膠原基材料及其流變性能研究進展

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(1.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;2.自然資源部第三海洋研究所,自然資源部海洋生物資源 開發利用工程技術創新中心,福建廈門 361005)

膠原是一種天然高分子蛋白質,主要存在于動物皮膚、肌鍵、韌帶、軟骨及其他結締組織中,具有支撐器官和保護肌體的功能,也是組成細胞間質最重要的結構蛋白[1]。膠原具有較好的生物相容性、高生物降解性、低免疫原性、止血性和促細胞生長等生物特性[2],具有巨大的生產開發潛力。但是,天然膠原穩定性、力學性能、溶解性和機械性能較差,在體內和環境中容易快速降解[3],使得膠原的應用發展受到了限制。膠原基材料是指以膠原為基材,通過生物、化學以及物理等技術手段制造的一類新型材料。膠原基材料改善了膠原的力學強度,賦予了膠原多種性能,使膠原更廣泛地應用于生物醫學、組織工程、食品、美容化妝品等領域[4],因此膠原基材料的發展受到了科學家的重視。

膠原基材料流變性能是膠原基材料在生產過程中,受到外力而產生流動和變形,表現出來的流動性質[5]。在膠原基材料生產應用過程中,膠原基材料的流變性能是決定其產品加工方式和產品穩定性最關鍵的因素。通過對膠原基材料流變性能的研究,能夠探索各因素誘導膠原基材料流變性能(如:黏度、彈性模量(G′)、粘性模量(G″)、復數黏度(η*)、內耗(tanδ)等)的變化規律,并分析與之相對應的膠原基材料結構、流動狀態的變化規律。在此基礎上,可以將上述理論應用到膠原基材料管道運輸、加工生產過程中,指導膠原基材料的生產應用[6]。因此,本文主要討論了膠原結構與膠原基材料流變性能的關系,分析了多種因素對膠原基材料流變性能的影響及各數學模型在膠原基材料流變性能方面的應用情況。

1 膠原結構與膠原基材料流變性能的關系

膠原具有獨特的三螺旋結構,是由三條經過左手螺旋的肽鏈,再通過氫鍵鏈接后纏繞成牢固的右手螺旋結構[7]。膠原的一級結構是指膠原亞基分子中氨基酸序列;膠原的二級結構是指肽鏈主鏈的局部空間結構,包括α-螺旋、β-折疊、β-轉角等二級結構;膠原的三級結構是指膠原分子中肽鏈盤曲折疊形成不同的空間結構[8]。膠原經過生物、物理或化學等手段制備出膠原基材料,其結構上的變化會導致流變性能的變化。在膠原自由氨基數方面,如王廷彬[9]的實驗結果表明,不參與反應的自由氨基數量減少,會導致流變性能中彈性模量的減少。在膠原分子尺度方面,如Tian等[10]的實驗結果表明,交聯后膠原直徑增大,分子鏈間的糾纏增強,導致膠原基材料流動性減弱。在膠原微觀結構方面,Lai等[11]的實驗結果表明,當膠原聚集體的纏繞逐漸減少,膠原分子開始容易運動,導致膠原基材料黏度明顯降低。因此,研究人員只有充分闡明膠原基材料的結構和流變性能之間的關系,分析膠原基材料在加工或產業化生產中流體類型、分子形態和結構的變化規律,才能在膠原基材料運輸、加工、產業化生產的過程中有效降低生產成本、提高產品質量。

2 膠原基材料的流變性能

對于膠原基材料這類大分子材料來說,流變性能是影響其產業化應用的最關鍵因素之一。在生產加工過程中,膠原基材料的流變性能通常表現為黏度、G′、G″、η*和tanδ的變化,這些流變性能的變化關系到產品的質量性質和加工難易程度[12],因此,本文從影響流變性能的因素、膠原基材料流變性能動力學模型等方面對膠原基材料的流變性能進行了綜述。

