阿魏酸改性明膠的性質變化研究

姚力赟,陳廣榮,王 榮,劉海英，*

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122；2.泰興市江泰水產專業合作社,江蘇泰興 225400)

阿魏酸改性明膠的性質變化研究

姚力赟1,陳廣榮1,王 榮2,劉海英1，*

(1.江南大學食品學院,江蘇無錫 214122；2.泰興市江泰水產專業合作社,江蘇泰興 225400)

本文將不同濃度的阿魏酸用于明膠改性,用以研究其對明膠凝膠強度、流變性等主要性質的影響。利用凝膠強度檢測、流變學分析、紅外分析、X-射線衍射和掃描電鏡分析法對明膠改性前后的性質做了分析比較。結果表明,阿魏酸可以提高明膠的凝膠強度和熔點。當阿魏酸總濃度為2.00 g/L時,明膠的凝膠強度得到明顯提高。通過紅外光譜的分析和X-射線衍射分析可以證實阿魏酸分子與不同的肽鏈交聯,拉近了肽鏈之間的距離,使肽鏈間連接更緊密,而交聯作用的主要作用力是氫鍵。本文研究表明,阿魏酸在特定濃度下可作為明膠良好的改性劑。

阿魏酸,明膠,改性,凝膠強度

明膠是從動物結締或表皮組織中膠原部分水解得到的蛋白質[1],具有很多優良的性質,如膠體保護性、表面活性、浸潤性、可逆性等,因此在食品、醫藥、照明、印染、皮革、造紙等方面也有重要的應用。但是由于明膠熱穩定性差和機械強度差,給其應用帶來了不便。應用化學處理,通過側鏈交聯反應可以改變明膠中蛋白的網狀結構,改善明膠的物化特性和生物活性[2-3],擴大明膠應用范圍。阿魏酸(Ferulic Acid)的化學名稱為4-羥基3-甲氧基肉桂酸,是桂皮酸的衍生物之一,是一種廣泛存在于植物中的酚酸,在當歸、川芎、咖啡、谷殼、麥麩、米糠等原料中有較高含量[4]。阿魏酸及衍生物的藥理作用和生物活性。促進血小板的解聚,解除血管平滑肌痙攣[5],抗氧化和自由基作用。阿魏酸分子中的酚羥基和羧基作為活性基團,能與明膠的側鏈形成氫鍵,從而促進明膠有效的交聯,改善明膠的理化性質,從而使其在食品和醫藥行業應用更為廣泛。根據分子結構分析,阿魏酸理論上可以成為明膠的改性劑,但是還未見單獨利用阿魏酸改性明膠的報道。

本研究的目的在于嘗試利用具備一定生物活性的阿魏酸改性明膠,研究其改性效果及合適濃度,為明膠改性找到新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠與阿魏酸 均為化學純,購自國藥集團化學試劑有限公司。

TA-XT2質構測試儀 英國Godalming公司;AR1000型流變儀 英國TA公司;MlocroMoDuLYo-230型真空冷凍干燥機 美國Thermo Savant公司;NEXUS470型傅立葉變換紅外光譜儀 美國NICOLET公司;D8 Advance型X-射線衍射儀 德國Bruker AXS公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 明膠凝膠強度的測定 不同濃度阿魏酸改性明膠制備:通過預實驗確定阿魏酸的濃度范圍,將阿魏酸配制成濃度分別為0、1.11、2.22、3.33、4.44 g/L的溶液,分別加入一定濃度的50 ℃明膠溶液,制成阿魏酸最終濃度為0、0.67、1.33、2.00、2.67 g/L的明膠溶液,明膠溶液最終濃度為66.7 g/L。以上溶液攪拌均勻后,在振蕩器中繼續50 ℃保溫30 min,裝入標準凍力瓶,于室溫冷卻成膠,之后置于10 ℃恒溫箱中保溫17 h[6]。

本實驗采用TA-XT2質構測試儀測定,測定條件為:柱塞P 0.5～12.67 mm;下壓 4 mm,Force 5 g,壓入后速度1 mm/s。測定步驟:將樣品在質構儀圓臺上放平,柱塞對準膠面中心后下壓,記錄最大力[5]。

1.2.2 明膠流變性的測定 制備1.2.1中不同濃度阿魏酸改性明膠溶液,分別取1 mL倒入培養皿中,厚度大約為1 mm。于室溫冷卻成膠,之后置于10 ℃恒溫箱中保溫17 h[6]。

