阿拉伯膠種類對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊成囊性質(zhì)研究

呂 怡，張曉鳴

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

阿拉伯膠種類對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊成囊性質(zhì)研究

呂 怡，張曉鳴*

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無(wú)錫214122)

研究了兩種阿拉伯膠(Acacia senegal和Acacia seyal)對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊成囊性質(zhì)的影響。通過(guò)對(duì)阿拉伯膠性質(zhì)的測(cè)定及復(fù)聚物的動(dòng)態(tài)流變分析，發(fā)現(xiàn)由兩種類型膠參與形成的復(fù)聚物隨溫度降低，體系的粘彈性轉(zhuǎn)變存在較大差異:具體體現(xiàn)于Acacia senegal膠參與形成的復(fù)聚物，其粘性向彈性轉(zhuǎn)變的溫度大大高于Acacia seyal膠參與形成的復(fù)聚物。該流變特性進(jìn)一步體現(xiàn)于微膠囊制備上的外觀差異，并同時(shí)為采用不同類型的阿拉伯膠制備出形態(tài)優(yōu)良的微膠囊提出了工藝上的相應(yīng)改進(jìn)措施。

阿拉伯膠，復(fù)合凝聚，流變，顯微圖像

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

明膠 食用級(jí)，凝凍強(qiáng)度200，河北成大明膠有限公司;阿拉伯膠A.senegal(AA)/A.seyal(BA) 法國(guó)CNI有限公司;茉莉精油 上海林鉑香精廠;冰醋酸、氫氧化鈉 分析純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Zetasizer Nano電位儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司;Aglient 1100型氨基酸自動(dòng)分析儀 美國(guó)安捷倫公司;UV－1600紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海美譜達(dá)儀器有限公司;AR－G2流變儀 美國(guó)TA公司; FJ200－S數(shù)顯高速分散機(jī) 上海標(biāo)本模型廠; RW20.n懸臂式攪拌器 廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司;DELTA 320 pH計(jì) 梅特勒－托利多儀器上海有限公司;BX51研究級(jí)熒光生物顯微鏡 日本奧林巴斯公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 明膠/阿拉伯膠溶液電位測(cè)定 分別配置濃度為0.01%(w/v)的明膠和阿拉伯膠溶液(AA/ BA)，在(40±1)℃條件下將其調(diào)到所需pH，使用Zetasizer Nano電位儀分別測(cè)定各個(gè)溶液的 Zeta電位。

1.2.2 阿拉伯膠的氨基酸分析 精確稱量阿拉伯膠(AA/BA)粉末400mg置于水解管中，加入8mL鹽酸溶液(6mol/L)，抽真空封融，放入110℃烘箱中水解。24h后打開(kāi)水解管，轉(zhuǎn)入25mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度。過(guò)濾，取濾液1mL置于10mL燒杯中，在真空干燥器中抽酸。12h后，用0.02mol/L稀鹽酸溶解完全抽酸后的固體，過(guò)0.45μm膜，移取400μL樣品至進(jìn)樣瓶，等待進(jìn)樣。

1.2.2.1 色譜條件色譜柱 采用 OPA衍生化法。ODS Hypersil，250mm×4.6mm;柱溫:40℃。流動(dòng)相: 20mmol/L醋酸鈉溶液，甲醇∶乙腈=1∶2(v/v);檢測(cè)器:UV338nm;流速:1.0mL/min。

1.2.3 復(fù)聚物溶液流變性質(zhì)測(cè)定 采用AR－G2流變儀進(jìn)行流變分析，所選探頭為椎板(直徑40mm，椎度2°，狹縫距離54μm)。測(cè)試樣品為明膠與阿拉伯膠(AA/BA)制備的復(fù)聚物溶液(3%，w/v;pH4.0;混合比例1∶1)。為了不破壞樣品結(jié)構(gòu)，首先進(jìn)行線性粘彈區(qū)的確定。在確定頻率、應(yīng)力下，對(duì)樣品進(jìn)行動(dòng)態(tài)溫度掃描。溫度設(shè)定范圍為40～－2.5℃。

