APPLICATION OF MECHANICAL STIMULATIONS IN ALGINATE HYDROGEL SYSTEM

Abstract

The ultimate goal of this study is to find new methods for modifying the functional properties of alginate hydrogel and improving the gelling process. This study was divided into 3 parts as follows: (1) modification of physical properties of alginate hydrogel using insoluble dietary fiber, (2) feasibility assessment of applying pulsed vacuum technique in stimulating alginate hydrogel, and (3) a study on the effect of ultra-fine bubbles (UFB) on gelling mechanism and morphology of alginate hydrogel.

Because “Dietary fiber” is the main component affecting the textures of the actual fruit, to mimic that is to understand the effect of dietary fiber on the properties of alginate hydrogel. This study showed that dietary fiber with a high water-holding capacity was able to imitate real fruit products and dietary fiber with a low water-holding capacity was able to enhance the mechanical strength of alginate hydrogel.

Although alginate hydrogel has been used in various industries, the gelation process of alginate hydrogel still has a high cost because of the time and energy-consuming process. Thus there are limited practical applications. The calcium ion diffusion rate was found partially affect to external gelation. Presently, the pulled vacuum stimulation (PVS) technique has been applied as an alternative treatment to effectively improve the diffusion behavior. Therefore, the utilization of PVS could be a promising strategy to enhance the rate of calcium ion diffusion in alginate hydrogel formation. In this study, we investigated the effect of PVS at the different depressurization levels (at 8, 35, 61 kPa) on the diffusion coefficients of calcium ion (D), and the textural and micro-structural characteristics of alginate hydrogel. The results showed that PVS improved D by 1-3 times compared with the control sample processed under ambient pressure (~101 kPa). Also, increasing depressurization levels resulted in a significant increase in hardness, breaking deformation, and Young’s modulus of the alginate hydrogel, on the other hand, surface rupture strength and shrinkage were decreased, except for depressurization levels at 8 kPa. Explain that under PVS, the internal air bubbles tend to move from the core toward the outer crust of the alginate hydrogel, leading to a more compact and denser core but a more porosity inside the outer crust of the alginate hydrogel. The scanning electron microscope (SEM) indicates the surface roughness and multiple layer formation in the outer crust of PVS treated alginate hydrogel. For optimal performance, the application of PVS at the depressurization level was recommended at 61 kPa, seeing that a more intense stimulation showed extremely poor D and created huge internal voids, which were caused by a merging of soluble gas in the alginate hydrogel matrix. Understanding the effect of PVS on the diffusion coefficients of calcium ions, and the structural characteristics of alginate hydrogel are the key to manufacturing the simulated fruit products and other tissue engineering materials.

In the final part of this research, we study the influence of ultra-fine bubbles (UFB) on alginate hydrogel formation. The results indicated that UFB can significantly improve the gelling rate in the external gelation process. The best condition is using oxygen as the gas source and spending the generation time of 60 min. The SEM images exhibited surface porosity in alginate hydrogel which relates to the modified structure of alginate hydrogel and reduced gelation time.

การศึกษาในครั้งนี้มีเป้าหมายสูงสุดเพื่อค้นหาแนวทางใหม่ในการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงหน้าที่ของอัลจิเนตไฮโดรเจล ตลอดจนศึกษาวิธีใหม่ในการเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดเจลแบบ External gelation ทั้งนี้เพื่อประยุกต์ใช้องค์ความรู้ที่ได้จากงานวิจัยในการพัฒนาผลิตภัณฑ์นวัตกรรมเลียนแบบผลไม้ต่อไปในอนาคต ดังนั้น จึงแบ่งการศึกษาออกเป็น 3 ตอน ได้แก่ 1) การปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพของอัลจิเนตไฮโดรเจลด้วยเส้นใยอาหารแบบไม่ละลายน้ำและประเมินความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้ในผลิตภัณฑ์ผลไม้ขึ้นรูป 2) การประเมินความเป็นไปได้ในการประยุกต์ใช้เทคนิคสุญญากาศแบบจังหวะ (PVS) ในระบบอัลจิเนตไฮโดรเจล และ 3) การศึกษาผลของการประยุกต์ใช้อัลตราไฟน์บับเบิล (UFB) ต่อการเกิดเจลและคุณลักษณะทางสัณฐานวิทยาของอัลจิเนตไฮโดรเจล ซึ่งสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้

จากหลักคิดที่ว่า “เส้นใยอาหาร” เป็นส่วนประกอบหลักที่สำคัญและมีผลต่อคุณลักษณะด้านเนื้อสัมผัสของผลไม้ตามธรรมชาติ ดังนั้น หากต้องการปรับปรุงอัลจิเนตไฮโดรเจลให้มีเนื้อสัมผัสเหมือนหรือใกล้เคียงผลไม้จริง จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องศึกษาผลของเส้นใยอาหารต่อคุณสมบัติของอัลจิเนตไฮโดรเจลที่เปลี่ยนแปลงไป ดังนั้น งานวิจัยส่วนแรกจึงศึกษาผลของชนิดและปริมาณเส้นใยอาหารต่อคุณสมบัติของอัลจิเนตไฮโดรเจลที่เปลี่ยนแปลงไป จากผลการทดลอง พบว่า เส้นใยอาหารที่มีความสามารถในการดูดซับน้ำได้ดีเป็นเส้นใยอาหารที่เหมาะสมต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์เลียนแบบผลไม้ แต่สำหรับเส้นใยอาหารที่มีความสามารถในการดูดซับน้ำได้ต่ำนั้นสามารถช่วยปรับปรุงลักษณะเนื้อสัมผัสของอัลจิเนตไฮโดรเจลให้มีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้นได้