采用流變儀測定樣品流變性能[6]:平行板60 mm,磨具錐角為2,夾縫為0.500 mm;掃描頻率為1 Hz,蠕變應力為3.0 Pa。測定方式為溫度掃描。明膠樣品4 ℃保溫,至于流變儀上平衡至5 ℃,然后升溫至40 ℃,升溫速率為1 ℃/min;在40 ℃保溫5 min后,降溫至5 ℃,降溫速率為1 ℃/min，在升溫和降溫過程中分別測量彈性模量(G′)、粘性模量(G″)和相角(δ)。

1.2.3 明膠紅外性質的測定 阿魏酸改性明膠,冷凍干燥。測定條件:全反射法,掃描范圍:4000～400 cm-1[7]。

1.2.4 明膠微觀結構的觀測 制備1.2.1中不同濃度阿魏酸改性明膠溶液,分別取10 mL倒入培養皿中,厚度大約為1 mm。于室溫冷卻成膠,之后置于10 ℃恒溫箱中保溫17 h,使其成為的凝膠態明膠膜,在常溫下放置,自然風干。

電鏡測試方法:將制備好的膜固定在樣品臺上,在真空狀態下離子鍍膜機表面噴金20～30 min,厚度約10 μm。將樣品放入掃描電子顯微鏡中抽真空20 min,觀察膜的表面結構。電子束的加速電壓為20 kV。

1.2.5 明膠的X-射線衍射測試 按照1.2.4中方法制備風干明膠樣品。

X-射線衍射分析的條件:采用銅靶Cu Kα(λ=0.15406 nm),功率為1600 W(40 kV×40 mA),采用NaI晶體閃爍計數器(scintillation counter)測量X-射線的強度,掃描范圍為3°～90°,掃描速度4 °/min,步長0.02°。DS-SS-RS設置分別為1 mm-1 mm-0.1 mm[發散狹縫(簡稱DS)、防散射狹縫(簡稱SS)、接受狹縫(簡稱RS)]。

1.3 數據統計分析

實驗數據采用EXCEL軟件進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 改性明膠凝凍強度的測定

凝凍強度是決定商品明膠價值的最重要的物理性能,勃盧姆凝膠強度法是測定明膠凝膠強度的通用方法[8]。

阿魏酸分子中有酚羥基和羧基,可以與明膠分子的肽基,羥基和氨基形成氫鍵,使明膠各分子連接更加緊密,如圖1所示,當阿魏酸濃度逐漸增加到1.33 g/L時,明膠的凝膠強度無明顯變化。而當阿魏酸的濃度為2 g/L時,明膠的凝膠強度急劇升高將近30%。而當阿魏酸濃度繼續增加至2.67 g/L時,明膠的凝膠強度略有減小。通過將阿魏酸改性明膠的凝膠強度分別與空白明膠的凝凍強度進行顯著性分析(t-檢驗)可以發現,濃度為2、2.67 g/L 阿魏酸改性明膠的凝膠強度與空白明膠的凝膠強度差異及其顯著。阿魏酸的濃度繼續增加時,凝膠內可見微小固體顆粒。應該是過量的阿魏酸所攜帶的酚羥基造成明膠肽鏈的凝聚,從而產生顆粒,降低了凝膠內部的交聯度[9]。

圖1 不同濃度的阿魏酸改性明膠的凝膠強度Fig.1 Gel strength values of gelatin hydrogels treatedwith and without ferulic acid注:樣本值(n=5)=平均值±標準差。

2.2 改性明膠的膠凝溫度與熔化溫度

明膠的水溶液在一定條件下可以凝聚為凝膠,而氫鍵在明膠的凝膠化中起著主導作用。氫鍵的生成和破壞與溫度有著重要關系。明膠屬于大分子聚合物,其熱力學性質可利用流變學方法分析。相角在大分子的流變學中具有重要意義,它是指高聚物在交變應力場作用下,由于其分子鏈段在運動時受到內摩擦力的作用,使形變落后于應力變化,其落后的一個角頻率δ就叫相位差,即相角。在動態粘彈性分析中,一般以tanδ=1作為明膠膠凝和融化的轉折點,即其對應的溫度分別為膠凝溫度和熔化溫度[10]。

