影响普鲁兰多糖气凝胶性能的工艺参数

曹庆龙，雷桥，2，3*，吴浩，高文婧

1(上海海洋大学 食品学院，上海，201306)2(上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海，201306)3(农业部水产品贮藏保鲜质量安全风险评估实验室(上海)，上海，201306)

气凝胶是一种密度极低的固体形态物质，一般由气态分子置换水凝胶分子网络结构的水分子制得，常见的置换方法有超临界干燥法与冷冻干燥法，由美国科学家KISTLER在1931年发现[1]。常见的气凝胶有硅类、碳类以及硫类。一般来说，任何物质在溶于溶剂形成溶胶后，再经过干燥过程除去溶剂，并可以维持形状无明显变化的高孔隙率、低密度产品，皆可称之为气凝胶[2]。正是由于气凝胶特殊的多孔结构，在食品医药、生物科学、隔音隔热、吸附等领域逐渐受到人们的关注[3-5]。ILKA等[6]采用热凝法制备蛋清蛋白水凝胶，通过超临界干燥制备得到的蛋清气凝胶具有较好的机械强度和比表面积，可用作制备食品微胶囊。BETZ等[7]超临界干燥和冷冻干燥2种方式制备乳清分离蛋白气凝胶，以并酮洛芬为模型药物，评价了乳清蛋白气凝胶作为活性化合物载体的应用，结果表明乳清蛋白气凝胶的载药量可高达9.5%。LEE等[8]采用简单的溶胶-凝胶工艺和超临界干燥方法制备了不易破碎的聚脲基纳米结构有机气凝胶，具有良好的阻热性能。李玉歧[9]从脱脂棉提取出再生纤维素并制备气凝胶，通过硅修饰得到具有良好油水分离能力的疏水性气凝胶，油水分离效率可达99%。

普鲁兰多糖(pullulan，PUL)是一种水溶性多糖，于1938年由BAUER首次发现，是出芽短梗霉分泌的胞外多糖[10]。目前对其生物合成机理的研究还不是很透彻，一般认为，PUL的合成是由出芽短梗霉代谢过程中间产物六磷酸葡萄糖在一系列酶参与下分解、聚合至最终合成，并通过特定的转运载体运输到细胞外[11]。对于PUL的大规模生产也是基于此原理，通过筛选得到PUL高产菌株，利用蔗糖、木糖、果糖等碳源进行分批发酵，并对产物进行分离纯化制得[12]。PUL分子由葡萄糖分子通过α-1，4-糖苷键结合成麦芽三糖，麦芽三糖的α-1，6-糖苷键端再与其他麦芽三糖结合，如此反复连接而成。其相对分子质量一般为 4.8×104～2.2×106，受菌株与培养条件的影响较大[13]。其具有独特的线性结构、良好的水溶性及生物可降解性，是一种极具开发价值和应用前景的功能性生物大分子[14]。急性、亚急性以及慢性毒性试验等显示，PUL不会引起任何生理学毒性[15]。因此近年来在医药领域，PUL多作为药物送载体，比如制成微球体、微囊等。PUL对微球体的稳定性、生物相容性和生物可降解性均有贡献[16]。

澳洲茶树精油是一种广谱抑菌植物精油，同时兼顾抗炎、抗癌、驱虫等效果，主要成分是单萜、倍半萜及其醇类，添加到活性包装材料可较好地保持食品的鲜度与品质[17]。但也有研究显示，较高含量的茶树精油有一定的细胞毒性[18]，所以通过气凝胶的毛细管通道吸附及装载作用对精油进行缓释可较好地解决短时间内包装内精油过多的问题。

本文以PUL为基材，采用真空冷冻干燥技术制备PUL气凝胶[19]，通过控制制备条件，对产物的机械强度、微观结构进行测试与分析，优化PUL气凝胶的制备方法，研究其性能特点，并对其负载茶树精油能力进行测试，旨在为PUL气凝胶的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

普鲁兰多糖(纯度>98%，MW=5.2×104Da)，上海萨恩化学技术有限公司；澳洲茶树精油，广州艾蒿草生物科技有限公司；盐酸、NaOH、KBr，国药集团上海化学试剂有限公司；去离子水，实验室提供。以上试剂除注明外均为分析纯。

