魔芋葡甘聚糖-明胶-淀粉气凝胶过滤材料的结构与性能研究

王 唯，王 浩，匡 映，郑 晗，谢 姣，詹建波, ，姜发堂

（1.湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北武汉 430068；2.云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南昆明 650231）

随着现代社会高度工业化和城市化进程的推进，在促进社会发展和经济繁荣的同时，也带来了大气污染物排放的剧增和室内空气质量显著下降等弊端，这些环境问题日益受到人们的重视。研究显示，空气中的污染物可显著影响人类呼吸系统、心血管系统和神经系统的功能[1−3]，并可能造成臭氧空洞和温室效应[4−5]，对人类健康和生态环境有极大的潜在危害。目前，除了从源头上阻断污染物的形成和释放外，降低气相污染物最有效的方法则是利用过滤材料对空气进行吸附和净化[6]，高效、环保并具有可持续性的新型过滤材料的研究与开发，已成为关乎人类生存和社会发展的重大课题。

气凝胶是一种以气相为分散介质、具有独特三维纳米网络结构的超轻质多孔固态材料[7]，其比表面积大、孔隙率高、密度小，通常具有特异性选择吸附的能力[8]，使之在环境净化领域展现了巨大的研究价值和良好的应用前景[9]。

来源广泛的天然多糖、蛋白质等生物质材料，具有良好的生物相容性，是在食品工业、农林牧渔、生物医药、化学化工、能源和环保等多个领域中均占据重要地位的可再生物质[10]。其中，以魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）为代表的植物多糖易溶于水，粘度高，在水中膨胀度大，能形成三维网状凝胶结构，成本低廉，是制备环境友好型气凝胶的理想原材料[11]。以KGM为基材制备的气凝胶材料，具有连续的三维空间网状结构、低密度、高孔隙率、较大的比表面积、较好的机械性能以及较低的弹性模量等[12−13]，这些性能使之成为良好的吸附剂和气体过滤材料。周丹等[14]以KGM、羟丙基甲基纤维素、淀粉等几种天然植物多糖为原料制备得到的气凝胶比表面积达51.84 m2/g，平均孔径50 nm。Wang等[12,15]将小麦秸秆加入KGM基气凝胶中，所制得的复合气凝胶抗压强度较高，热稳定性较好。陈茜[16]等利用KGM、淀粉、果胶等植物多糖制备得到气凝胶的力学性能有了显著改善，但过滤阻力高达1127 Pa。Wang等[17]将明胶加入KGM基气凝胶中，0～80 μm的孔数增幅达387%，过滤阻力仅为59 Pa，但是抗压能力较差。上述研究结果显示，以KGM、淀粉、明胶等天然高分子为原料制备得到的气凝胶有着较好的机械性能与过滤效果，且制备方法绿色环保，有望取代高度依赖于石油资源、且难以降解的合成有机气凝胶滤材。然而，目前对KGM基气凝胶滤材的降解性能和生物安全性研究鲜见报道，其微结构与性能调控也缺乏系统性研究。因此，本研究采用KGM、明胶和淀粉为原料制备KGM-明胶-淀粉（KGS）气凝胶，以KGM为超轻骨架，利用明胶增加气凝胶的微孔数量并降低过滤阻力，支链淀粉的树形分支结构可丰富气凝胶孔隙的精细结构，形成稳固的三维互穿网络，从而提高其机械强度和稳定性。对KGS气凝胶的微观结构、力学性能和过滤效果进行考察以优化配方，并通过室内土埋法和ISO 14855-1-2012[18]中的受控堆肥法研究其生物降解性能，采用大鼠试验测定其经口急性毒性，以期研究其降解规律和生物安全性，为其作为环境友好型滤材在空气净化中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

KGM 武汉力诚生物科技有限公司；马铃薯淀粉 武汉林和记食品有限公司；明胶 河北创之源生物科技有限公司；无水乙醇 分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司；去离子水 实验室自制：Wistar大鼠 SPF级 湖北省实验动物研究中心（实验动物合格证号：No.42000600033902）。

