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        魔芋葡甘聚糖/表面脫乙酰甲殼素納米纖維復(fù)合凝膠的制備及流變性能

        2022-09-01 08:01:34姜海鑫黃葉群鄭萍云趙建波段孟霞吳春華
        食品科學(xué) 2022年16期
        關(guān)鍵詞:分析

        姜海鑫,黃葉群,鄭萍云,趙建波,段孟霞,龐 杰,吳春華

        (福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350002)

        魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是一種主鏈由-甘露糖和-葡萄糖組成,并以-1,4-糖苷鍵連接的高分子質(zhì)量的中性多糖。KGM具有良好的持水性、凝膠性和生物相容性等特點,可用于開發(fā)大量的產(chǎn)品,如食品中的無糖魔芋軟糖、魔芋豆腐、果凍丁和魔芋仿生食品等,具有廣闊的市場前景。然而,僅用KGM制備的凝膠存在凝膠彈性低、析水率高和賦色難等缺點,極大地限制其在食品工業(yè)中廣泛應(yīng)用。近年來,通過添加其他天然多糖改善KGM復(fù)合凝膠性能已成為食品領(lǐng)域研究的熱點之一。

        表面脫乙酰甲殼素納米纖維(surface deacetylated chitin nanofiber,S-ChNF)是一種從食品加工副產(chǎn)物甲殼素分離出的具有納米結(jié)構(gòu)的新型食品原料。S-ChNF不僅保留了甲殼素原有的特性,還具有高比表面積、超精細結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的力學(xué)強度、模量和乳化性等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于食品、化工及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。利用KGM與S-ChNF的協(xié)同或互補作用,有望賦予食品優(yōu)良的口感、致密的組織結(jié)構(gòu)、良好的持水性與穩(wěn)定性,可用于開發(fā)凝膠劑、穩(wěn)定劑和增稠劑。然而,目前尚未有KGM與S-ChNF相互作用的研究。

        本實驗以S-ChNF與KGM為研究對象,將兩者按照一定質(zhì)量比復(fù)配制得KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠。通過旋轉(zhuǎn)流變儀、掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射圖譜及熱重分析對KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)進行表征,以期為復(fù)合凝膠的性能優(yōu)化提供必要的理論依據(jù),為KGM/S-ChNF復(fù)合物在新型食品凝膠劑、食品包裝和食品運載體系等方面的開發(fā)與應(yīng)用提供相應(yīng)的理論參考。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試劑

        KGM(食品級,純度≥95%) 云南昭通三艾有機魔芋發(fā)展有限責任公司;甲殼素 美國Sigma-Aldrich公司;乙酸、氫氧化鈉、標準鹽酸溶液、溴化鉀(均為分析純) 國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        AVATAR360型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet尼高力公司;MCR301型流變儀 奧地利Anton Paar有限公司;JY92-IIN型超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技有限公司;JSM-7500F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡、JEOL 1010型透射電子顯微鏡 日本電子株式會社;D/MAX-RB型X射線衍射儀 日本理學(xué)電機公司;STA 409-PC熱穩(wěn)定分析儀 德國Netzsch公司。

        1.3 方法

        1.3.1 S-ChNF粉末制備

        準確稱取10 g甲殼素,置于250 mL質(zhì)量分數(shù)33%的NaOH溶液中,再加入0.03 g硼氫化鈉,置于90 ℃恒溫水浴鍋中磁力攪拌4 h。抽濾溶液,上層濾渣用蒸餾水清洗至不變色,置于45 ℃烘箱中烘至半干。用1%醋酸溶液(/)溶解粉末制備5 mg/mL懸浮液,使用超聲波細胞粉碎機超聲粉碎1 h,超聲功率為100 W。懸浮液在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心20 min,取上清液冷凍干燥,得到S-ChNF粉末。

        1.3.2 透射電子顯微鏡掃描

        配制0.01 g/mL S-ChNF懸浮液,取20 μL懸浮液浸沒碳涂層銅網(wǎng)。風(fēng)干后用乙酸雙氧鈾染色20 min,室溫干燥5 min。在加速電壓80 kV條件下用透射電子顯微鏡觀察S-ChNF樣品。