1.2 实验仪器

TA.XT Plus质构仪，英国SMS公司；S3400 N型扫描电子显微镜，Hitachi(日立)公司；TG NETZSCH 209 F3型热重分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司；YP202 N型电子天平、雷磁PHS-3CpH计， 上海精密科学有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，河南省巩义市科瑞仪器有限公司；SCIENTZ-10 N型真空冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司；Nicolet iZ10型傅立叶变换显微红外成像光谱仪，Thermo Scientific有限公司；LHS-500HC-II型恒温恒湿箱，上海精科仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 气凝胶的制备

前驱体浓度对凝胶结构有着较大影响，浓度太低难以形成凝胶，浓度太高则无法水溶[20]。前期溶解试验发现，所购PUL样品在25 ℃下水浴搅拌最大溶解量约为10.8 g/100 mL，故选取0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 g/mL的前驱体质量浓度梯度进行实验。PUL溶液呈电中性，且对酸碱度有一定耐性[13]。较高酸性或碱性的调节会对溶液进行稀释且浓度难以控制，故选取pH 5.0、6.0、7.0、8.0和9.0，研究pH对气凝胶性能的影响。

分别准确称取2、4、6、8、10 g PUL粉末，各加100 mL去离子水溶解后，在25 ℃恒温水浴搅拌器中充分搅拌30 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溶液调节溶液pH至5.0～9.0，再于25 ℃恒温水浴搅拌30 min。将分散均匀的悬浮液倒入2 mL离心管，敞口置于-20 ℃冰箱12 h后, 用真空冷冻干燥机干燥(规程：-45 ℃，15 Pa，1～3 d)，制得PUL气凝胶。

1.3.2 密度与孔隙率的测定

采用电子分析天平测量气凝胶样品的质量；采用游标卡尺测量其直径与高度，并计算体积。按公式(1)计算密度：

(1)

式中:ρ,密度，g/cm3；m，气凝胶样品的质量,g;V，气凝胶样品的体积,cm3。

按公式(2)计算孔隙率：

(2)

式中：P，孔隙率，%；ρ和ρ0分别是气凝胶和普鲁兰多糖(1.85 g/cm3)的密度，g/cm3。

1.3.3 压缩模量的测定

将气凝胶切成高度为1 cm的圆柱状样品。选用探头为36R平面探头,设定测前速度1.0 mm/s，测定速度0.1 mm/s，测后速度1.0 mm/s，样品压缩至其原始高度的75%。在得到的计算应力-应变曲线上，取应变范围8%～15%线性区域的斜率,记作气凝胶的压缩模量[22]。

1.3.4 吸湿率

采用SU等[23]的方法并作修改。将气凝胶置于相对湿度为83.6%，30 ℃的恒温恒湿箱中,每隔一定时间称取一次气凝胶质量，直至恒定。气凝胶吸湿率按公式(3)计算：

(3)

式中:H，吸湿率，%；m1，吸湿一定时间后气凝胶的质量，g；m2,未吸湿前气凝胶的初始质量，g。

1.3.5 扫描电镜分析

将气凝胶样品沿横切面切成1 mm厚的薄片，粘于导电胶上喷金120 s后，使用26 kV加速电压扫描电镜观察气凝胶表面的微观结构[24]。

1.3.6 茶树精油装载实验

采用AHMADI等[22]的方法并作修改。将气凝胶样品浸入澳洲茶树精油中，在30 ℃恒温密封条件下浸泡3 h，使精油逐渐吸附到气凝胶的通道中。之后取出置于敞开培养皿上，30 ℃恒温使其充分挥发至质量恒定。装载率按公式(4)计算：

(4)

式中:T，装载率，%；m0，未浸入精油前气凝胶的初始质量，g；mt，挥发至质量恒定时气凝胶的质量，g。

1.3.7 热重分析

将气凝胶样品(5～10 mg)置于Al2O3坩埚中，以N2(流速20 mL/min)作为保护气和吹扫气，从30 ℃加热到600 ℃,加热速率为10 ℃/min。[25]

2 结果与分析

2.1 前驱体质量浓度对气凝胶性能的影响

制备pH 7.0，干燥2 d，前驱体质量浓度分别为0.02、0.04、0.06、0.08和0.1 g/mL的气凝胶样品，研究前驱体质量浓度对PUL气凝胶性能的影响。

