pH對(duì)羅望子膠和κ-卡拉膠復(fù)配凝膠特性的影響

李婷，王玉麗，范玉文，聶珂楠，院佩佩，吳正奇*

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

羅望子膠（TSP）是從豆科羅望子屬植物種子的胚乳中分離提取出來(lái)的一種中性多糖類物質(zhì)。與其他動(dòng)植物膠相比，TSP水溶液的黏稠性較強(qiáng)，黏度不受酸類和鹽類等影響，具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性[1]*。但是羅望子膠在冷水中溶解性差，溶液渾濁，自身不成膠。卡拉膠是一種來(lái)源于紅海藻的硫酸化多糖，是一種優(yōu)秀的親水性膠體[2]*。此次試驗(yàn)使用的是κ-卡拉膠（KC），其相對(duì)分子質(zhì)量約為5×105*Da。得益于KC的凝膠性、生物相容性和生物可降解性，KC已被廣泛用于食品、乳制品和醫(yī)藥行業(yè)[3]*。但KC溶解度相對(duì)不高，且存在不耐酸、脆性大、易脫水等缺陷[4]*。復(fù)合多糖可使多糖在不同作用機(jī)制上起效，彼此互補(bǔ)平衡，協(xié)同提高凝膠性質(zhì)，通過(guò)不同膠體之間的復(fù)配可以提高或改善κ-卡拉膠的凝膠性質(zhì)[5]*。望運(yùn)滔等[6]*曾試驗(yàn)表明卡拉膠-仙草膠復(fù)合能形成整體性能較佳的復(fù)合膜。文章首次選取TSP與KC這兩種多糖進(jìn)行復(fù)合，由于TSP和KC的分子結(jié)構(gòu)中都含有大量羥基，因此預(yù)測(cè)TSP會(huì)通過(guò)氫鍵的相互作用與KC結(jié)合。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

羅望子膠（河南豫中生物工程有限公司）；κ型卡拉膠（河南旗諾食品配料有限公司）；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

TA.XTplus質(zhì)構(gòu)分析儀（英國(guó)Stable Micro有限公司）；MCR92安東帕流變儀（奧地利安東帕有限公司）；JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（日本Hitachi公司）；D-advance X-射線衍射分析儀（美國(guó)Bruker公司）；DSC-Q10差示掃描量熱儀（美國(guó)TA公司）；Namo ZS MPT-2納米粒度及電位分析儀（英國(guó)Malvern公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 復(fù)配凝膠的制備

稱取一定量TSP，加入到去離子水中快速搖勻，配制出1.5% TSP溶液，之后將事先準(zhǔn)備定量的KC加入到TSP溶液中，使得混合溶液中的KC濃度為0.7%，復(fù)合濃度為2.2%。室溫下用磁力攪拌器攪拌至溶液均勻統(tǒng)一。5份混合溶液分別使用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至2，4，6，8和10，放入85 ℃的水浴鍋中加熱30 min，在冷水中快速冷卻，在4 ℃條件下儲(chǔ)藏12 h，之后進(jìn)行凝膠性質(zhì)測(cè)定。

1.3.2 持水性（WHC）測(cè)試

參考Xia等[7]*的文獻(xiàn)，采用離心法測(cè)定凝膠WHC。

1.3.3 流變特性測(cè)試

1.3.3.1 表觀黏度測(cè)定

樣品在室溫下平衡2 h后恢復(fù)室溫，在25±0.2 ℃下測(cè)定TSP-KC復(fù)合凝膠的表觀黏度與剪切速率之間的關(guān)系。此時(shí)測(cè)定的平行板直徑為40 mm，剪切速率為0.01～1 000 s-1*，狹縫間距為0.5 mm。

1.3.3.2 頻率掃描

根據(jù)應(yīng)變掃描測(cè)量得到的LVR，將頻掃試驗(yàn)的應(yīng)變固定在1%，使用振蕩模式。具體參數(shù)：形變量為1%，頻率范圍為0.1～25 Hz，在25 ℃條件下測(cè)定MCPWPI復(fù)合凝膠的儲(chǔ)能模量（G’）、損耗模量（G”）及損耗因子（tanδ=G”/G’）隨角頻率的變化情況。

1.3.3.3 蠕變與恢復(fù)

