曹慶龍,雷橋,2,3*,吳浩,高文婧
1(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306)2(上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心,上海,201306)3(農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(上海),上海,201306)
氣凝膠是一種密度極低的固體形態(tài)物質(zhì),一般由氣態(tài)分子置換水凝膠分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水分子制得,常見的置換方法有超臨界干燥法與冷凍干燥法,由美國(guó)科學(xué)家KISTLER在1931年發(fā)現(xiàn)[1]。常見的氣凝膠有硅類、碳類以及硫類。一般來(lái)說(shuō),任何物質(zhì)在溶于溶劑形成溶膠后,再經(jīng)過(guò)干燥過(guò)程除去溶劑,并可以維持形狀無(wú)明顯變化的高孔隙率、低密度產(chǎn)品,皆可稱之為氣凝膠[2]。正是由于氣凝膠特殊的多孔結(jié)構(gòu),在食品醫(yī)藥、生物科學(xué)、隔音隔熱、吸附等領(lǐng)域逐漸受到人們的關(guān)注[3-5]。ILKA等[6]采用熱凝法制備蛋清蛋白水凝膠,通過(guò)超臨界干燥制備得到的蛋清氣凝膠具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和比表面積,可用作制備食品微膠囊。BETZ等[7]超臨界干燥和冷凍干燥2種方式制備乳清分離蛋白氣凝膠,以并酮洛芬為模型藥物,評(píng)價(jià)了乳清蛋白氣凝膠作為活性化合物載體的應(yīng)用,結(jié)果表明乳清蛋白氣凝膠的載藥量可高達(dá)9.5%。LEE等[8]采用簡(jiǎn)單的溶膠-凝膠工藝和超臨界干燥方法制備了不易破碎的聚脲基納米結(jié)構(gòu)有機(jī)氣凝膠,具有良好的阻熱性能。李玉歧[9]從脫脂棉提取出再生纖維素并制備氣凝膠,通過(guò)硅修飾得到具有良好油水分離能力的疏水性氣凝膠,油水分離效率可達(dá)99%。
普魯蘭多糖(pullulan,PUL)是一種水溶性多糖,于1938年由BAUER首次發(fā)現(xiàn),是出芽短梗霉分泌的胞外多糖[10]。目前對(duì)其生物合成機(jī)理的研究還不是很透徹,一般認(rèn)為,PUL的合成是由出芽短梗霉代謝過(guò)程中間產(chǎn)物六磷酸葡萄糖在一系列酶參與下分解、聚合至最終合成,并通過(guò)特定的轉(zhuǎn)運(yùn)載體運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外[11]。對(duì)于PUL的大規(guī)模生產(chǎn)也是基于此原理,通過(guò)篩選得到PUL高產(chǎn)菌株,利用蔗糖、木糖、果糖等碳源進(jìn)行分批發(fā)酵,并對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行分離純化制得[12]。PUL分子由葡萄糖分子通過(guò)α-1,4-糖苷鍵結(jié)合成麥芽三糖,麥芽三糖的α-1,6-糖苷鍵端再與其他麥芽三糖結(jié)合,如此反復(fù)連接而成。其相對(duì)分子質(zhì)量一般為 4.8×104~2.2×106,受菌株與培養(yǎng)條件的影響較大[13]。其具有獨(dú)特的線性結(jié)構(gòu)、良好的水溶性及生物可降解性,是一種極具開發(fā)價(jià)值和應(yīng)用前景的功能性生物大分子[14]。急性、亞急性以及慢性毒性試驗(yàn)等顯示,PUL不會(huì)引起任何生理學(xué)毒性[15]。因此近年來(lái)在醫(yī)藥領(lǐng)域,PUL多作為藥物送載體,比如制成微球體、微囊等。PUL對(duì)微球體的穩(wěn)定性、生物相容性和生物可降解性均有貢獻(xiàn)[16]。
澳洲茶樹精油是一種廣譜抑菌植物精油,同時(shí)兼顧抗炎、抗癌、驅(qū)蟲等效果,主要成分是單萜、倍半萜及其醇類,添加到活性包裝材料可較好地保持食品的鮮度與品質(zhì)[17]。但也有研究顯示,較高含量的茶樹精油有一定的細(xì)胞毒性[18],所以通過(guò)氣凝膠的毛細(xì)管通道吸附及裝載作用對(duì)精油進(jìn)行緩釋可較好地解決短時(shí)間內(nèi)包裝內(nèi)精油過(guò)多的問(wèn)題。