        1.3.3 酸堿滴定法測定脫乙酰度

        分別稱取一定質(zhì)量S-ChNF和甲殼素(記為),轉(zhuǎn)移至干燥潔凈的稱量皿中后,置于105 ℃烘箱中烘至質(zhì)量恒定后,記錄剩余質(zhì)量為,計算水分質(zhì)量分數(shù)():

        分別準確稱量0.2 g S-ChNF和甲殼素,溶解于25 mL 0.1 mol/L HCl溶液中,滴加2~3 滴甲基橙指示劑,用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至溶液變?yōu)槌壬?。計算脫乙酰度?/p>

        式中:為S-ChNF或甲殼素質(zhì)量/g;為S-ChNF水分質(zhì)量分數(shù)/%;為HCl溶液濃度/(mol/L);為HCl溶液體積/mL;為NaOH溶液濃度/(mol/L);為NaOH溶液體積/mL;0.016為與1 mL 1 mol/L HCl溶液相當?shù)陌被|(zhì)量/g;9.94%為理論氨基的含量。

        1.3.4 KGM凝膠、KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠及凝膠凍干樣品制備

        稱取一定質(zhì)量的S-ChNF和KGM粉末,分別得到4 份不同混合比例的KGM/S-ChNF粉末(總質(zhì)量為1.5 g),S-ChNF質(zhì)量分數(shù)分別為0%、10%、15%、20%。將98.5 g去離子水加入裝有KGM/S-ChNF粉末的燒杯,室溫下攪拌。將燒杯置于60 ℃恒溫水浴鍋,用轉(zhuǎn)速為650 r/min的機械攪拌器混勻120 min,制得KGM凝膠和KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠備用。在測定前復(fù)合凝膠需做溶脹處理,溶脹時間為2 h。流變特性分析可直接使用溶脹后的凝膠,其余實驗應(yīng)在凝膠靜置、冷卻并處于凝膠狀態(tài)后進行。

        稱取50 g KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠于培養(yǎng)皿中,置于-20 ℃的冰箱預(yù)凍24 h。包上已扎好均勻孔洞的保鮮膜,繼續(xù)進行24 h的冷凍干燥,得到凝膠凍干樣品。

        1.3.5 凝膠流變特性測定

        用流變儀對制得的凝膠樣品進行流變性能測定。流變儀平板探頭為PP50型號,平板間距設(shè)置為1.0 mm。

        1.3.5.1 凝膠靜態(tài)流變學(xué)特性測定

        在溫度(25±1)℃、剪切速率0.01~100 s條件下,測定KGM凝膠及不同混合比例的KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的黏度與剪切速率間的關(guān)系。

        對各凝膠的剪切速率與黏度的關(guān)系曲線進行擬合分析,所用模型為冪律模型:

        式中:為剪切應(yīng)力/Pa;為稠度系數(shù)/(Pa·s);為剪切速率/s;為流動指數(shù)。

        1.3.5.2 動態(tài)黏彈性測定

        在溫度(25±1)℃、應(yīng)變5(線性黏彈區(qū)范圍內(nèi))、角頻率0.1~20 s條件下進行角頻率掃描,得到KGM凝膠及KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的儲能模量(’)、損耗模量(”)及復(fù)合黏度(*)隨角頻率的變化曲線。

        在頻率為1 Hz、應(yīng)變?yōu)?(線性黏彈區(qū)范圍內(nèi))、溫度為25~65 ℃的條件下,以5 ℃/min升溫速度進行掃描,得到KGM凝膠及KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠’和”隨溫度的變化曲線。

        1.3.6 掃描電子顯微鏡分析

        取少量KGM凝膠及KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠凍干樣品,對其充分噴灑金粉,放置20 min后在放大倍率為1 000 倍、最大加速電壓為20 kV的條件下進行電鏡掃描,得到電鏡掃描圖,觀察其表面形態(tài)。

        1.3.7 傅里葉變換紅外吸收光譜分析

        將KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠真空冷凍干燥48 h后。分別稱取5 mg甲殼素、S-ChNF、KGM凝膠及KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠凍干樣品剪碎,按1∶99(/)分別與溴化鉀顆?;旌涎心?、壓片。采用傅里葉變換紅外光譜儀對壓片樣品進行分析,掃描范圍400~4 000 cm。