蠕變恢復(fù)測(cè)試根據(jù)Bi等[8]*的方法進(jìn)行評(píng)估。

1.3.4 質(zhì)構(gòu)特性測(cè)試

復(fù)合凝膠樣品在進(jìn)行凝膠質(zhì)構(gòu)特性測(cè)試時(shí)使用P/0.5圓柱型探頭，選用TPA模式，設(shè)置參數(shù)：測(cè)試前速度為1.0 mm/s，測(cè)試速度為1.0 mm/s，測(cè)試后速度為1.0 mm/s，壓縮比例為30%，觸發(fā)力為5 g。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)（SEM）測(cè)試

將樣品放入真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，凍干的復(fù)配凝膠樣品切割成小塊，將橫切面積朝上固定在樣品臺(tái)上噴金。在30 kV的加速電壓下，用掃描電子顯微鏡觀察記錄圖像。

1.3.6 Zeta電位-粒徑測(cè)試

將相同濃度的TSP溶液、KC溶液以及TSP/KC復(fù)合凝膠在室溫下攪拌2 h后，分別用超純水稀釋100倍，之后在25±1 ℃條件下進(jìn)行測(cè)定。

1.3.7 X-射線衍射（XRD）測(cè)試

參考Shahbazi等[9]*的方法，并稍作修改。凍干樣品，測(cè)定條件：電壓40 kV、電流40 mA、掃描速率10°/min、掃描范圍2θ為5°～55°。

1.3.8 熱穩(wěn)定性（DSC）測(cè)試

精確稱取4 mg凍干樣品于鋁坩堝，以空鋁堝作參照樣，通過(guò)差示掃描量熱儀以5 ℃/min的速率從-20℃升到200 ℃，測(cè)量熱焓值的變化情況。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理

所有測(cè)定進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析使用SPSS 25.0和Origin 2021軟件。P＜0.05為統(tǒng)計(jì)學(xué)差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀結(jié)構(gòu)

圖1表明，膠體在堿性條件下隨著pH的增加而變黃，推測(cè)是TSP中含有糖醛酸，醛基在氫氧化鈉溶液中不穩(wěn)定，會(huì)與羥基反應(yīng)同時(shí)發(fā)生歧化反應(yīng)，其生成的產(chǎn)物會(huì)使溶液發(fā)黃。此外，pH 2時(shí)凝固性較差，不成膠，其他pH條件下均形成了較為穩(wěn)定的凝膠。這與孫哲浩等[10]*在對(duì)明膠和卡拉膠體系的研究結(jié)果一致，當(dāng)pH低于3時(shí)，體系形成極其微弱的凝膠，這可能是酸對(duì)卡拉膠分子結(jié)構(gòu)造成破壞，使大分子降解為小分子，從而影響凝膠的形成。

圖1 不同pH復(fù)配凝膠外觀

2.2 持水性

持水性能好的凝膠能充分溶脹但不溶解，具有很高的黏度，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成更加緊密。圖2表明，pH 2時(shí)復(fù)配凝膠體系中持水性相對(duì)來(lái)說(shuō)較差，其他pH條件下的復(fù)配凝膠體系持水性數(shù)值較高，無(wú)顯著性差異，持水性良好。

圖2 不同pH條件下復(fù)配凝膠持水性

2.3 流變特性

2.3.1 表觀黏度

圖3顯示，當(dāng)復(fù)合凝膠處在pH 2的條件下時(shí)，表觀黏度極低，且不隨剪切速率的變化而變化，這可能是因?yàn)榭ɡz在酸性溶液中（尤其是pH≤4.0）易發(fā)生酸水解，低pH破環(huán)了復(fù)配凝膠的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其復(fù)配凝膠性質(zhì)變差[11]*。在pH 4～10條件下，復(fù)合凝膠的表觀黏度都隨著剪切速率的增加而明顯降低，表現(xiàn)為剪切稀化，是膠體行為[12]*。同時(shí)，該條件下復(fù)合凝膠的表觀黏度并沒隨著pH的變化有明顯的變化，說(shuō)明此范圍內(nèi)的pH對(duì)TSP/KC復(fù)合凝膠的黏度并沒有顯著影響，其表觀黏度在一定范圍內(nèi)pH相對(duì)穩(wěn)定，這可能是由于TSP/KC復(fù)配凝膠的黏度主要取決于TSP的添加與否。