2.1 膠原基材料流變性能的影響因素

影響膠原基材料流變性能的因素有很多,常見有交聯劑、溫度、濃度、pH、超聲波、離子等,本文主要綜述了上述各因素對膠原基材料流變性能的影響。

2.1.1 交聯劑對膠原基材料流變性能的影響 交聯劑是影響膠原基材料流變性能最主要的因素之一,交聯劑可以在保證膠原本身三螺旋結構的基礎上,改變膠原基材料的流變性,進而提高膠原基材料的力學性能和穩定性[13]。近年來,常用的交聯劑主要有醛類、亞胺類、京尼平等[6]。

2.1.1.1 醛類交聯劑 醛類交聯劑可以與膠原進行交聯,其原理是膠原上的氨基與醛類交聯劑上的醛基結合,形成分子間交聯,使膠原的三螺旋結構更加穩定,增強了膠原基材料的機械強度和力學性能。其中戊二醛(GTA)是最早使用也是最常使用的一種交聯劑,它能與膠原形成不溶于水的網狀結構,且價格較為低廉,是一種良好的交聯劑[14]。李季衡等[14]以GTA為交聯劑對膠原進行了交聯改性,并測量了GTA濃度對膠原基材料流變性能的影響,結果表明,交聯后的膠原基材料的G′、G″和η*均隨著GTA濃度的增加而增加。Tian等[15]研究了GTA交聯膠原溶液的流變性能,通過穩態剪切、動態掃描、觸變環和蠕變試驗表征了膠原基材料的流變性能,結果表明,該膠原基材料為典型的假塑性流體,且相同的剪切速率下,膠原基材料的黏度增加。然而,GTA具有較大的細胞毒性,且生物相容性差,會誘導細胞凋亡,引起一定程度的組織鈣化,這些特性使得GTA在生物醫學、組織工程和食品等領域的應用受到限制。

2.1.1.2 亞胺類交聯劑 亞胺類交聯劑中最常用的是碳化二亞胺(EDC)[2],EDC中含有-N=C=N-官能團,會先活化肽鏈上的羧基,生成中間產物酰胺和酯,然后再與肽鏈上的氨基反應生成酰胺鍵,從而發生交聯反應[16]。Safandowska等[17]研究了EDC和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)處理的膠原的動態流變性能,實驗結果表明,EDC/NHS交聯后的膠原的G′在更廣的溫度范圍都保持不變,說明膠原基材料具有更高的熱穩定性;此外,從tanδ峰值的變化情況進一步確證膠原基材料具有更高的熱穩定性,且膠原基材料具有更好的粘彈性。Ushaa等[18]研究了EDC/NHS交聯膠原和L-賴氨酸存在時EDC/NHS交聯膠原的流變性能。結果表明,不管L-賴氨酸是否存在,膠原基材料的剪切應力始終隨著剪切速率的增加而增加;膠原基材料的黏度始終隨剪切速率的增加而增加;經過EDC交聯過的膠原基材料其良好的生物相容性不會降低,基本沒有化學殘留,毒性也較低,且可以大幅度增強膠原基材料的熱穩定性能,增強膠原基材料的粘彈性。然而,與其他交聯方式相比,EDC抗酶解能力較低、交聯改性率較低,且存在一定的鈣化現象,使植入物變得脆弱易碎,縮短了植入物的使用期限[19]。

2.1.1.3 京尼平類交聯劑 相比于化學交聯劑來說,天然交聯劑具有細胞毒性低和生物相容性高的優點。如今常見的天然交聯劑有京尼平、原花青素和茶多酚等[20]。京尼平是近年來發現的一種性能良好的天然無毒多功能交聯劑。京尼平與膠原發生反應,能夠得到環烯醚萜類的氮化物,經過脫水形成芳香族單體,這一芳香族單體經過二聚作用,與膠原形成一個分子間和分子內的交聯[20-21]。Kanungo等[22]研究了京尼平交聯的膠原/聚乙烯醇(PVA)復合材料流變性能中黏度的變化,結果表明,交聯前后復合材料的黏度均隨PVA膠原比例的增加而減小,說明京尼平交聯增加了膠原/PVA復合材料的黏度。Xu等[23]研究了京尼平交聯對膠原支架材料流變性能的影響規律,結果表明,膠原基材料的G′、G″均隨京尼平濃度的增大而增大,隨著應變幅度的增加,G′略有下降,G″增加。說明京尼平的交聯增大了膠原支架材料的黏度。

