ε-聚賴氨酸與羧甲基纖維素鈉的相互作用

馮李院，關(guān)郁芳，顏才植，葉發(fā)銀,3，趙國(guó)華,3,

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 貴州生物技術(shù)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715）

ε-聚賴氨酸與羧甲基纖維素鈉的相互作用

馮李院1，關(guān)郁芳2，顏才植1，葉發(fā)銀1,3，趙國(guó)華1,3,*

（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 貴州生物技術(shù)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006；3.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715）

以ε-聚賴氨酸（ε-polylysine，ε-PL）與羧甲基纖維素鈉（sodium carboxymethylcellulose，CMC-Na）相互作用體系的混濁度、Zeta電位和粒度為指標(biāo)，研究了CMC-Na的取代度（degree of substitution，DS）和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na相互作用體系的影響。結(jié)果表明，在pH 4.0時(shí)，ε-PL與CMC-Na之間的靜電相互作用主要依賴于ε-PL氨基與CMC-Na羧基的物質(zhì)的量比；同時(shí)，CMC-Na的取代度和相對(duì)分子質(zhì)量均對(duì)ε-PL/CMC-Na相互作用具有顯著影響，且CMC-Na取代度對(duì)體系穩(wěn)定性的影響更大。

ε-聚賴氨酸；羧甲基纖維素鈉；Zeta電位；取代度

ε-聚賴氨酸（ε-polylysine，ε-PL）是賴氨酸的直鏈狀聚合物，是由賴氨酸通過其ε-氨基和α-羧基酰胺化形成的具有抑菌功效的寡肽。ε-PL屬陽(yáng)離子型聚電解質(zhì)，呈淡黃色粉末狀、稍有苦澀味、吸濕性強(qiáng)，早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)應(yīng)用于食品工業(yè)。研究發(fā)現(xiàn)，ε-PL具有抑菌譜廣、安全性高、水溶性好和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。羧甲基纖維素鈉（sodium carboxymethylcellulose，CMC-Na）屬陰離子型聚合物，呈白色或微黃色粉末、粒狀或纖維狀固體，且無臭、無味、無毒，能吸水膨脹，在水中可溶脹形成透明的黏稠膠液，水懸液pH值在6.5～8.5之間[2]。CMC-Na中羧基的pKa值為4.0，它對(duì)CMC-Na的理化性質(zhì)有著重要影響[3]。CMC-Na是具有增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定、成膜等多種功能的食品添加劑[4]。由于ε-PL含有游離氨基，當(dāng)其溶液的pH值小于其氨基的pKa值（9.0）時(shí)便荷帶正電荷。這一特性決定了它能與食品中的荷負(fù)電荷物質(zhì)（如CMC-Na）產(chǎn)生靜電相互作用。ε-PL主要是通過其吸附在細(xì)菌表面而發(fā)揮抗菌性，而當(dāng)其與食品中的荷負(fù)電荷物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)便會(huì)影響其在細(xì)菌表面的吸附，從而使其抗菌性受到影響[5-9]。

以前的研究表明在食品體系中，陰離子型聚合物能與陽(yáng)離子型聚合物發(fā)生靜電相互作用而形成復(fù)合物，且復(fù)合物的狀態(tài)（溶解或沉淀）與復(fù)合體系中陽(yáng)離子/陰離子物質(zhì)的量比、pH值以及聚合物的結(jié)構(gòu)（如取代度（degree of substitution，DS）和相對(duì)分子質(zhì)量（relative molecular weight，Mr））等有關(guān)[10]。ε-PL與果膠[11-12]、卡拉膠[13]、阿拉伯膠[14]等陰離子型聚合物之間的相互作用已得到系統(tǒng)研究。這些相互作用都屬于靜電相互作用，且作用強(qiáng)度主要取決于體系中的陽(yáng)離子/陰離子對(duì)的數(shù)量[15-16]。但有關(guān)ε-PL與CMC-Na的相互作用未見研究報(bào)道。本研究擬在pH 4.0及不同氨基/羧基物質(zhì)的量比（n氨基/n羧基）條件下，研究CMC-Na的DS和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL和CMC-Na相互作用體系的混濁度、Zeta電位和粒度的影響，從而為在含有CMC-Na的液態(tài)食品體系中ε-PL的合理使用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

ε-PL（純度99%） 鄭州拜納佛生物工程股份有限公司；CMC-Na（純度94%，分別為DS=0.7，Mr= 25 000；DS=0.7，Mr=90 000；DS=1.2，Mr=90 000）阿拉丁試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；HH-2恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；Zetasizer Nano-ZS90納米粒徑電位分析儀 英國(guó)馬爾文儀器有限公司；UV-2450紫外分光光度計(jì) 日本島津公司；XW-80A漩渦振蕩器 上海精科實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 ε-PL/CMC-Na相互作用體系

