Визначення точки насичення волокна ротангом (Calamus simplicifolius) з використанням НЧ-ЯМР та двох звичайних методів

Анотація

Вступ

Основною метою цього дослідження було кількісне визначення FSP ротанга за допомогою ядерно-магнітного резонансу з низьким полем (LF-ЯМР) та двох звичайних методів, а саме методу насиченого розчину солі та методу DVS. Три методи були використані для оцінки FSP Calamus simplicifolius. Відмінності значень FSP, визначені трьома методами, були порівняні та пояснені.

Матеріали і методи

Матеріали

Зразки очерету C. simplicifolius були зібрані з плантації, розташованої в місті Пінсян, провінція Гуансі, Китай. Три зрілі стебла ротанга із середнім діаметром (D) 20 мм були відібрані та зібрані на висоті 30 см над землею. Всі зразки готували із середніх порцій очерету.

Методи

Метод насиченого розчину солі

Зразок був циліндричним із розміром D мм (діаметр зразка) × 40 мм (висота). Зразки тестували при 9 рівнях вологості, і було 10 проб для кожного рівня вологості. Для побудови ізотерм використовували 9 точок рівноваги на ізотерму, що відповідали 9 різним насиченим розчинам солей (табл. 1). Зразки в кожному насиченому розчині солі досягли рівноваги, коли різниця у вазі становила не більше 0,1% через 24-годинний інтервал (Esteban et al. 2015). На побудову ізотерм сорбції при постійній температурі 20 ° C пішло 2 місяці. Після цього отримували вологу масу зразків, і досліджувані зразки поміщали в піч при 103 ° C, поки вони не досягли сухої маси в печі. Рівноважний вміст вологи (ЕМС) розраховували наступним чином:

де мw - волога маса (г), і м0 - маса сухої сушильної шафи (г).

Коли була досягнута суха маса в печі, були побудовані графіки ізотерм адсорбції. Ізотерму сорбції екстраполювали до 100% вологості, щоб оцінити FSP, використовуючи кубічну функцію однієї змінної (Wang et al. 2010).

Динамічний метод сорбції пари

Для визначення поведінки сорбції водяної пари ротанга використовували динамічний апарат сорбції пари (DVS Intrinsic, Surface Measurement Systems, Ltd., UK). Зразки ротанга та тримачі для еталону були з'єднані з мікровагою за допомогою підвісних проводів. Вони обидва були розташовані в терморегульованій камері, де був постійний потік сухого газу азоту, а інший потік азоту, що містить водяну пару, змішували для досягнення заданих значень RH (Jalaludin et al. 2010; Hill et al. 2012; Попеску та Хілл 2013). Вологість сорбції змінювали з кроком 10% відносної вологості від 0 до 95% вологості при постійній температурі 25 ± 1 ° С. Вимірювання проводились лише в процесі адсорбції водяної пари приблизно протягом 1,5 днів. Прилад підтримував зразок на постійній вологості, доки зміна ваги не становила менше 0,002% на хвилину протягом 10 хв (Popescu et al. 2014). Дані про зміну маси отримували кожні 20 с. Тривалість роботи, цільову відносну вологість, фактичну вологість та вагу зразка реєстрували протягом усього періоду ізотерми.

Дані, отримані методом DVS, були дуже відтворюваними (Hill et al. 2009; Xie et al. 2011b). У цьому дослідженні було проведено три вимірювання для кожного ротанга. Циліндричні шматочки зразка (діаметр 20 мм, довжина 5 мм) вирізали із середньої частини кульки. Щоб уникнути мінливості ротанга в ієрархічній архітектурі із судинними пучками, нерівномірно розподіленими по радіальному напрямку, з ротангового блоку вирізали невеликі блоки ротанга (близько 30 мг), що містять епідерміси та серцевину ротанга, кінцевий розмір 1 × 3 × 3 мм 3 (тангенціальний × поздовжній × радіальний) (рис. 1). Середня початкова маса зразків становила 33,916 мг, 37,913 мг та 37,608 мг відповідно. Кубічна функція однієї змінної була використана для обчислення FSP.

