No description available.

Over the past decades, there have been worldwide efforts to synthesize new types of ordered porous materials for catalysis, separations, etc. Among those, mesoporous material with microporous walls are promising in a sense that while mesopores act as channels for the reactant transport with little diffusion limitation, micropores in the wall act as active sites for reactions or storage of the molecules. In this study, we focused on the SBA-15 material, which is a highly ordered mesoporous silica material with micropores present in the wall. We have studied the synthesis of the material by manipulating various factors that are known to have influence on the porous characteristic of the material. We have aimed our studies particularly on the micropores present in the material. Unlike zeolite materials, which have regular, well characterized pore structures, micropores in the SBA-15 are not ordered, thus may have a very broad pore size distribution. We have synthesized sets of mesoporous silica materials that have characteristics similar to those reported in the literature. Using microwave heating, we were able to synthesize the target material within a short period of time, about 10 to 12-fold reduction of the conventionally known synthesis time. The synthesized materials were initially characterized using XRD and SEM. Adsorption studies were then undertaken on the materials to determine the surface area and pore structure. The interpretation of micropores has heretofore been problematic and the models are ambiguous. Relatively simply ordered, 1-dimensional channel type, zeolite materials were also studied; MTW, MTT, TON, ATS, VET frameworks. Adsorption isotherms of these materials were obtained and simple empirical models were developed to determine the pore size distribution. Further, a sequential adsorption technique, using n-nonane as a preadsorbate, was used to evaluate the realistic external surface areas of zeolite materials and mesopore surface areas of micro-mesoporous materials. Applying this technique to “multidimensional pore system” will provide another way to obtain the realistic surface area and mesopore size distribution.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

The vast majority of commercial gas separation membrane systems are polymeric because of processing feasibility and cost. However, polymeric membranes designed for gas separations have been known to have a trade-off between permeability and selectivity as shown in Robeson's upper bound curves. The search for membrane materials that transcend Robeson's upper bound has been the critical issue in research focused on membranes for gas separation in the past decade. To that end, many researchers have explored the idea of mixed matrix membranes (MMMs). These membranes combine a polymer matrix with inorganic molecular sieves such as zeolites. The ideal filler material in MMMs should have excellent properties as a gas adsorbent or a molecular sieve, good dispersion properties in the polymer matrix of submicron thickness, and should form high quality interfaces with the polymer matrix. In order to increase gas permeance and selectivity of polymeric membranes by fabricating MMMs, we have fabricated mixed matrix membranes using carbon nanotubes (CNTs) and nano-sized mesoporous silica. Mixed matrix membranes containing randomly oriented CNTs showed that addition of nanotubes to a polymer matrix could improve its selectivity properties as well as permeability by increasing diffusivity. Overall increases in permeance and diffusivity for all tested gases suggested that carbon nanotubes can provide high diffusivity tunnels in the CNT within the polymer matrix. This result agreed well with molecular simulation estimations. In order to prepare ordered CNTs membranes, we have developed a simple, fast, commercially attractive, and scalable orientation method. The oriented CNT membrane sample showed higher permeability by one order of magnitude than the value predicted by a Knudsen model. This CNT membrane showed higher selectivities for CO₂ over other gas molecules because of preferential interaction of CO₂ with the amine functionalized nanotubes, demonstrating practical applications in gas separations. Recently, mesoporous molecular sieves have been used in MMMs to enhance permeability or selectivity. However, due to their micrometer scale in particle size, the composite membrane was extremely brittle and tended to crack at higher silica loading. In this study, we have developed fabrication techniques to prepare MMMs containing mesoporous MCM-41 nanoparticles on the order of ~50 nm in size. This smaller nanoparticle lead to higher polymer/particle interfacial area and provides opportunity to synthesize higher loading of molecular sieves in polymer matrix up to ~80 vol%. At 80 vol% of nano-sized MCM-41 silica loading, the permeability of the membrane increased dramatically by 300 %. Despite these increases in permeability, the separation factor of the MMMs changed only slightly. Therefore, these nanoscale molecular sieves are more suitable for commercialization of MMMs with very thin selective layers than are micro-sized zeolites or molecular sieves. / Ph. D.

