阿拉伯膠種類對復合凝聚微膠囊成囊性質研究

呂 怡，張曉鳴

(江南大學食品學院，江蘇無錫214122)

阿拉伯膠種類對復合凝聚微膠囊成囊性質研究

呂 怡，張曉鳴*

(江南大學食品學院，江蘇無錫214122)

研究了兩種阿拉伯膠(Acacia senegal和Acacia seyal)對復合凝聚微膠囊成囊性質的影響。通過對阿拉伯膠性質的測定及復聚物的動態流變分析，發現由兩種類型膠參與形成的復聚物隨溫度降低，體系的粘彈性轉變存在較大差異:具體體現于Acacia senegal膠參與形成的復聚物，其粘性向彈性轉變的溫度大大高于Acacia seyal膠參與形成的復聚物。該流變特性進一步體現于微膠囊制備上的外觀差異，并同時為采用不同類型的阿拉伯膠制備出形態優良的微膠囊提出了工藝上的相應改進措施。

阿拉伯膠，復合凝聚，流變，顯微圖像

1 材料與方法

1.1 材料與設備

明膠 食用級，凝凍強度200，河北成大明膠有限公司;阿拉伯膠A.senegal(AA)/A.seyal(BA) 法國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，上海國藥集團化學試劑有限公司。

Zetasizer Nano電位儀 英國馬爾文儀器有限公司;Aglient 1100型氨基酸自動分析儀 美國安捷倫公司;UV－1600紫外可見分光光度計 上海美譜達儀器有限公司;AR－G2流變儀 美國TA公司; FJ200－S數顯高速分散機 上海標本模型廠; RW20.n懸臂式攪拌器 廣州儀科實驗室技術有限公司;DELTA 320 pH計 梅特勒－托利多儀器上海有限公司;BX51研究級熒光生物顯微鏡 日本奧林巴斯公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 明膠/阿拉伯膠溶液電位測定 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)℃條件下將其調到所需pH，使用Zetasizer Nano電位儀分別測定各個溶液的 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后打開水解管，轉入25mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度。過濾，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0.45μm膜，移取400μL樣品至進樣瓶，等待進樣。

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℃。流動相: 20mmol/L醋酸鈉溶液，甲醇∶乙腈=1∶2(v/v);檢測器:UV338nm;流速:1.0mL/min。

1.2.3 復聚物溶液流變性質測定 采用AR－G2流變儀進行流變分析，所選探頭為椎板(直徑40mm，椎度2°，狹縫距離54μm)。測試樣品為明膠與阿拉伯膠(AA/BA)制備的復聚物溶液(3%，w/v;pH4.0;混合比例1∶1)。為了不破壞樣品結構，首先進行線性粘彈區的確定。在確定頻率、應力下，對樣品進行動態溫度掃描。溫度設定范圍為40～－2.5℃。

1.2.4 復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，調節pH至4.0，反應一定時間后降溫到15℃以下，繼續反應15min。

1.2.5 微膠囊的形態觀察 在攪拌過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并拍照。放大倍數100倍。

1.2.6 數據的統計分析 數據測三次取平均值，并通過origin 8.0軟件計算標準偏差。

2 結果與討論

2.1 不同種類阿拉伯膠的電位分析

復合凝聚反應的基礎即兩種大分子間的靜電相互作用。因此，通過研究膠體電荷的變化情況，可以獲得復聚物反應的大致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，屬兩性電解質，其帶電情況與pH關系密切。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，即明膠的等電點。相比明膠，兩種阿拉伯膠的電位變化相對平緩，在pH 3～6的范圍內，其均帶負電。由圖1可見，兩種來源于不同樹種的阿拉伯膠帶電性質極其相似，僅有的一點差異可歸為實驗誤差范圍。為了使發生的靜電相互作用達到最大值，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。基于此，本實驗選取的最佳復凝聚反應條件為混合比例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，蛋白含量的差異對于阿拉伯膠的諸多性質均有顯著影響。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BA中所含的蛋白含量僅為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。以阿拉伯膠作為微膠囊的壁材，內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聚物流變性質分析

通過對兩種類別阿拉伯膠的電位及氨基酸組成分析，可以發現AA膠與BA膠具有相同的帶電特性，因此不會影響復聚物發生的最適pH范圍;但基于它們氨基酸組成的差異，可能會導致一些表面特性的差別。因此，對明膠－阿拉伯膠在pH 4.0條件下的復聚物流變性質進行了分析。

在實際制備微膠囊的過程中，所選取的壁材總濃度為1%，當pH調至4.0時，帶正電的明膠分子與帶負電的阿拉伯膠分子發生靜電相互作用，形成復聚物并從溶液中析出并包裹芯材成為微膠囊。經過后續的冷卻過程，最初形成的熱溶膠壁材逐漸硬化，形成具有相對剛性的結構。為模擬上述過程，特設定以下流變實驗以表征兩種阿拉伯膠在微膠囊制備中的差別。雖然實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對壁材組分的富集過程，故為了模擬實際制備體系，在本實驗中將壁材濃度提高至3%進行流變實驗。通過前期的線性粘彈區確定，所選取的動態流變實驗條件為:振蕩應力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調至4.0后，隨溫度降低體系粘彈性質的差別。