Зразок ротангу, використаний в експерименті

Метод 1Н НЧ-ЯМР

Підготовка зразка

Циліндричні зразки (діаметр 20 мм, довжина 10 мм) відбирали із середньої частини стебла. Зразок вводили в 10-мм OD 1H LF-ЯМР-пробірку, яку потім закривали ковпачком. Довжина 1Н НЧ-ЯМР трубки становить 250 мм. Щоб задовольнити внутрішній діаметр трубки НЧ-ЯМР 1Н та уникнути мінливості ротанга в ієрархічній архітектурі з нерівномірно розподіленими судинними пучками по радіальному напрямку, з ротангового блоку вирізали блоки ротанга, що містять воскові епідерміси та серцевину ротанга кінцевий розмір 8 × 9 × 10 мм 3 (тангенціальний × радіальний × поздовжній).

Прилад для експериментів з 1Н LF-ЯМР

Експерименти 1Н LF-ЯМР проводили на приладі MiniMR 23 МГц (Niumag Instruments, Сучжоу, Китай) при 25 ° C. Температуру магнітної одиниці встановлювали на рівні 32 ° C в межах варіації ± 0,01 ° C. Імпульсну послідовність Карра – Перселла – Мейбума – Гілла (CPMG) використовували для вимірювання кривої розпаду релаксації Т2 всієї зразки ротанга. В експериментах CMPG використовувались такі параметри: частота вибірки, 250 кГц; ширина імпульсу (90 °), 5,2 мкс; ширина імпульсу (180 °), 10,4 мкс; кількість комплексних балів, 200 008; час переробки, 3000 мс; час відлуння, 0,1 мс; кількість відлунь, 8000; кількість накопичених сканів, 128.

Розглянуті температури зразків включають - 45 ° C, - 40 ° C, - 35 ° C, - 30 ° C, - 25 ° C, - 20 ° C, - 15 ° C, - 10 ° C, - 5 ° C, - 3 ° C, 0 ° C, 3 ° C і 5 ° C і починається з найнижчої температури (рис. 2). Затримка стабілізації температури до першого експерименту становила близько 45 хв (Telkki et al. 2013). Як правило, зразки можуть досягати заданої температури приблизно 10–20 хв. Зразки сканували через 30 хв після обробки заморожуванням. Тим часом камера для зразків також була налаштована на ту саму температуру, що забезпечувало стабілізацію температури під час експерименту (Gao et al. 2017).

a Розподіл часу релаксації Т2 ротанга при різних температурах і b часткове збільшене креслення розподілу часу релаксації Т2 ротанга при - 5 - 5 ° C

Теоретичні основи

Вільна вода замерзає нижче 0 ° C, а поперечний час релаксації льоду (T2) становить лише 6 мкс (Hartley et al. 1992), що менше часу відгуку MicroMR-10. Тому T2 вільної води не можна спостерігати. Навпаки, зв’язана вода замерзає при дуже низьких температурах. FSP можна визначити, порівнявши вимірювання вище і нижче точки плавлення води (Gao and Zhuang 2015; Gao et al. 2017; Telkki et al. 2013).

При визначенні температури замерзання вільної води враховувались вплив ефекту Гіббса – Томсона та екстрактивних речовин ротанга на точку замерзання вільної води (Aksnes and Kimtys 2004). Парк та ін. (2006) та Zauer та співавт. (2014) використовували рівняння Гіббса – Томсона, щоб виразити зв’язок між температурою замерзання рідини та діаметром пор таким чином:

де Тm - точка замерзання води в макродержаві, 0 ° C; Тм (D) - точка замерзання води в трубочці діаметром D, K; σ - вільна міжфазна енергія, 12,1 мДж/м 2; ρ - густина води, 1,0 × 10 3 кг/м 3; Hf - питома ентальпія води, 333,6 Дж/г; θ - кут контакту.