Tesis por compendio / [EN] The present PhD thesis, entitled "Encapsulation of folic acid in silica porous supports: a nutritional and technological approach", focuses on the development of new smart systems for the controlled delivery of folic acid for nutritional applications. The first part of the thesis shows folic acid encapsulation in polyamines-functionalized silica porous matrices from a nutritional approach. The first part evaluates not only the influence of the loading method and the type of silica support employed (MCM-41, SBA-15, UVM-7 and Hollow Silica) on the efficacy of folic acid encapsulation, but also the influence of the morphology and porous system on the folic acid delivery profile from different supports. Folic acid release studies from different supports with various pH values have demonstrated that the designed systems are capable of smartly modulating the delivery of the folic acid dependent on the pH of the medium (inhibition of the release at an acidic pH -stomach-, controlled release at a neutral pH -intestine-). This capacity makes these developed delivery systems an excellent alternative to direct fortification to successfully modulate the bioaccessibility of folic acid along the gastrointestinal tract. The stability of the supports during an in vitro digestive process was evaluated, and demonstrated that not only small particles can be attacked during the digestion process, but also the functionalization with organic molecules, which act as molecular gates, prevents this attack. Finally, the cell viability studies carried out with four different cell lines revealed that neither the supports nor their degradation products caused any specific toxicity during the in vitro digestive process. The second part evaluates the influence of adding different silica supports to two food matrices: gelatin gels and yoghurts. This technological approach enabled us to know that the capacity of these smart systems to deliver folic acid in a controlled manner during an in vitro digestive process is mantained even after their incorporation in stirred yoghurt. The effect of the matrices on the gel's physical properties depends on the particle size, functionalization and concentration. Finally, this thesis tested that the optimization of folic acid loading, achieved in the first part of the thesis, allowed the fortification of yoghurt with 100% of the recommended daily allowance of folic acid with a very low amount of the system. This fortification affected neither the physico-chemical properties of the yoghurt, nor bacterial viability. In summary, it was concluded that the present thesis globally deals with folic acid encapsulation in silica porous matrices to be used in nutritional and food applications, which include the optimization of loading, release studies at diferent pH, in vitro digestions, stability studies of the employed matrixes, biocompatibility studies, and studies into the influence of their addition to food matrixes. The obtained results positively exhibit that the developed smart folic acid delivery systems open up a new way of fortifying food without endangering the properties of the food to which they are added. / [ES] La presente tesis doctoral que lleva por título "Encapsulación de ácido fólico en soportes porosos de óxido de silicio: una aproximación nutricional y tecnológica" está centrada en el desarrollo de nuevos sistemas inteligentes de liberación controlada de ácido fólico para aplicaciones nutricionales. La primera parte de la tesis muestra la encapsulación de ácido fólico en matrices porosas de óxido de silicio funcionalizadas con poliaminas desde una aproximación nutricional. En ella se ha evaluado la influencia del método de cargado y del tipo de soporte de óxido de silicio utilizado (MCM-41, SBA-15, UVM-7 y Hollow Silica) en la eficacia de encapsulación de ácido fólico. En esta primera parte, también se ha evaluado la influencia de la morfología y el sistema de poros de los diferentes soportes en el perfil de liberación del ácido fólico desde los mismos. Los estudios de liberación de ácido fólico desde los diferentes soportes a diferentes valores de pH han demostrado que los sistemas diseñados son capaces de modular