配制一定質(zhì)量濃度的CMC-Na溶液，并將其與0.2 g/L的ε-PL溶液等體積混合，漩渦振蕩，即制得具有特定n氨基/n羧基的ε-PL/CMC-Na復(fù)合體系。在研究CMC-Na的DS和Mr對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合作用的影響中，采用相同DS=0.7、不同Mr（分別為25 000和90 000）的CMC-Na；同理采用相同Mr=90 000、不同DS（分別為0.7和1.2）的CMC-Na研究其對(duì)ε-PL/CMC-Na相互作用體系的影響。

1.3.2 相互作用相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定

將配制好的復(fù)合溶液于室溫下放置24 h后，用蒸餾水作為對(duì)照，以UV-2450紫外分光光度計(jì)在600 nm波長(zhǎng)處測(cè)定的吸光度表示為ε-PL/CMC-Na復(fù)合體系的混濁度；體系中復(fù)合粒子的Zeta電位和粒度的測(cè)定均采用Zetasizer Nano-ZS90納米粒徑電位分析儀進(jìn)行分析[17]，測(cè)試條件為：氬離子激光器，波長(zhǎng)670 nm，溫度（25f0.1） ℃，動(dòng)態(tài)光散射角度為90。。

1.4 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 ε-PL/CMC-Na相互作用對(duì)n氨基/n羧基的依賴性

表1 n氨基/n羧基對(duì)復(fù)合溶液混濁度、Zeta電位和粒度的影響Table 1 Effect of molar ratio of amino groups to carboxyl groups on the turbidity,ζ-potential and particle size of complex solution

由表1可知，n氨基/n羧基對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合溶液的混濁度、復(fù)合物的Zeta電位和粒度具有顯著性影響。首先，在較低的n氨基/n羧基范圍內(nèi)（0.05～0.20），隨著n氨基/n羧基的增加，復(fù)合體系的混濁度呈增大趨勢(shì)，說明ε-PL與CMC-Na發(fā)生相互作用并形成了復(fù)合物顆粒；當(dāng)n氨基/n羧基達(dá)到0.30時(shí)，復(fù)合溶液則出現(xiàn)少許沉淀，說明生成了不溶性的ε-PL/CMC-Na復(fù)合物顆粒而最終集聚形成沉淀；但當(dāng)n氨基/n羧基進(jìn)一步增大（≥0.60）時(shí)，體系的混濁度卻呈下降趨勢(shì)，這可能是過高的n氨基/n羧基使復(fù)合物的Zeta電位增加，顆粒之間斥力增強(qiáng)，顆粒趨于分散的結(jié)果。

對(duì)存在于液體中的粒子而言，其Zeta電位愈高，顆粒的分散穩(wěn)定性越好。一般認(rèn)為，顆粒的Zeta電位的絕對(duì)值大于20 mV是其穩(wěn)定懸浮穩(wěn)定的有利條件[18]。由表1可知，在較低n氨基/n羧基范圍內(nèi)（0.05～0.30），復(fù)合物粒子帶負(fù)電荷；而當(dāng)n氨基/n羧基≥0.60時(shí)，復(fù)合物粒子帶正電荷。由此可見，較低或較高的n氨基/n羧基都有利于形成穩(wěn)定的ε-PL/CMC-Na復(fù)合體系，而n氨基/n羧基在中等水平時(shí)，復(fù)合體系的穩(wěn)定性最差。同時(shí)，當(dāng)n氨基/n羧基≤0.30時(shí)，復(fù)合物的平均粒度都明顯大于n氨基/n羧基為0.60和1.20時(shí)的。這可能是兩方面共同作用的結(jié)果：1）在低n氨基/n羧基時(shí)，CMC-Na的濃度很大，體系黏度高，一旦與ε-PL接觸易形成大顆粒的復(fù)合物；2）復(fù)合過程是在pH 4.0時(shí)進(jìn)行的，此條件下ε-PL氨基的解離度明顯高于CMC-Na羧基的解離度，這導(dǎo)致顆粒之間的斥力更強(qiáng)，受此作用顆粒壓緊收縮而體積大幅度減小。

2.2 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na相互作用的影響

2.2.1 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na體系混濁度的影響

圖1 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na體系混濁度的影響Fig.1 Effect of DS of CMC-Na on the turbidity of ε-PL/CMC solution