1.2.4 復(fù)合凝聚微膠囊的制備 將明膠和阿拉伯膠在熱水中攪拌溶解(1%，w/v;混合比例1∶1)，加入芯材茉莉精油，10000r/min高速分散乳化3～5min。乳狀液倒入三口燒瓶中，45℃下恒溫勻速攪拌，調(diào)節(jié)pH至4.0，反應(yīng)一定時(shí)間后降溫到15℃以下，繼續(xù)反應(yīng)15min。

1.2.5 微膠囊的形態(tài)觀察 在攪拌過(guò)程中用吸管吸取一滴微膠囊分散液置于載玻片上并鋪平，使用BX51熒光生物顯微鏡觀察其形態(tài)并拍照。放大倍數(shù)100倍。

1.2.6 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)測(cè)三次取平均值，并通過(guò)origin 8.0軟件計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類阿拉伯膠的電位分析

復(fù)合凝聚反應(yīng)的基礎(chǔ)即兩種大分子間的靜電相互作用。因此，通過(guò)研究膠體電荷的變化情況，可以獲得復(fù)聚物反應(yīng)的大致pH。明膠與兩種阿拉伯膠(AA/BA)在不同pH下的帶電情況如圖1所示。明膠是一種蛋白質(zhì)，屬兩性電解質(zhì)，其帶電情況與pH關(guān)系密切。隨pH的逐漸降低，明膠電位逐漸上升，并在pH4.8左右穿越了電位零點(diǎn)，即明膠的等電點(diǎn)。相比明膠，兩種阿拉伯膠的電位變化相對(duì)平緩，在pH 3～6的范圍內(nèi)，其均帶負(fù)電。由圖1可見(jiàn)，兩種來(lái)源于不同樹(shù)種的阿拉伯膠帶電性質(zhì)極其相似，僅有的一點(diǎn)差異可歸為實(shí)驗(yàn)誤差范圍。為了使發(fā)生的靜電相互作用達(dá)到最大值，必須控制使明膠與阿拉伯膠所帶的電荷電量相等，電性相反?；诖耍緦?shí)驗(yàn)選取的最佳復(fù)凝聚反應(yīng)條件為混合比例1∶1，pH 4.0。

圖1 明膠及阿拉伯膠(AA/BA)的電位隨pH的變化Fig.1 Effect of pH on zeta－potential of gelatin and gum arabic(AA/BA)

2.2 不同種類阿拉伯膠的氨基酸組成分析

阿拉伯膠的組成極其復(fù)雜，除了多糖成分，還含有少量的蛋白組分，蛋白含量的差異對(duì)于阿拉伯膠的諸多性質(zhì)均有顯著影響。如圖2所示，為兩種阿拉伯膠的氨基酸組成。由圖2可得，兩種阿拉伯膠具有相同的18種氨基酸，羥脯氨酸(hyp)是其特異性氨基酸。通過(guò)柱狀圖可清楚地看到，AA所含的各種氨基酸含量都高于BA。把所有的氨基酸含量相加，可得AA中所含的蛋白總量為2.29%，而B(niǎo)A中所含的蛋白含量?jī)H為1.10%，約為AA的一半。阿拉伯膠作為一種多糖卻有著極好的乳化性，這直接與其所含的蛋白有關(guān)。以阿拉伯膠作為微膠囊的壁材，內(nèi)部包覆的是油溶性香精，因此壁材的乳化性高低直接決定了芯材與壁材的吸附性能。

圖2 兩種阿拉伯膠(AA/BA)的氨基酸組成分析Fig.2 The amino acid composition for gum arabic(AA/BA)

2.3 不同種類阿拉伯膠組成的復(fù)聚物流變性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)兩種類別阿拉伯膠的電位及氨基酸組成分析，可以發(fā)現(xiàn)AA膠與BA膠具有相同的帶電特性，因此不會(huì)影響復(fù)聚物發(fā)生的最適pH范圍;但基于它們氨基酸組成的差異，可能會(huì)導(dǎo)致一些表面特性的差別。因此，對(duì)明膠－阿拉伯膠在pH 4.0條件下的復(fù)聚物流變性質(zhì)進(jìn)行了分析。