DK-S22电热恒温水浴锅 上海精宏实验设备有限公司；ME204型分析天平 上海梅特勒-托利多有限公司；85-2型恒温磁力搅拌器 上海司乐仪器有限公司；真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司；JSM6390LV型扫描电镜 日本电子仪器有限公司；TMS-PRO型质构仪 美国FTC公司；LZCH型滤料综合性能测试台 苏州华达仪器设备有限公司；全自动恒温培养箱 上海智城分析仪器制造有限公司；Rx智能型人工气候培养箱 常州海博仪器设备有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 KGS气凝胶的制备 参考Wang[12]的方法，固定KGM和明胶的质量比为1:2，添加淀粉以提高气凝胶的机械强度，配方表如表1所示。具体制备过程为：将KGM、明胶和淀粉均匀加入90 ℃去离子水中，以1000 r/min的速度搅拌60 min后，得到混合胶液。在90 ℃下将混合胶液倒入模具中成型，在4 ℃环境下老化0.5 h后，置于−25 ℃环境中预冷冻16 h，再放入真空冷冻干燥机中冻干48 h，脱模后得到KGS气凝胶样品。通过对气凝胶微观结构、密度、孔隙率和力学性能等方面的综合考察，以确定制备气凝胶的最优配方。

表1 KGS气凝胶的原料配方Table 1 Formulation of KGS aerogels

1.2.2 微观结构观察 将气凝胶切割成长×宽×高为5 mm×5 mm×1 mm的小块，然后使用导电胶固定在不锈钢圆台型样品台上，在氩气的保护下对样品表面进行喷金，使其具备导电性能，采用JSM6390LV型扫描电镜在5 kV加速电压下对制备的气凝胶微观结构进行观察。

1.2.3 表观密度及孔隙率测定 使用游标卡尺量出成型气凝胶的直径与高，用电子天平称量气凝胶固体的质量，气凝胶的密度的按式（1）计算：

式中：ρ表示气凝胶的密度，g/cm3；D表示成型气凝胶的直径，cm；h表示成型气凝胶的高，cm；m气凝胶固体的质量，g。

称量气凝胶的初始质量，再将其完全浸没在装有无水乙醇的烧杯中，随后置入真空干燥箱中抽真空，使气凝胶里面的气泡完全溢出之后取出，再称量剩余的无水乙醇和烧杯的质量。样品的孔隙率按公式（2）计算：

式中：P表示孔隙率，%；m0表示气凝胶浸没前的初始质量，g；m1表示气凝胶浸没于无水乙醇后含烧杯的总质量，g；m2表示取出气凝胶后称量剩余的无水乙醇和烧杯的质量，g。

1.2.4 力学性能测试 将气凝胶在温度为25 ℃，相对湿度为50%的环境下平衡48 h，用TMS-PRO型质构仪对气凝胶的抗压强度和压缩模量进行测定，采用P/100的平底探头。测试参数为：测前速率为1 mm/s，测试速率为0.5 mm/s，测后速率为2.0 mm/s，压缩百分比为30%，触发类型为自动。每类样品测试5个。

1.2.5 过滤性能研究 将气凝胶样品制成直径为15 cm，高为3 mm的圆片，采用LZC-H型滤料综合性能测试台测试其过滤效率和过滤阻力。测试气溶胶采用中值直径为0.26 μm的氯化钠颗粒物，测试流量为32 L/min。当达到相对稳定状态时，即测得上下游颗粒物数量，并由此计算样品过滤效率，同时记录下面板上此时的压差仪的阻力值。样品的过滤效率按式（3）计算：