2.1.1 浓度对气凝胶密度及孔隙率的影响

随着前驱体质量浓度的提高，单位凝胶内普鲁兰多糖纤丝含量、气凝胶的密度也随之增加，孔隙率相应降低。密度最低为0.063 43 g/cm3，对应最高孔隙率为96.57%；密度最高可达0.225 9 g/cm3，对应最低孔隙率87.79%。

图1 前驱体质量不同浓度下气凝胶的密度及孔隙率Fig.1 Density and porosity of aerogels at different concentrations

2.1.2 浓度对气凝胶抗压强度的影响

2.1.3 浓度对气凝胶吸湿率的影响

在冷冻干燥过程中气凝胶的水分被除去，所以产品本身含水量极低。由于气凝胶本身的多孔洞结构具有一定的吸水性，而吸水之后的气凝胶不易保存，更容易腐败变质，对于装载活性药物的适用性也大大降低[26]。由图3可知，当吸湿达到平衡时，气凝胶吸湿性随前驱体浓度的升高先降低后增大。吸湿率降低的原因可能是由于气凝胶的孔隙率随着前驱体浓度的升高而降低，孔隙率越小，容纳水分的空间越小，吸湿率越低。

图3 前驱体质量不同浓度下气凝胶的平衡吸湿率Fig.3 Equilibrium moisture absorption rate of aerogels at different concentrations

后半段吸湿率提高则是由于PUL本身是亲水性物质，其中富含亲水性的—OH基团[28]，伴随着前驱体浓度的上升，单位体积—OH含量增大，表现出更大的吸湿性。故浓度在孔隙率与—OH含量方面存在平衡关系，前驱体质量浓度为0.06 g/mL时，吸湿率最低。

各浓度的气凝胶产品均在前3 h表现出较大的吸湿速率。如图4所示，前驱体质量浓度越低的气凝胶能为更快达到吸湿平衡。而实验发现，前驱体质量浓度较高时(0.08～0.1 g/mL)，12 h后仍表现有一定的吸湿率，说明较高浓度下PUL气凝胶的吸附动力学较为复杂，更难达到平衡，在实际应用中更难把控。考虑到运输与保存，选用较低的前驱体浓度，以拥有更低的吸湿率。

图4 前驱体不同质量浓度下气凝胶的吸湿速率Fig.4 Moisture absorption versus time diagram of aerogels at different concentrations

2.1.4 浓度对气凝胶微观结构的影响

不同的前驱体浓度影响着气凝胶的孔隙率，图5是使用扫描电镜观察到的不同前驱体浓度的气凝胶横切面微观结构建图5。随着浓度的上升，气凝胶孔径变小，结构更为致密，这与孔隙率实验及压缩模量实验结果相吻合，说明更高浓度的多糖纤丝相互作用限制了冰晶的生长，从而在干燥之后留下了小而均一的孔道。

2.1.5 浓度对气凝胶装载茶树精油性能的影响

随着前驱体浓度的提高，气凝胶结构更为致密，孔隙率的降低导致气凝胶的精油装载率下降。如图6所示，曲线的斜率逐渐变小，这可能是由于高孔隙率气凝胶的表面大孔径对精油的吸附力较低，表面精油更易挥发导致的。前驱体质量浓度最高(0.1 g/mL)时,茶树精油装载率为123.93%，前驱体浓度最低时对应的装载率为178.13%，表现出较好的装载性能。

2.2 pH值对气凝胶性能的影响

制备质量浓度为0.1 g/mL，干燥时间为2 d，pH分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的气凝胶样品，研究pH对PUL气凝胶性能的影响。

2.2.1 pH值对气凝胶密度及孔隙率的影响

由图7所示，pH 5.0～7.0时，气凝胶的密度及孔隙率无明显变化；pH 7.0～9.0时，气凝胶的密度有所降低、孔隙率增大，这可能是由于PUL分子的—OH基团微弱电离而使分子链带负电，从而互相排斥使得凝胶网络增大，干燥后脱去更多水分形成更大的孔洞结构所致。pH 9.0条件下，PUL气凝胶的密度可低至0.214 g/cm3，孔隙率高达88.47%。所以实际应用中适当调高PUL气凝胶前驱体pH更容易获得高孔隙率的气凝胶产品。