在實(shí)際制備微膠囊的過(guò)程中，所選取的壁材總濃度為1%，當(dāng)pH調(diào)至4.0時(shí)，帶正電的明膠分子與帶負(fù)電的阿拉伯膠分子發(fā)生靜電相互作用，形成復(fù)聚物并從溶液中析出并包裹芯材成為微膠囊。經(jīng)過(guò)后續(xù)的冷卻過(guò)程，最初形成的熱溶膠壁材逐漸硬化，形成具有相對(duì)剛性的結(jié)構(gòu)。為模擬上述過(guò)程，特設(shè)定以下流變實(shí)驗(yàn)以表征兩種阿拉伯膠在微膠囊制備中的差別。雖然實(shí)際體系中的壁材總濃度僅為1%，但最終參與形成凝聚物后是一個(gè)對(duì)壁材組分的富集過(guò)程，故為了模擬實(shí)際制備體系，在本實(shí)驗(yàn)中將壁材濃度提高至3%進(jìn)行流變實(shí)驗(yàn)。通過(guò)前期的線性粘彈區(qū)確定，所選取的動(dòng)態(tài)流變實(shí)驗(yàn)條件為:振蕩應(yīng)力2Pa，頻率5Hz，溫度變化范圍40～－2.5℃。如圖3所示為3%的明膠－阿拉伯膠(AA/BA)混合液(1∶1)pH調(diào)至4.0后，隨溫度降低體系粘彈性質(zhì)的差別。

在降溫的初始階段，無(wú)論是明膠－AA體系還是明膠－BA體系，其彈性模量(G')均小于粘性模量(G'')，即體系更多體現(xiàn)的是流體的性質(zhì)。隨著溫度的逐漸下降，G'、G″均發(fā)生了較緩慢地上升，但幅度均不大。對(duì)于AA而言，在20℃時(shí)，G'發(fā)生了急劇地上升，并在17℃左右超越了G″，此時(shí)體系更多體現(xiàn)出類固體的性質(zhì)，隨著溫度進(jìn)一步下降，彈性模量繼續(xù)顯著上升，至－2.5℃時(shí)，已達(dá)11Pa。由此可見(jiàn)，在微膠囊的制備過(guò)程中，冷卻步驟對(duì)于微膠囊形態(tài)的顯著影響。對(duì)于BA而言，在開(kāi)始階段的降溫過(guò)程，其特征與AA相似，但直至溫度達(dá)10℃左右，G'才發(fā)生較顯著上升，至3℃左右G'超過(guò)G″，逐漸顯現(xiàn)出彈性特征。

由上述流變性質(zhì)分析得出，當(dāng)選取BA與明膠作為微膠囊壁材時(shí)，可能由于BA的內(nèi)部性質(zhì)差異，如氨基酸組成的不同，從而使得在正常的冷卻操作中(15℃)，明膠－BA無(wú)法獲得與明膠－AA相當(dāng)?shù)膹椥运健?/p>

圖3 復(fù)聚物的動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)隨明膠－AA、明膠－BA等體系及溫度的變化Fig.3 Effect of temperature on dynamic rheological characteristics of complexes composed of gelatin－AA and gelatin－BA

2.4 不同種類阿拉伯膠組成的微膠囊顯微圖像分析

冷卻過(guò)程是微膠囊制備過(guò)程中極其重要的一個(gè)步驟［13］。在復(fù)凝聚過(guò)程中，反應(yīng)溫度為40℃，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)pH使壁材間的凝聚形成囊壁，但由于溫度較高，所形成的壁材復(fù)合物此時(shí)所體現(xiàn)的是類液體的性質(zhì)。只有通過(guò)冷卻過(guò)程，才能使壁材硬化，所制備的微膠囊才具有相對(duì)剛性的結(jié)構(gòu)。為了直觀反映內(nèi)部粘彈性質(zhì)的差異，分別對(duì)明膠－AA，明膠－BA制備的微膠囊不同冷卻溫度下的顯微圖像進(jìn)行分析。