由圖1可知，CMC-Na的DS對(duì)ε-PL/CMC-Na體系有顯著的影響。與之前一樣，DS為0.7的CMC-Na與ε-PL相互作用體系的混濁度先隨n氨基/n羧基的增加而增加；而后隨n氨基/n羧基的增加而降低；復(fù)合體系經(jīng)歷混濁、部分顆粒聚集沉淀和逐漸澄清3 個(gè)階段。與此不同，在本實(shí)驗(yàn)的n氨基/n羧基范圍內(nèi)，DS為1.2的CMC-Na與ε-PL相互作用體系的混濁度隨n氨基/n羧基的增加一直呈上升趨勢(shì)。這說明ε-PL/CMC-Na復(fù)合體系的混濁度與CMC-Na的特性和結(jié)構(gòu)有關(guān)[19]。究其原因，主要是當(dāng)CMC-Na的DS增大時(shí)，在相同n氨基/n羧基下，體系中CMC-Na的濃度會(huì)變低，這可能直接降低了體系的黏度和體系中粒子的數(shù)目，使體系中粒子不易聚集而沉淀[20-21]。

2.2.2 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合物Zeta電位的影響

圖2 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na體系復(fù)合粒子Zeta電位的影響Fig.2 Effect of DS of CMC-Na on the Zeta-potential of particles in ε-PL/CMC-Na solution

圖2 為CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合粒子Zeta電位的影響。DS為0.7和1.2的CMC-Na與ε-PL的復(fù)合粒子的Zeta電位都隨n氨基/n羧基的增大而呈上升趨勢(shì)。但DS為0.7的CMC-Na與ε-PL的復(fù)合粒子Zeta電位隨n氨基/n羧基上升的速率比DS為1.2的CMC-Na與ε-PL的復(fù)合粒子要快。這說明在相同n氨基/n羧基時(shí)，低取代度的CMC-Na（DS=0.7）比高取代度的CMC-Na（DS=1.2）更容易與ε-PL發(fā)生相互作用而形成復(fù)合粒子。

2.2.3 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合物粒度的影響

圖3 CMC-Na取代度對(duì)ε-PL/CMC-Na體系復(fù)合粒子粒度的影響Fig.3 Effect of DS of CMC-Na on the size of particles in ε-PL/CMC-Na solution

由圖3可知，在較低的n氨基/n羧基范圍內(nèi)，高取代度的CMC-Na（DS=1.2）與ε-PL形成復(fù)合粒子的平均粒徑波動(dòng)非常大，而高取代度的CMC-Na（DS=1.2）與ε-PL形成復(fù)合粒子的平均粒徑隨時(shí)間的變化波動(dòng)更為劇烈，甚至無法獲得可信賴的數(shù)據(jù)。但在n氨基/n羧基為0.20～1.20的范圍內(nèi)，ε-PL/CMC-Na體系的粒徑趨于平穩(wěn)，且隨n氨基/n羧基的增加而呈下降趨勢(shì)。但在相同n氨基/n羧基時(shí)，取代度小的CMC-Na（DS=0.7）形成的粒子比取代度高的CMC-Na（DS=1.2）具有更小的平均粒徑。

2.3 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na相互作用的影響

2.3.1 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na體系混濁度的影響

圖4 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na體系混濁度的影響Fig.4 Effect of molecular weight of CMC-Na on the turbidity of ε-PL/CMC-Na solution

由圖4可知，不同Mr的CMC-Na與ε-PL復(fù)合體系的混濁度隨n氨基/n羧基的變化趨勢(shì)不盡相同。高M(jìn)r的CMC-Na（Mr=90 000）體系的混濁度隨n氨基/n羧基呈先增加（0.05～0.20范圍）后降低（0.20～1.20范圍）的趨勢(shì)。對(duì)于低Mr的CMC-Na（Mr=25 000）的體系，其混濁度在n氨基/n羧基=0.05～0.20范圍內(nèi)維持的非常低，基本為透明溶液；在此后的n氨基/n羧基區(qū)間（0.2～0.6）內(nèi)呈急劇上升緊接著急劇下降的趨勢(shì)。

2.3.2 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合物Zeta電位的影響

圖5 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合粒子Zeta電位的影響Fig.5 Effect of molecular weight of CMC-Na on the Zeta-potential of particles in ε-PL/CMC-Na solution

由圖5可知，不同Mr的CMC-Na與ε-PL的復(fù)合體系中粒子Zeta電位隨n氨基/n羧基的增加都呈上升趨勢(shì)。兩條曲線極近重疊，說明在相同n氨基/n羧基時(shí)，CMC-Na的Mr對(duì)其與ε-PL形成的復(fù)合粒子的Zeta電位影響不顯著。

2.3.3 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na復(fù)合物粒度的影響

圖6 CMC-Na相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)ε-PL/CMC-Na體系復(fù)合粒子粒度的影響Fig.6 Effect of molecular weight of CMC-Na on the size of particles in ε-PL/CMC-Na solution