圖3 不同pH條件下復(fù)配凝膠表觀黏度

2.3.2 動(dòng)態(tài)黏彈性

圖4表明，在pH 4～10條件下，G’＞G”，且都隨著振蕩頻率的提高而緩慢上升，這說(shuō)明該復(fù)合凝膠體相彈性性質(zhì)優(yōu)于黏性，更偏向于形成彈性固體（elastic solid），呈顯著性凝膠特性[13]*。在pH 6的條件下，G’和G”表現(xiàn)為最高，且根據(jù)計(jì)算pH 6時(shí)損耗因子tanδ最小，說(shuō)明凝膠在pH 6強(qiáng)度相對(duì)最好。

圖4 不同pH條件下復(fù)配凝膠G’、G”的流變特性

2.3.3 蠕變與恢復(fù)

如圖5所示，在pH 4～10范圍內(nèi)，凝膠隨著蠕變?cè)囼?yàn)的時(shí)間增加，應(yīng)變值迅速增加到一定值，然后略微下降后保持線性變化。這種現(xiàn)象表明，黏性流效應(yīng)是蠕變階段最終變形的主要原因，這是典型的黏彈性行為。蠕變階段結(jié)束時(shí)的最大柔度（Jmax）可以反映出凝膠體系最大的抗變形性。Jmax值越髙，表示抗變形性越弱，同時(shí)說(shuō)明凝膠體系結(jié)構(gòu)較弱。由圖5（B）可知，pH 4時(shí)的最大柔量（Jmax）最大，pH 6時(shí)的Jmax最小，其次是pH 8和pH 10。流變學(xué)結(jié)果表明，TSP通過(guò)與KC相互作用可以形成的凝膠是黏彈性材料，其中pH 6時(shí)凝膠黏彈性與強(qiáng)度最佳。

圖5 不同pH條件下復(fù)配凝膠的蠕變恢復(fù)曲線

2.4 質(zhì)構(gòu)分析

質(zhì)地特性是凝膠體系的一個(gè)重要特征。pH 2.0時(shí)，凝膠硬度最小（27.75 g）。pH 6～10時(shí)，凝膠硬度較大且無(wú)顯著性差異（P＞0.05），pH 4時(shí)相對(duì)較小，但也遠(yuǎn)大于pH 2。彈性與內(nèi)聚性、黏附性和回彈性相關(guān)。pH 2時(shí)凝膠樣品的彈性最高，在pH 4～10范圍內(nèi)，彈性無(wú)顯著差異，均低于pH 2。內(nèi)聚性是凝膠抵抗變形的緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)聚性在pH 2時(shí)相對(duì)較高，在其他pH條件下無(wú)顯著差異。結(jié)果與上文凝膠強(qiáng)度結(jié)果保持一致，在pH 4～10范圍內(nèi)復(fù)合凝膠相對(duì)穩(wěn)定。

表1 不同pH條件下TSP/KC復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)參數(shù)

2.5 凝膠微觀結(jié)構(gòu)

由圖6可以觀察得到在不同pH條件下復(fù)配凝膠的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。pH 2時(shí)，TSP/KC復(fù)配凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間距大，間壁發(fā)生破裂，凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有所破壞。pH 4時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的間距變小，間壁破損顯著減小，但有序性較差。當(dāng)pH在中性和堿性條件下時(shí)，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均勻致密而有序。酸性條件下會(huì)促進(jìn)卡拉膠分子降解，堿性條件下會(huì)阻止卡拉膠分子相互纏繞[14]*。但是圖像表明復(fù)配凝膠在堿性條件下相對(duì)穩(wěn)定，且只在強(qiáng)酸性條件下，其結(jié)構(gòu)會(huì)受到明顯破壞，不成形。這與之前猜測(cè)的結(jié)果一致，復(fù)配凝膠能適應(yīng)較為廣泛的pH。

圖6 不同pH條件下復(fù)配凝膠的微觀結(jié)構(gòu)