本文以PUL為基材,采用真空冷凍干燥技術(shù)制備PUL氣凝膠[19],通過(guò)控制制備條件,對(duì)產(chǎn)物的機(jī)械強(qiáng)度、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試與分析,優(yōu)化PUL氣凝膠的制備方法,研究其性能特點(diǎn),并對(duì)其負(fù)載茶樹精油能力進(jìn)行測(cè)試,旨在為PUL氣凝膠的應(yīng)用提供依據(jù)。
普魯蘭多糖(純度>98%,MW=5.2×104Da),上海薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司;澳洲茶樹精油,廣州艾蒿草生物科技有限公司;鹽酸、NaOH、KBr,國(guó)藥集團(tuán)上?;瘜W(xué)試劑有限公司;去離子水,實(shí)驗(yàn)室提供。以上試劑除注明外均為分析純。
TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀,英國(guó)SMS公司;S3400 N型掃描電子顯微鏡,Hitachi(日立)公司;TG NETZSCH 209 F3型熱重分析儀,德國(guó)耐馳儀器制造有限公司;YP202 N型電子天平、雷磁PHS-3CpH計(jì), 上海精密科學(xué)有限公司;DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,河南省鞏義市科瑞儀器有限公司;SCIENTZ-10 N型真空冷凍干燥機(jī),寧波新芝生物科技股份有限公司;Nicolet iZ10型傅立葉變換顯微紅外成像光譜儀,Thermo Scientific有限公司;LHS-500HC-II型恒溫恒濕箱,上海精科儀器有限公司。
1.3.1 氣凝膠的制備
前驅(qū)體濃度對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)有著較大影響,濃度太低難以形成凝膠,濃度太高則無(wú)法水溶[20]。前期溶解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),所購(gòu)PUL樣品在25 ℃下水浴攪拌最大溶解量約為10.8 g/100 mL,故選取0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 g/mL的前驅(qū)體質(zhì)量濃度梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。PUL溶液呈電中性,且對(duì)酸堿度有一定耐性[13]。較高酸性或堿性的調(diào)節(jié)會(huì)對(duì)溶液進(jìn)行稀釋且濃度難以控制,故選取pH 5.0、6.0、7.0、8.0和9.0,研究pH對(duì)氣凝膠性能的影響。
分別準(zhǔn)確稱取2、4、6、8、10 g PUL粉末,各加100 mL去離子水溶解后,在25 ℃恒溫水浴攪拌器中充分?jǐn)嚢?0 min。密封后在4 ℃冰箱放置12 h,充分水合后[21],用1 mol/L 的HCl溶液或1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH至5.0~9.0,再于25 ℃恒溫水浴攪拌30 min。將分散均勻的懸浮液倒入2 mL離心管,敞口置于-20 ℃冰箱12 h后, 用真空冷凍干燥機(jī)干燥(規(guī)程:-45 ℃,15 Pa,1~3 d),制得PUL氣凝膠。
1.3.2 密度與孔隙率的測(cè)定
采用電子分析天平測(cè)量氣凝膠樣品的質(zhì)量;采用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑與高度,并計(jì)算體積。按公式(1)計(jì)算密度:
(1)
式中:ρ,密度,g/cm3;m,氣凝膠樣品的質(zhì)量,g;V,氣凝膠樣品的體積,cm3。
按公式(2)計(jì)算孔隙率:
(2)
式中:P,孔隙率,%;ρ和ρ0分別是氣凝膠和普魯蘭多糖(1.85 g/cm3)的密度,g/cm3。
1.3.3 壓縮模量的測(cè)定
將氣凝膠切成高度為1 cm的圓柱狀樣品。選用探頭為36R平面探頭,設(shè)定測(cè)前速度1.0 mm/s,測(cè)定速度0.1 mm/s,測(cè)后速度1.0 mm/s,樣品壓縮至其原始高度的75%。在得到的計(jì)算應(yīng)力-應(yīng)變曲線上,取應(yīng)變范圍8%~15%線性區(qū)域的斜率,記作氣凝膠的壓縮模量[22]。
1.3.4 吸濕率
采用SU等[23]的方法并作修改。將氣凝膠置于相對(duì)濕度為83.6%,30 ℃的恒溫恒濕箱中,每隔一定時(shí)間稱取一次氣凝膠質(zhì)量,直至恒定。氣凝膠吸濕率按公式(3)計(jì)算:
(3)