inteligentemente la liberación de ácido fólico en función del pH del medio (inhibición de la liberación a pH ácido -estómago-, liberación controlada a pH neutro -intestino-). Esta capacidad convierte a los sistemas liberación desarrollados en una alternativa excelente a la fortificación directa para modular exitosamente la bioaccesibilidad del ácido fólico a lo largo del tracto gastrointestinal. Por otra parte, se ha evaluado la estabilidad de los soportes durante un proceso de digestión in vitro, demostrando que si bien algunos soportes pueden ser atacados durante la digestión, la funcionalización con moléculas que actúan como puertas moleculares previene este ataque. Por último, los estudios de viabilidad celular llevados a cabo en cuatro tipos de líneas celulares demuestran que ni los soportes, ni los productos de degradación de los mismos durante el proceso de digestión in vitro promueven ningún tipo de toxicidad inespecífica. En la segunda parte se ha evaluado la influencia de la adición de diferentes soportes de óxido de silicio a dos matrices alimentarias, geles de gelatina y yogures. Esta aproximación tecnológica ha permitido conocer que la capacidad de estos sistemas inteligentes para liberar controladamente el ácido fólico a lo largo de un proceso de digestión in vitro se mantiene incluso tras su incorporación en yogures batidos. Por otra parte, se ha comprobado que el efecto de las matrices sobre las propiedades físicas de los geles, es dependiente tanto del tamaño de las partículas, como de su funcionalización y concentración. Por último, se ha comprobado que debido a la optimización del cargado de ácido fólico alcanzada en la primera parte de la tesis, se puede lograr una fortificación de un yogur con el 100% de la cantidad diaria recomendada de ácido fólico con una cantidad tan pequeña de sistema que ni las propiedades físico-químicas de un yogur, ni la viabilidad bacteriana se ven comprometidas. En resumen, se puede concluir que la presente tesis ha abordado de una manera global la encapsulación de ácido fólico en matrices porosas de óxido de silicio para ser utilizados en aplicaciones nutricionales y alimentarias incluyendo estudios de optimización de cargado, estudios de liberación en función del pH, digestiones in vitro, estudios de estabilidad de las matrices utilizadas, estudios de biocompatibilidad, así como estudios de la influencia de la adición de estos sistemas inteligentes en matrices alimentarias. Los resultados obtenidos han puesto de manifiesto que los sistemas inteligentes de liberación de ácido fólico desarrollados abren la puerta a una nueva manera de fortificar los alimentos sin comprometer sus características. / [CA] La present tesi doctoral, que porta per títol "Encapsulació d'àcid fòlic en suports porosos d'òxid de silici: una aproximació nutricional i tecnològica" està centrada en el desenvolupament de nous sistemes intel·ligents de lliberació controlada d'àcid fòlic per a aplicacions nutricionals. La primera part de la tesi mostra l'encapsulació d'àcid fòlic en matrius poroses d'òxid de silici funcionalitzades amb poliamines des d'una aproximació nutricional. En esta part, s'ha avaluat la influència del mètode de carrega i del tipus de suport d'òxid de silici que s'ha emprat (MCM-41, SBA-15, UVM-7 i Hollow Silica) en l'eficàcia de l'encapsulació d'àcid fòlic. En esta primera part, també s'ha avaluat la influència de la morfologia i el sistema de porus dels diferents suports en el perfil d'alliberament de l'àcid fòlic des dels mateixos. Els estudis d'alliberament d'àcid fòlic des dels diferents suports a diferents valors de pH han demostrat que els sistemes dissenyats són capaços de modular intel¿ligentment l'alliberament d'àcid fòlic en funció del pH del medi (inhibició de l'alliberament a pH àcid -estómac-, alliberament controlat a pH neutre -intestí-). Esta capacitat fa dels sistemes desenvolupats una excel·lent alternativa a la fortificació directa per a modular amb èxit la bioaccessibilitat de l'àcid fòlic a través del tracte gastrointestinal. D'altra banda, s'ha avaluat l'estabilitat dels suports en un procés de digestió in vitro, demostrant que mentre que les partícules menudes poden ser atacades durant la digestió, la