魔芋葡甘聚糖基成膜乳液的微觀結(jié)構(gòu)研究

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(湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430068)

魔芋葡甘聚糖基成膜乳液的微觀結(jié)構(gòu)研究

陳文杰,吳考,肖滿,匡映,姜發(fā)堂,倪學(xué)文*

(湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430068)

共混成膜乳液的材料組成、共混狀態(tài)、微相分布直接影響到膜材料最終的結(jié)構(gòu)與性能。本文研究了親水的魔芋葡甘聚糖(KGM)與疏水的乙基纖維素(EC)共混成膜乳液的粒徑分布、物理穩(wěn)定性和微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著KGM含量的增加,成膜乳液中EC油滴的尺寸變大,分散性降低,但穩(wěn)定性增強(qiáng);激光共聚焦圖片顯示,EC油滴均勻分散于KGM連續(xù)相;通過掃描電鏡觀察,KGM分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),而EC形成球形顆粒分布于KGM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。KGM/EC成膜乳液微觀結(jié)構(gòu)研究為后續(xù)獲得具有不同結(jié)構(gòu)與性能的可食膜材料提供一定的理論依據(jù)。

魔芋葡甘聚糖,乙基纖維素,成膜乳液,微觀結(jié)構(gòu)

可食性包裝膜是以天然可食性物質(zhì)(如多糖、蛋白、纖維素及其衍生物)為原料,基于分子間相互作用形成的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜[1]?？墒承阅げ牧嫌捎谄湓辖M成以及配方差異,表現(xiàn)出的阻隔性能、力學(xué)性能、溫敏特性等存在明顯不同[2-4]。目前共混復(fù)合可食膜研究主要集中在原材料的配方優(yōu)化以及成膜后膜結(jié)構(gòu)表征與理化性能測定[5],例如木薯淀粉/殼聚糖[6],大豆分離蛋白/殼聚糖[7],普魯蘭多糖/明膠[8],濃縮乳清蛋白/殼聚糖[9],魔芋葡甘聚糖/殼聚糖/大豆分離蛋白[10]等復(fù)合膜的制備與性能研究。

對于大分子共混復(fù)合體系,共混物形態(tài)的控制是設(shè)計(jì)高性能高分子材料的關(guān)鍵[11]。乳液作為一種優(yōu)良的載體,具備分散以及傳質(zhì)功能,在拓展與改善相關(guān)材料的功能性方面有著普遍的應(yīng)用;乳液成膜具備高效、快速、分散均一性好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于可食性復(fù)合膜的制備[12-14]。然而乳液屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,容易發(fā)生分相行為,影響最終膜產(chǎn)品的性能。親水性的魔芋多糖(konjac glucomannan,KGM)與疏水性的乙基纖維素(ethyl cellulose,EC)都屬于大分子多糖物質(zhì),具備良好的成膜性和生物安全性,作為可食膜或食品包裝膜材料有著廣闊的前景應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn),通過物理共混制備的KGM/EC復(fù)合膜具有良好的機(jī)械性能以及獨(dú)特的抗?jié)裥阅躘15]。天然高分子復(fù)合膜材料的性能分析主要集中在成膜后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),而對共混乳液的微觀結(jié)構(gòu)鮮有研究報(bào)道。

本文采用乳液法共混兩種親、疏水性不同的多糖,制備出均一的KGM/EC成膜乳液體系,通過改變兩種多糖共混的比率,對比不同比率成膜乳液的穩(wěn)定性,結(jié)合粒徑分布測定、共聚焦顯微鏡、掃描電鏡等手段,觀察不同比率成膜乳液的微相結(jié)構(gòu),分析共混比率對成膜乳液體系微相結(jié)構(gòu)的影響,以期為后續(xù)膜的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

魔芋葡甘聚糖(KGM) 強(qiáng)生生物科技材料有限公司(武漢);乙基纖維素(EC,分析純),乙酸乙酯(EA,分析純),氯化鈉(NaCl,化學(xué)純),吐溫80(Tween) 中國國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;葵二酸二丁酯(DBS,分析純) 阿拉丁試劑材料有限公司;尼羅紅染色試劑(Nile red) 西格瑪化學(xué)試劑有限公司(德國)。