2.1.2 溫度對膠原基材料流變性能的影響 溫度是決定膠原基材料的流變性能的重要因素。溫度升高時,體系熱運動能量增加,降低了膠原分子鏈段躍遷的阻力,使膠原分子熱運動速度加快,導致膠原基材料的黏度降低。但當溫度超過膠原的熱變形溫度時,膠原原有的三螺旋結構便會被破壞,膠原基材料原有的粘彈性會迅速降低[24]。琚海燕等[25]研究了溫度對膠原纖維溶脹液流變性能的影響,結果表明,膠原纖維溶脹液的表觀黏度隨溫度的升高而下降,當溫度上升到36 ℃時,表觀黏度急劇下降,說明此時三螺旋結構開始被破壞。溫度升高,膠原纖維溶脹液分子量減小,表現為剪切黏度大幅度降低。朱亮等[26]研究了溫度對殼聚糖/膠原共混溶液流變性能的影響,結果表明,在20～40 ℃的溫度范圍內,膠原基材料還表現出一定的假塑性流體現象,但已經出現了牛頓化趨勢;當溫度達到40～50 ℃時,膠原基材料表現為牛頓流體,說明溫度會影響膠原基材料流體類型的變化。Chen等[27]研究了溫度對由N-羥基琥珀酰亞胺活化的己二酸交聯的膠原流變性能的影響,結果表明,在20、30 ℃下,膠原基材料的,G′、G″和η*沒有顯著的差異,但當溫度升高到40 ℃時,膠原基材料的G′、G″和η*變得失去規律性,此時膠原三螺旋結構被破壞。因此,在制備膠原基材料的過程中,應注意控制溫度,避免破壞膠原基材料的三螺旋結構,使得流變行為變得無法預測,影響產品質量。

2.1.3 濃度對膠原基材料流變性能的影響 濃度對膠原的流變性能中的黏度有巨大的影響。隨著膠原溶液濃度的增大,膠原分子間纏繞更加緊密,分子間摩擦力增大,受到外力作用后分子鏈段躍遷速度減慢,溶液的黏度增大,這種現象在膠原溶液濃度較大時更為明顯[28]。琚海燕等[25]研究了濃度對膠原纖維溶脹液流變性能的影響,結果表明,隨著濃度的增大,膠原基材料的表觀黏度隨剪切速率增大降低的幅度增大,膠原基材料的剪切稀化現象增強,說明濃度的增大可以提高膠原基材料的表觀黏度。Ju等[29]的實驗結果表明,隨剪切速率的增大,膠原基材料的G′、G″和η*均減小,溶液現出剪切稀化的現象。此外,膠原基材料的G′、G″和η*均隨濃度的增加而增加,當濃度達到一定程度,tanδ很難再隨剪切速率而變化,這是由于膠原基材料結構已經達到最大穩定程度,很難解開。故濃度的增大可以提高膠原基材料的黏彈性能。在加工制備膠原基材料的時候,應注意濃度的控制,濃度過大會導致膠原溶液黏度過大,產生似固體的彈性行為,濃度過低,不適于機械處理。

