pH對 復合凝聚薄荷油微膠囊形態及復合凝聚物性質的影響＊

董志儉,夏書芹,賈承勝,張曉鳴,許時嬰

1(渤海大學生物與食品科學學院,遼寧錦州,121000) 2(江南大學食品學院,江蘇無錫,214112)

pH對 復合凝聚薄荷油微膠囊形態及復合凝聚物性質的影響＊

董志儉1,夏書芹2,賈承勝2,張曉鳴2,許時嬰2

1(渤海大學生物與食品科學學院,遼寧錦州,121000) 2(江南大學食品學院,江蘇無錫,214112)

研究了pH對復合凝聚薄荷油微膠囊的形態及壁材復合凝聚物性質的影響,揭示了復合凝聚物對微膠囊形態影響的內在原因。結果表明:當pH由4.3降到3.7時,壁材復合凝聚物的組成及產率沒有明顯變化,復合凝聚球狀多核微膠囊粒徑的增大主要是由于壁材復合凝聚物間靜電排斥力的下降和復合凝聚物凝膠性的增強所致;而當pH低于3.7時,由于大量的明膠分子從壁材復合凝聚物中排斥出,微膠囊形態變得不規則。

微膠囊,復合凝聚法,復合凝聚物,凝膠性,流變性,Zeta電位

復合凝聚微膠囊根據其內部結構,可以分為單核微膠囊和多核微膠囊。單核微膠囊是由單個的油滴被復合凝聚物包埋形成的;而多核微膠囊是由大量的單核微膠囊相互聚集,形成具有多芯結構的微膠囊[1-2]。已報道的研究主要集中在如何制備單核微膠囊。單核微膠囊的粒徑較小,分布均勻,適合應用在無碳復寫紙等化工產品中。與單核微膠囊相比,多核微膠囊具有更好的控制釋放性質[3],并且減少了生產工序,降低了生產成本[4]。然而在這方面的研究仍然很少,因為在多核微膠囊的制備過程中,微膠囊的形態很容易變得不規則,難以得到理想的球狀多核結構的微膠囊。因此如何通過調整工藝參數,制備具有球形結構、流動性良好的多核微膠囊成為這項技術的關鍵。

復合凝聚微膠囊化的過程可分為4個階段,分別是乳化、復合凝聚、凝膠化和固化[5]。在復合凝聚階段,通過調整pH使帶正電荷的明膠分子與帶負電荷的阿拉伯膠分子相互作用,形成水不溶性的復合凝聚物,復合凝聚物沉積在乳狀液滴的表面,構成了微膠囊壁。Weinbreck等的研究表明,pH能夠顯著影響乳清分離蛋白/阿拉伯膠復合凝聚物的帶電性質[6],小角度X射線衍射也證明了pH對復合凝聚物的性質有重要影響,當靜電相互作用較為強烈時,復合凝聚物變得更加致密、均一[7]。復合凝聚物的性質對于復合凝聚微膠囊的研究具有重要的指導意義。復合凝聚物的性質不同,對微膠囊形態的影響亦不同[8],Burgess的實驗表明,即使沒使用橋聯劑,清蛋白/阿拉伯膠復合凝聚物的高黏性也能夠很好地穩定微膠囊,防止聚集[9]。Tomassin指出,復合凝聚物的黏彈性影響了微膠囊化的過程[10]。因此pH對于復合凝聚物的性質和復合凝聚微膠囊的形態具有十分重要的影響。

本文通過研究pH對復合凝聚微膠囊的形態以及復合凝聚物性質的影響,探索了復合凝聚物的性質對微膠囊形態影響的內在本質。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

明膠,國藥集團上海化學試劑有限公司;阿拉伯膠,上海潤創食品有限公司;薄荷素油,南通薄荷油廠;轉谷氨酰胺酶,泰州一鳴生物技術有限公司。

1.2 實驗儀器

RW20.N懸臂式攪拌器,廣州儀科實驗室技術有限公司;紫外可見分光光度計,北京銳利分析儀器公司;Zetasize2000型Zeta電位儀,英國Malvern公司;Agilent1100型氨基酸高效液相色譜儀,美國Agilent公司;PHS-2C型精密酸度計,上海精密科學儀器有限公司;ARG2流變儀,美國TA公司;FJ-200高速分散器,上海標本模型廠;TS100/TS100-F倒置顯微鏡,日本Nikon公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 明膠/阿拉伯膠復合凝聚微膠囊的制備[11]

分別制備質量分數1%的明膠、阿拉伯膠溶液各1000 mL,混合后加入40g薄荷油,并用高速分散器在10000 r/min下乳化 3min。乳狀液被轉移到三口燒瓶中,在40℃的水浴及400 r/min的攪拌速度下,滴加質量分數10%的乙酸溶液,將乳狀液調整到所需 p H值,10 min后微膠囊懸浮液的溫度被冷卻到10℃以下,加入一定量的甲醛(質量分數37%)溶液,然后將pH提高到10,進行固化處理。30 min后,升溫到40℃。過濾,洗滌,得到一定含水量的濕復合凝聚微膠囊。