AR323CN電子天平 美國奧豪斯公司;FV-1200激光共聚焦顯微鏡 日本奧林巴斯公司;JSM-6390LV X-650掃描電鏡 日本東芝公司;OS20-Pro電動(dòng)攪拌器 美國SCILOGEX公司;DK-S22恒溫水浴鍋 上海精宏儀器公司;ZNCL-S-5D加熱磁力攪拌器 韓國科爾儀器公司;Poly-tron高速乳化機(jī) 瑞士KINEMATICA.AG公司;TGL-20M超速離心機(jī) 湖南平凡儀器公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 共混乳液制備 稱取不同質(zhì)量的KGM(0.6、0.7、0.8、0.9 g)分別溶解于100 mL雙蒸水,于60 ℃水浴加熱密封,600 r/min攪拌2 h制備KGM水相體系;稱取不同質(zhì)量的EC(0.1、0.2、0.3、0.4 g)分別溶解于20 mL乙酸乙酯,加熱溫度為60 ℃,同時(shí)加入葵二酸二丁酯(DBS,添加量為EC含量為25% v/w),600 r/min攪拌0.5 h制備EC油相體系;將制備好的EC油相體系分別添加于KGM水相體系繼續(xù)共混0.5 h后,60 ℃下10000 r/min高速乳化3 min獲得不同KGM/EC比率成膜乳液體系,編號分別為KE6/4(0.6 g KGM/0.4 g EC)、KE7/3(0.7 g KGM/0.3 g EC)、KE8/2(0.8 g KGM/0.2 g EC)、KE9/1(0.9 g KGM/0.1 g EC)。

1.2.2 穩(wěn)定性 新鮮制備的不同比率KGM/EC成膜乳液的穩(wěn)定性是通過離心的方法進(jìn)行評估,該方法是重力結(jié)合離心力導(dǎo)致相分離的加速實(shí)驗(yàn)[16]。準(zhǔn)確稱取制備好新鮮乳液10.0 g置于離心管,待乳液冷卻至25 ℃,在6000 r/min下離心15 min,記錄下離心前總?cè)橐焊叨?、離心后乳狀液頂部的油相高度。乳液穩(wěn)定性(ES)計(jì)算公式為:

式中:ES為乳化穩(wěn)定性(Emulsified stability);H0為離心前總?cè)橐焊叨?H1為離心后乳狀液頂部的油相高度。

1.2.3 粒徑分布 不同比率KGM/EC成膜乳液粒徑分布,在25 ℃條件下,應(yīng)用馬爾文(Ms2000)粒度儀測量被檢測的不同乳液的粒徑分布,其主要步驟為:配制用于稀釋乳液的緩沖液(通過飽和食鹽水制備含吐溫80濃度為1% v/v溶液,再經(jīng)過超聲抽濾過程),乳液稀釋:將緩沖液與KGM/EC成膜乳液按體積比10∶1混合于藍(lán)口瓶密封,置于滾筒緩慢滾轉(zhuǎn)30 min待測。馬爾文粒度儀測試參數(shù)設(shè)置:分散相去離子水折光率(refractive index,RI)1.33,乳液吸光度(absorbance,AI)0.001,乳液折光率(RI)1.37,遮光率為10%,測量波長設(shè)置為藍(lán)光466 nm;測量乳液粒徑分布D4,3以及相應(yīng)的分布系數(shù)(Span)。

1.2.4 激光共聚焦顯微鏡 為了更清楚直觀的了解不同配比KGM/EC乳液的微相分布情況,激光共聚焦掃描顯微鏡(CLSM)被用于實(shí)驗(yàn)的觀察。本實(shí)驗(yàn)所使用的激光共聚焦顯微鏡設(shè)備型號為奧林巴斯FV-1200,其顯微觀察參數(shù)設(shè)置:40 X油相放大物鏡,通過氬激光激發(fā),激發(fā)波長為488 nm,使用尼羅紅(Nile red)作為熒光染色劑。染色劑直接加入到有機(jī)油相EC的制備當(dāng)中,其添加比例為0.01 g/100 mL油相體系,添加后制備共混乳液的過程中注意避光處理。將制備好的染色KGM/EC乳液移取0.1 mL置于共聚焦專用平皿進(jìn)行觀察。

1.2.5 掃描電鏡 利用液氮將新鮮制備的不同KGM/EC比率成膜乳液冷凍后置于冷凍干燥機(jī)凍干24 h,刀片切取合適大小的方塊凍干樣,將切好的樣品用導(dǎo)電膠分別固定于樣品臺,置于離子噴射鍍膜儀中進(jìn)行90 s鍍金處理,處理后樣品在30 kv電子束加速電壓以及500 X放大倍率條件下觀察并拍攝樣品的微觀形貌。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析 每個(gè)樣品至少重復(fù)測定三次,取平均值±SD。采用Origin 8.0軟件和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1穩(wěn)定性