式中:H,吸濕率,%;m1,吸濕一定時(shí)間后氣凝膠的質(zhì)量,g;m2,未吸濕前氣凝膠的初始質(zhì)量,g。
1.3.5 掃描電鏡分析
將氣凝膠樣品沿橫切面切成1 mm厚的薄片,粘于導(dǎo)電膠上噴金120 s后,使用26 kV加速電壓掃描電鏡觀察氣凝膠表面的微觀結(jié)構(gòu)[24]。
1.3.6 茶樹精油裝載實(shí)驗(yàn)
采用AHMADI等[22]的方法并作修改。將氣凝膠樣品浸入澳洲茶樹精油中,在30 ℃恒溫密封條件下浸泡3 h,使精油逐漸吸附到氣凝膠的通道中。之后取出置于敞開培養(yǎng)皿上,30 ℃恒溫使其充分揮發(fā)至質(zhì)量恒定。裝載率按公式(4)計(jì)算:
(4)
式中:T,裝載率,%;m0,未浸入精油前氣凝膠的初始質(zhì)量,g;mt,揮發(fā)至質(zhì)量恒定時(shí)氣凝膠的質(zhì)量,g。
1.3.7 熱重分析
將氣凝膠樣品(5~10 mg)置于Al2O3坩堝中,以N2(流速20 mL/min)作為保護(hù)氣和吹掃氣,從30 ℃加熱到600 ℃,加熱速率為10 ℃/min。[25]
制備pH 7.0,干燥2 d,前驅(qū)體質(zhì)量濃度分別為0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 g/mL的氣凝膠樣品,研究前驅(qū)體質(zhì)量濃度對(duì)PUL氣凝膠性能的影響。
2.1.1 濃度對(duì)氣凝膠密度及孔隙率的影響
隨著前驅(qū)體質(zhì)量濃度的提高,單位凝膠內(nèi)普魯蘭多糖纖絲含量、氣凝膠的密度也隨之增加,孔隙率相應(yīng)降低。密度最低為0.063 43 g/cm3,對(duì)應(yīng)最高孔隙率為96.57%;密度最高可達(dá)0.225 9 g/cm3,對(duì)應(yīng)最低孔隙率87.79%。
圖1 前驅(qū)體質(zhì)量不同濃度下氣凝膠的密度及孔隙率Fig.1 Density and porosity of aerogels at different concentrations
2.1.2 濃度對(duì)氣凝膠抗壓強(qiáng)度的影響
2.1.3 濃度對(duì)氣凝膠吸濕率的影響
在冷凍干燥過(guò)程中氣凝膠的水分被除去,所以產(chǎn)品本身含水量極低。由于氣凝膠本身的多孔洞結(jié)構(gòu)具有一定的吸水性,而吸水之后的氣凝膠不易保存,更容易腐敗變質(zhì),對(duì)于裝載活性藥物的適用性也大大降低[26]。由圖3可知,當(dāng)吸濕達(dá)到平衡時(shí),氣凝膠吸濕性隨前驅(qū)體濃度的升高先降低后增大。吸濕率降低的原因可能是由于氣凝膠的孔隙率隨著前驅(qū)體濃度的升高而降低,孔隙率越小,容納水分的空間越小,吸濕率越低。
圖3 前驅(qū)體質(zhì)量不同濃度下氣凝膠的平衡吸濕率Fig.3 Equilibrium moisture absorption rate of aerogels at different concentrations
后半段吸濕率提高則是由于PUL本身是親水性物質(zhì),其中富含親水性的—OH基團(tuán)[28],伴隨著前驅(qū)體濃度的上升,單位體積—OH含量增大,表現(xiàn)出更大的吸濕性。故濃度在孔隙率與—OH含量方面存在平衡關(guān)系,前驅(qū)體質(zhì)量濃度為0.06 g/mL時(shí),吸濕率最低。
各濃度的氣凝膠產(chǎn)品均在前3 h表現(xiàn)出較大的吸濕速率。如圖4所示,前驅(qū)體質(zhì)量濃度越低的氣凝膠能為更快達(dá)到吸濕平衡。而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),前驅(qū)體質(zhì)量濃度較高時(shí)(0.08~0.1 g/mL),12 h后仍表現(xiàn)有一定的吸濕率,說(shuō)明較高濃度下PUL氣凝膠的吸附動(dòng)力學(xué)較為復(fù)雜,更難達(dá)到平衡,在實(shí)際應(yīng)用中更難把控??紤]到運(yùn)輸與保存,選用較低的前驅(qū)體濃度,以擁有更低的吸濕率。
圖4 前驅(qū)體不同質(zhì)量濃度下氣凝膠的吸濕速率Fig.4 Moisture absorption versus time diagram of aerogels at different concentrations
2.1.4 濃度對(duì)氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響
