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海藻酸钙及其共混改性复合膜的渗透性研究

叶世著  
【摘要】:海藻酸钠是从褐藻类植物中提取的天然多糖,是一种丰富以及对环境友好的海洋生物资源。随着材料学和生物医学的发展,越来越多的学者开始研究海藻酸钠,其应用前景十分广阔。本文以海藻酸钠水溶液为成膜剂,以钙离子为交联剂,通过溶剂挥发法,制备海藻酸钙薄膜,通过添加壳聚糖、糊精制备共混改性复合膜。考察影响海藻酸钙及其共混改性复合膜的渗透性影响因素,开展了以下工作:1.研究海藻酸钙薄膜及其共混改性复合膜的制备及其表征。以海藻酸钠、氯化钙、壳聚糖、糊精为原料制备海藻酸钙及其复合膜。FTIR结果显示,在海藻酸钙体系中加入壳聚糖后,特征吸收峰发生了位移,表明壳聚糖的游离氨基与海藻酸钠的羧基发生了相互作用,再在此基础上加入糊精后,薄膜的红外光谱无明显变化,说明加入的糊精并不与海藻酸钙、壳聚糖发生化学反应。通过SEM扫描结果分析,单纯的海藻酸钙薄膜表面有明显的孔洞,孔洞数量为10个,大小为0.5μm,加入壳聚糖后及糊精后,复合膜表面细密,无明显孔洞,断面图可以看到,它不同于纯海藻酸钙薄膜断面,其断面层一层一层的,像一束一束的纤维堆叠在一起,并没有交错链接,表面较为光滑。添加糊精后,薄膜表面同样细密,从其断面图可以看到,不像海藻酸钙/壳聚糖薄膜断面层层堆叠,而是一层一层的交错纵横的连接在一起,紧密结合,从横截面还能看到界面上有细小的颗粒状,有可能是糊精颗粒填充进海藻酸钙-壳聚糖体系中。2.对影响海藻酸钙及其复合膜的水蒸气渗透系数进行研究。结果显示,影响海藻酸钙薄膜的水蒸气扩散系数(WVP)最大的是与海藻酸钠交联的钙离子浓度,其次是交联时间。氯化钙交联时间从10min~50min进行考察,10min固化时WVP为1.2057×10-6 g/(m·h·Pa),20min时,WVP降低到8.3474×10-6 g/(m·h·Pa),20min后海藻酸钙薄膜WVP减小速度趋于平缓,对比20min时,交联50min的海藻酸钙薄膜WVP仅仅降低了3%。交联剂氯化钙的浓度从10g/L~50g/L进行考察,钙离子浓度为50g/L时WVP能下降到8.0244×10-6 g/(m·h·Pa),对比10g/L钙离子固化的薄膜,WVP降低了25%,而海藻酸钠的浓度对海藻酸钙薄膜WVP并无太大的影响,海藻酸钠浓度从1%增加到3%,水蒸气扩散系数从8.0087×10-6 g/(m·h·Pa)减小到7.9071×10-6 g/(m·h·Pa),仅减小了1%。通过实验得出海藻酸钙薄膜体系最优条件下得出水蒸气透过率为8.0244×10-6 g/(m·h·Pa)。在此基础上,添加壳聚糖,使其与海藻酸钠发生聚电解质反应,形成海藻酸钙-壳聚糖共混膜。壳聚糖的浓度从0~1%范围考察,浓度为0.75%时薄膜的WVP较纯海藻酸钙薄膜降低了10%,为了进一步增加膜的致密性,减小WVP,在海藻酸钙-壳聚糖复合膜中添加小分子的糊精作为填充剂,制备海藻酸钙-壳聚糖-糊精复合膜。在海藻酸钙-壳聚糖-糊精复合膜中白糊精浓度从0~2%范围考察,白糊精浓度为2%时,WVP降低了7.4%。3.利用Valia-Chien扩散池对海藻酸钙及其改性复合膜对四种香味物质的扩散性进行研究,并用静态顶空-气相色谱-质谱连用方法定量检测,分别考察海藻酸钙-壳聚糖、海藻酸钙-壳聚糖-糊精共混改性复合膜的组成对上述四种香味物质的渗透速率的影响。在海藻酸钙-壳聚糖复合膜中,需要考察的因素有壳聚糖浓度,随着水溶性壳聚糖的浓度增加,正丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯在复合膜中的渗透速率越来越小,正丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯在纯海藻酸钙膜中的扩散系数为3.18953×10-11 m2/s、1.733×10-11 m2/s、2.4638×10-11 m2/s、6.9553×10-12 m2/s,添加量为0.75%时,四种香味化合物正丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯在海藻酸钙薄膜中扩散系数为2.2426×10-11 m2/s、1.2994×10-11m2/s、1.7542×10-11 m2/s、5.6030×10-12 m2/s,扩散系数分别降低了29.69%、25.02%、28.80%、19.44%。在海藻酸钙-壳聚糖体系的基础上,加入麦芽糊精,制备海藻酸钙-壳聚糖-麦芽糊精复合膜,对其添加浓度从0~3%进行考察,当麦芽糊精添加量为2%时,海藻酸钙-壳聚糖复合膜,其四种香味物质正丙醇、乙酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯的扩散系数分别降低了15%、19.38%、16.78%、14.4%。4.除了考察海藻酸钙/壳聚糖/糊精复合膜中组分配比外,还考察了其他因素对其香味化合物扩散系数的影响:渗透液基质液体、糊精的种类、壳聚糖脱乙酰度、接收液中加入钙离子;实验用辛癸酸甘油酯配置与渗透液浓度相同的香味物质油溶液作为渗透液,对比同一浓度下,水作为基质配置的渗透液和油作为基质配置的渗透液中香味化合物的扩散系数,结果得出,正丙醇的扩散系数没有太大影响,而乙酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯的扩散系数分别降低了70%、25%、73%。不同类型的糊精替换麦芽糊精进行考察,选择β-环糊精、白糊精进行对比,结果显示β-环糊精的添加对于香味化合物的扩散系数的保香效果好于麦芽糊精和白糊精,乙酸乙酯、正丁醇、丁酸乙酯的扩散系数分别降低58.14%、45.5%、21.5%。


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