疏水改性乳清分離蛋白-普魯蘭多糖復合氣凝膠的制備及性能研究

曹慶龍，吳 浩，高文婧，雷 橋,2,3,

（1.上海海洋大學食品學院, 上海 201306；2.上海水產品加工及貯藏工程技術研究中心, 上海 201306；3.農業(yè)部水產品貯藏保鮮質量安全風險評估實驗室(上海), 上海 201306）

蛋白、多糖類氣凝膠由于含有較多的親水性基團，如-COOH、-NH2、-OH等，加上自身多孔的結構及比表面積大的特點，使其容易吸收空氣中的水分。吸水后的氣凝膠可能會使得氣凝膠結構軟化、吸附能力降低、裝載的活性物質活性下降，此外，水蒸發(fā)時產生的力還會影響氣凝膠的結構[1-5]。綜上所述，為了拓寬復合氣凝膠的應用范圍，降低其親水性顯得尤為重要。

在常溫下，通過氣體放電法[6]對空氣進行電離得到等離子體，此時，等離子體處于一種非熱平衡狀態(tài)，等離子體的電子溫度遠高于離子和中性粒子溫度，是一種高能電子[7-8]。當高能電子與中性原子發(fā)生碰撞后，會將能量傳遞給中性原子使其躍遷為激發(fā)態(tài)或形成自由基，這一特性有利于氣凝膠表面接枝或聚合反應的進行[7,9]。同時，等離子的刻蝕作用可以使光滑的氣凝膠表面變得粗糙，為疏水改性提供了良好的結構支持[10-12]。

硅烷偶聯(lián)劑，如甲基三甲氧基硅烷（Methyltrimethoxysilane，MTMS）[13-14]、十八烷基三甲氧基硅烷（Octadecyltrimethoxysilane，OTMS）[15-16]等是近年來常用的疏水改性劑，其主要原理是：在溶液中硅烷偶聯(lián)劑水解失去烷基基團，使得-OH暴露出來形成硅烷醇類。硅烷醇類彼此繼續(xù)脫水縮合形成長鏈，在此過程中富含-OH的氣凝膠可以參與其縮合反應而在表面形成一種疏水分子層[17]。FENG等[18]使用MTMS對纖維素氣凝膠進行改性處理，得到了具有超強吸油能力的疏水親油性氣凝膠。李玉岐[19]通過將OTMS修飾的TiO2噴涂在再生纖維素氣凝膠上制備出超疏水氣凝膠，油水分離率高達99%。

目前對于蛋白、多糖類氣凝膠的疏水改性研究相對較少，且改性手段相對單一。本研究針對WPI和PUL原料易改性的特點，采用低溫等離子體（Plasma）-硅烷偶聯(lián)劑接枝復合處理手段。在前期實驗基礎上制備WPI-PUL復合氣凝膠[20]，對其進行Plasma處理，使其羥基充分暴露后，再使用硅烷偶聯(lián)劑進行表面接枝處理，以獲得具有疏水性能的復合氣凝膠。以吸濕性、表面潤濕性對其疏水性進行評估，以廣譜抑菌精油——丁香精油（主要成分丁香酚）[21]為活性物質測試其裝載及緩釋性能，并對復合氣凝膠的其他應用性能進行測試，旨在拓寬WPI-PUL復合氣凝膠的應用領域。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乳清分離蛋白 美國ISOPURE公司；普魯蘭多糖（純度＞98%，MW:342-710000） 上海薩恩化學技術有限公司；丁香精油 吉安市中香天然植物有限公司；食品級食用油 益海嘉里金龍魚糧油食品股份有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉、溴化鉀 國藥集團上?；瘜W試劑有限公司；甲基三甲氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、正己烷 上海麥克林生化科技有限公司；去離子水 實驗室自制；以上試劑除注明外均為分析純。