2.1.4 超聲波對膠原基材料流變性能的影響 超聲波是一種由高頻機械振動在媒介中傳播而形成的機械波,它的動力主要來源于空化作用[30-31]。Zou等[32]研究了超聲波輔助提取膠原(UASC)和酸溶性膠原(ASC)流變性能的變化規律,結果表明,UASC的G″始終低于ASC的G″,說明相較于天然膠原,超聲使膠原基材料的結構更加松散;且UASC相較于ASC具有更大的彈性,UASC更適合用于食品、化妝品、生物醫學材料領域。李妍花[33]研究了經過不同處理膠原自組裝形成的膠原凝膠的流變性能的變化,結果表明,超聲處理后的膠原凝膠的G′小于未經超聲處理的膠原凝膠的G′,說明超聲處理會促進膠原凝膠的產生,導致膠原纖維的粒徑隨超聲波頻率的增大而減小;且膠原凝膠的G′始終大于G″,說明膠原凝膠呈現彈性行為。Jiang等[34]研究了超聲波對膠原纖維自組裝過程的影響,實驗結果表明,超聲波處理的樣品的G′和G″模量均隨著超聲波功率的增加而降低,這表明經過超聲波處理后膠基材料的粘彈性降低。因此,通過控制超聲波處理時間和頻率可以在保持原有三螺旋結構的情況下,減低膠原基材料的黏度,以便于膠原基材料的加工與生產。

2.1.5 離子對膠原基材料流變性能的影響 膠原分子是聚兩性電解質,會受到分子間靜電作用的影響,離子的加入會起到一定的靜電屏蔽作用,從而改變膠原基材料的流變性能和其他理化性能。李宇龍[35]的實驗結果表明,當pH=2時,隨著NaCl和NaNO3濃度的增大,膠原基材料黏度降低,表明NaCl和NaNO3會屏蔽分子間的靜電作用;而在醋酸溶解的膠原基材料中,加大硫酸鉻的濃度會導致膠原基材料黏度先減小后增大。當pH=4時,隨著硫酸鉻濃度的增大,膠原基材料的黏度呈現先增大后減小的趨勢。當鉻離子的濃度達到一定程度時又會產生屏蔽作用,導致膠原基材料黏度減小。Zhai等[36]研究了分別含有Ac-、Br-、Cl-的離子液體對草魚魚皮膠原纖維流變性能的影響,結果表明,離子液體的加入可以有效提高草魚魚皮膠原纖維的粘彈性,拓寬膠原基材料的應用范圍。鄭翠[37]研究了膠原在氯化膽堿·2ZnCl2離子液體中的流變性能。實驗結果表明,離子溶液/膠原溶液屬于假塑性流體,且該膠原基材料的G′、G″均隨頻率的增大而增大,當頻率較低時,膠原基材料以黏性行為為主;當頻率較高時,膠原基材料以彈性行為為主。離子液體作為一種溶劑,可使一些天然高分子材料溶解或再生,使生物能源更加高效的利用[38]。通過對離子液體對膠原基材料流變性能影響的研究,可以為膠原基材料生產加工過程中溶劑的選擇做出一定的理論指導,以更好地控制膠原基材料的流變性能。

2.2 膠原基材料流變性能的動力學模型研究

科研工作者構建了一系列的動力學模型,用于闡述溫度、濃度、剪切速率等因素對膠原基材料流變性能的影響,預測膠原基材料流變性能和流體性能的變化規律。目前主要用Power law模型、Carreau模型、Cross模型、Herschel-Bulkley模型來描述膠原及膠原基材料的流變性能。

2.2.1 Power law模型 Power law模型[42]又稱為冪律模型,是目前研究膠原基材料流變性能應用最廣泛的模型,模型公式如下所示:

η=Kγn-1

式中,η為黏度;γ為剪切速率;K為稠度系數;n為流動指數。

式中n的數值表示了體系與牛頓流體偏離的程度:當n<1時,溶液為假塑性流體;當n=1時,溶液為牛頓流體;當n>1時,溶液為脹塑性流體。同一種膠原基材料,當剪切速率發生改變時,n值也隨之改變,通常剪切速率越大,n值越小。但Power law模型一般適用于中等剪切速率范圍,不能用于低速或高速的剪切速率,它只能近似地描述非牛頓流體的行為。