明膠溶液黏度隨溫度的升高而減小,因為升高溫度加速了分子的熱運動,使纏結的分子鏈向疏散運動。所以,溫度對明膠的流變行為影響顯著[11]。如圖2所示,溫度升高時,凝膠內部的氫鍵逐步斷裂,分子間的結合也慢慢松散,最后明膠由凝膠逐漸變為液態。溫度降低時,如圖3所示溶液中松散的肽鏈通過氫鍵重新交聯到一起,形成緊密的網絡結構,明膠從液態轉化為凝膠態。對于具體的明膠來講,其凝膠溫度和熔化溫度是確定的。

圖2 升溫過程中改性明膠相角的變化Fig.2 Evolution of the phase angle(rad)during heatingprogram of ferulic acid-gelatin solutions

圖3 降溫過程中改性明膠相角的變化Fig.3 Evolution of the phase angle(rad)during coolingprogram of ferulic acid-gelatin solutions

由表1可知,低濃度的阿魏酸可以提高明膠的熔化溫度。這是因為低濃度阿魏酸與明膠的肽鏈接觸后,其分子的酚羥基和羧基與肽鏈上的肽基,羥基和氨基等基團生成氫鍵,使明膠的氫鍵數量增加,明膠凝膠需要更高的溫度才能熔化[9]。阿魏酸濃度高于2.67 g/L時,明膠的熔化溫度和凝膠溫度會下降,這主要因為高濃度的阿魏酸提高了明膠溶液的離子強度,過量的阿魏酸所攜帶的酚羥基造成明膠肽鏈的凝聚,從而產生顆粒,降低了凝膠內部的交聯度[9]。

表1 不同濃度阿魏酸改性明膠熔化溫度和膠凝溫度變化

2.3 明膠紅外性質的測定

明膠的酰胺A帶在出3300 cm-1左右出峰,對應于膠原中-NH和-OH的振動,其吸收峰位置與吸收強度與氫鍵締合程度及三螺旋結構有序程度密切相關。位于2930 cm-1左右處的弱吸收是由酰胺B帶的C-N伸縮振動產生。酰胺I帶在1660 cm-1處出峰,是C=O和schiff堿(C=N)的伸縮振動的特征譜帶[12-14]。酰胺II帶位于1540 cm-1附近,主要為蛋白C-N伸縮振動與N-H彎曲振動的反映,其峰強度可以反映蛋白質二級結構中α螺旋相對含量的大小。酰胺III帶位于1230 cm-1附近,主要為蛋白C-N伸縮振動與N-H彎曲振動。酰胺I帶、II帶和III帶可以直接映蛋白多肽鏈的構象[15-16],它們的位置變化反映了氫鍵的變化情況。當新的氫鍵形成時,譜帶將向低波數移動,一般氫鍵越強,變化越明顯。

圖4 明膠的紅外光譜圖Fig.4 Fourier transform infrared spectrum ofgelatin xerogels treated with and without ferulic acid注:各圖對應的阿魏酸濃度為a:0 g/L;b:0.67 g/L;c:1.33 g/L;d:2.00 g/L;e:2.67 g/L。

表2中可見,阿魏酸濃度為0.67 g/L改性明膠的譜帶向高波數移動不明顯。阿魏酸的濃度分別為1.33、2.00、2.67 g/L時,改性明膠的酰胺A帶移動明顯,分別向低波數移動26.20、93.91、79.85 cm-1,說明明膠與阿魏酸交聯后形成大量氫鍵。阿魏酸的濃度為2.00 g/L時,酰胺A帶藍移最為明顯,表明其氫鍵結合數量最多。在酰胺Ⅱ帶的出峰處,改性明膠的譜帶發生明顯的漂移,向低波數移動。阿魏酸的濃度為2.00 g/L時,酰胺Ⅱ帶藍移最為明顯,其能量增強,氫鍵結合數量最多。紅外的結果與明膠凝膠強度結果的趨勢相一致,即相比空白樣品,阿魏酸的濃度為2.00 g/L時,改性明膠也獲得了最大的凝膠強度。改性后明膠凝膠的酰胺I帶向高波長漂移不明顯,說明明膠分子之間距離并未明顯縮短,只是分子之間的氫鍵作用加強[6]。