TA.XTPlus質構儀 英國SMS公司；SU5000熱場發(fā)射掃描電鏡 Hitachi（日立）公司；PiezobrushPZ2等離子處理儀 德國RelyonPlasmaGmbH公司；U-3900紫外分光光度計 日本日立高新技術科學公司；JC2000C接觸角測量儀 上海中晨數(shù)字技術設備有限公司；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-10N型真空冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司；DZF-6050型真空干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司；NicoletiZ10型傅立葉變換顯微紅外成像光譜儀 ThermoScientific有限公司；LHS-500HC-II型恒溫恒濕箱、YP202N型電子天平、雷磁PHS-3CpH計 上海精密科學有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 WPI-PUL復合氣凝膠的制備 用電子天平稱取20 g WPI粉末置于燒杯中，添加5.5 g PUL粉末與100 mL去離子水在25 ℃水浴條件下充分攪拌使之混合。以肉眼不可見白色懸浮物后再繼續(xù)攪拌5 min作為混勻標準?；靹蚝竺芊?，于4 ℃冰箱靜置12 h,使其充分水合。后加入0.585 g NaCl，并用1 mol/L的HCl或NaOH溶液調節(jié)其溶液pH至7.9，再于25 ℃恒溫水浴攪拌30 min。將攪拌后分散均勻的懸浮液除去溶液上層泡沫后倒入2 mL離心管，84 ℃條件下水浴加熱30 min使之充分形成WPI-PUL水凝膠，-20 ℃冰箱冷凍12 h。將冷凍完全的樣品置于真空冷凍干燥機進行干燥（規(guī)程：-45 ℃，15 Pa，2 d），制得WPI-PUL復合氣凝膠。

1.2.2 疏水改性處理 用功率30 W的Plasma等離子處理儀對制備好的復合氣凝膠處理10 min后置于疏水劑修飾溶液（硅烷偶聯(lián)劑:正己烷=1:2）中，常溫下浸泡24 h使之充分反應。后將處理完成的樣品60 ℃真空干燥6 h,制得疏水改性復合氣凝膠（MTMS組、OTMS組）[19,22]。另設未疏水改性組作為空白組進行對照實驗。

1.2.3 吸濕性能測試 通過重量法測定氣凝膠的吸濕率，參照SU等[23]的方法并作修改,將氣凝膠置于相對濕度為83.6%，溫度為30 ℃的恒溫恒濕箱中,測量間隔為1 h,重量動態(tài)平衡即為測試終點。氣凝膠吸濕率按式（1）計算:

式中，H-吸濕率，%；W-吸濕一定時間后氣凝膠的質量，g；W0-未吸濕前氣凝膠的初始質量，g。

1.2.4 油/水接觸角 切取氣凝膠樣品平整部位的表面置于接觸角測量儀的樣品臺，從針頭中分別將蒸餾水、食用油緩緩擠出滴落至樣品表面，對水滴照片進行采集并用五點擬合法分析其接觸角大小，每個樣品至少取五個部分進行測試[24]。

所以當前銀行業(yè)隨著互聯(lián)網金融的發(fā)展而獲得了全面的變革，同時為了與當今互聯(lián)網金融發(fā)展的趨勢相適應，部分銀行利用信息技術陸續(xù)開始推行相關的電子銀行業(yè)務，并不斷的對傳統(tǒng)渠道體系進行完善。針對這種情況可以科學的對其進行預期，在我國互聯(lián)網金融服務體系日益完善的情況下，越來越多的互聯(lián)網金融服務模式開始涌現(xiàn)，進而給銀行業(yè)帶來了千載難逢的改革機遇。

1.2.5 抗壓性能測試 將氣凝膠切成高度為1 cm,直徑0.8 cm的圓柱狀樣品。選用P25平面探頭,質構儀參數(shù)設定為：測前速度1.0 mm/s,測試速度0.1 mm/s,測后速度1.0 mm/s，形變75%為測試終點。在得到的應力-應變曲線上,取應變范圍8%～15%線性區(qū)域，記其斜率為氣凝膠的壓縮模量[25]。

1.2.6 精油裝載 采用AHMADI等[25]的方法并作修改，將等體積的氣凝膠樣品浸入丁香精油中，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。后取出置于敞開培養(yǎng)皿上，30 ℃恒溫使其充分揮發(fā)至恒重，裝載率按（2）式計算：

式中，T-裝載率，%；m0-未浸入精油前氣凝膠的初始質量，g；mt-揮發(fā)至恒重氣凝膠的質量，g。

1.2.7 精油釋放 根據國標GB31604.1-2015[26]，以95%乙醇溶液和蒸餾水作為食品模擬液。將載有精油的WPI-PUL復合氣凝膠樣品（等體積）分別完全浸入50 mL 95%乙醇溶液和蒸餾水中，密封好后25 ℃水浴條件下磁力攪拌，每隔10 min取樣3 mL溶液，并補充3 mL對應溶劑。293 nm下對取出液進行紫外分光光度檢測，對照組為同等處理的未載油氣凝膠樣品浸泡液，通過標準曲線計算精油釋放濃度[27]。釋放率R按式（3）計算：

