【学思想 建新功】天津科技大学博士后在生物质基胶黏剂的基础研究及应用领域取得系列重要进展

近日，我校食品科学与工程学院博士后刘利琴，在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表以题为“Understanding the versatile roles of cellulose nanocrystals in α-amylase immobilization, starch hydrolysis, colloidal stability and printability towards advanced starch based bio-latex performance”的论文。该论文是目前关于淀粉基胶黏剂制备及其应用在造纸领域所发表的高水平论文。第一作者为刘利琴，合作导师为王书军教授，通讯作者为轻工科学与工程学院刘洪斌教授及美国缅因大学倪永浩教授，天津科技大学为第一作者和通讯作者单位。

淀粉基生物胶乳（SBL）作为一种淀粉基胶黏剂，具有固含量高、流变性能优、成本低等优点，能够满足高速涂布机和高固含量涂料对胶黏剂性能的需求，可被用来替代石油基胶黏剂应用在涂布纸中，已成为当下涂布用绿色新型胶黏剂的研究热点。但目前淀粉基生物胶乳具有粘结强度低、稳定性差等缺点，严重限制了其在高性能纸张涂布中的广泛应用。该论文针对淀粉基胶黏剂的粘结性能和稳定性能方面的瓶颈问题，创新性地提出采用纤维素纳米晶固定化酶的策略调控淀粉的酶解行为，基于固定化酶优异的酶活稳定性及纤维素纳米晶在涂层固化过程中的迁移规律，深层次阐述了固定化酶对淀粉颗粒水解过程的调控机理（如图1所示），揭示了纤维素纳米晶在高浓淀粉基胶黏剂中、纸张涂层表面施涂与印刷过程中的分散与增强机制（如图2所示）。在“双碳”背景下，开发性能卓越、经济适用的绿色淀粉基胶黏剂不仅有助于降低“碳排放”，还对推动纸张涂布与包装行业可持续性低碳发展进程具有重要意义。

图1 纤维素纳米晶固定化酶调控淀粉酶解行为制备淀粉基生物胶乳的示意图

图2 淀粉基生物胶乳中的纤维素纳米晶改善纸张涂布与印刷适性的机理示意图

基于固定化酶水解法对淀粉酶解行为的调控技术，刘利琴作为第一发明人授权了一项中国发明专利和一项欧洲发明专利。这两项发明专利分别提出了一种纤维素纳米晶固定化酶水解法制备淀粉基胶黏剂的方法（如图3所示）和一种超分子微球固定化酶水解法制备高力学强度淀粉基食品包装膜的制备方法（如图4所示）。

图3 高性能淀粉基胶黏剂的宏观形貌与微观结构图及其授权的中国发明专利书

图4 高力学强度淀粉膜的形成机理与微观形貌及其授权的国际发明专利书

在国家近年出台的关于废纸全面禁止进口的政策背景下，国内纸板生产厂家的国废原料比例现已接近100%，但国废原料纤维质量差，造成纸强度低，严重影响企业的产品质量和经济效益。为提高纸板强度，国内各大生产企业将表面施胶淀粉用量从10 kg/t纸增加到30-60 kg/t纸左右，大幅增加企业生产成本，增加白水循环系统负荷，严重影响纸板质量，降低企业经济效益，这也是工业用纸生产过程中的痛点与难点问题。如何进一步优化表胶淀粉生产工艺，提高表胶淀粉的增强性能及纸板产品的印刷适应性，是制约企业的市场竞争力与经济效益的重要因素。刘利琴博士以企业实际生产痛点问题为切入点，依靠先进科技创新平台，利用固定化酶调控淀粉酶解过程的技术创新手段，系统结合玉米淀粉前期预处理、酶解液稳定剂及淀粉蒸煮与保温过程协调控制过程，开发出一种新的表面施胶淀粉制备工艺流程，相对于传统酶解工艺制备的表面施胶淀粉产品来说，新工艺所得到的表胶淀粉使纸板的机械强度和表面印刷适应性能均得到了极大提高和改善，进一步增加了其工业用纸的市场份额，有力推动了企业的高质量发展。该项技术自2021年在浙江景兴纸业推广以来，已经为企业带来直接经济效益600万元，间接效益达千万元以上。

刘利琴博士在攻读博士及博士后研究期间，围绕可持续生物质基新材料开发了多种绿色高效低碳的制备方法，并有力推动了淀粉基生物胶黏剂的绿色可持续生产及应用研究，取得了系列重要成果。目前已发表相关科研论文30余篇，其中高水平论文20余篇，申请或授权专利10余项，参加国际国内学术会议7次，做口头报告4次，并多次获奖，其博士论文被评为天津科技大学优秀博士论文。主持纵向和横向项目88万元，包括一项中国博士后基金面上项目（8万元）和一项企业横向项目（80万元）。

编辑：田珺