funcionalització amb molècules orgàniques que actuen com a portes moleculars prevé aquest atac. Per últim, els estudis de viabilitat cel·llular duts a terme en quatre tipus de línies cel·lulars demostren que ni els soports, ni els productes de degradació dels mateixos durant el procés de digestió in vitro promouen cap tipus de toxicitat inespecífica. En la segona part, s'ha avaluat la influència de l'addició de diferents sopors d'òxid de silici a dos matrius alimentàries, gels de gelatina i iogurts. Esta aproximació tecnològica ha permés conéixer que la capacitat d'aquests sistemes intel·ligents per alliberar controladament àcid fòlic durant un procés de digestió in vitro es manté fins i tot després de ser incorporats en iogurts batuts. D'altra banda, s'ha comprovat que l'efecte de les matrius sobre les propietats físiques dels gels, és dependent tant de la grandària de les partícules, com de la seua funcionalització i concentració. Per últim, s'ha comprovat que a causa de l'optimització del carregat d'acid fòlic alcançada en la primera part de la tesi, es pot aconseguir una fortificació d'un iogurt amb el 100% de la quantitat diària recomanada d'àcid fòlic amb una quantitat tan baixa del sistema que ni les propietats físico-químiques d'un iogurt, ni la viabilitat bacteriana se'n veuen compromeses. En resum, es pot concluir que en la present tesi s'ha abordat d'una manera global l'encapsulació d'àcid fòlic en matrius poroses d'òxid de silici per a ser utilitzades en aplicacions nutricionals i alimentàries, que inclouen estudis d'optimització de carregat, estudis d'alliberament en funció del pH, digestions in vitro, estudis d'estabilitat de les matrius utilitzades, estudis de biocompatibilitat, així com estudis de la influència de l'addició d'aquests sistemes en matrius alimentàries. Els resultats obtesos han posat de manifest de forma positiva que els sistemes intel·ligents d'àcid fòlic que s'han desenvolupat obrin una porta a una nova manera de fortificar els aliments sense comprometre les seues caracterísitiques. / Pérez Esteve, E. (2015). ENCAPSULATION OF FOLIC ACID IN MESOPOROUS SILICA SUPPORTS: A NUTRITIONAL AND TECHNOLOGICAL APPROACH [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/58613 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio

Tesis por compendio / New tendencies in the development of innovative food packages could affect product microbial stability during storage. In this sense, antifungal systems such as emulsions, nanoemulsions and mesoporous silica supports, may be promising alternatives to preserve the product quality without having to apply further thermal treatments. The formulation of stable antifungal systems and the optimisation of the methodology to be employed to prepare these systems play an important role in: i) their antifungal effectiveness; ii) bioactive compounds losses during their preparation; and iii) their impact on the food product's sensory profile. Nanoemulsions prepared with essential oils generally presented higher antifungal effect than free essential oils applied at the same concentrations. Furthermore, the emulsifier played a key role in the resulting antifungal activity. Whey protein isolated-based nanoemulsions were more effective in inhibiting mycelial mould growth and spore germination than Tween 80-based ones. The great in vitro effectiveness of nanoemulsions to control mould development allowed to check their application to food products, and strawberry jam was selected as the food matrix. To this end, clove and cinnamon leaf emulsions were incorporated into strawberry jams to control fungal decay. Although these emulsions were able to reduce jam spoilage, their incorporation negatively affected the aroma, taste and the overall acceptance of the jam. Regarding the methodology employed to prepare oil-in-water emulsions, the magnetic stirring and high pressure homogenisation combination was the most effective to reduce essential oil losses. Moreover, stable cinnamon bark-xanthan gum emulsions with good in vitro antifungal properties against the target fungi were obtained. Despite the promising use of cinnamon bark emulsions to control fungi decay in strawberry jam, their incorporation negatively