1.3.2 復合凝聚微膠囊形態的觀察

取一滴固化后的復合凝聚微膠囊懸浮液,將其放于載玻片上,用倒置顯微鏡觀察并拍照。

1.3.3 復合凝聚物的制備及產率計算

分別配置250 mL質量分數1%的明膠和阿拉伯膠溶液,再將2種溶液混合,在40℃水浴中400 r/min的攪拌速度下,調整到所需pH。將得到的復合凝聚物懸浮液在5℃下放置12 h,復合凝聚物沉于下部,形成凝膠層,上部為上清液。將上清液倒出測量其體積,并進一步測量上清液中的明膠含量。底部的復合凝聚物取出后,冷凍干燥,稱量其質量,并計算產率:

當測量復合凝聚物的流變性質時,將得到的凝膠層升溫融化,并加入少量相應pH的水,調整復合凝聚物的濃度到11%,以此作為流變實驗的樣品。

1.3.4 Woessner法測定復合凝聚物上清液中羥脯氨酸含量

1.3.4.1 水解液的制備

取 3mL 1.3.3中的上清液,置于水解管中,加入6 mol/L HCl,真空封管,110℃水解24 h后,蒸干HCl,稀釋,定容到10 mL得水解液。

1.3.4.2 測定方法

以0.001 mol/L HCl作空白,4 mL測試液或標準溶液加入2 mL氯胺T溶液,混和,室溫下靜置5 min,加入對二甲氨基苯甲醛溶液2 mL,混和,60℃加熱20 min,置于水中冷卻,測定560 nm的吸光度OD。根據標準溶液濃度和吸光度作出標準曲線,再根據標準回歸方程和測試液的吸光度計算出上清液中羥脯氨酸的含量。

1.3.5 上清液中的明膠含量測定

氨基酸分析表明明膠分子中羥脯氨酸含量為9.97%,因此上清液中的明膠質量:

上清液中的明膠質量=上清液中羥脯氨酸質量/9.97%

1.3.6 復合凝聚物中的明膠含量及明膠與阿拉伯膠的轉化率

復合凝聚物中明膠的質量=起始加入明膠的質量-上清液中的明膠的質量

復合凝聚物中阿拉伯膠的質量=復合凝聚物的質量-復合凝聚物中明膠的質量

明膠的轉化率=復合凝聚物中明膠的質量/起始加入明膠的質量

阿拉伯膠的轉化率=復合凝聚物中阿拉伯膠的質量/起始加入阿拉伯膠的質量

明膠含量=復合凝聚物中明膠的質量/復合凝聚物的質量

1.3.7 Zeta電位的測定

分別配置一定濃度的明膠和阿拉伯膠溶液,并且將其調到所需的pH值。每次取10 mL溶液,測Zeta電位。

1.3.8 流變性質測定

采用ARG2型流變儀進行流變分析。使用椎板(直徑40 mm,椎度2度,狹縫距離為 1mm)進行小變形振蕩掃描分析。測試臺的溫度被控制在25℃,加1 mL的樣品在測試臺上,進行動態流變實驗,頻率掃描是在1%的應變(線性黏彈區內)下進行,頻率由1rad/s增加至100 rad/s,樣品表面加輕質硅油進行保護以免水分蒸發。

2 結果與討論

2.1 pH值對復合凝聚多核微膠囊形態影響

由圖1可知,當pH值由4.3降到3.7時,形成的復合凝聚多核微膠囊成球狀,并且微膠囊的平均粒徑逐漸增大(圖1-a～圖1-c);當pH值降到3.4和3.1時,球狀多核微膠囊變得不規則(圖1-d～圖1-e);當pH為2.8時,不規則的多核微膠囊被進一步破壞,形成更小的單核和多核微膠囊(圖1-f)。因此制備復合凝聚球狀多核微膠囊的最適pH值為3.7～4.0。

2.2 pH值對復合凝聚物帶電性質的影響

由圖2可知,當pH值由4.3降到3.4時,明膠帶正電荷,所帶電量逐漸增加,阿拉伯膠帶負電荷,所帶電量逐漸減少,復合凝聚物的凈電荷由負變正,電量也先減少再增加。當pH值由4.3降到3.7時,復合凝聚物所帶的電量顯著降低,復合凝聚液滴之間的靜電排斥力下降,相互間容易碰撞聚集形成粒徑更大的球狀多核微膠囊。

2.3 pH值對復合凝聚物凝膠性質的影響

圖1 pH對復合凝聚微膠囊形態的影響

圖2 pH值對復合凝聚物帶電性質的影響

圖3 pH對復合凝聚物凝膠性質的影響

由圖3可知,pH值為4.3的復合凝聚物的黏性模量和彈性模量均最低,黏性模量曲線與彈性模量曲線受頻率的影響都較大,曲線相交點的頻率也最低,復合凝聚物凝膠性最差,更多體現流體性質。當pH值為4.0時,在低頻區彈性模量高于黏性模量,并且彈性模量受頻率的影響很小,而在高頻區黏性模量高于彈性模量,體現弱凝膠性質。pH值為3.7的復合凝聚物具有較高的彈性模量(G’)與黏性模量(G"),并且在整個頻率區間內彈性模量均高于黏性模量;彈性模量受頻率的影響不大,在低頻區具有較大的平臺,而黏性模量隨頻率的增加顯著提高,這說明了這種復合凝聚物具有較強的凝膠性[12]。pH值為3.4的復合凝聚物的黏、彈性曲線與pH值4.0的相近,也體現出弱凝膠的性質。因此當pH值由4.3降到3.7時,復合凝聚物的凝膠性逐漸增強,所形成的復合凝聚微膠囊的結構更加穩定,粒徑也逐漸增大。而當pH值繼續下降時,凝膠性減弱,結構漸趨不穩定。