2.2.2 Carreau模型 Carreau模型[42]最早由Pierre Carreau提出,模型公式如下所示:

η=η∞+(η0-η∞)×[1+(λγ)2](n-1)/2

式中,η為黏度;η0為0剪切黏度;γ為剪切速率;n為參數;η∞為剪切速率接近無窮大時的黏度;λ為松弛時間。

與冪律模型相比,Carreau模型可以預測剪切力為0時和剪切力無限大時的流體黏度,主要描述了材料黏度的變化,但Carreau模型的計算相比于其他模型更為復雜。

2.2.3 Cross模型 Cross模型[42]和Power law模型Carreau模型都可以用來描述高分子聚合物熔體黏度與剪切速率的關系,模型公式如下所示:

式中,η0為0剪切黏度;η∞為剪切速率接近無窮大時的黏度;γ為剪切速率;n為參數;K為與體系結構剪切穩定性有關的系數。

與Carreau模型模型相比,Cross模型形式更為簡單,可以描述剪切速率為0時的流體黏度,也可用來描述剪切速率接近無窮大時的流體黏度。但Cross模型不能明確地對剪切速率較低時的牛頓區進行描述,嚴重影響了模型對流變性能擬合的精確度。

2.2.4 Herschel-Bulkley模型 Herschel-Bulkley模型是由Winslow Herschel和Ronald Bulkley于1936年提出的非牛頓流體的廣義模型[43],模型公式如下所示:

τ=τ0+Kγn

式中,τ為剪切應力;τ0為屈服應力;γ為剪切速率;K為稠度系數;n為流動特性指數,表示與牛頓流體的偏離程度。

Herschel-Bulkley模型能模擬出體系的屈服應力,該模型適用于大多數具有剪切變稀特性的流體。

2.2.5 Arrhenius-type-equation 阿倫尼烏斯方程(Arrhenius-type-equation)是由瑞典科學家阿倫尼烏斯于1889年提出的化學反應速率常數隨溫度變化關系的公式,可以很好地反應出溫度對膠原基材料流變性能的影響。模型公式如下所示:

η=k0exp(Ea/RT)

式中,η為黏度;k0為常數;Ea為活化能;R為氣體常數[8.314 J/(mol·K)];T為絕對溫度。

該公式使用范圍很廣,但在使用阿倫尼烏斯公式的時候必須確定一個主要影響因素,因此并不是所有反應都符合阿倫尼烏斯公式。

在膠原基材料生產應用過程中,可以通過構建擬合程度高的各模型,利用該模型中各參數對流變性能進行預測,以便在管道運輸、選擇加工參數、設備的設計等方面給出一定的理論依據。

3 膠原基材料在食品領域的應用

隨著人們環保意識的增強,傳統的塑料食品包裝材料引發的食品安全問題和環境污染問題愈加突出。膠原基食品包裝材料具有高安全性、可食用性、全降解性和提高食品架貨期的性能,成為了當前研究的熱點,膠原基包裝材料可分為:膠原保鮮膜、膠原海綿和膠原人造腸衣。