在降溫的初始階段，無論是明膠－AA體系還是明膠－BA體系，其彈性模量(G')均小于粘性模量(G'')，即體系更多體現的是流體的性質。隨著溫度的逐漸下降，G'、G″均發生了較緩慢地上升，但幅度均不大。對于AA而言，在20℃時，G'發生了急劇地上升，并在17℃左右超越了G″，此時體系更多體現出類固體的性質，隨著溫度進一步下降，彈性模量繼續顯著上升，至－2.5℃時，已達11Pa。由此可見，在微膠囊的制備過程中，冷卻步驟對于微膠囊形態的顯著影響。對于BA而言，在開始階段的降溫過程，其特征與AA相似，但直至溫度達10℃左右，G'才發生較顯著上升，至3℃左右G'超過G″，逐漸顯現出彈性特征。

由上述流變性質分析得出，當選取BA與明膠作為微膠囊壁材時，可能由于BA的內部性質差異，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無法獲得與明膠－AA相當的彈性水平。

圖3 復聚物的動態流變性質隨明膠－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

冷卻過程是微膠囊制備過程中極其重要的一個步驟［13］。在復凝聚過程中，反應溫度為40℃，此時通過調節pH使壁材間的凝聚形成囊壁，但由于溫度較高，所形成的壁材復合物此時所體現的是類液體的性質。只有通過冷卻過程，才能使壁材硬化，所制備的微膠囊才具有相對剛性的結構。為了直觀反映內部粘彈性質的差異，分別對明膠－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，當40℃時，微膠囊囊壁完全不可見，只能看見溶脹了的微膠囊輪廓。此時由于壁材的溶融性，其粒徑接近50μm。該溫度下的微膠囊毫無結構可言，一旦停止攪拌過程，將很快粘連、沉淀。溫度降至30℃(圖4 (b))時，囊壁隱約可見，但微膠囊仍處于高度溶脹階段，粒徑與40℃變化不大，且有部分粘連現象。如圖4(c)所示，20℃時，微膠囊已具有相對固定的球形結構，粒徑下降至30μm左右，但仍有部分粘連。溫度繼續下降至15℃時，微膠囊之間的粘連性有很大改善，形成了球形較好的狀態。通過上述流變分析可知，當溫度低于15℃時，復聚物體系的貯能模量大于損耗模量，并開始了急劇上升階段，預示了體系趨于結構穩定的彈性成分在不斷增加。因此說明微膠囊的外觀結構與復聚物的流變性質具有直接的對應性。

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，30℃時，微膠囊仍呈溶脹狀態，囊壁完全不可見，且未見明顯的球形結構，這與圖4(b)的微弱囊壁具有顯著差別。繼續降溫至20℃和10℃時，微膠囊雖然形成了可見囊壁，但其形態極不規則，并且粘連現象嚴重。通過降溫至0℃時，微膠囊的形態才發生較大改觀，許多粘連的囊壁漸漸分開，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于明膠－AA體系，只有當冷卻溫度降至3℃以下，才發生逆轉。因此，在慣常的復合凝聚微膠囊冷卻過程中，普通的冰水冷卻無法達到該逆轉溫度，所得到的微膠囊形態大大劣于明膠－AA體系。

3 結論

復合凝聚微膠囊作為一種極具潛力的疏水性物質包埋方法，其應用常常受制于壁材的選擇。本研究通過對阿拉伯膠的兩種類別進行分析，發現其帶電性質相同，但氨基酸組成具有較大差異。通過進一步對明膠－阿拉伯膠組成的復聚物最適條件下的流變性質進行研究，發現對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，即意味著要達到同樣的較高彈性模量值時，明膠－BA體系需使溫度降至更低。該結果通過相應微膠囊冷卻過程的顯微圖像進行了深一步的闡釋。結果發現，如果單以微膠囊的顯微形態作為指標進行考量，價格便宜的BA型阿拉伯膠(A.seyal)只要通過控制冷卻溫度，即可以達到與AA型阿拉伯膠(A.senegal)相媲美的外觀結構。在復合凝聚微膠囊的制備過程中，冷卻過程的目的是使微膠囊的囊壁硬化，形成具有一定剛性的結構，其后會有一個固化過程，目的是使囊壁間發生分子水平的交聯，從而能對抗高溫、機械力等外界因素［14－15］。因此，只要在冷卻過程中達到體系的彈性成分大于粘性成分，微膠囊之間就不發生粘連現象，理論上對于微膠囊的各方面性質都不會產生影響。后續還將對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行研究，為更全面地評價兩種類型膠的成囊性質、有效地指導實際應用提供理論依據。

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

［1］梁治齊.微膠囊技術及其應用［M］.北京:中國輕工業出版社，1999:40.