        1.3.8 X射線衍射分析

        用X射線衍射儀測定掃描角度為5°~50°的甲殼素、S-ChNF、KGM凝膠及KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的結(jié)晶狀態(tài)。

        1.3.9 熱穩(wěn)定性分析

        在25~600 ℃,采用熱穩(wěn)定分析儀對KGM凝膠及KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠凍干樣品進行熱穩(wěn)定性分析。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        2 結(jié)果與分析

        2.1 S-ChNF及甲殼素表征分析

        圖1 甲殼素和S-ChNF的傅里葉變換紅外光譜圖(a)、X射線衍射圖譜(b)及S-ChNF的透射電子顯微鏡圖(c)Fig. 1 FTIR spectra (a), X-ray diffraction patterns (b) and transmission electron micrographs (c) of chitin and S-ChNF

        經(jīng)NaOH溶液處理后甲殼素脫乙酰度由(5±1)%升高至(39±2)%,表明大部分乙?;鶊F被脫除。如圖1a所示,甲殼素與S-ChNF的紅外吸收光譜圖差異明顯,這主要歸因于脫乙酰度的變化。甲殼素的特征吸收峰主要位于3 440 cm的O—H鍵的拉伸振動以及位于3 240 cm處的N—H鍵拉伸振動。此外,位于1 660 cm和1 620 cm處的特征峰代表了甲殼素的酰胺I帶,位于1 550 cm處的特征峰代表了甲殼素的酰胺II帶,位于1 310 cm處的特征峰代表了甲殼素的酰胺Ⅲ帶。相較于甲殼素,S-ChNF光譜圖中代表酰胺基團的各個特征峰(位于1 660、1 620、1 310 cm波數(shù)處)的透過率明顯降低,表明S-ChNF中大部分酰胺基團被脫除,從而轉(zhuǎn)變?yōu)榘被?,對?yīng)了脫乙酰度的改變。如圖1b所示,甲殼素與S-ChNF的衍射角2在9.3°及19.3°處均有明顯的特征峰,且分別代表了甲殼素晶體結(jié)構(gòu)的(020)面和(110)面。除此之外,甲殼素的衍射角在23.3°、26.4°、29.4°等位置均存在特征峰,而S-ChNF的衍射角則在28.4°、31.7°等位置存在特征峰,此結(jié)果顯示了甲殼素與S-ChNF的晶體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化,僅僅產(chǎn)生了特征峰偏移現(xiàn)象,說明脫乙酰作用只發(fā)生在晶體表面,并未破壞其結(jié)構(gòu)。由圖1c可知,所制備的S-ChNF形貌呈現(xiàn)細長的纖維狀。

        2.2 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠靜態(tài)剪切特性分析

        如圖2所示,所有KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的黏度表現(xiàn)出隨著剪切速率的提高先小幅度提升后逐漸降低的趨勢,呈現(xiàn)出了剪切稀化的現(xiàn)象,是假塑性流體的典型特征。這主要是由于不斷提高的剪切力作用于復(fù)合凝膠后產(chǎn)生的導(dǎo)向行為。隨著剪切速率的升高,剪切應(yīng)力逐漸提高,KGM和S-ChNF分子鏈間的相互作用力被不斷削弱,使得復(fù)合體系內(nèi)的自由大分子鏈從雜亂無序的隨機流動狀態(tài)變?yōu)橼呌谝恢碌难丶羟辛Ψ较虻木鶆蛄鲃訝顟B(tài),相互作用的分子鏈間的間隙被拉大,氫鍵等相互作用力逐漸降低,從而導(dǎo)致復(fù)合凝膠的黏度降低呈現(xiàn)出“剪切稀化”的現(xiàn)象。此外,在低剪切速率的條件下,所有復(fù)合凝膠黏度小幅度上升的現(xiàn)象可以解釋為當復(fù)合凝膠體系受到較小的剪切力作用時,KGM分子鏈以及S-ChNF之間相互作用產(chǎn)生的纏結(jié)結(jié)構(gòu)會阻礙沿剪切應(yīng)力方向的位移,從而提高黏度。對圖2中流變曲線進行冪律方程擬合分析,越小,凝膠流體的假塑性程度越大。由表1可知,冪律方程擬合的均大于0.99,說明此擬合模型準確。隨著S-ChNF添加量的增加,凝膠的黏度增加(圖2),剪切應(yīng)力降低,由23.174 Pa·s(KGM)增大至29.950 Pa·s(KGM/S-ChNF15),由0.436 63(KGM)降低至0.413 08(KGM/S-ChNF15),此結(jié)果再次佐證了上述KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠均為非牛頓假塑性流體。