Діаметр канальця можна отримати згідно з наведеним нижче рівнянням:

Діаметр порожнини клітини ротангового волокна становить близько 6 мкм (Luo et al. 2013). Клітинні стінки також містять мікропори, і їх максимальний розмір становить близько 2–4 нм. (Hill 2006; Telkki et al. 2013). Відповідно до рівняння (3), температура замерзання вільної води становить близько - 0,007 ° C, тоді як у зв'язаної води менше - 10 ° C. Уокер (2006) виявив, що концентрація розчинених цукрів у соку призвела до замерзання води у просвітах при температурі від - 0,1 до - 2,0 ° С. Тому в цьому дослідженні температуру замерзання встановили на рівні - 3 ° C, щоб забезпечити повне замерзання вільної води, тоді як зв’язана вода залишалася рідкою.

Після експериментів з 1Н LF-ЯМР 1H вміст вологи у зразках визначали за різницею ваги між вологими та висушеними (при 103 ° C) зразками.

Фактичний вміст зв’язаної води в стані набухання клітинної стінки можна розрахувати, використовуючи таке рівняння:

де C.MC - співвідношення мас мокрого і сухого ротанга,%; Stx - загальна кількість інтегралів, виміряних при вказаних температурах; S0 - загальна кількість інтегралів, виміряних при еталонних температурах.

Ядерний магнітний сигнал обернено пропорційний температурі. Отже, для усунення температурної залежності намагніченості теплової рівноваги, заданої законом Кюрі, інтеграли сигналів, виміряних при різних температурах, множили на коефіцієнт Т/Т0, де Т - фактична температура і Т0 - еталонна температура (Kekkonen et al. 2014; Telkki et al. 2013).

Результати і обговорення

FSP визначають методом насиченого розчину солі

Ізотерми сорбції води з ротанга наведені на рис. 3а відповідно до ЕМС проти RH. Графік демонструє, що ізотерми ротангової тростини мають сигмоподібну форму, мають характеристики багатомолекулярної адсорбції шару та належать до другої категорії ізотерм адсорбції вологи (Brunauer et al. 1940; Liu and Zhao 2004). Ця характеристика кривої подібна до характеристики бамбука та деревини (Liu and Zhao 2004; Wang et al. 2010; Zhang et al. 2018). Тенденції ізотерм адсорбції вологи в різних тростинах C. simplicifolius є послідовними. Однак існує певна ступінь дисперсності, яка може бути пов'язана з віком ротанга. Зібрані ротанги були зібрані в однакових умовах, але їх вік та щільність очерету відрізняються. Встановлено, що вік має великий вплив на адсорбцію біоматеріалів у воді (Wang et al. 2010). Уокер (2006) заявив, що FSP деревини обернено пропорційний базовій щільності деревини.

Ізотерми адсорбції вологи, виміряні за a метод насиченого розчину солі і b DVS. А, В і С представляють різні тростини C. simplicifolius, відповідно

Згідно з концепцією FSP (Stamm 1971), рівняння регресії ізотерми адсорбції вологи та вміст вологи FSP представлені в таблиці 2. Це показує, що значення FSP, визначені на основі методу насиченого розчину солі, становлять 31,33%, 32,37% та 33,91% відповідно. Існують деякі відмінності між тростинами, але вони менші ніж 1,6%.

FSP визначається методом DVS

Криві ізотерм адсорбції вологи, виміряних методом DVS, подібні до кривих, отриманих регулюванням вологості насиченими розчинами солей. В обох випадках ізотерми пристосовані до сигмоподібного типу II (Esteban et al. 2009) і мають характерну сигмоїдну форму (рис. 3b). Ізотерми адсорбції тростини мають вигин вгору вище 60–70% вологості, і подібні результати були отримані в бамбуку (Zhang et al., 2018). Однак існують відмінності в значеннях ЕМС між різними тростинами на певних рівнях вологості, особливо вище 95% вологості. ЕМС тростини С при 100% вологості становила 30,63%, тоді як у тростини А 27,11%.

