inc.，日本；>99.0%；目录编号08309–00；CAS 77–92-9）也按接收状态使用。六水合硝酸锌（Zn(NO?)?·6H?O；Fujiilm-Wako Pure）也按接收状态使用。
柠檬酸修饰的CEkS特性
用CA对Canna edulis淀粉（CEkS）进行化学修饰显著改变了聚合物的取代程度和物理化学性质，表现为取代度（DS）、表面电荷、结晶性和热行为的变化。如图1所示，随着CA浓度（30–50% w/w）的升高，DS从0.26增加到0.44；在pH 1.5条件下，30% CA样品的DS急剧增加到0.67。这一趋势与酸促成的酯化过程一致。
结论
本研究表明，Canna edulis淀粉中的CA交联程度对ZnO纳米粒子在盐水环境中的静电稳定性具有关键影响。通过系统地改变CA含量和相应的取代程度，我们发现中等程度的交联——尤其是CA35%（DS ≈ 0.30–0.40）在离子筛选条件下提供了最稳健的稳定性，表现为最低的总体动态粒径轨迹和延迟的聚集现象。
CRediT作者贡献声明
Azmi Alvian Gabriel：撰写——原始草稿、方法学、研究、数据分析、概念化。Tetsu Yonezawa：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文研究结果的财务或个人利益冲突。
致谢
作者感谢R. Yokohira女士（北海道大学）、S. Kimura先生和K. Suziki先生（北海道大学）分别在透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）观察方面提供的帮助。作者还感谢M. T. Nguyen博士和H. Tsukamoto先生（北海道大学）在日常实验和富有成果的讨论中的协助。AAG感谢日本政府（文部科学省奖学金）资助他在札幌的停留。