        由圖2可知,隨著剪切速率的不斷增大,不同KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的黏度明顯減小且黏度差異逐漸縮小并趨于重合,這是因為不同質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合凝膠體系中形成氫鍵作用力均被高剪切力破壞,從而降低氫鍵對復(fù)合凝膠體系的黏度增強的差異。這些相似的流動特性在其他多糖中也有相關(guān)發(fā)現(xiàn)。還可看出,S-ChNF的不同添加量均對凝膠黏度產(chǎn)生積極影響,在相同剪切速率的條件下,KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠體系的黏度始終高于純KGM凝膠,說明S-ChNF的加入能夠明顯提高凝膠的黏度,使得體系結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定有序。

        圖2 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的黏度-剪切速率關(guān)系曲線Fig. 2 Viscosity versus shear rate curves of KGM and KGM/S-ChNF gels

        表1 各凝膠靜態(tài)流變特性的擬合分析Table 1 Fitting parameters for static rheological properties of different gels

        2.3 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的動態(tài)流變學(xué)性能分析

        2.3.1 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠動態(tài)頻率掃描分析

        由圖3可知,4 組不同復(fù)配比例凝膠的頻率掃描曲線均表現(xiàn)出隨著角頻率的提高,’與”逐漸上升,而*呈下降的趨勢。然而,S-ChNF的不同添加量會導(dǎo)致凝膠的流變學(xué)性能產(chǎn)生較大的差異。*隨著S-ChNF添加量的增加而逐漸增大,這可能因為一方面S-ChNF含量的增多,使單位體積內(nèi)的分子鏈增多,能夠產(chǎn)生更多分子纏結(jié);另一方面KGM與S-ChNF之間產(chǎn)生了更多的氫鍵作用力,增強了復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致*上升。由圖3可知,所有曲線在較低角頻率下均表現(xiàn)出’<”的現(xiàn)象,此時體系表現(xiàn)為黏性凝膠流體;而隨著角頻率的提高,則會出現(xiàn)’>”的現(xiàn)象,表明此時凝膠體系的彈性趨勢大于黏性趨勢,從而表現(xiàn)出凝膠的彈性特征。此外,’與”之間存在一個交叉點,當S-ChNF的添加量為10%(圖3b)、15%(圖3c)和20%(圖3d)時,交叉點出現(xiàn)時角頻率分別為6.77、4.76、3.77 s,交叉點向低角頻率方向移動,表明分子間氫鍵作用力強,增大了KGM分子鏈移動的阻力,松弛時間變長,凝膠傾向于呈現(xiàn)彈性特征。

        圖3 KGM(a)、KGM/S-ChNF10(b)、KGM/S-ChNF15(c)、KGM/S-ChNF20(d)凝膠的黏彈性-角頻率關(guān)系曲線Fig. 3 Viscoelastic versus angular frequency curves of KGM (a),KGM/S-CHNF10 (b), KGM/S-CHNF15 (c) and KGM/S-CHNF20 (d) gels

