殼聚糖/阿拉伯膠聚電解質顆粒穩定Pickering乳液及乳液凝膠研究

◎ 唐鑫宇，孫 彤，高 慧，潘 欣，袁小凡，高成成，孟令晗

（南京財經大學 食品科學與工程學院，江蘇 南京 210023）

已經有多種固體顆粒被報道作為Pickering乳液的乳化劑，包括無機和有機聚合物膠體顆粒如二氧化硅、乳膠、磁性顆粒、黏土和聚甲基丙烯酸甲酯顆粒等[1]。但是，這些非食品級納米顆粒表現出的生物相容性差、生物可降解性低等問題限制了Pickering乳液在食品、藥品和化妝品中的廣泛應用[2]。因此，開發食品級生物可降解聚合物并用于穩定Pickering乳液具有現實 意義[3]。

殼聚糖（Chitosan，CS）是一種自然界中僅次于纖維素的第二豐富的天然線性多糖。由于其具有無毒性、生物可降解性、抗菌性和成膜性等特性，在組織工程、藥物輸送系統、食品和化妝品等領域有著廣泛的應用[4-5]。在高pH（＞6.5）時，殼聚糖漸漸失去水溶性而卷曲成不溶性的納米顆粒；在低pH（＜6.5）下，其氨基被質子化并帶有正電荷，可以和其他陰離子小分子或大分子通過靜電相互作用生成納米顆粒，被廣泛用作藥物遞送系統。已有研究報道殼聚糖納米顆粒、殼聚糖-三聚磷酸鹽（CS-TPP）納米顆粒[6]、玉米醇溶蛋白-殼聚糖復合顆粒（ZCP）[7]等的成功制備。阿拉伯膠（Gum Arabic，GA）來源于金合歡屬植物枝干所分泌的樹膠，其結構中含有蛋白和鼠李糖，是良好的水包油型乳化體系的穩定劑，并且在較寬的酸堿環境下、高離子強度和高溫環境下表現出良好的穩定性[8-10]。近來研究表明CS中的氨基基團可與GA分子上的羧基發生靜電相互作用形成微納米復合體，進而改善殼聚糖的親疏水性和穩定性[11]。已有研究報道殼聚糖的分子量、脫乙酰度、復配比、pH等內外因素對CS與GA聚電解質納米復合體結構具有顯著影響[12]。但將該復合顆粒用于穩定Pickering乳液的研究極少。

乳液凝膠是一種將乳化的油滴包埋在凝膠基質中的軟固體，也是一種良好的新型智能功能因子傳遞體系[13]。乳膠凝膠因其網絡結構可以提高乳液的穩定性并可調控活性物質的釋放[14]。因此，本研究通過靜電復合法制備CS/GA復合顆粒，并用于穩定Pickering乳液，主要探究不同質量比、溫度、離子強度、pH對乳液穩定性的影響。在此基礎上，研究不同溫度對Pickering乳液的成膠及乳液凝膠流變特性的影響，旨在為開發新型食品級復合顆粒穩定Pickering乳液及其應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

殼聚糖（CS，5w Da），北京索萊寶；阿拉伯膠（GA），上海麥克林生化科技有限公司；福臨門葵花籽油，中糧集團；乙酸（冰醋酸）、氯化鈉、氫氧化鈉和鹽酸，所有試劑均為分析級。

1.2 儀器與設備

PRACTUM224-1CN電子天平，上海翼控機電有限公司；WSJB-03恒溫磁力攪拌器，河南中良科技儀器有限公司；pH計，上海精密科學儀器有限公司；GL-21M高速冷凍離心機，上海紫一試劑廠；XMTD-8222數顯鼓風干燥箱，南京大衛儀器設備有限公司；T18-高速分散器，德國IKA集團；數顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；ZS-90納米粒度儀，英國Malvern儀器有限公司；MCR302流變儀，Anton Paar公司；蔡司倒置式顯微鏡，德國Carl Zeiss公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 不同質量比的CS/GA復合顆粒的制備

稱取一定量的CS加入1%（v/v）醋酸溶液中，40 ℃ 磁力攪拌5 h制成1%（w/v）的CS溶液，稱取一定量GA加入超純水中，40 ℃磁力攪拌5 h制成10%（w/v）的GA溶液。分別用NaOH或HCl調pH至4.5。然后分別以1∶4、1∶6、1∶8的質量比將CS溶液緩慢加入GA溶液中，磁力攪拌約30 min后8000 r·min-1離心15 min。離取下層凝聚物置于烘箱中，40 ℃干燥20 h以制備復合顆粒。