式中：η为过滤效率，%；Mu为上游颗粒数；Md为下游颗粒数。

样品的过滤阻力按公式（4）计算：

式中：P1为过滤前管道中的压力，Pa；P2为过滤后管道中的压力，Pa。

1.2.6 室内土埋法测定失重率 土壤微生物含量以及生物活性对碳循环有重要意义[19]，而自然界中微生物活性主要受温度、湿度以及pH等环境条件影响，因此，本研究选择温度、相对湿度、pH和降解时间为考察因素。结合预试验结果，土壤微生物活性在在温度低于50 ℃、相对湿度60%以内、土壤pH在5.0～8.0之间活性较高，因此，确定因素水平表如表2所示，采用L16（44）正交表设计实验，通过室内土埋法考察不同环境条件对气凝胶失重率的影响及规律。具体实验方法为：将样品裁切为截面直径为7 mm、长度为30 mm的小段，每个配方重复三个样品，置于25 ℃的真空干燥箱中干燥24 h。分别称取3.0 g干燥样品与450 g园林土壤充分混合均匀后放入烧杯中，定期从烧杯中取出气凝胶样品，用75%的酒精溶液轻轻洗去表面的污泥。将洗净的样品用滤纸吸干后，于50 ℃烘干至恒重，记录质量。样品的失重率按公式（5）计算：

表2 正交实验因素水平表Table 2 Factors and levels table of orthogonal experiment

式中：WL为失重率，%；m0为生物降解实验前的样品质量，g；m1为生物降解实验后样品的质量，g。

1.2.7 生物降解率测试 按照国际标准ISO 14855-1-2012[18]中规定的方法进行生物降解实验。具体步骤如下：以盆栽土壤中有机物在堆肥装置中产生的堆肥作为接种物，经过3个月发酵处理后，用5 mm孔筛去除大块杂质和小生物。实验前控制接种物总干固体含量在50%～55%，挥发性固体含量在30%以内，碳氮比值在10～40之间。将新鲜制备的气凝胶切尺寸为1 cm×1 cm×1 cm小块，与接种物干燥后以重量比为1:6充分混合后置入容器，并装满容器的3/4，再加入适量水并保持水分含量为50%，pH控制在7.0～9.0之间，置于温度为(58±2) ℃的黑暗密闭环境中进行测试。试验期间，保持容器内相对湿度、含氧量和温度恒定，密切监测氧气浓度以及测试容器进出口二氧化碳浓度，对排出的二氧化碳量进行定期测量和统计。每个样品设三个平行样，以空白接种物为对照。

最大理论二氧化碳量按式（6）计算：

式中：ThCO2表示完全氧化一种化合物后产生的最大理论二氧化碳量，g；m是实验样品的初始质量，g；Wc是根据元素分析确定的实验材料的碳含量，以质量分数表示。

生物降解率R按公式（7）计算：

1.2.8 生物安全性测试 根据国标GB15193.3-2014[20]急性经口毒性试验的方法，选取4～5周龄SPF级Wistar大鼠20只，雌雄各半，称取供试气凝胶样品4.0 g，加适量蒸馏水充分溶胀，配制供试品浓度0.04 g/mL，通过经口给药的方法，灌胃量为20 mL/kg BW/次，频率为3次/天，灌胃天数为14 d，观察期限为14 d，每次灌胃后，停留30 min观察大鼠体征，其余时间每日观察一次，每日观察受试动物的行为活动，外观体征，对异常情况做详细记录，每只动物测试前期称一次体重，给药当日（D1）和D8、D15各称量一次体重，试验结束后未死动物采用颈椎脱臼处死，解剖，肉眼观察头颈部，四肢，胸腹部，盆腔器官有无异常，并记录试验结果。

1.3 数据处理

所有实验均重复3 ～ 5次，实验结果均采用平均值±标准差表示，使用SPSS 12.0.1 统计软件进行方差分析，选用Duncan进行显著性差异分析，并以P＜0.05为显著性检验标准，使用Origin 8.0作图。