        2.3.2 溫度對KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠黏彈性的影響

        從圖4看出,添加S-ChNF后,凝膠的’和”提高,這表明加入S-ChNF能促進KGM形成更穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且二者的相互作用表現(xiàn)出協(xié)同作用。在25~60 ℃中,KGM凝膠的”在整個升溫過程中始終高于’,凝膠的彈性較差,表明KGM凝膠對熱敏感,凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)極易遭受破壞。此外,從圖4還能觀察到每個KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的’和”都存在一個交叉點,與純KGM凝膠的交叉點相比,復(fù)合凝膠的交叉點向右偏移,表明凝膠耐熱性得到了提升。同時,在交叉點的溫度時,凝膠體系開始從凝膠態(tài)轉(zhuǎn)向溶膠態(tài);在交叉點左側(cè),即溫度較低時(’>”),凝膠體系中彈性成分主導(dǎo),具有較強凝膠性;在交叉點右側(cè),即溫度較高時(’<”),凝膠體系中黏性成分主導(dǎo),凝膠融化;這主要是因為溫度升高,分子所受到的布朗運動加劇,凝膠體系中維持結(jié)構(gòu)的氫鍵被破壞,導(dǎo)致’和”均顯著降低,復(fù)合凝膠也從凝膠態(tài)轉(zhuǎn)向溶膠態(tài)。因此,動態(tài)流變性能分析表明在KGM凝膠中添加適量添加S-ChNF,能有效提高KGM的黏彈性以及耐熱性。同時,也可利用這一性質(zhì),來開發(fā)新型的凝膠穩(wěn)定劑。這為KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠體系應(yīng)用到各領(lǐng)域提供理論依據(jù),為KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠產(chǎn)品技術(shù)在更多工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能,從而滿足更多生產(chǎn)技術(shù)和消費者的需求。

        圖4 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的黏彈性-溫度關(guān)系曲線Fig. 4 Viscoelastic versus temperature relationship of KGM and KGM/S-CHNF gels

        2.4 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠掃描電鏡分析

        從圖5可知,KGM凝膠、KGM/S-ChNF10復(fù)合凝膠、KGM/S-ChNF15復(fù)合凝膠的內(nèi)部形貌差異明顯。純KGM凝膠整體結(jié)構(gòu)松散空洞、存在大量大小不規(guī)則的孔隙,且孔隙僅以纖維須狀物連接,極易受力變形;然而,隨著S-ChNF的加入,復(fù)合水凝膠內(nèi)部形貌得到有限改善,可觀察到凝膠內(nèi)部的平均孔隙縮小、纖維須狀物減少。尤其是KGM/S-ChNF15復(fù)合凝膠內(nèi)部孔隙大小規(guī)則、纖維須狀物較少。這表明KGM與S-ChNF之間的相互作用力能夠維持穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),S-ChNF能夠增強KGM凝膠的穩(wěn)定性并很好地改良KGM凝膠的凝膠強度。

        圖5 KGM(a)、KGM/S-ChNF10(b)和KGM/S-ChNF15(c)凝膠的掃描電子顯微鏡圖Fig. 5 SEM images of KGM (a), KGM/S-ChNF10 (b) and KGM/S-ChNF15 (c) composite gels

        2.5 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠紅外光譜分析

        圖6 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的紅外光譜圖(a)及氫鍵可能的作用機制圖(b)Fig. 6 FTIR spectra (a) of KGM and KGM/S-ChNF gels and possible mechanism of hydrogen bonding (b)

        由KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的紅外光譜圖(圖6a)可知,對于純KGM凝膠曲線中,位于3 415、1 727 cm處的尖銳吸收峰,分別代表了O—H伸縮振動以及C=O振動,是KGM凝膠的主要特征峰,說明KGM中含有大量的羥基和乙?;忍卣骰鶊F。相比于純KGM凝膠在O—H伸縮振動吸收峰,KGM/S-ChNF復(fù)合水凝膠的O—H吸收峰峰域更寬,且吸收峰強度更強,這表明二者共混相互作用之后含有的羥基數(shù)量減少,主要以氫鍵形式吸收并包容大量的游離水。S-ChNF的添加使得復(fù)合凝膠出現(xiàn)了波長位于1 612、1 574 cm的兩個新特征峰,這代表S-ChNF中氨基的N—H鍵的彎曲振動,是S-ChNF的主要特征峰,說明S-ChNF很好地填充在KGM的凝膠網(wǎng)絡(luò)中。S-ChNF的添加引入了氨基,復(fù)合凝膠體系中存在更多N—H能夠在分子間產(chǎn)生更多的氫鍵相互作用。1 630~1 640 cm為氫鍵的吸收峰范圍。圖6a可知,KGM凝膠的氫鍵吸收峰為1 638.4 cm,KGM/S-ChNF10、KGM/S-ChNF15、KGM/S-ChNF20復(fù)合凝膠氫鍵的吸收峰則分別是1 639.4、1 639.4、1 638.4 cm。推測復(fù)合凝膠中氫鍵的作用機制如圖6b所示,KGM凝膠中隨著S-ChNF的添加,分子間產(chǎn)生了更多的氫鍵相互作用力(KGM分子之間的氫鍵作用以及KGM與S-ChNF之間的氫鍵作用力),這些強氫鍵作用力維持了凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。同時,作為納米填料,S-ChNF的顯著填充作用也能夠提高復(fù)合凝膠的穩(wěn)定性。此外,KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠中O—H(3 411 cm)較KGM凝膠發(fā)生紅移(圖6a)。因此,S-ChNF與KGM共混過程中發(fā)生的協(xié)同作用,能夠增強氫鍵相互作用,維持更穩(wěn)定復(fù)合水凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),且復(fù)合凝膠具有更強的吸水性和保水性。