1.3.2 固體顆粒粒徑與Zeta電位的測定

利用ZS-90納米粒度儀測定樣品的粒徑分布與電位。將不同質量比的復合顆粒以1%（w/v）的顆粒濃度分別溶于超純水中。然后用去離子水按1∶100稀釋振蕩，避免多重散射效應。折射率設定為1.456，吸收率為0.001。所有試驗均在25 ℃下進行。

1.3.3 基于CS/GA復合顆粒Pickering乳液的制備

將制備的復合顆粒以1%（w/v）顆粒濃度溶于超純水中，然后與等體積的葵花籽油混合，經12000 r·min-1高速分散7 min，制備Pickering乳液。為研究不同質量比對乳液的影響，將不同質量比（1∶4、1∶6、1∶8）的CS/GA復合顆粒制備成Pickering乳液；為研究不同溫度、離子強度、pH對乳液穩定性的影響，固定復合顆粒質量比為1∶6制備Pickering乳液，溫度設置為40 ℃、60 ℃、80 ℃，NaCl濃度為10 mmol·L-1、30 mmol·L-1、50 mmol·L-1和70 mmol·L-1，pH為3.5、4.5、5.0、5.5和6.0。

1.3.4 不同溫度下Pickering乳液的成膠

將上述Pickering乳液分別在40 ℃、20 ℃下靜置24 h成膠，觀察成膠狀態。

1.3.5 乳液凝膠流變實驗

（1）乳液凝膠應變掃描測試。流變儀參數設置為PP 50轉子；間距0.5 mm；溫度25 ℃；應變變化范圍0.01%～100.00%；頻率恒定1 Hz。頻率掃描時，測量結果為應變（x軸）與模量G′、G″（y軸）的關系曲線，應變的變化規律使用對數變化。每個實驗至少重復 3次。

（2）乳液凝膠頻率掃描測試。頻率變化范圍為0.1～100.0 rad·s-1；應變恒定（在線性區內），測量結果為頻率（x軸）與模量G′、G″（y軸）的關系曲線，頻率的變化規律使用對數變化。每個實驗至少重復3次。

2 結果與分析

2.1 不同質量比的CS/GA對復合顆粒粒徑和電位的影響

表1為不同CS/GA質量比的粒徑、ζ-電位測定結果。結果表明，隨著GA含量的增加，更多的GA和CS結合，導致粒徑增大。當CS/GA質量比從1∶4提高至1∶6時，聚合物分散性指數（Polymer Dispersity Index，PDI）從0.665降至0.354，而當質量比進一步提高至1∶8后，PDI值又升至0.564，表明CS/GA質量比為1∶6時，形成的納米顆粒最均勻，粒徑分布最窄。通常認為，較小的粒徑和ζ-電位的絕對值（正或負）越高，體系越穩定，即溶解或分散可以抵抗聚集[15]。此外，從乳液的穩定性結果中可以看出，樣品1∶6穩定的Pickering乳液比1∶4的穩定性更高，這可能是由于樣品1∶6粒徑分布更窄。

表1 CS/GA的質量比對固體顆粒粒徑和ζ-電位的影響表

2.2 不同CS/GA質量比對Pickering乳液穩定性的影響

圖1為不同質量比的CS/GA復合顆粒形成的Pickering乳液室溫下放置24 h后的觀察結果。經24 h放置后，1∶4的乳液經過絮凝、聚結后，出現破乳現象，并明顯分層，上層可觀察到肉眼可見的大油滴。顯微鏡中乳液僅存在一些直徑較小的液滴，較大的液滴已經破乳或超出顯微鏡測試范圍。這可能是因為1∶4 CS/GA復合顆粒的粒徑分布較寬，大顆粒粒徑導致乳液破乳，穩定性下降。此外，在顯微鏡下觀察到質量比為1∶8的乳液呈現出更大的液滴，這可能是因為顆粒粒徑較大導致它們相互之間不易吸附，在水界面間所需的空間位阻大，乳液的液滴周圍無法形成均勻的界面層，最終導致乳液穩定性變差。而質量比為1∶6的乳液穩定性最好，乳液分層程度最小。其中固體顆粒復合物緊密地結合在油滴周圍，乳液出現了一定程度的油滴聚集，但沒有明顯破乳現象。這可能是因為質量比為1∶6時制備的復合顆粒粒徑分布較窄，提高了乳液穩定性。

圖1 不同質量比形成的Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.3 不同溫度對Pickering乳液穩定性的影響