2 结果与分析

2.1 KGS气凝胶的微观形貌观察

KGS气凝胶放大50倍时的扫描电镜图片如图1所示，所有的气凝胶样品均呈现完整、连续的三维网络结构，孔径大小分布较均匀。淀粉的加入对气凝胶的微观结构有所改变，随着淀粉含量的增加，气凝胶孔径变小，网络结构更加精细和丰富，为抗压强度的提高提供可能。当淀粉含量增加到4%时，气凝胶孔径最小，结构较为复杂，可能是由于此时固形物含量最高，形成的凝胶网络结构最为致密。这是因为在体系中KGM、淀粉和明胶分子链分别水合、互穿，在冷冻过程中，冰晶的生长会将溶质分子挤压到冰晶体的间隙中，因而固形物含量较高时，形成的冰晶较小，导致干燥后形成孔洞的尺寸较小[21]。

图1 气凝胶的扫描电镜图Fig.1 Scanning electron microscopy of aerogels

2.2 KGS气凝胶的密度及孔隙率分析

孔隙率直接反应材料的空间占有体积比，表明材料的密实程度，孔隙率高，则表示密实度小。作为过滤材料，气凝胶的密度越低、孔隙率越高，则在过滤气体时其与气相有更高的接触面积和吸附界面[22]。KGS气凝胶的密度和孔隙率测试结果如表3所示，结果显示，随着淀粉含量的增加，气凝胶的密度随之增加，而孔隙率则随之降低，加入淀粉之后，不同淀粉含量的KGS气凝胶的密度和孔隙率都有显著性差异（P＜0.05）。这是因为加入淀粉后，溶胶体系浓度增加，即单位体积内所含溶质增加，水分减少，冻干后，空气代替凝胶中的水，从而导致气凝胶的密度增加，孔隙率降低[21]。这与扫描电镜图所反映的结果一致。当淀粉含量不超过2%时，气凝胶的孔隙率均在84%以上。

表3 KGS气凝胶的密度与孔隙率Table 3 Density and porosity of KGS aerogels

2.3 KGS气凝胶的质构分析

不同淀粉添加量对KGS气凝胶的力学性能影响如图2所示。由图2A的应力-应变曲线可看出，随着淀粉含量的增加，气凝胶在30%应变下的抗压强度逐渐上升，从淀粉添加量为0 g时的73.33 kPa增加到淀粉添加量为4 g时的397.19 kPa，提高了5.4倍。图2B气凝胶的压缩模量数据也呈现出了相同的趋势，可以看到不同淀粉添加量的KGS气凝胶的压缩模量存在显著性差异（P＜0.05），当淀粉添加量为0 g时，气凝胶的压缩模量为269.74 kPa。随着淀粉添加量的增加，压缩模量呈线性升高，当淀粉添加量为4 g时达到1117.80 kPa。这是因为淀粉作为一种多糖大分子，加入体系后，与KGM和明胶骨架分子互相缠结，随着浓度的提高，相互作用的位点增加，分子间的作用力增强，分子链移动性降低，从而导致气凝胶的机械强度提高[12,15]。

图2 KGS气凝胶的应力-应变曲线（A）；KGS气凝胶的抗压强度（B）Fig.2 The stress - strain curve of the plant polysaccharide based aerogels（A）; Compressive strength of plant polysaccharide based aerogels with different starch content（B）

2.4 KGS气凝胶的过滤性能研究

KGS气凝胶的过滤性能测试结果如图3所示。由图3A可知，随着淀粉添加量的增加，气凝胶对不同粒径氯化钠颗粒物的过滤效率均呈现升高的趋势，尤其是针对粒径低于2 μm的颗粒物的过滤效率显著提升（P＜0.05），当淀粉添加量达到2 g以上时，气凝胶对PM 1～10颗粒物的过滤效率均在95%以上，无显著性差异（P＞0.05），且相较未添加淀粉的气凝胶对PM 1以下颗粒物的过滤效率分别提高了24.9%～114.6%，KGS气凝胶对0.3 μm的粒子过滤效率显著高于（P＜0.05）未添加淀粉气凝胶，且随着淀粉添加量的增加，过滤效率有显著提高（P＜0.05）。然而，由图3B看出，随着淀粉添加量的增加，气凝胶的过滤阻力却显著（P＜0.05）增大，当淀粉添加量达到3 g以上时，气凝胶过滤阻力为未添加淀粉时的30倍以上，此时气凝胶过滤空气所需能耗将极大增加，而难以实际应用。