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图5 不同质量浓度下气凝胶的微观结构Fig.5 Microstructure of aerogels at different concentrations

图6 前驱体不同质量浓度下气凝胶的茶树精油装载能力影响Fig.6 Loading capacity of tea tree essential oil in aerogels at different concentrations

图7 pH对气凝胶密度及孔隙率的影响Fig.7 Effects of pH on the density and porosity of aerogels

2.2.2 pH值对气凝胶抗压强度的影响

由图8所示，PUL气凝胶的抗压强度随pH值的增加呈下降趋势，前驱体偏酸性有利于提高气凝胶的抗压强度。碱性条件下制备的气凝胶抗压强度较差，说明凝胶的孔洞较大，不利于维持结构稳定。由此可见，气凝胶的高孔隙率与高压缩模量存在一定冲突，高孔隙率的气凝胶往往难以获得较高的压缩模量。

图8 pH值对气凝胶压缩模量的影响Fig.8 Effects of pH on the compression modulus of aerogels

2.2.3 pH值对气凝胶吸湿率的影响

如图9所示，pH对气凝胶吸湿率的影响不大，且变化趋势无明显规律。在pH 7.0处吸湿率最高达到13.34%，在pH 8.0处吸湿率最低仍有12.69%。如图10所示，各pH下均在前3 h表现出较强的吸湿能力，与同浓度未调节pH的PUL气凝胶表现一致，说明与pH相比，前驱体浓度对气凝胶吸湿率影响更大。

图9 pH对气凝胶平衡吸湿率的影响Fig.9 Effects of pH on the equilibrium moisture absorption rate of aerogels

2.2.4 pH值对气凝胶微观结构的影响

由密度和孔隙率实验可知，PUL气凝胶受pH影响相对较小，故只对pH 5.0、7.0、9.0三个条件下的PUL气凝胶微观结构进行观察，结果如图11所示。

图10 pH对气凝胶吸湿速率的影响Fig.10 Moisture absorption versus time diagram at different pH

扫描电镜500倍下显示，随着pH的增大，PUL气凝胶的开孔量随之增大，且孔径也相对增大。与密度和孔隙率实验结果相符，说明pH在一定范围内升高可以有效地促进PUL气凝胶开孔。

a-pH 5.0; b-pH 7.0; c-pH 9.0图11 pH值对气凝胶微观结构的影响Fig.11 Effects of pH on the microstructure of aerogels

2.2.5 pH对气凝胶装载茶树精油性能的影响

由图12所示，在pH 5.0～7.0，气凝胶的茶树精油装载率无明显变化；pH 7.0～9.0，茶树精油装载率提高，这与pH对气凝胶孔隙率的影响变化趋势相同，反映出pH对气凝胶精油装载率的影响主要是通过pH对气凝胶孔隙率的影响实现的。

2.3 真空冷冻干燥时间对气凝胶性能的影响

制备质量浓度0.1 g/mL，pH 7.0，干燥时间分别为1、2、3 d的气凝胶样品，研究干燥时间对PUL气凝胶性能的影响。

2.3.1 干燥时间对气凝胶密度及孔隙率的影响

如表1所示，干燥1 d时，气凝胶的密度相对较大、孔隙率相对较低，而干燥2～3 d，孔隙率变化不明显。可能是1 d时干燥不充分，气凝胶网络中仍有残余水分，导致密度偏大，干燥2 d气凝胶中水分已基本去除，故密度与孔隙率不再发生明显变化。

图12 pH对气凝胶茶树精油装载能力的影响Fig.12 Effects of pH on loading capacity of tea tree essential oil

表1 干燥时间对气凝胶性能的影响Table 1 Effect of drying time on aerogel properties

2.3.2 干燥时间对气凝胶抗压强度的影响

如表1所示，气凝胶的抗压强度随着干燥时间的增强而下降，其中干燥1 d的抗压强度明显高于干燥2 d与3 d，说明干燥1 d的气凝胶结构中存在其他维持气凝胶结构的力，这也印证了干燥1 d的气凝胶可能还有残留水的猜想，水分子充斥在凝胶网络结构中提升了气凝胶的抗压能力。