表2 空白明膠和改性明膠在紅外圖譜中的特征峰的出峰處

2.4 微觀結構的觀測

明膠膜在常溫下自然風干后,改性與未改性的明膠膜表面狀態沒有明顯差異。由于干燥時水分逐漸散失,明膠分子與水交聯生成的氫鍵斷裂,并逐步向內部聚攏取代水分子原來的空間位置,與其它分子形成新的氫鍵,各分子間距離縮小,連接緊密。明膠的網絡結構經過阿魏酸交聯后,內部分子結合方式會發生一定變化,但這種變化不明顯,明膠膜的表面仍然平滑。

圖5 電鏡觀測到的各明膠樣品表面圖Fig.5 SEM surface images of gelatin xerogel treatedwith and without ferulic acid注:各圖對應的阿魏酸濃度為a:0 g/L;b:0.67 g/L;c:1.33 g/L;d:2.00 g/L;e:2.67 g/L。

圖6 空白明膠和阿魏酸改性明膠X-射線衍射圖譜Fig.6 X-ray diffraction diagrams ofgelatin xerogels treated with and without ferulic acid注:圖譜自上而下,對應的阿魏酸濃度(g/L)分別為:0,0.67,1.33,2.00,2.67。

2.5 明膠X-射線衍射分析

明膠X-射線衍射圖譜會出現兩個特征峰(圖6)。左側第一個峰(C峰)表示肽鏈間的距離,距離越小,肽鏈結合越緊密[17],而第二個峰(A峰)與漫散射有關。肽鏈間的距離可用d值來表征,即蛋白質間結晶面的距離[18]。d值變小,說明肽鏈距離縮短,分子結合更加緊密。本次實驗測定的空白明膠和改性明膠的衍射圖譜出峰處與d值如表3所示,加入阿魏酸后明膠C峰的d值均有所減小,可能是加入阿魏酸后,阿魏酸分子與不同的明膠肽鏈生成氫鍵,拉近了肽鏈之間的距離。但加入不同濃度的阿魏酸時,對d值的影響不大。這與紅外分析結果相一致,說明明膠分子之間的氫鍵雖然加強,但是分子間距離并未明顯減小。

表3 明膠改性前后X-射線衍射圖譜出峰處和d值

3 結論與討論

本研究分析了阿魏酸改性明膠前后的性質變化。結果發現阿魏酸可以提高明膠的凝膠強度,其中當阿魏酸的濃度為2.00 g/L時,達到最大值。阿魏酸可以提高明膠的凝膠強度和熔點,但作用不明顯。通過紅外光譜的分析,發現改性明膠的酰胺A帶和酰胺Ⅱ帶的吸收峰較向低波數明顯漂移,這個現象表明有氫鍵產生。通過X-射線衍射分析證實,阿魏酸分子與不同的肽鏈交聯,拉近了肽鏈之間的距離,使肽鏈間連接更緊密。

由上述結論可以推出,阿魏酸可以用于改性明膠,其機理是阿魏酸分子的酚羥基和羧基與明膠的肽鏈生成氫鍵。本文的研究結果表明,適當添加阿魏酸可以改善明膠的凝膠強度。阿魏酸改性明膠的生物學性質有待進一步研究。

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Effect of ferulic acid on the properties of gelatin

YAO Li-yun1,CHEN Guang-rong1,WANG Rong2,LIU Hai-ying1，*

(1.School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214122,China；2.Taixing Jiangtai Aquatic Professional Cooperatives,Taixing 225400,China)

Ferulic acid was added to gelatin,and the changes in the gelatin were characterized to determine the effect of ferulic acid modification. The microstructural changes in the samples were analyzed using Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR),X-ray diffraction(XRD),and scanning electron microscopy(SEM). The results indicated that the gel strength and thermal stability of gelatin could be improved by appropriate ferulic acid addition. The gel strength of gelatin was obviously improved when the concentration of ferulic acid was 2.00 g/L. The result was also verified hydrogen bonds were the main molecular interactions observed in the ferulic acid-gelatin samples using FTIR and XRD. The study showed that certain concentration of ferulic acid could be a good modifier of gelatin.

ferulic acid;gelatin;modification;gel strength

2014-09-09

姚力赟(1993-),男,本科,研究方向:食品資源綜合利用,E-mail:weijingren22@sina.com。

*通訊作者:劉海英(1973-),男,博士,副教授,研究方向:膠原蛋白、水產品加工及貯藏工程,E-mail:liuhaiying@jiangnan.edu.cn。

中央高校基本科研業務費專項資金資助(JUSRP21010)。

TS254.9

A

1002-0306(2015)15-0083-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.15.009