不同的前驅(qū)體濃度影響著氣凝膠的孔隙率,圖5是使用掃描電鏡觀察到的不同前驅(qū)體濃度的氣凝膠橫切面微觀結(jié)構(gòu)建圖5。隨著濃度的上升,氣凝膠孔徑變小,結(jié)構(gòu)更為致密,這與孔隙率實(shí)驗(yàn)及壓縮模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,說(shuō)明更高濃度的多糖纖絲相互作用限制了冰晶的生長(zhǎng),從而在干燥之后留下了小而均一的孔道。
2.1.5 濃度對(duì)氣凝膠裝載茶樹精油性能的影響
隨著前驅(qū)體濃度的提高,氣凝膠結(jié)構(gòu)更為致密,孔隙率的降低導(dǎo)致氣凝膠的精油裝載率下降。如圖6所示,曲線的斜率逐漸變小,這可能是由于高孔隙率氣凝膠的表面大孔徑對(duì)精油的吸附力較低,表面精油更易揮發(fā)導(dǎo)致的。前驅(qū)體質(zhì)量濃度最高(0.1 g/mL)時(shí),茶樹精油裝載率為123.93%,前驅(qū)體濃度最低時(shí)對(duì)應(yīng)的裝載率為178.13%,表現(xiàn)出較好的裝載性能。
制備質(zhì)量濃度為0.1 g/mL,干燥時(shí)間為2 d,pH分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的氣凝膠樣品,研究pH對(duì)PUL氣凝膠性能的影響。
2.2.1 pH值對(duì)氣凝膠密度及孔隙率的影響
由圖7所示,pH 5.0~7.0時(shí),氣凝膠的密度及孔隙率無(wú)明顯變化;pH 7.0~9.0時(shí),氣凝膠的密度有所降低、孔隙率增大,這可能是由于PUL分子的—OH基團(tuán)微弱電離而使分子鏈帶負(fù)電,從而互相排斥使得凝膠網(wǎng)絡(luò)增大,干燥后脫去更多水分形成更大的孔洞結(jié)構(gòu)所致。pH 9.0條件下,PUL氣凝膠的密度可低至0.214 g/cm3,孔隙率高達(dá)88.47%。所以實(shí)際應(yīng)用中適當(dāng)調(diào)高PUL氣凝膠前驅(qū)體pH更容易獲得高孔隙率的氣凝膠產(chǎn)品。
a-0.02 g/mL;b-0.04 g/mL;c-0.06 g/mL;d-0.08 g/mL;e-0.1 g/mL圖5 不同質(zhì)量濃度下氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)Fig.5 Microstructure of aerogels at different concentrations
圖6 前驅(qū)體不同質(zhì)量濃度下氣凝膠的茶樹精油裝載能力影響Fig.6 Loading capacity of tea tree essential oil in aerogels at different concentrations
圖7 pH對(duì)氣凝膠密度及孔隙率的影響Fig.7 Effects of pH on the density and porosity of aerogels
2.2.2 pH值對(duì)氣凝膠抗壓強(qiáng)度的影響
由圖8所示,PUL氣凝膠的抗壓強(qiáng)度隨pH值的增加呈下降趨勢(shì),前驅(qū)體偏酸性有利于提高氣凝膠的抗壓強(qiáng)度。堿性條件下制備的氣凝膠抗壓強(qiáng)度較差,說(shuō)明凝膠的孔洞較大,不利于維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由此可見,氣凝膠的高孔隙率與高壓縮模量存在一定沖突,高孔隙率的氣凝膠往往難以獲得較高的壓縮模量。
圖8 pH值對(duì)氣凝膠壓縮模量的影響Fig.8 Effects of pH on the compression modulus of aerogels
2.2.3 pH值對(duì)氣凝膠吸濕率的影響
如圖9所示,pH對(duì)氣凝膠吸濕率的影響不大,且變化趨勢(shì)無(wú)明顯規(guī)律。在pH 7.0處吸濕率最高達(dá)到13.34%,在pH 8.0處吸濕率最低仍有12.69%。如圖10所示,各pH下均在前3 h表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸濕能力,與同濃度未調(diào)節(jié)pH的PUL氣凝膠表現(xiàn)一致,說(shuō)明與pH相比,前驅(qū)體濃度對(duì)氣凝膠吸濕率影響更大。
圖9 pH對(duì)氣凝膠平衡吸濕率的影響Fig.9 Effects of pH on the equilibrium moisture absorption rate of aerogels
2.2.4 pH值對(duì)氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響