2.3.3 干燥时间对气凝胶吸湿率的影响

如表1所示，气凝胶的平衡吸湿率在干燥1 d条件下低于干燥2 d与3 d的吸湿率。据吸附动力学图(图13)可知，在1 d干燥条件下，气凝胶吸湿更快达到饱和， 但吸附阻力明显大于干燥2 d与3 d，吸附阻力的存在侧面印证了残留水的存在。

图13 不同干燥时间下气凝胶的吸湿速率Fig.13 Moisture absorption versus time diagram at different drying time

2.3.4 干燥时间对气凝胶微观结构的影响

分别干燥1～3 d的PUL气凝胶的微观结构如图14所示。干燥1 d时气凝胶开孔量偏低，结构相对致密，与密度和孔隙率以及压缩模量实验结果相符。干燥3 d时，部分气凝胶出现了如图11-c所示的不均一、较大开口的情况。可能是由于干燥时间过长，已成型的气凝胶长时间处于低压条件下，凝胶孔洞结构有所破坏。综合来看，从产品性能及节省功耗的角度出发，PUL气凝胶的干燥时间应选为2 d。

a-1 d; b-2 d; c-3 d图14 不同干燥时间下气凝胶的微观结构Fig.14 Microstructure of aerogels at different drying time

2.3.5 干燥时间对气凝胶装载茶树精油性能的影响

如表1所示，气凝胶的茶树精油装载率在干燥时间为2 d时最高，为123.46%。干燥1 d时，由于孔隙率最低，精油装载率亦最低，为115.24%。干燥3 d时孔隙率虽最大，但精油装载率比干燥2 d低，这可能是由于干燥破坏的凝胶孔道吸附力不足，无法稳定吸附茶树精油导致。

2.4 气凝胶的热重分析

经过前期预实验，pH对PUL气凝胶的热重影响不明显，浓度则对其热重曲线有一定影响。图15反映了不同浓度的PUL气凝胶(pH 7.0，干燥时间2 d)在30～600 ℃下的热重曲线，主要分为3个阶段：从30 ℃升至290 ℃，根据前驱体浓度不同，质量损失在13%～18%，这部分的质量损失主要是气凝胶样品在空气中吸附的水分；从290 ℃到330 ℃质量损失最多，高达70%～80%，这是由于PUL分子大规模分解造成的；350 ℃之后，质量损失速率降低，这部分损失主要是剩余残渣碳化使得氮氧元素丢失造成的。30～290 ℃时，各曲线质量损失快慢与吸湿率实验结果相符合，具有较快吸湿速率的气凝胶在这一阶段质量损失较快。

图15 PUL气凝胶的热重曲线Fig.15 Thermogravi metric curves of PUL aerogels

3 结论

前驱体浓度、pH值以及干燥时间均对普鲁兰多糖气凝胶的孔隙率、机械性能、吸湿率以及装载茶树精油性能有着一定影响。随着前驱体浓度的增大，pH的升高以及干燥时间的延长，气凝胶的孔隙率呈现增大趋势。抗压性能则随前驱体浓度的升高而增强，随pH的升高而略有减弱。吸湿性随着前驱体浓度的升高先降低后增大，随pH变化不显著。最低吸湿性发生在质量浓度0.06 g/mL，pH 8.0处。由此可出，气凝胶的高孔隙率与高压缩模量存在一定冲突， 但在pH 9.0下，压缩模量仍有9.74 MPa，可满足基本生产应用需求。而同时，随着pH的升高，气凝胶的茶树精油装载性能也有所提高。所以适当提高pH可在保证机械强度的前提下增大气凝胶的孔隙率和降低吸湿性，提高茶树精油的装载性能。而随着干燥时间的延长，气凝胶展现出较差的微观结构及较高的吸湿性能，装载茶树精油能力也有所下降。从提升产品性能及节省功耗的角度出发，PUL气凝胶的干燥时间应选为2 d。

综合来看，选用前驱体质量浓度0.06 g/mL，pH 8.0，干燥时间2 d的制备条件可得到具有良好的孔隙率、高机械强度、高茶树精油装载率以及较低吸湿率的气凝胶产品，适用于活性包装载体、食品微胶囊及生物医药载体的开发与应用。另外，通过热重实验发现，普鲁兰多糖气凝胶有着良好的耐高温性能，可以很好地应用于隔热保温领域。这为以后获得高装载率活性包装、生物医药载体以及低热传导率保温材料气凝胶的制备提供了指导意义。