式中：R-釋放率，%；Ci-第i次取樣時精油濃度，g/mL；m-精油裝載量，g。

1.2.8 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構[28]。

1.2.9 傅里葉紅外光譜分析 分別將各組樣品碾碎后，與KBr混合?；旌媳壤秊?:100（質量比）。再進行研磨，壓片。傅里葉紅外光譜的掃描范圍為450～4000 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.2.10 熱重分析（TG） 將氣凝膠樣品（5～10 mg）置于Al2O3坩堝中，保護氣為氮氣，流速設定為20 mL/min，升溫速率10 ℃/min，測定其在30～600 ℃恒升溫速率加熱過程中的質量損失[29]。

1.3 數(shù)據處理

2 結果與分析

2.1 吸濕性能分析

單位時間內吸濕率的差異可以反應吸濕速率的快慢。如圖1所示，兩種疏水劑處理后復合氣凝膠相對于空白組吸濕過程明顯變緩，其中MTMS組的平衡吸濕率為（9.67%±0.323%），OTMS組的平衡吸濕率為（9.34%±0.276%），均明顯低于未改性組的（11.41%±0.506%）。說明疏水改性處理可以抑制氣凝膠對空氣的水分的吸附作用，從而明顯的降低氣凝膠的吸濕性。

圖1 氣凝膠疏水改性前后的吸濕性Fig.1 Hygroscopic properties of aerogels before and after hydrophobicity modification

2.2 油/水接觸角

水（油）接觸角的大小反映了氣凝膠的表面疏水（油）性，接觸角越大則材料的疏水（油）性越好。水接觸角實驗結果如圖2所示，圖a為改性處理前，其接觸角（40.14°±2.16°），親水性較高。圖b為MTMS改性處理后，接觸角（82.10°±4.78°），圖c為OTMS改性后，接觸角（85.21°±4.61°），疏水改性后，水珠的表面張力變大，變得更難以浸潤氣凝膠表面，使得氣凝膠的親水性均明顯下降。

圖2 氣凝膠改性前后的水接觸角大小Fig.2 Water contactangle before and after modification of aerogels

油接觸角實驗結果如圖3所示，圖a為改性處理前，其接觸角（28.07°±2.43°），親油性高。圖b為MTMS改性處理后，接觸角（56.14°±3.25°），圖c為OTMS改性后，接觸角（74.63°±3.08°），改性后親油性亦明顯下降。其中OTMS改后疏油效果明顯更好，這可能是由于OTMS具有更長的烷基支鏈，其形成的表面分子層更為致密所致。

圖3 氣凝膠改性前后的油接觸角大小Fig.3 Oil contactangle before and after modification of aerogels

2.3 抗壓性能分析

圖4 反映了改性前后的復合氣凝膠在勻速形變過程中應力的變化情況。未改性的氣凝膠壓縮模量為（21.745±1.982）MPa，抗壓性能優(yōu)良。改性后其壓縮模量略有所下降，MTMS疏水改性后抗壓性能為（17.655±3.034）MPa，OTMS組則為（18.412±3.513）MPa，這可能是由于等離子體刻蝕作用使得氣凝膠結構形變，進而使其抗壓性能下降。

圖4 氣凝膠改性前后的應變-應力曲線Fig.4 Strain stress curves before and after aerogel modification

2.4 精油釋放

經過裝載精油實驗發(fā)現(xiàn)，疏水改性處理前丁香精油的最大裝載率為（254.26%±5.585%），MTMS疏水改性后丁香精油最大裝載率（241.57%±5.214%），OTMS組則為（223.31%±4.436%）。最大裝載率的降低可能與氣凝膠改性后的疏油性提升相關,這與一些疏油型油水分離材料性能類似[30-31]。圖5為裝載丁香精油的復合氣凝膠改性前后分別在蒸餾水及95%乙醇中，丁香精油的動態(tài)釋放曲線。實驗發(fā)現(xiàn)，無論是在水或是95%乙醇體系中，疏水改性后的復合氣凝膠單位時間內丁香精油釋放率相對于空白組降低，緩釋性能提升，其中MTMS組緩釋性能優(yōu)于OTMS組。但改性后總釋放率低于空白組，這可能是由于疏水改性后復合氣凝膠表面的分子層對于精油從內往外擴散亦有阻隔性，導致更難釋放出來。擬合各釋放曲線得到的模擬方程如表1所示。