2.4 pH值對復合凝聚物組成的影響

在圖4中,當pH值由4.3降到3.7時,明膠和阿拉伯膠的轉化率及復合凝聚物中明膠的含量變化均不大;繼續降低pH值,明膠的轉化率和復合凝聚物中明膠的含量顯著降低,而阿拉伯膠的轉化率明顯提高。pH的下降導致明膠所得帶正電荷量顯著增加,而阿拉伯膠所帶的負電荷量逐漸減少,當pH值降到3.7以下,明膠分子間的靜電排斥作用超過明膠與阿拉伯膠分子間的靜電吸引作用,大量明膠分子從復合凝聚物中移出,致使明膠的轉化率及復合凝聚物中明膠含量下降;而移出的明膠分子中,少量會與溶液中的阿拉伯膠分子相互作用,形成復合凝聚物,因而阿拉伯膠的轉化率升高。

圖4 pH對復合凝聚物組成的影響

pH值在4.3～3.7內復合凝聚物的組成變化相對較小,球狀多核微膠囊粒徑的增大是由于壁材復合凝聚物凈電荷的減少及凝膠性的增強所致。當pH值降到3.7以下,大量的明膠分子被從壁材復合凝聚物中排斥出,微膠囊壁的孔隙結構加大,形態變得不規則。

圖5為預測的明膠/阿拉伯膠復合凝聚物分子的可能結構模型。白帶為阿拉伯膠分子,黑球為明膠分子,明膠、阿拉伯膠分子通過靜電相互作用纏繞聚集在一起,形成大的復合凝聚物分子。

圖5 明膠、阿拉伯膠復合凝聚物的構成模型

2.5 pH值對復合凝聚物產率的影響

由圖6可知,當pH值由4.3降到3.7時,由于明膠、阿拉伯膠的轉化率變化都不大,導致復合凝聚物的產率變化不明顯;且在此pH值范圍內,明膠具有超過90%的轉化率,因此復合凝聚物的產率較高。而當pH值由3.7降到3.4時,復合凝聚物的產率由73%降到68%,原因在于盡管阿拉伯膠的轉化率略有提高,但明膠的轉化率顯著下降,導致了復合凝聚物的產率明顯下降。因此,當pH值由4.3降到3.7,復合凝聚物的產率變化不大,球形微膠囊粒徑增大不是由于復合凝聚物產率增加所致。

圖6 pH對復合凝聚物產率的影響

3 結論

(1)當pH值由4.3降到3.7時,復合凝聚微膠囊呈球狀多核結構,并且微膠囊的粒徑逐漸增大;pH值低于3.7時,微膠囊的形態變得不規則。

(2)當pH值由4.3降到3.7時,壁材復合凝聚物間的靜電排斥力下降、凝膠性增強導致球狀多核微膠囊粒徑的增大;而壁材復合凝聚物的組成及產率對于微膠囊的粒徑影響不大。

(3)當pH值降到3.7以下時,壁材復合凝聚物中明膠分子間的靜電排斥力超過了明膠、阿拉伯膠分子間的靜電吸引力,大量的明膠分子被從微膠囊壁中排斥出,微膠囊壁的孔隙結構加大,形態變得不規則。

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ABSTRACTEffect of pH on the morphology and the property ofmicrocapsules encapsulating peppermint oil by coacervation aswallmaterialwas investigated.The principle of the effect of coacervates on the morphology ofmicrocapsuleswas illustrated.The results showed thatwith the decrease ofpH from 4.3 to 3.7,the composition and productivity of coacervates rarely changed.So the increase of particle size of sphericalmultinuclearmicrocapsuleswas the result from the decrease of electronic resistantpower and the increase of gelling property for coacervates.When pH was blew 3.7,the morphology ofmicrocapsules turned irregular and released plenty of gelatin from coacervate wallmaterial.

Key wordsmicrocapsule,coacervation,coacervate,gelling property,thixotropy,Zeta potential

Effect of pH on Morphology and Property of Microcapsule Encapsulating Peppermint Oil by Coacervation

Dong Zhi-jian1,Xia Shu-qin2,Jia Cheng-sheng2,Zhang Xiao-ming2,Xu Shi-ying2
1(College of Biotechnology and Food Science,Bohai University,Jinzhou 121000,China)
2(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214112,China)

博士,講師(張曉鳴教授為通訊作者)。

＊國家科技支撐計劃項目(2006BAD27B04)

2010-01-27,改回日期:2010-04-27