由密度和孔隙率實(shí)驗(yàn)可知,PUL氣凝膠受pH影響相對(duì)較小,故只對(duì)pH 5.0、7.0、9.0三個(gè)條件下的PUL氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖11所示。
圖10 pH對(duì)氣凝膠吸濕速率的影響Fig.10 Moisture absorption versus time diagram at different pH
掃描電鏡500倍下顯示,隨著pH的增大,PUL氣凝膠的開孔量隨之增大,且孔徑也相對(duì)增大。與密度和孔隙率實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,說(shuō)明pH在一定范圍內(nèi)升高可以有效地促進(jìn)PUL氣凝膠開孔。
a-pH 5.0; b-pH 7.0; c-pH 9.0圖11 pH值對(duì)氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.11 Effects of pH on the microstructure of aerogels
2.2.5 pH對(duì)氣凝膠裝載茶樹精油性能的影響
由圖12所示,在pH 5.0~7.0,氣凝膠的茶樹精油裝載率無(wú)明顯變化;pH 7.0~9.0,茶樹精油裝載率提高,這與pH對(duì)氣凝膠孔隙率的影響變化趨勢(shì)相同,反映出pH對(duì)氣凝膠精油裝載率的影響主要是通過(guò)pH對(duì)氣凝膠孔隙率的影響實(shí)現(xiàn)的。
制備質(zhì)量濃度0.1 g/mL,pH 7.0,干燥時(shí)間分別為1、2、3 d的氣凝膠樣品,研究干燥時(shí)間對(duì)PUL氣凝膠性能的影響。
2.3.1 干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠密度及孔隙率的影響
如表1所示,干燥1 d時(shí),氣凝膠的密度相對(duì)較大、孔隙率相對(duì)較低,而干燥2~3 d,孔隙率變化不明顯??赡苁? d時(shí)干燥不充分,氣凝膠網(wǎng)絡(luò)中仍有殘余水分,導(dǎo)致密度偏大,干燥2 d氣凝膠中水分已基本去除,故密度與孔隙率不再發(fā)生明顯變化。
圖12 pH對(duì)氣凝膠茶樹精油裝載能力的影響Fig.12 Effects of pH on loading capacity of tea tree essential oil
表1 干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠性能的影響Table 1 Effect of drying time on aerogel properties
2.3.2 干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠抗壓強(qiáng)度的影響
如表1所示,氣凝膠的抗壓強(qiáng)度隨著干燥時(shí)間的增強(qiáng)而下降,其中干燥1 d的抗壓強(qiáng)度明顯高于干燥2 d與3 d,說(shuō)明干燥1 d的氣凝膠結(jié)構(gòu)中存在其他維持氣凝膠結(jié)構(gòu)的力,這也印證了干燥1 d的氣凝膠可能還有殘留水的猜想,水分子充斥在凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中提升了氣凝膠的抗壓能力。
2.3.3 干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠吸濕率的影響
如表1所示,氣凝膠的平衡吸濕率在干燥1 d條件下低于干燥2 d與3 d的吸濕率。據(jù)吸附動(dòng)力學(xué)圖(圖13)可知,在1 d干燥條件下,氣凝膠吸濕更快達(dá)到飽和, 但吸附阻力明顯大于干燥2 d與3 d,吸附阻力的存在側(cè)面印證了殘留水的存在。
圖13 不同干燥時(shí)間下氣凝膠的吸濕速率Fig.13 Moisture absorption versus time diagram at different drying time
2.3.4 干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響