如圖6所示，CMC-Na的Mr對(duì)其與ε-PL形成的復(fù)合粒子的粒徑有顯著影響。當(dāng)n氨基/n羧基小于0.2時(shí)，ε-PL與具有高M(jìn)r的CMC-Na形成的復(fù)合粒子明顯比與低Mr的CMC-Na形成的大。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在n氨基/n羧基范圍內(nèi)，ε-PL與高M(jìn)r的CMC-Na形成的復(fù)合粒子的粒徑變化大，測(cè)定結(jié)果誤差較大，說明體系中粒子動(dòng)態(tài)變化幅度大，穩(wěn)定性差。相比之下，ε-PL與低Mr的CMC-Na形成的復(fù)合粒子的粒徑在此n氨基/n羧基范圍內(nèi)都保持在一個(gè)較小的水平上（約300 nm），且保持穩(wěn)定。在隨后的n氨基/n羧基范圍內(nèi)（0.20～1.20），高M(jìn)r的CMC-Na與ε-PL形成的復(fù)合粒子的粒徑隨n氨基/n羧基增大呈持續(xù)下降趨勢(shì)，而低Mr的 CMC-Na與ε-PL形成的粒子的粒徑隨n氨基/n羧基增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

陽(yáng)離子型聚合物ε-PL與陰離子型聚合物CMC-Na在pH 4.0的水溶液中能發(fā)生靜電相互作用，并且ε-PL/CMC-Na復(fù)合體系的混濁度、Zeta電位和粒度主要依賴于體系中ε-PL氨基和CMC-Na羧基的物質(zhì)的量比（n氨基/n羧基）。同時(shí)，CMC-Na的取代度和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)二者相互作用有顯著影響，且總體來看取代度對(duì)體系穩(wěn)定性的影響更大。從實(shí)際應(yīng)用前景來看，本研究結(jié)果能為以CMC-Na為穩(wěn)定劑或乳化劑的液態(tài)食品體系（如軟飲料、茶飲料和果蔬飲料等）中合理使用ε-PL作為防腐劑提供理論支撐。即通過控制食品體系中ε-PL與CMC-Na的相互作用，既能有效發(fā)揮ε-PL的抗菌性又能使食品體系保持良好的外觀和品質(zhì)。

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Interaction between Sodium Carboxymethyl Cellulose and ε-Polylysine

FENG Liyuan1, GUAN Yufang2, YAN Caizhi1, YE Fayin1,3, ZHAO Guohua1,3,*
(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China; 2. Guizhou Institute of Biotechnology, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China; 3. Chongqing Engineering Research Center of Regional Food, Chongqing 400715, China)

The interaction between food ingredients is one of the research focuses in food science. ε-Polylysine (ε-PL), as a food additive, is a cationic polyelectrolyte with excellent antimicrobial properties, and it can interact with anionic polymers such as sodium carboxymethylcellulose (CMC-Na) to affect its antimicrobial properties and the stability of related food systems. In this study, the effects of degree of substitution (DS) and molecular weight of CMC-Na on the interaction between ε-PL and CMC-Na as indicated by turbidity, Zeta potential and particle size were investigated. Results revealed that the electrostatic interaction between ε-PL and CMC-Na mainly depended on the molar ratio of cationic amino groups in ε-PL to carboxyl anion groups in CMC-Na. In addition, both DS and molecular weight of CMC-Na exerted a serious impact on the interaction between ε-PL and CMC-Na and the effect of DS was more significant.

ε-polylysine; sodium carboxymethylcellulose; Zeta potential; degree of substitution

10.7506/spkx1002-6630-201607001

TS202.3

A

1002-6630（2016）07-0001-05

馮李院, 關(guān)郁芳, 顏才植, 等. ε-聚賴氨酸與羧甲基纖維素鈉的相互作用[J]. 食品科學(xué), 2016, 37(7): 1-5. DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201607001. http://www.spkx.net.cn

FENG Liyuan, GUAN Yufang, YAN Caizhi, et al. Interaction between sodium carboxymethyl cellulose and ε-polylysine[J]. Food Science, 2016, 37(7): 1-5. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201607001. http://www.spkx.net.cn

2015-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31371737）；重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項(xiàng)目（cstc2014pt-gc8001）

馮李院（1992—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称坊瘜W(xué)與營(yíng)養(yǎng)學(xué)。E-mail：fengliyuan2009@163.com

*通信作者：趙國(guó)華（1971—），男，教授，博士，研究方向?yàn)樘妓衔锘瘜W(xué)與營(yíng)養(yǎng)。E-mail：zhaoguohua1971@163.com