图3 不同淀粉添加量下KGS气凝胶对氯化钠颗粒物的过滤效率及过滤阻力Fig.3 Filtration efficiency and filtration resistance of KGS aerogels with different starch content for sodium chloride particle

2.5 KGS气凝胶配方的优化

过滤效率、过滤阻力是评估滤材过滤性能最重要参数，而机械强度则决定着滤材的抗压能力和抗疲劳性能。根据气凝胶过滤性能研究结果可知，淀粉添加量越高，KGS气凝胶的过滤效率越高，但过滤阻力也随之增大，当淀粉添加量为1～2 g时气凝胶对粒径范围为1～10 μm颗粒物的过滤效率均在90%以上，且过滤阻力和能耗较小；另外，气凝胶的质构分析结果显示，淀粉添加量越高，KGS气凝胶的抗压强度越高，当淀粉添加量≥2 g时，气凝胶的压缩模量为未添加淀粉时的3.1倍以上，其抗压能力有较大提升。因此，综合上述两方面的检测数据，并兼顾样品的微观结构、孔隙率等实验结果，选择以KGM、明胶和淀粉投料质量比为1:2:2为最优配方，所制得的KGS2气 凝 胶 密 度 为0.0589 g/cm3，孔 隙 率 达84.9%，抗压强度为848.34 kPa，过滤阻力为116 Pa，对粒径范围为1～10 μm的颗粒物过滤效率均在95%以上。

2.6 环境条件对KGS2气凝胶降解的影响规律研究

使用极值分析法对正交实验的测试结果进行分析，结果如表4所示，其中k1、k2、k3、k4分别为样品各个因素的1、2、3、4水平结果的平均值，极差RC分别为气凝胶各因素的平均值最大值和最小值之间的差值。

由表4所列出的极差分析数据可知，对于气凝胶来说，根据四个因素的极差值的大小排序可得出各因素对KGS2气凝胶降解速率的影响主次顺序为：A、B、D、C，其降解条件的最优组合为：A4B4C4D4，即在温度为40 ℃、相对湿度为60%、土壤pH为8.0、降解时间为28 d后KGS2气凝胶达到最大的失重率，为100.00%。由表4可知，温度为影响生物质滤材降解速率的最主要的因素，在常见温度范围内（10～40 ℃），气凝胶的失重率均随温度的升高而逐渐升高，这可能是由于随着温度的升高，土壤中菌类所分泌的分解酶的活性逐渐升高，使气凝胶中的多糖、蛋白等成分降解速度加快所致。其次，随着湿度的升高，气凝胶的失重率也有所升高，这可能是因为KGS2气凝胶中的KGM具较好的吸湿性能，当环境中湿度较高的情况下，KGM分子直接吸湿并溶胀，而气凝胶的多孔结构同时能保持足够高的氧气含量，这种高湿度、高含氧量的环境可促进分解多糖的需氧菌的生长与分泌相关酶。另外，土壤的pH对KGS2气凝胶的失重率也有一定影响，随着土壤pH从5.0逐渐升高至8.0，KGS2气凝胶的失重率也随之逐渐升高，这可能是由于气凝胶中的KGM分子上的乙酰基在弱碱性环境下易断链脱去，而使气凝胶微结构破坏；同时，弱碱性的环境可能更利于土壤中微生物的生长繁殖，而加速气凝胶的分解。

表4 KGS2气凝胶的正交实验设计及结果Table 4 Orthogonal experimental design and results of KGS2 aerogels

