无定形直链淀粉的吸湿性预测及其影响

执行摘要

• 准确预测了湿态和干态非晶态直链淀粉聚合物的关键物理性质，例如玻璃化转变温度（Tg）
• 通过研究水分含量对淀粉聚合物玻璃化转变温度（Tg）及水分扩散的影响，有效建模了水分的吸收与传输过程
• OPLS3e 力场为非晶淀粉模型提供了高精度
• 建议进一步研究水与直链淀粉之间的深入相互作用，以及各种成分对复合淀粉配方的影响

挑战

由于非晶淀粉在热塑性塑料和食品包埋领域的应用极具吸引力，因此了解其功能性已成为多个行业研发人员的首要任务。淀粉功能性的关键在于水与淀粉颗粒之间的相互作用。大量研究致力于阐明淀粉的微观结构及其底层纳米结构，然而，要通过实验手段全面了解原生颗粒和非晶颗粒的分子结构仍面临较大挑战。这导致：

• 缺乏高分辨率、原子级别的结构表征
• 非晶态淀粉缺乏形态学或热物理性质
• 无定形淀粉在溶剂中缺乏动态性质

方法

Schrödinger 的科学家们旨在通过使用分子模拟 技术（特别是分子动力学 (MD) （MD）模拟）来解决这些难题。¹ 所有建模和模拟均使用Schrödinger 材料科学套件完成。这些方法不仅能够预测在给定温度和相对湿度条件下的吸水率，还能追踪淀粉聚合物基质中的水分传输过程。

结果

分子动力学模拟极大地加深了我们对溶液中及体相phase 中直链淀粉分子的理解，并使我们能够快速预测玻璃化转变温度（Tg）等关键物理性质。

• 结果说明了水分含量对非晶淀粉的塑化作用。根据水分含量预测的玻璃化转变温度（Tg）降低趋势与实验结果一致，并可据此预测此前无法测得的非晶淀粉干态Tg。
• 通过结合大正则蒙特卡洛（GCMC）和分子动力学（MD）模拟，预测了水分吸附等温线及其温度依赖性。水传输的浓度依赖性活化能与先前的实验结果在定量上吻合。
• 现代OPLS3e力场和“均温”元动力学方法不仅能够对无定形淀粉聚合物的溶液行为进行预测，还能对其动力学性质和构象进行高度精确的预测。

接下来会怎样？

• 后续研究可深入探讨水与直链淀粉之间的相互作用，以及淀粉配方中其他常用成分（例如已知会与直链淀粉分子结合的乳化剂）所产生的影响。
• 今后可开展相关研究，以了解复杂非晶态和/或半结晶淀粉配方的形态，以及形态如何影响其传输性能和热机械性能。