3.1 膠原保鮮膜

膠原保鮮膜是指以膠原為膜基質,結合其他食品級添加劑或增塑劑等物質制成的薄膜,具有阻隔水分、香味、氧氣的作用[47]。膠原保鮮膜具有一定的抑菌效果,可以減少肉制品、海鮮等生鮮產品水分的流失和脂質的氧化。阮一凡等[48]利用鵝皮膠原和殼聚糖復合制備出了膠原/殼聚糖可食用復合膜,結果表明,該復合膜各項性能良好且具有良好的保鮮效果。葛尚英[49]以鰱魚魚皮為原料添加月桂精油(CEO)和百里香精油(TEO)制備了可食性膠原蛋白抗菌膜CEO/膠原膜和TEO/膠原膜,又將CEO精油制成納米脂質體以提高膠原膜的抗菌性,結果表明,CEO/膠原膜和TEO/膠原膜的抗菌性能均隨精油濃度的增大而增加,CEO/膠原膜的抗菌性強于TEO/膠原膜,CEO納米脂質體/膠原膜相較于CEO/膠原膜具有更加優秀的疏水性、抗菌保鮮性和一定的緩釋作用,說明制備的CEO納米脂質體/膠原膜可以作為一種良好的食品保鮮膜應用于食品包裝方面。邵東旭等[50]利用魚鱗膠原和馬鈴薯淀粉復合制備具有抗菌活性性的魚鱗膠原復合膜,結果表明,復合膜對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和黑霉菌等致病菌具有抑菌效果,可以作為延長冷藏魚肉貨架期的包裝材料。

3.2 膠原海綿

現如今,國內外對膠原海綿的應用范圍多在生物醫學領域,幾乎沒有應用在食品包裝方面的報道。劉迪[51]利用豬跟腱膠原與甘油混合,制備膠原海綿材料,結果表明,膠原海綿可以吸附果蔬成熟過程中釋放的乙烯,延緩果蔬衰老速度;且海綿材料具有一定的緩沖能力,可以減少果蔬在運輸過程中的機械損傷。但膠原海綿作為果蔬材料成本過高,仍需開發價格更低廉的膠原基材料。

3.3 膠原人造腸衣

膠原基材料是制備人造腸衣的優良原料,在加熱時,膠原腸衣的熱收縮率與肉制品幾乎是相同的,且良好的口感和優良的性狀使膠原基材料成為人造腸衣材料的首選[52]。秦溪[53]研究了戊二醛交聯后魚皮膠原與聚乙烯醇共混溶液制成的膠原腸衣性能的變化,結果表明,該膠原基材料各項性能均與市售的商業腸衣相比無明顯差別,且更適合用作烘烤類或煙熏類香腸的腸衣。王薪宇[54]將天然腸衣廢棄物作為原料制成膠原團,再用戊二醛作為交聯劑制成人工腸衣,測量對比其理化性質,結果表明,直接用膠原團制備的人造腸衣強度更高,成膜更為均勻,是良好的人造腸衣材料。Long等[55]研究了纖維納米晶體(CNCs)作為增強納米填料，通過傳統擠出方法將其添加到膠原中制成膠原腸衣,并研究了CNCs的添加對膠原腸衣的影響,結果表明,CNCs的添加可以增加膠原腸衣的透光率、阻隔性、拉伸強度、熱穩定性和楊氏模量,制備出的CNCs/膠原腸衣是一種可以防止肉制品脂質氧化和失水的優良人造腸衣。

由此可知,膠原基材料具有廣闊的市場前景,但目前仍處于起步階段,需要研究人員進一步開發。

4 結論與展望

近年來,膠原及膠原基材料因其獨特的生物性能在各個領域都得到了廣泛的應用。目前,國內外研究人員在膠原基材料流變特性領域已取得了豐碩的研究成果,但仍存在許多問題,如:對膠原基材料流變性能、功能和微觀結構的關系的研究不夠透徹,致使膠原基材料在各領域中得不到充分的利用;對膠原基材料流變性能的動力學模型的研究不夠深入,無法精準反映膠原基材料生產過程流變性能的變化規律,影響了膠原基材料的質量和產量。針對上述在膠原基材料流變性能研究方面存在的問題,應深入研究流變性能與膠原基材料結構和功能方面的關系,挖掘膠原基材料新功能,拓展膠原基材料的應用領域;將動力學模型進一步應用于膠原基材料生產加工過程中,并構建描述性更高的、計算更簡便的動力學模型和分子動力學模型,以模擬膠原基材料生產應用過程中流變性能的變化,為膠原基材料的產業化應用做出指導[56]。