affected the product's aroma, taste and overall acceptance. Given the strong impact of essential oils on the food product's sensory profile, two new approaches were investigated: i) combinations of different antifungal compounds in emulsions; and ii) immobilisation of bioactive compounds on mesoporous silica surfaces. The cinnamon bark essential oil, zinc gluconate and trans-ferulic acid combination allowed the obtention of a product considered microbiologically acceptable and with good organoleptic characteristics. However, total mould inhibition was not achieved. Consequently, the antifungal and sensory properties of the bioactive agents (eugenol and thymol) immobilised on mesoporous silica surfaces were studied. The preparation of jams with eugenol immobilised on MCM-41 microparticles induced better control of the fungal inhibition compared with the samples functionalised with thymol. The sensory analysis of the jams after incorporating the solids revealed that eugenol and thymol immobilisation cushioned the impact of these compounds on the jam flavour profile. / Las nuevas tendencias en el desarrollo de envases alimentarios innovadores podrían afectar a la estabilidad microbiana del producto durante el almacenamiento. En este sentido, sistemas antifúngicos tales como emulsiones, nanoemulsiones y soportes mesoporosos de sílice pueden ser alternativas prometedoras para preservar la calidad del producto sin tener que aplicar otros tratamientos térmicos. La formulación de sistemas antifúngicos estables y la optimización de la metodología a emplear para preparar estos sistemas, tienen un papel importante en: i) su eficacia antifúngica; ii) pérdidas de los compuestos bioactivos producidas durante su preparación; y iii) su impacto en el perfil sensorial del producto alimenticio. Las nanoemulsiones preparadas con aceites esenciales presentaron por norma general un mayor efecto antifúngico que los aceites libres aplicados a las mismas concentraciones. Asimismo, el tipo de emulsionante utilizado desempeñó un papel clave en la actividad antifúngica de las nanoemulsiones. Las nanoemulsiones preparadas con proteína de suero de leche fueron más eficaces en la inhibición del crecimiento micelial y en la germinación de las esporas que las formuladas con Tween 80. La gran eficacia in vitro de las nanoemulsiones en el control del desarrollo de moho permitió evaluar su aplicación en productos alimenticios, siendo seleccionada la confitura de fresa como matriz alimenticia. Con este fin, las emulsiones de los aceites esenciales de clavo y de hoja de canela fueron incorporadas a las confituras de fresa con el fin de controlar el deterioro fúngico. A pesar de que estas emulsiones fueron capaces de reducir el deterioro fúngico de las confituras de fresa, su incorporación afectó negativamente al aroma, el sabor y la aceptación global de la confitura. En cuanto a la metodología empleada para preparar emulsiones aceite-agua, la combinación de agitación magnética y homogeneización por altas presiones fue la más eficaz para reducir las pérdidas de aceite esencial. Asimismo, se obtuvieron emulsiones estables con una alta capacidad antifúngica, determinada in vitro, frente a los hongos objeto de estudio. A pesar del prometedor uso de las emulsiones de aceite esencial de la corteza de canela en el control del deterioro fúngico de las confituras de fresa, su incorporación al alimento afectó negativamente al aroma, sabor y aceptación global del producto. Debido al gran impacto de los aceites esenciales en el perfil sensorial del producto alimenticio, se investigaron dos nuevos enfoques: i) combinaciones de diferentes compuestos antifúngicos en emulsiones; y ii) inmovilización de compuestos bioactivos sobre superficies de sílice mesoporosas. La combinación de aceite esencial de corteza de canela, el gluconato de zinc y el ácido trans-ferúlico permitió la obtención de un producto considerado microbiológicamente aceptable con buenas características organolépticas pero no se consiguió la inhibición total del crecimiento de moho. Por ello, se estudiaron las propiedades antifúngicas y sensoriales de agentes bioactivos (eugenol y timol) inmovilizados sobre superficies de sílice mesoporosas. La