圖2為乳液分別在80 ℃、60 ℃、40 ℃水浴鍋中1 h后的觀察結果。如圖所示，隨著溫度的升高，乳液逐漸分層，穩定性也隨著變差。顯微鏡下，隨著溫度的升高，乳液液滴出現聚集，并發生破乳，粒徑明顯增大，穩定性變差。這可能由于隨著溫度的升高，顆粒的布朗運動及其動能加劇，導致顆粒重新分布到界面上，促進了粒子的解吸。最終導致乳液液滴表面暴露，增加其聚結的趨勢。

圖2 不同溫度下的Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.4 不同離子強度對Pickering乳液的影響

圖3 為不同離子強度下Pickering乳液?？梢钥闯?，離子強度對乳液穩定性有顯著影響。隨著NaCl的逐步添加，乳液分層逐漸明顯。在顯微鏡下，乳液的粒徑隨著NaCl濃度的增加而增大，所有樣品中乳液液滴都出現了不同程度的聚集，這可能是NaCl的添加降低了復合顆粒表面電荷，使顆粒更容易聚集，導致了乳液分層。

圖3 不同離子強度下的Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.5 不同pH的CS/GA復合顆粒溶液對Pickering乳液的影響

不同pH條件下，Pickering乳液放置24 h。由于CS在低pH（＜6.5）下，氨基質子化帶正電荷，GA在pH 2.2以下羧基解離被抑制。因此采用pH在2.2～6.5的5個梯度進行研究。由圖4可知，不同pH條件下Pickering乳液均出現分離現象，其中pH為3.5時乳液分層程度最大，出現破乳現象，乳液最不穩定；pH為5.0時乳液不易分層和破乳，乳液穩定性最好。顯微鏡下，在pH為3.5時，乳液液滴大小不一，僅剩少量聚集的乳液和固定顆粒；pH為4.5和5.0時乳液液滴較為均一，分布較窄，乳液較為穩定；pH 5.0時的乳液液滴較pH 4.5時的液滴大；在pH為5.5和6.0時，乳液液滴出現了小范圍聚集現象。產生這些現象的原因可能是較低的pH減少了GA所帶的負電荷數，在與CS靜電結合產生復合顆粒時，不足以穩定乳液。隨著pH的逐漸升高，CS分子表面電荷減少且發生聚集，從而降低了與GA分子的靜電結合數量，導致乳液在較高pH下不穩定。

圖4 不同pH下Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.6 不同溫度下Pickering乳液成膠行為研究

圖5 （A）為不同溫度下乳液凝膠應變掃描。從圖中可以看出，在線性黏彈區（約應變＜10%），40 ℃下凝膠的G′（儲能模量）大于20 ℃的G′，且在這一區間，G′隨應變變化幅度很小，表明40 ℃下乳液凝膠的成膠性更好，凝膠強度更大。但隨著應變的進一步增加，兩個樣品的G′顯著下降，表明膠體結構部分破壞，對應的應變稱為臨界應變。40 ℃下的凝膠臨界應變高于20 ℃的凝膠，表明40 ℃下的乳液凝膠抵抗變形的能力強于20 ℃的凝膠。

圖5（B）為不同溫度下乳液凝膠頻率掃描。從圖中可以看出，不同溫度下的樣品，G′（儲能模量）總是大于G″（損耗模量），通常G′值越高，樣品的交聯度越高[16]，表明40 ℃下乳液凝膠高分子的交聯度高于20 ℃下的凝膠。此外，兩種凝膠均表現出一定的頻率依賴性，在低頻率掃描下，樣品的G′和G″保持穩定，說明凝膠結構較穩固，但隨著掃描頻率的增加，G′顯著降低，G″顯著升高，表明膠體結構被破壞，且20 ℃下的凝膠受頻率影響更明顯，在掃描頻率接近100 rad·s-1時，G′與G″相交，表明乳液凝膠在高頻振蕩下出現凝膠-溶膠的轉變。

圖5 不同溫度下凝膠的應變掃描（A）和頻率掃描（B）圖

3 結論

本研究成功制備了殼聚糖/阿拉伯膠（CS/GA）復合顆粒，用于穩定Pickering乳液。研究結果表明，復合顆粒平均粒徑在440.2～670.8 nm。ζ-電位隨著CS/GA質量比的增加而降低，質量比為1∶6的復合顆粒制備的乳液穩定性最佳。不同質量比的CS/GA 復合顆粒、溫度、離子強度、pH對所制備的Pickering乳液穩定性有著不同程度的影響。通過對制備的Pickering乳液凝膠的流變特性分析發現，40 ℃下制備的乳液凝膠強度和韌性較好。本文為開發基于CS/GA復合顆粒穩定Pickering乳液及乳液凝膠奠定了研究 基礎。