        2.6 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠X射線衍射分析

        如圖7所示,KGM凝膠在衍射角2為21°時出現(xiàn)了一個弱峰,這說明KGM凝膠處于無定型狀態(tài),屬于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。而隨著S-ChNF的加入,KGM/S-ChNF10、KGM/S-ChNF15復(fù)合凝膠的衍射特征峰分別在衍射角2為21°和23°處,KGM/S-ChNF15復(fù)合凝膠的衍射特征峰發(fā)生偏移。相較于純KGM凝膠的衍射圖譜,復(fù)合凝膠的峰面積增加,表明KGM與S-ChNF在體系中相容性很好,結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定,結(jié)晶度降低。

        圖7 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的X射線衍射圖譜Fig. 7 X-ray diffraction patterns of KGM/S-ChNF composite gels

        2.7 KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠熱穩(wěn)定性分析

        如圖8所示,所有的凝膠樣品熱降解過程均可分為3 個階段。第1階段主要是水分的散失,25~100 ℃主要是凝膠內(nèi)部水分的散失,150~200 ℃則主要與分子間水份散失有關(guān)。第2階段主要是氫鍵的破壞以及多糖分子鏈的斷裂,250~350 ℃質(zhì)量損失最大,是熱降解的主體過程。最后階段的質(zhì)量損失速率小,溫度跨度較大,主要是多糖分子主鏈進一步熱降解所致。當溫度達到600 ℃時,復(fù)合凝膠的最終質(zhì)量分數(shù)均高于純KGM凝膠質(zhì)量分數(shù),說明S-ChNF的加入能夠提高復(fù)合凝膠的熱穩(wěn)定性。值得注意的是,KGM/S-ChNF15復(fù)合凝膠在整個熱降解過程中,質(zhì)量損失速率明顯低于其他凝膠,這說明在此配比下制備的復(fù)合凝膠具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

        圖8 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的熱重分析圖Fig. 8 Thermogravimetric analysis of KGM and KGM/S-ChNF gels

        3 結(jié) 論

        以KGM和S-ChNF為實驗原料,將二者共混制成復(fù)合凝膠,運用掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射圖譜以及熱重分析等方法對不同配比的KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠的流變行為進行討論。結(jié)果表明:KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠是一種假塑性流體;S-ChNF的加入對復(fù)合凝膠的流變性能有明顯改善,有利于優(yōu)化和改善流體性能;KGM與S-ChNF存在相互作用,且體系中KGM起主導(dǎo)作用,隨著S-ChNF含量的增加,兩者間的相互作用增強,并在一定比例下使凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定,從而使復(fù)合凝膠的穩(wěn)定性提高;由掃描電子顯微鏡分析可知,S-ChNF和KGM彼此表現(xiàn)為良好的促進作用,使得復(fù)合凝膠體系的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得到增強,且KGM凝膠各方面性能都得到有效的完善;由X射線衍射圖譜分析可知,KGM和S-ChNF的相容性很好,混合之后結(jié)晶度降低;由熱重分析可知,S-ChNF的添加能夠有效提高復(fù)合凝膠的熱穩(wěn)定性。因此,上述結(jié)果表明S-ChNF能夠提升KGM凝膠的整體性能。然而,本研究僅針對S-ChNF對KGM凝膠的性能影響進行研究,未來可以深入研究KGM/S-ChNF復(fù)合凝膠作為載體在食品工業(yè)及生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

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