分別干燥1~3 d的PUL氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)如圖14所示。干燥1 d時(shí)氣凝膠開孔量偏低,結(jié)構(gòu)相對(duì)致密,與密度和孔隙率以及壓縮模量實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。干燥3 d時(shí),部分氣凝膠出現(xiàn)了如圖11-c所示的不均一、較大開口的情況。可能是由于干燥時(shí)間過(guò)長(zhǎng),已成型的氣凝膠長(zhǎng)時(shí)間處于低壓條件下,凝膠孔洞結(jié)構(gòu)有所破壞。綜合來(lái)看,從產(chǎn)品性能及節(jié)省功耗的角度出發(fā),PUL氣凝膠的干燥時(shí)間應(yīng)選為2 d。
a-1 d; b-2 d; c-3 d圖14 不同干燥時(shí)間下氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)Fig.14 Microstructure of aerogels at different drying time
2.3.5 干燥時(shí)間對(duì)氣凝膠裝載茶樹精油性能的影響
如表1所示,氣凝膠的茶樹精油裝載率在干燥時(shí)間為2 d時(shí)最高,為123.46%。干燥1 d時(shí),由于孔隙率最低,精油裝載率亦最低,為115.24%。干燥3 d時(shí)孔隙率雖最大,但精油裝載率比干燥2 d低,這可能是由于干燥破壞的凝膠孔道吸附力不足,無(wú)法穩(wěn)定吸附茶樹精油導(dǎo)致。
經(jīng)過(guò)前期預(yù)實(shí)驗(yàn),pH對(duì)PUL氣凝膠的熱重影響不明顯,濃度則對(duì)其熱重曲線有一定影響。圖15反映了不同濃度的PUL氣凝膠(pH 7.0,干燥時(shí)間2 d)在30~600 ℃下的熱重曲線,主要分為3個(gè)階段:從30 ℃升至290 ℃,根據(jù)前驅(qū)體濃度不同,質(zhì)量損失在13%~18%,這部分的質(zhì)量損失主要是氣凝膠樣品在空氣中吸附的水分;從290 ℃到330 ℃質(zhì)量損失最多,高達(dá)70%~80%,這是由于PUL分子大規(guī)模分解造成的;350 ℃之后,質(zhì)量損失速率降低,這部分損失主要是剩余殘?jiān)蓟沟玫踉貋G失造成的。30~290 ℃時(shí),各曲線質(zhì)量損失快慢與吸濕率實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合,具有較快吸濕速率的氣凝膠在這一階段質(zhì)量損失較快。
圖15 PUL氣凝膠的熱重曲線Fig.15 Thermogravi metric curves of PUL aerogels
前驅(qū)體濃度、pH值以及干燥時(shí)間均對(duì)普魯蘭多糖氣凝膠的孔隙率、機(jī)械性能、吸濕率以及裝載茶樹精油性能有著一定影響。隨著前驅(qū)體濃度的增大,pH的升高以及干燥時(shí)間的延長(zhǎng),氣凝膠的孔隙率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)??箟盒阅軇t隨前驅(qū)體濃度的升高而增強(qiáng),隨pH的升高而略有減弱。吸濕性隨著前驅(qū)體濃度的升高先降低后增大,隨pH變化不顯著。最低吸濕性發(fā)生在質(zhì)量濃度0.06 g/mL,pH 8.0處。由此可出,氣凝膠的高孔隙率與高壓縮模量存在一定沖突, 但在pH 9.0下,壓縮模量仍有9.74 MPa,可滿足基本生產(chǎn)應(yīng)用需求。而同時(shí),隨著pH的升高,氣凝膠的茶樹精油裝載性能也有所提高。所以適當(dāng)提高pH可在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下增大氣凝膠的孔隙率和降低吸濕性,提高茶樹精油的裝載性能。而隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng),氣凝膠展現(xiàn)出較差的微觀結(jié)構(gòu)及較高的吸濕性能,裝載茶樹精油能力也有所下降。從提升產(chǎn)品性能及節(jié)省功耗的角度出發(fā),PUL氣凝膠的干燥時(shí)間應(yīng)選為2 d。
綜合來(lái)看,選用前驅(qū)體質(zhì)量濃度0.06 g/mL,pH 8.0,干燥時(shí)間2 d的制備條件可得到具有良好的孔隙率、高機(jī)械強(qiáng)度、高茶樹精油裝載率以及較低吸濕率的氣凝膠產(chǎn)品,適用于活性包裝載體、食品微膠囊及生物醫(yī)藥載體的開發(fā)與應(yīng)用。另外,通過(guò)熱重實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),普魯蘭多糖氣凝膠有著良好的耐高溫性能,可以很好地應(yīng)用于隔熱保溫領(lǐng)域。這為以后獲得高裝載率活性包裝、生物醫(yī)藥載體以及低熱傳導(dǎo)率保溫材料氣凝膠的制備提供了指導(dǎo)意義。