Крім того, значення FSP, визначені методом DVS, нижчі, ніж значення, визначені методом насиченого розчину солі, що, ймовірно, пов'язано з температурою та часом випробування. Температура вимірювання DVS була вищою, ніж температура вимірювання насиченого розчину солі, що вказує на меншу гігроскопічну здатність через зміни, викликані ротангом температурою та високими рівнями енергії молекул води (Moreira et al., 2005). Тестові зразки методу DVS та методу насиченого розчину солі мають однаковий анатомічний та хімічний склад, але час випробувань різний. Встановлення швидкої рівноваги адсорбції води є однією з важливих переваг методу DVS. Згідно з теорією адсорбції вологи (Skaar 1988; Cao and Zhao 2001), первинна адсорбційна вода адсорбувалась безпосередньо на вільних водневих зв'язках клітинної стінки і мала енергію з вищим зв'язком. У пізній період адсорбції води сухий газ азоту, що містить задану кількість водяної пари, пройшов через поверхні зразків ротанга. Вторинна адсорбція відбувалась на основі води первинної адсорбції, і пов'язана енергія була невеликою, що зменшує кількість адсорбції вологи і призводило до зменшення ЕМС.

FSP визначають методом LF-ЯМР

Вплив температури на розподіл часу релаксації Т2 ротанга

Послідовність CPMG використовувалась для вимірювання розподілу часу релаксації Т2 зразків як функції температури (рис. 2). Нижче 0 ° C спостерігався лише один компонент, пов’язаний із зв’язаною водою в клітинних стінках, оскільки вільна вода замерзала, і її сигнал зник через короткий T2 (Hartley et al. 1992). Телккі та ін. (2013) вважали, що більш короткий компонент Т2 з більшою амплітудою виникає з молекул води, зв’язаних з гідроксильними групами та між целюлозними ланцюгами, тоді як довший компонент Т2 з меншою амплітудою походить від води в мікропорах клітинної стінки.

Вище 0 ° C можна спостерігати чотири компоненти (рис. 2b). Два найкоротші компоненти Т2 були пов’язані із зв’язаною водою і мали ту ж інтерпретацію, що і нижче 0 ° С. Швидкий обмін між вільною водою та водою мікропор призвів до збільшення часу релаксації більш тривалого компонента Т2 (Brownstein and Tarr 1979). На основі досліджень Менона та співавт. (1989), два довші компоненти Т2 виникли із вільної води. Відповідно до мікроструктури ротанга, найдовший компонент Т2 міг бути спричинений мета-ксилемними судинами, тоді як інші компоненти походять від трахеарних елементів або паренхіми протоксилему.

FSP ротанга визначають методом LF-ЯМР

Метод аналізу заморожування та відтавання застосовувався для заморожування вільної води та отримання сигналу релаксації зв’язаної води. Метод LF-ЯМР пропонує прямі та однозначні засоби для визначення FSP. FSP було точно визначено з сумарною амплітудою сигналу вологи нижче і вище точки об'ємного плавлення. Отже, для розрахунку значень FSP деревини та бамбука зазвичай обирали 25 ° C та - 3 ° C (Telkki et al. 2013; Kekkonen et al. 2014; Gao and Zhuang 2015; Gao et al. 2017; Song et al. 2017). Рівняння (3) вказує на те, що вільна вода замерзає приблизно - 0,007 ° C, тоді як зв'язана вода замерзає при температурі нижче - 10 ° C, оскільки концентрація розчинених цукрів у соку змушує воду в просвітах замерзати при температурі між - 0,1 та - 2,0 ° C. Основними моносахаридами ротанга є глюкоза та ксилоза, на частку яких припадає понад 90% загального вмісту цукрів і значно вищі, ніж у деревині (Wu 2007). Однак крива температура-сигнал ротанга мала очевидну точку повороту при - 5 ° C (рис. 4). Отже, значення FSP вимірювали при - 5 ° C і представлені в таблиці 3.