κ-卡拉胶/魔芋葡甘聚糖复合水凝胶机械性能强化与表征

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κ-卡拉胶(κ-CA)与魔芋葡甘聚糖(KGM)复配是利用两种多糖互作,改善单一胶体缺陷的典型,但复合凝胶依然存在机械性能差、易断裂、稳定性差等缺点。为了利用这一多糖组合的优势,本论文就强化其机械性能的方法进行了探究,并对其结构和其他关键特性进行了表征,以期为需要高机械强度、高安全性的产品(特殊儿童或宠物的食品与玩具、水凝胶面膜、尿不湿等人类密切接触的产品)开发提供有数据支撑的安全性方案。论文探讨了离子组成优化、KGM有限降解、聚丙烯酰胺(PAAm)添加盐溶液浸泡三种方法在强化复合凝胶机械性能方面的可行性,表征了水凝胶结构及其他重要物性参数。发现K+、Ca2+复合离子、有限降解KGM、钾盐浸泡是提升κ-CA/KGM复合凝胶机械性能的有效方法。主要研究内容和结果如下:1.利用不同浓度KCl、CaCl2的添加及不同种类离子的配比来调控κ-CA/KGM复合凝胶的机械性能。结果显示,复合凝胶中添加1.5g/LKCl、0.5g/LCaCl2及1.0g/L配比为6:4的KCl、CaCl2复合离子时可显著提升凝胶的断裂强度、断裂伸长率、硬度和弹性(P<0.05),且复合离子的提升效果最明显;在流变学测试中,离子的添加可提升凝胶的黏弹性、并提高其凝胶点,这表明离子可促进凝胶中的分子由散乱卷曲向螺旋化转变,凝胶点升高,使复合物处于溶胶状态下的时间更短、相分离更少,从而拥有更好的机械性能;凝胶的低场核磁分析、扫描电镜分析表明,K+、Ca2+可促进κ-CA螺旋结构的形成,从而有利于KGM更好的穿插其中,加强两种多糖的相互作用,进而形成稳定致密的凝胶网络结构,从而使凝胶中水分束缚力增强、流动性减弱、分布更加均匀。2.以简单的湿热降解法对花魔芋魔芋胶进行有限降解,获取分子量137.8KDa-621.5KDa的五种材料,比较其与κ-CA溶胶-凝胶转变过程中关键性能指标的差异。结果显示,相对于未降解KGM(621.5KDa),有限降解KGM(415.6KDa)显著提升了凝胶转变温度(5.98℃);同时,其储能模量、剪切应力、黏度小幅增加,致使冷却成胶后其凝胶断裂强度、断裂伸长率、凝胶持水性显著增强(P<0.05);扫描电镜分析显示,其凝胶结构更加紧密有序;而在其质构特征上,233.3KDa的KGM与κ-CA形成的复合凝胶表现出较大的硬度和弹性。关于有限降解KGM对复合凝胶体系的冷却凝胶演变过程的作用机制,相关研究仍有待深入,但已可确证利用湿热法对中国花魔芋魔芋胶进行有限降解,是提升KGM/κ-CA复合凝胶性能的一种创新且有效的方法,为花魔芋魔芋胶的应用提供了直接的技术参考。3.向κ-CA/KGM复合凝胶中添加PAAm,并用不同浓度盐溶液浸泡的方式提升凝胶的机械性能。结果显示,盐溶液的浸泡可有效改善凝胶机械性能,用KCl溶液浸泡时,其浓度为200mM时凝胶有最佳机械性能,断裂强度、断裂伸长率较空白组分别增加35.59%、31.27%,用CaCl2溶液浸泡,浓度为40mM时凝胶拥有最佳机械性能,断裂强度、断裂伸长率较空白组分别提升8.22%、29.13%;溶胀测试、低场核磁分析表明,凝胶经盐溶液浸泡后会产生脱自由水现象,从而改变其力学性能;傅立叶红外光谱分析、示差扫描量热分析、X-射线光电子能量谱分析等表明,凝胶吸收盐溶液中的离子与κ-CA、PAAm发生相互作用,使其形成更稳定的结构,从而KGM更加均匀地穿插其中,导致分子间形成更多的氢键,从而增强三种大分子之间的交联密度,使复合凝胶的网络结构更加规整有序,进而提升其机械性能。
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