preparación de las confituras con eugenol inmovilizado en las micropartículas de MCM-41, mostró un mejor control de la inhibición fúngica en comparación con las muestras preparadas con timol funcionalizado. El análisis sensorial de las muestras tras la incorporación de los sólidos a la confitura de fresa, reveló que la inmovilización de eugenol y timol reduce el impacto sensorial de estos compuestos en confituras de fresa. / Les noves tendències en el desenvolupament d'envasos alimentaris innovadors podrien afectar l'estabilitat microbiana del producte durant l'emmagatzematge. En aquest sentit, sistemes antifúngics com les emulsions, nanoemulsions i suports mesoporosos de sílice poden ser alternatives prometedores per preservar la qualitat del producte sense haver d'aplicar altres tractaments tèrmics. La formulació de sistemes antifúngics estables, així com l'optimització de la metodologia a emprar per preparar aquests sistemes, tenen un paper important en: i) la seva eficàcia antifúngica; ii) pèrdues dels compostos bioactius produïdes durant la seva preparació; i iii) el seu impacte en el perfil sensorial del producte alimentari. Les nanoemulsions preparades amb olis essencials van presentar per norma general, un major efecte antifúngic que els olis lliures aplicats a les mateixes concentracions. Així mateix, el tipus d'emulsionant utilitzat va tenir un paper clau en l'activitat antifúngica de les nanoemulsions. Les nanoemulsions preparades amb proteïna de sèrum de llet van ser més efectives en la inhibició del creixement micelial i en la germinació de les espores que les formulades amb Tween 80. La gran eficàcia in vitro de les nanoemulsions en el control del desenvolupament de fongs va permetre avaluar la seva aplicació a productes alimentaris, sent seleccionada la confitura de maduixa com a matriu alimentària. Amb aquesta finalitat, les emulsions dels olis essencials de clau i de fulla de canyella van ser incorporades a les confitures de maduixa per tal de controlar el deteriorament fúngic. Tot i que aquestes emulsions reduïren el deteriorament fungic de les confitures de maduixa, la seva incorporació va afectar negativament a l'aroma, el sabor i l'acceptació global de la confitura. Pel que fa a la metodologia emprada per preparar emulsions oli-aigua, la combinació d'agitació magnètica i homogeneïtzació per altes pressions va ser la més eficaç per reduir les pèrdues d'oli essencial. A més, es van obtenir emulsions estables amb una alta capacitat antifúngica, determinada in vitro, davant dels fongs objecte d'estudi. Malgrat el prometedor ús de les emulsions d'oli essencial de l'escorça de canyella en el control del deteriori fúngic de les confitures de maduixa, la seva incorporació a l'aliment va afectar negativament a l'aroma, sabor i acceptació global del producte. A causa del gran impacte dels olis essencials en el perfil sensorial del producte alimentari, es van investigar dos nous enfocaments: i) combinacions de diferents compostos antifúngics en les emulsions; i ii) immobilització de compostos bioactius sobre superfícies de sílice mesoporoses. La combinació d'oli essencial d'escorça de canyella, el gluconat de zinc i l'àcid trans-ferúlic va permetre l'obtenció d'un producte considerat microbiològicament acceptable amb bones característiques organolèptiques però no es va aconseguir la inhibició total del creixement del fong. Per això, es van estudiar les propietats antifúngiques i sensorials d'agents bioactius (eugenol i timol) immobilitzats sobre superfícies de sílice mesoporoses. La preparació de les confitures amb eugenol immobilitzat en les micropartícules de MCM-41, va mostrar un millor control de la inhibició fúngica en comparació amb les mostres preparades amb timol funcionalitzat. L'anàlisi sensorial de les mostres després de la incorporació dels sòlids a la confitura de maduixa, va revelar que la immobilització de eugenol i timol redueix l'impacte sensorial d'aquests compostos en confitures de maduixa. / Ribes Llop, S. (2017). Study of different antifungal systems to preserve strawberry jams against fungi spoilage [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82306 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales / Compendio