圖5 氣凝膠疏水改性前后丁香精油釋放曲線Fig.5 Release curve of clove essential oil before and after hydrophobicity modification

表1 氣凝膠疏水改性前后丁香精油釋放率的非線性模擬方程Table 1 Nonlinear simulation equation of the release rate of clove essential oil before and after hydrophobic modification of aerogel

2.5 掃描電鏡分析

圖6 a是改性前復合氣凝膠表面的掃描電鏡圖，表面較為光滑，結構致密。圖6b為MTMS改性組，圖6c為OTMS改性組，可以清楚地看到改性后氣凝膠表面粗糙度增加。這可能是由于等離子體的刻蝕與改性劑分子接枝的共同作用使得氣凝膠表面粗糙度增加，從物理結構和化學性能上兩方面提高了氣凝膠表面的疏水性，降低了氣凝膠的吸濕性。

圖6 氣凝膠疏水改性前后的微觀結構Fig.6 Microstructure of aerogels before and after loading hydrophobic modification

2.6 傅里葉紅外分析

圖7 是氣凝膠疏水改性前后的傅里葉紅外波譜圖。MTMS處理組中1360.26 cm-1為MTMS中CC單鍵的骨架振動，2960.85 cm-1處為-CH3的伸縮振動，1040.82 cm-1處為Si-O-Si的特征峰，771.25 cm-1為Si-CH3特征峰[32]；OTMS處理組2921.71 cm-1為-CH2-的伸縮振動，1110.63 cm-1處為Si-O-Si的特征峰，790.67 cm-1為Si-CH3特征峰。各特征峰的存在說明疏水劑已經成功地接枝到氣凝膠上，Si-OSi與C-O-C峰的重疊則是聚硅氧烷化反應的結果。各組分3300 cm-1附近吸收峰的變寬及偏移反映了新的-OH生成，這是Plasma處理后的結果。

圖7 氣凝膠疏水改性前后的傅里葉紅外分析Fig.7 FTIR analysis of aerogels before and after hydrophobicity modification

2.7 熱重分析

圖8 為復合氣凝膠改性前后的熱失重曲線（30～600 ℃溫度范圍）。30～80 ℃階段，這一階段主要是吸濕過程氣凝膠所吸附水分的逸出，三組曲線差距則反映出不同組分吸濕性的差異，OTMS改性組質量損失小于MTMS組，二者均明顯小于空白組，側面證明兩種改性手段均能明顯降低復合氣凝膠的吸濕性。MTMS組在80～130 ℃，質量損失加快，這是MTMS的揮發(fā)導致的；三組在110～290 ℃的變化差異則是由于PUL的部分分解；290～350 ℃三組曲線基本重合，這階段則是WPI與PUL的大規(guī)模裂解，復合氣凝膠質量損失約為70%。溫度高于350 ℃之后，質量損失速度減緩，這部分損失是剩余殘渣碳化使得氮氧元素丟失造成的。綜合來看，改性處理不僅可以降低復合氣凝膠的吸濕性，還能提高其常溫范圍的熱穩(wěn)定性，且熱穩(wěn)定性方面OTMS組優(yōu)于MTMS組。

圖8 氣凝膠改性前后的TG曲線Fig.8 TG curves of aerogel before and after modification

3 結論

在前期實驗的基礎上以最優(yōu)制備條件（PUL添加量55 mg/mL，pH7.9，凝膠溫度84 ℃）制備WPIPUL復合氣凝膠，并對其進行疏水改性處理。疏水改性后，復合氣凝膠表面形成了一層疏水層，MTMS改性后平衡吸濕率為（9.67%±0.323%），水接觸角（82.10°±4.78°）；OTMS改性后平衡吸濕率為（9.34%±0.276%），水接觸角（85.21°±4.61°），疏水性能得到明顯提升。與此同時，疏水改性后的氣凝膠疏油性能也有所提升，且OTMS改性處理效果更好。改性后抗壓強度略有降低，但不影響正常使用；疏水改性處理后，丁香精油裝載率有所下降但緩釋性能均有所提升，且MTMS改性緩釋效果更好；常溫下熱穩(wěn)定性方面均有所提升，且OTMS組熱穩(wěn)定性更好。

綜上所述，硅烷接枝疏水改性處理可以顯著提升復合氣凝膠的疏水性并提高其親油性。適用于油脂類活性物質的裝載與緩釋應用，拓寬了WPI-PUL復合氣凝膠的應用領域。