不同比率KGM/EC成膜乳液樣品乳化穩(wěn)定性如圖1所示,新鮮制備的成膜乳液樣品KE6/4、KE7/3、KE8/2、KE9/1相對應(yīng)的乳化穩(wěn)定性結(jié)果分別為84.2%±0.81%、87.9%±0.69%、90.3%±0.73%、92.5%±0.55%,乳化穩(wěn)定性隨比率的增加顯著的增強(qiáng)(p<0.05),這可以解釋為當(dāng)比率增大,連續(xù)相體系中KGM濃度越大,KGM作為一種親水性多糖,水溶液具有很高的粘度,其粘度隨濃度的增加而顯著增大[17],高粘度對于分散的乳液油相由于重力作用相互聚集起到了一定的延滯作用;另一方面KGM分子在水中能通過氫鍵相互作用形成一定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[18],網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對于油相熱運(yùn)動(dòng)形成了一定的空間阻礙;對于共混成膜乳液體系,含有KGM分子濃度越高,分子間氫鍵相互作用越強(qiáng),所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越強(qiáng),從而在乳液穩(wěn)定性體現(xiàn)為比率越高成膜乳液穩(wěn)定性越高。

圖1 新鮮制備的不同濃度比率KGM/EC成膜乳液穩(wěn)定性Fig.1 The emulsion stability of the different concentration ratios of KGM/EC

2.2粒徑分布

KGM/EC成膜乳液(KE6/4、KE7/3、KE8/2、KE9/1)的粒徑分布如圖2所示,圖2a表示乳液樣品粒徑尺寸分布,圖2b為相應(yīng)的體積平均粒徑大小(D4,3)以及分散系數(shù)Span。在圖2a中可以看出,KE6/4主要分布集中在較小的粒徑范圍,并且體積占比相對較多,隨著比率的增大,粒徑分布集中區(qū)向較大粒徑偏移,體積占比相對下降。相應(yīng)的粒徑分布特點(diǎn)在圖2b中體現(xiàn)為體積平均粒徑(D4,3)以及分散系數(shù)(Span)隨比率的增大而增大,體積平均粒徑(D4,3)分別為2.86±0.26,4.53±0.31,6.16±0.47,9.71±0.44 μm;分散系數(shù)(Span)分別為1.29±0.039,1.43±0.036,1.54±0.047,1.63±0.045。粒徑測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同KGM/EC比率對粒徑尺寸分布具有顯著的影響(p<0.05),比率越低粒徑越小分散效果越好,比率越高粒徑越大分散效果相對越差,這可以解釋為越高的比率體系中KGM濃度越大,體系粘度越高,以及分子氫鍵相互作用形成了更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),共混以及乳化過程相對更加困難[19],從而導(dǎo)致乳液共混過程中EC油滴顆粒的分散性隨比率的增加而減弱,該現(xiàn)象在共聚焦圖片得到很好的呈現(xiàn)。

圖2 新鮮制備不同濃度比率KGM/EC成膜乳液粒徑分布Fig.2 Droplet size distribution of fresh different concentration ratios of KGM/EC film-forming emulsions注:a:油相尺寸分布;b:體積平均粒徑(D4,3) 與相對應(yīng)的分散系數(shù)(Span)。

2.3激光共聚焦顯微圖片

不同比率成膜乳液樣品KE6/4、KE7/3、KE8/2、KE9/1共聚焦圖片如圖3所示,圖中綠色球形分布為包含有EC的有機(jī)油相,黑色為連續(xù)相KGM水相體系,比例尺為30 μm。圖片顯示,所有樣品呈現(xiàn)單連續(xù)性分布,乳液樣品KE6/4,EC油相在視野范圍內(nèi)分布表現(xiàn)為,粒徑較小分布數(shù)量多;而隨著KGM/EC比率的增加,相同視野范圍內(nèi)小體積球形油相顆粒數(shù)量明顯減少,大體積球形油相顆粒逐漸出現(xiàn),并呈現(xiàn)出增加的趨勢;共聚焦圖片呈現(xiàn)了不同比率KGM/EC乳液微觀油相分布情況,其油相分布隨KGM/EC比率的變化表明微觀油相分布與粒徑測定具有良好的一致性。