圖4所示為明膠－AA為壁材的茉莉香精微膠囊不同冷卻溫度下的顯微圖像。由圖4(a)可見(jiàn)，當(dāng)40℃時(shí)，微膠囊囊壁完全不可見(jiàn)，只能看見(jiàn)溶脹了的微膠囊輪廓。此時(shí)由于壁材的溶融性，其粒徑接近50μm。該溫度下的微膠囊毫無(wú)結(jié)構(gòu)可言，一旦停止攪拌過(guò)程，將很快粘連、沉淀。溫度降至30℃(圖4 (b))時(shí)，囊壁隱約可見(jiàn)，但微膠囊仍處于高度溶脹階段，粒徑與40℃變化不大，且有部分粘連現(xiàn)象。如圖4(c)所示，20℃時(shí)，微膠囊已具有相對(duì)固定的球形結(jié)構(gòu)，粒徑下降至30μm左右，但仍有部分粘連。溫度繼續(xù)下降至15℃時(shí)，微膠囊之間的粘連性有很大改善，形成了球形較好的狀態(tài)。通過(guò)上述流變分析可知，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)，復(fù)聚物體系的貯能模量大于損耗模量，并開(kāi)始了急劇上升階段，預(yù)示了體系趨于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的彈性成分在不斷增加。因此說(shuō)明微膠囊的外觀結(jié)構(gòu)與復(fù)聚物的流變性質(zhì)具有直接的對(duì)應(yīng)性。

圖4 明膠－AA微膠囊不同冷卻溫度下的顯微圖像Fig.4 The morphology of microcapsules composed of gelatin－AA at different cooling temperature

如圖5所示為明膠－BA為壁材的茉莉香精微膠囊不同冷卻溫度下的顯微圖像。由圖5可見(jiàn)，30℃時(shí)，微膠囊仍呈溶脹狀態(tài)，囊壁完全不可見(jiàn)，且未見(jiàn)明顯的球形結(jié)構(gòu)，這與圖4(b)的微弱囊壁具有顯著差別。繼續(xù)降溫至20℃和10℃時(shí)，微膠囊雖然形成了可見(jiàn)囊壁，但其形態(tài)極不規(guī)則，并且粘連現(xiàn)象嚴(yán)重。通過(guò)降溫至0℃時(shí)，微膠囊的形態(tài)才發(fā)生較大改觀，許多粘連的囊壁漸漸分開(kāi)，大體成球形膠囊。從流變的角度分析，明膠－BA體系的粘性成分大大強(qiáng)于明膠－AA體系，只有當(dāng)冷卻溫度降至3℃以下，才發(fā)生逆轉(zhuǎn)。因此，在慣常的復(fù)合凝聚微膠囊冷卻過(guò)程中，普通的冰水冷卻無(wú)法達(dá)到該逆轉(zhuǎn)溫度，所得到的微膠囊形態(tài)大大劣于明膠－AA體系。

3 結(jié)論

復(fù)合凝聚微膠囊作為一種極具潛力的疏水性物質(zhì)包埋方法，其應(yīng)用常常受制于壁材的選擇。本研究通過(guò)對(duì)阿拉伯膠的兩種類別進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其帶電性質(zhì)相同，但氨基酸組成具有較大差異。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)明膠－阿拉伯膠組成的復(fù)聚物最適條件下的流變性質(zhì)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)于彈性成分大于粘性成分的階段，明膠－BA體系較明膠－AA體系具有更低的溫度，即意味著要達(dá)到同樣的較高彈性模量值時(shí)，明膠－BA體系需使溫度降至更低。該結(jié)果通過(guò)相應(yīng)微膠囊冷卻過(guò)程的顯微圖像進(jìn)行了深一步的闡釋。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果單以微膠囊的顯微形態(tài)作為指標(biāo)進(jìn)行考量，價(jià)格便宜的BA型阿拉伯膠(A.seyal)只要通過(guò)控制冷卻溫度，即可以達(dá)到與AA型阿拉伯膠(A.senegal)相媲美的外觀結(jié)構(gòu)。在復(fù)合凝聚微膠囊的制備過(guò)程中，冷卻過(guò)程的目的是使微膠囊的囊壁硬化，形成具有一定剛性的結(jié)構(gòu)，其后會(huì)有一個(gè)固化過(guò)程，目的是使囊壁間發(fā)生分子水平的交聯(lián)，從而能對(duì)抗高溫、機(jī)械力等外界因素［14－15］。因此，只要在冷卻過(guò)程中達(dá)到體系的彈性成分大于粘性成分，微膠囊之間就不發(fā)生粘連現(xiàn)象，理論上對(duì)于微膠囊的各方面性質(zhì)都不會(huì)產(chǎn)生影響。后續(xù)還將對(duì)兩種阿拉伯膠制備的微膠囊包埋效率、耐熱性及控釋性等進(jìn)行研究，為更全面地評(píng)價(jià)兩種類型膠的成囊性質(zhì)、有效地指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圖5 明－BA微膠囊不同冷卻溫度下的顯微圖像Fig.5 The morphology of microcapsules composed of gelatin－BA at different cooling temperature