［2］許時嬰，張曉鳴，夏書芹，等.微膠囊技術－原理與應用［M］.北京:化學工業出版社，2006:30.

［3］Dong Z J，Ma Y，Hayat K，et al.Morphology and release profile ofmicrocapsules encapsulating peppermintoilby complex coacervation［J］.Journal of Food Engineering，2011，104(3): 455－460.

［4］Bayomi M A，Al－Suwayeh S A，El－Helw A M，et al. Preparation of casein－chitosan microspheres containing diltiazem hydrochloride by an aqueous coacervation technique［J］. Pharmaceutica Acta Helvetiae，1998，73:187－192.

［5］Lee S J，Rosenberg M.Microencapsulation of theophylline in whey proteins:effects of core－to－wall ratio［J］.International Journal of Pharmaceutics，2000，205(1－2):147－158.

［6］陳麗，李八方，趙雪，等.可食性狹鱈魚皮明膠－褐藻膠復合膜的性質與結構表征［J］.食品工業科技，2009(10): 275－278.

［7］蔣挺大.膠原與膠原蛋白［M］.北京:化學工業出版社，2006:29.

［8］Glicksman M.Gum technology in the food industry［M］.New York:Academic Press，1969:96－99.

［9］于東博.阿拉伯膠多糖溶液分子聚集行為研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［10］Philips G O，Williams P A.Handbook of hydrocolloids［M］. New York:CRC Press，2000:155－168.

［11］Philips G O，Ogasawara T，Ushida K.The regulatory and scientific approach to defining gum arabic(Acacia senegal and Acacia seyal)as a dietary fibre［J］.Food Hydrocolloids，2008，22: 24－35.

［12］Elmanan M，Al－Assaf S，Philips G O，et al.Studies on Acacia exudates gums:PartⅥ.Interfacial rheology of Acacia senegal and Acacia seyal［J］.Food Hydrocolloids，2008，22: 682－689.

［13］Dong Z J，Xia S Q，Hua S，et al.Optimization of crosslinking parametersduring production oftransglutaminasehardened sphericalmultinuclearmicrocapsules by complex coacervation［J］.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2008，63 (1):41－47.

［14］Xing F B，Cheng G X，Yang B X，et al.Microencapsulation of capsaicin by the complex coacervation of gelatin，acacia and tannins［J］.Journal of Applied Polymer Science，2004，91(4): 2669－2675.

［15］Prata A S，Zanin M H A，Ré M I，et al.Release properties of chemicaland enzymatic crosslinked gelatin－gum arabic microparticles containing a fluorescent probe plus vetiver essential oil［J］.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces，2008，67(2):171－178.

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

復合凝聚微膠囊化技術選取兩種或兩種以上的水溶性高分子電解質作成膜材料，在適當條件下，使大分子聚合物帶上相反電荷發生靜電吸附作用，在溶液中產生凝聚相并包埋芯材，形成具有球形多核結構的微膠囊［1］。由于該微膠囊具有較高載量，并能耐受高溫及機械力，具備緩釋特性［2］，可用于食品［3］、化工［4］、醫藥［5］等諸多行業，獲得一系列高附加值的產品。復合凝聚微膠囊所選取的壁材組合通常為明膠與阿拉伯膠。明膠來源于動物骨頭、皮膚和筋腱，由母體膠原經酸或堿水解制得［6］。該技術一般選取堿水解明膠，其等電點為pH4.6～5.2［7］。經實驗表明，凝凍強度為200的明膠所制備的微膠囊各方面品質均較好。相較明膠種類的篩選，阿拉伯膠就復雜許多。阿拉伯膠來源于豆科金合歡樹種(acacia trees)的粘稠滲出物經干燥而得［8－9］。金合歡樹種在非洲、印度、澳大利亞、中美洲和北美西南部均有分布。食品添加劑聯合專家委員會(Joint Expert Committee on Food Additives)將阿拉伯膠分為兩種類型，分別來源于Acacia senegal和Acacia seyal樹種的樹干滲出物所形成的干固膠狀物［10－11］。基于此，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，應用領域廣泛;A.seyal，乳化性較弱，應用領域局限。在商品價格方面，A.senegal的價格也高于A.seyal型，約為后者的兩到三倍［12］。傳統采用的制備復合凝聚微膠囊的阿拉伯膠為A.senegal型，受制于其高昂的價格，該技術很難在工業生產中加以應用。本文選取兩種類別的阿拉伯膠，通過其電位、氨基酸組成、流變性質的分析，指導微膠囊的制備工藝。

2011－12－05 *通訊聯系人

呂怡(1984－)，女，在讀博士生，研究方向:香精的微膠囊化研究。

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2011BAD23B01);廣東省部產學研項目(2010B090400139)。