圖3 新鮮制備不同濃度比率KGM/EC 成膜乳液激光共聚焦(CLSM)圖Fig.3 CLSM micrographs of fresh different concentration ratios of KGM/EC film-forming emulsion samples注:溫度為25 ℃,綠色熒光為EC油相分布,比例尺為30 μm。

2.4掃描電鏡

新鮮制備不同比率KGM/EC成膜乳液凍干樣微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示,對比乳液SEM圖,不同比率的成膜乳液凍干樣微觀結(jié)構(gòu)存在明顯區(qū)別,分析KE6/4樣品SEM圖,凍干樣存在較多顆粒物小球,分布于具有大量空穴的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中,大小與分布相對均一,圖中球形物為EC分子聚集態(tài),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由KGM分子構(gòu)成。隨著比率的增加,KGM分子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由具有空穴的空間網(wǎng)絡(luò)逐漸變成層狀(KE7/3),最后聯(lián)結(jié)成片狀結(jié)構(gòu)(KE8/2、KE9/1),這是由于比率的增加,體系KGM濃度增加,分子間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密度增大所致。同時(shí)也可以看出,EC聚集態(tài)小球隨比率的增加,小球大小均一性以及數(shù)量呈現(xiàn)明顯下降,這可以解釋為,體系粘度以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨比率的增大而增加,更高的體系粘度將導(dǎo)致乳化相對更困難,分散性降低;另外EC含量隨比率的增加而降低,同樣也會(huì)影響其分子聚集態(tài)的大小及分布。這可能是由于EC具有一定的親水基團(tuán),隨著乳液中EC的濃度的增加,在乳化過程中將有更多的EC親水基團(tuán)存在于油水界面,類似于表面活性劑的功能,形成更小的油相粒徑,并且保持穩(wěn)定,如KE6/4樣品的SEM圖所示。

圖4 不同濃度比率KGM/EC成膜 乳液凍干樣掃描電鏡圖片(SEM)Fig.4 The scanning electric microscope(SEM)pictures of the different concentration ratios of KGM/EC film-forming emulsions

3 結(jié)論

對比不同濃度比率(KE6/4、KE7/3、KE8/2、KE9/1)成膜乳液穩(wěn)定性發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定性隨KGM/EC比率的增加而增強(qiáng),可以解釋為體系的高粘度對重力分層的粘滯作用;基于高粘度導(dǎo)致攪拌與乳化過程均一性降低,粒徑分布結(jié)合共聚焦實(shí)觀察發(fā)現(xiàn),比率越高分散效果相對越差。乳液凍干樣掃描電鏡觀察結(jié)果顯示,比率越高球形EC分布明顯減少,KGM分子間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密,這是由于隨著比率增加,乳液體系中EC含量降低,導(dǎo)致球形EC分布的減少,而KGM含量隨比率的增加而增加,更多的KGM分子將導(dǎo)致更多分子纏結(jié),氫鍵相互作用,形成更強(qiáng)更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此乳液凍干樣呈現(xiàn)片狀分布。

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Studyonmicro-structureofthefilm-formingemulsionsbasedonkonjacglucomannan

CHENWen-jie,WUKao,XIAOMan,KUANGYing,JIANGFa-tang,NIXue-wen*

(School of Bioengineering and Food,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

The structure and performance of the film was directly influenced by the composition,blending state and micro-phase distribution of the film-forming emulsions. This research mainly focused on the droplet distribution,the physical stability,and the micro-phase structure of the film-forming emulsions formed with hydrophilic konjac glucomannan(KGM)and hydrophobic ethyl cellulose(EC).The results showed that with the increase of KGM content,the size of EC oil droplets became larger,the dispersion decreased,but the stability increased. Meanwhile,the confocal laser microscope(CLSM)presented EC oil droplets dispersed uniformly in KGM continuous phase. Analysis by scanning electron microscopy(SEM),the KGM molecules formed a network structure,while EC spherical particles distributed in the network structure.The micro-structure characters researching results could provide some theoretical basis for obtaining a new properties of edible film materials.

konjac glucomannan;ethyl cellulose;film-forming emulsions;micro-structure

2017-05-02

陳文杰(1991-)，男，碩士，研究方向：食品科學(xué)，E-mail:chenwenjie@foxmail.com。

*

倪學(xué)文(1977-)，女，博士，副教授，研究方向：食品化學(xué)及天然高分子材料，E-mail:nixuewen@126.com。

湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BBB019)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31271832；31071520)。

TS202.3

A

1002-0306(2017)21-0233-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.046