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Effect of gum arabic variety on the formation characteristic of microcapsule prepared by complex coacervation

LV Yi，ZHANG Xiao－ming*
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

The effect of gum arabic variety(Acacia senegal and Acacia seyal)on the formation characteristic of microcapsule prepared by complex coacervation was investigated.Through the comparisons of gum arabic characteristics and the rheological analysis from their corresponding complexes，it was found that systems composed of different variety of gum arabic showed great variance on the property of viscoelasticity.In particular，the transition temperature from viscosity to elasticity was much higher for Acacia senegal type complexes than Acacia seyal type complexes.Such rheological pattern would furtherly represent on the morphological difference of corresponding microcapsules.Also，it could be applied to guide the preparation of microcapsule using different variety of gum arabic.

gum arabic;complex coacervation;rheology;morphology

TS201.2

A

1002－0306(2012)10－0124－04

復(fù)合凝聚微膠囊化技術(shù)選取兩種或兩種以上的水溶性高分子電解質(zhì)作成膜材料，在適當(dāng)條件下，使大分子聚合物帶上相反電荷發(fā)生靜電吸附作用，在溶液中產(chǎn)生凝聚相并包埋芯材，形成具有球形多核結(jié)構(gòu)的微膠囊［1］。由于該微膠囊具有較高載量，并能耐受高溫及機(jī)械力，具備緩釋特性［2］，可用于食品［3］、化工［4］、醫(yī)藥［5］等諸多行業(yè)，獲得一系列高附加值的產(chǎn)品。復(fù)合凝聚微膠囊所選取的壁材組合通常為明膠與阿拉伯膠。明膠來(lái)源于動(dòng)物骨頭、皮膚和筋腱，由母體膠原經(jīng)酸或堿水解制得［6］。該技術(shù)一般選取堿水解明膠，其等電點(diǎn)為pH4.6～5.2［7］。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，凝凍強(qiáng)度為200的明膠所制備的微膠囊各方面品質(zhì)均較好。相較明膠種類的篩選，阿拉伯膠就復(fù)雜許多。阿拉伯膠來(lái)源于豆科金合歡樹(shù)種(acacia trees)的粘稠滲出物經(jīng)干燥而得［8－9］。金合歡樹(shù)種在非洲、印度、澳大利亞、中美洲和北美西南部均有分布。食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)(Joint Expert Committee on Food Additives)將阿拉伯膠分為兩種類型，分別來(lái)源于Acacia senegal和Acacia seyal樹(shù)種的樹(shù)干滲出物所形成的干固膠狀物［10－11］?；诖?，目前商品化的阿拉伯膠主要分為兩類:A.senegal，其具有良好的乳化活性，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛;A.seyal，乳化性較弱，應(yīng)用領(lǐng)域局限。在商品價(jià)格方面，A.senegal的價(jià)格也高于A.seyal型，約為后者的兩到三倍［12］。傳統(tǒng)采用的制備復(fù)合凝聚微膠囊的阿拉伯膠為A.senegal型，受制于其高昂的價(jià)格，該技術(shù)很難在工業(yè)生產(chǎn)中加以應(yīng)用。本文選取兩種類別的阿拉伯膠，通過(guò)其電位、氨基酸組成、流變性質(zhì)的分析，指導(dǎo)微膠囊的制備工藝。

2011－12－05 *通訊聯(lián)系人

呂怡(1984－)，女，在讀博士生，研究方向:香精的微膠囊化研究。

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD23B01);廣東省部產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2010B090400139)。