2.7 KGS2气凝胶生物降解率测试

图4 中A、B分别为新鲜制备的KGS2气凝胶和在室温避光条件下存放62 d KGS2气凝胶，两者均色泽白净，大小均一，结构完整，外观无明显变化，说明KGS2气凝胶样品在正常储藏条件下稳定性较好。图4C、D分别为KGS2气凝胶在降解测试开始第1 d与第62 d的图片，可以看出，气凝胶在接种物中经62 d恒温培养后，外观形态发生较大改变，颜色变深，表面出现大量菌丝，气凝胶内部结构坍塌，结构显著破坏，说明KGS2气凝胶在降解实验的条件下发生了较大程度的降解。

图4 KGS2气凝胶及其与接种物混合培养图Fig.4 Photos of KGS2 aerogel and its mixed culture with inoculum

KGS2气凝胶在62 d内生物降解率数据如图5所示。在前34 d内，气凝胶的降解率稳步上升至44.8%，而从第38 d开始，气凝胶的降解率急剧上升，在第45 d达到75.3%，之后降解率变化趋于平缓，第62 d时KGS2气凝胶生物降解率达到78.1%。根据ISO 14855-1-2012中规定，在45 d时物质的生物降解率大于70%即为生物可降解材料，说明KGS2气凝胶具有良好的生物可降解性。

图5 KGS2气凝胶62 d内的生物降解率Fig.5 Biodegradation rate of KGS2 aerogels for 62 days

2.8 KGS2气凝胶生物安全性评价

采用限量法对KGS2气凝胶的大鼠急性经口毒性进行测试，三次累计灌胃剂量达2.4 g/kg BW，在14 d的观察期内，所有大鼠均未见明显中毒症状和死亡。实验结束对未死大鼠进行大体观察，其被毛干静，眼、耳、口、鼻均无异常分泌物，胸腹部主要器官如心、肺、肝、脾、肾、胃肠、生殖腺均未见明显异常。结果显示KGS2气凝胶的LD50大于2.4 g/kg BW，根据急性毒性剂量分级标准[20]，大鼠口服LD50在501～5000 mg/kg为低毒级，大于5000 mg/kg为实际无毒级，表明KGS2气凝胶可能为低毒或无毒级，生物安全性较高（表5）。

表5 KGS气凝胶大鼠急性经口毒性试验结果Table 5 Summary of acute oral toxicity of plant polysaccharide based aerogels in rats

3 结论

本文综合微观结构、力学性能和过滤效果等方面的实验结果，选取最优配方为KGM、明胶、淀粉投料质量比为1:2:2，制备得到基于多糖、蛋白质等食源性材料的气凝胶KGS2。与现有的无机气凝胶[23−25]和合成有机气凝胶[26−27]相比，KGS2气凝胶制备方法低碳环保、原料价廉易得，兼具良好的机械性能、较低的过滤阻力和较高的过滤效率，其抗压强度达到848.34 kPa，过滤阻力仅为116 Pa，对PM1～10的颗粒物过滤效率均在95%以上，作为空气过滤材料具有较高的应用潜能。进一步通过室内土埋法对KGS2气凝胶的在不同环境中的降解规律进行研究，发现其在温度为40 ℃、相对湿度为60%、接种物pH 8.0的环境中失重率最高，28 d后达100%。利用国际标准ISO 14855-1-2012的要求测得KGS2气凝胶在45 d后生物降解率达75.3%以上，在第62 d达78.1%，表明KGS2气凝胶为生物可降解材料，具有较好的生物降解性能。大鼠急性经口毒性试验结果显示，该气凝胶LD50大于2.4 g/kg BW，具有较高的生物安全性。以上结果表明，以KGM、明胶、淀粉作为基材制备的KGS2气凝胶，在保持较好力学性能的同时，兼具较高的过滤效率和较低的过滤阻力，另外，KGS2气凝胶较好的生物降解性能、较高的生物安全性和可持续性，使其有望取代难以降解且资源有限的合成有机滤材，成为新型绿色环保的气体过滤材料，在环境治理和空气净化方面极具应用前景。