แม้ว่าอัลจิเนตไฮโดรเจลจะถูกใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมต่างๆ แต่กระบวนการเกิดเจลของอัลจิเนตไฮโดรเจลยังคงต้องใช้เวลาและพลังงาน รวมทั้งมีค่าใช้จ่ายที่สูง ซึ่งเป็นข้อจำกัดสำคัญในการใช้งานจริง ซึ่งการเกิดเจลของอัลจิเนตมีความสัมพันธ์อย่างยิ่งกับอัตราการแพร่ของแคลเซียมไอออนที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเกิดเจลแบบ External gelation โดยปัจจุบันพบว่าได้มีการใช้เทคนิค PVS เพื่อปรับปรุงการแพร่ของสารต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้น การใช้ PVS จึงเป็นวิธีที่น่าสนใจเพราะอาจช่วยเพิ่มอัตราการแพร่ของแคลเซียมไอออนในกระบวนการเกิดอัลจิเนตไฮโดรเจลได้ ด้วยเหตุนี้ จึงทำการศึกษาผลของการกระตุ้นด้วย PVS ที่ระดับความดันแตกต่างกัน (8, 35, 61 kPa) ต่อค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของแคลเซียมไอออน (D) ลักษณะเนื้อสัมผัสและโครงสร้างจุลภาคของอัลจิเนตไฮโดรเจล จากการศึกษา พบว่า PVS สามารถปรับปรุงค่า D ของแคลเซียมไอออนให้เพิ่มขึ้น 1-3 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างที่เกิดเจลภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศ (~101 kPa) นอกจากนี้ การกระตุ้นด้วย PVS ยังทำให้ค่า hardness, breaking deformation และ Young’s modulus ของอัลจิเนตไฮโดรเจลเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ ในขณะที่ค่า rupture strength และการหดตัวมีค่าลดลง, ยกเว้นตัวอย่างที่ถูกกระตุ้นด้วย PVS ที่ระดับความดัน 8 kPa เนื่องจากการเกิดเจลภายใต้สภาวะสุญญากาศนั้น ฟองอากาศภายในจะเคลื่อนที่จากบริเวณตรงกลางไปยังบริเวณผิวด้านนอกของอัลจิเนตไฮโดรเจล ซึ่งทำให้บริเวณตรงกลางมีความหนาแน่นมากกว่า ในขณะเดียวกันฟองอากาศที่เคลื่อนที่ไปยังบริเวณผิวด้านนอก ทำให้ผิวด้านนอกมีรูพรุนเกิดขึ้น ดังนั้นความแข็งแรงของอัลจิเนตไฮโดรเจลบริเวณตรงกลางจึงเพิ่มสูงขึ้น ในขณะเดียวกันความแข็งแรงของเจลบริเวณผิวด้านนอกกลับมีค่าลดลง นอกจากนี้ภาพที่วิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ยังแสดงให้เห็นว่าเมื่ออัลจิเนตไฮโดรเจลถูกกระตุ้นด้วย PVS จะแสดงพื้นผิวที่ขรุขระและการเกิดชั้นของเปลือกด้านนอกคล้ายกับเปลือกของผลไม้ ซึ่งการกระตุ้นด้วย PVS ที่ระดับความดัน 61 kPa เป็นสภาวะที่เหมาะสมที่สุด เนื่องจากการกระตุ้นด้วย PVS ที่มีการลดระดับความดันมากกว่านี้จะทำให้ค่า D ของแคลเซียมไอออนมีแนวโน้มลดลง และยังสร้างโพรงอากาศขนาดใหญ่ภายในโครงสร้างของอัลจิเนตไฮโดรเจลอีกด้วย ซึ่งโพรงอากาศเหล่านี้เกิดจากการรวมตัวของก๊าซที่ละลายอยู่ในสารละลายอัลจิเนต จากการค้นพบที่ได้กล่าวมาแล้วในข้างต้นจะเห็นได้ว่าการกระตุ้นด้วย PVS เป็นเทคนิคที่ช่วยเร่งกระบวนการเกิดเจลแบบ External gelation ตลอดจนสามารถประยุกต์ใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์เลียนแบบผลไม้ที่มีคุณภาพเหมือนผลไม้จริงและใช้ในการผลิตวัสดุทางวิศวกรรมอื่นๆ ได้อีกด้วย

งานวิจัยในส่วนสุดท้าย เป็นการศึกษาผลของอัลตราไฟน์บับเบิล (UFB) ต่อการเกิดเจลของอัลจิเนต จากผลการทดลอง พบว่า UFB สามารถปรับปรุงอัตราการเกิดเจลของอัลจิเนตที่เกิดแบบ external gelation ได้ ซึ่งวิธีที่ดีที่สุด คือ การใช้ก๊าซออกซิเจนเป็นแหล่งของ UFB และใช้เวลาในการสร้าง UFB นาน 60 นาที โดยภาพถ่ายที่วิเคราะห์ด้วย SEM แสดงให่้เห็นรูพรุนที่มีอยู่ในอัลจิเนตไฮโดรเจล ซึ่งสัมพันธ์กับลักษณะโครงสร้างของอัลจิเนตไฮโดรเจลที่ถูกปรับปรุงและเวลาในการเกิดเจลที่ลดลง