2.6 電位粒徑

通過(guò)調(diào)節(jié)不同的pH可以改變多糖的電位粒徑。如圖7（A）所示，在不同pH條件下KC帶負(fù)電荷，TSP基本不帶電荷或者帶少量電荷。TSP與金屬氫氧化物或堿式鹽溶液反應(yīng)后，得到相應(yīng)的金屬絡(luò)合物，能變成陰離子或陽(yáng)離子衍生物。TSP/KC復(fù)配凝膠溶液帶有負(fù)電且電荷量低于KC，說(shuō)明除了氫鍵相互作用，靜電相互作用在TSP/KC復(fù)配凝膠體系中可能也起著一定作用。多糖的電荷密度通過(guò)影響分子間的相互作用，進(jìn)而影響多糖復(fù)配凝膠的凝膠性質(zhì)。由圖7（B）可見，通過(guò)調(diào)節(jié)pH可以影響多糖分子粒徑，此外，所有pH條件下TSP/KC復(fù)配溶液粒徑均小于單個(gè)多糖溶液。TSP與KC混合復(fù)配后粒徑變小，這一現(xiàn)象可能是電荷中和過(guò)程中靜電相互作用和氫鍵相互作用共同影響復(fù)配聚集體分子的收縮所導(dǎo)致。

圖7 不同pH條件下凝膠、溶液的電位粒徑圖

2.7 DSC

熱穩(wěn)定性可以通過(guò)熔化溫度來(lái)說(shuō)明，DSC升溫過(guò)程把熱量傳遞給凝膠體系，可以引起膠體狀態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而表明分子間是否存在相互作用[15]*。由圖8可知，不同pH條件下，TSP/KC復(fù)配凝膠的變性溫度（Tm）不同，其中pH 6時(shí)的Tm最高，為97.75 ℃，最低為pH 2。熱變性溫度越高，說(shuō)明TSP/KC復(fù)配凝膠體系在加熱過(guò)程中發(fā)生了交聯(lián)和纏結(jié)，形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性越強(qiáng)。

圖8 不同pH條件下TSP/KC復(fù)配凝膠的熱穩(wěn)定性

2.8 XRD

多糖分子通過(guò)羥基形成氫鍵，在分子內(nèi)和分子間產(chǎn)生連接，導(dǎo)致其呈現(xiàn)出不同程度的結(jié)晶排列以及無(wú)定型態(tài)和晶態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。如圖9所示，在不同pH條件下復(fù)配凝膠的衍射強(qiáng)度在2θ在20°左右時(shí)，其峰面積最大，峰形圓鈍，峰強(qiáng)度較高，因此復(fù)配凝膠中結(jié)晶區(qū)域的比例較少，主要以無(wú)定型態(tài)存在。在pH 4～10條件下TSP/KC復(fù)配凝膠有明顯的特征峰，但是其特征峰在pH 2時(shí)消失，說(shuō)明pH 2時(shí)，TSP/KC復(fù)配凝膠的有序性被破壞。在pH 4～10之間出現(xiàn)多個(gè)衍射峰且衍射峰十分相似，2θ在30°左右處有雙衍射峰出現(xiàn)，這表明在pH 4～10間多糖凝膠中存在一定結(jié)晶性，說(shuō)明多糖凝膠形成了更為有序的結(jié)構(gòu)，使得結(jié)晶度上升。同時(shí)，紅外吸收峰性狀十分相似，且吸收峰無(wú)明顯偏移，說(shuō)明在pH 4～10范圍內(nèi)，不同pH對(duì)TSP與KC復(fù)配產(chǎn)生的基團(tuán)無(wú)顯著性影響。

圖9 不同pH條件下復(fù)配凝膠X-射線衍射圖譜

3 結(jié)論與討論

TSP與KC復(fù)配凝膠在pH 4～10條件范圍內(nèi)持水性和凝膠性優(yōu)異，凝膠特性參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，形成了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并且具有一定結(jié)晶性，且pH 6時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最致密，抗變形能力最好，熱穩(wěn)定性最強(qiáng)。TSP與KC復(fù)配凝膠可減緩酸性條件下KC分子的降解，促進(jìn)堿性條件下多糖分子的相互纏繞，能在很廣泛的pH范圍維持復(fù)配凝膠性質(zhì)的穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)TSP的研究大部分是在對(duì)TSP本身性質(zhì)的研究，TSP資源被綜合研究利用的應(yīng)用較少。此TSP復(fù)合材料產(chǎn)品可以進(jìn)一步研究作為壁材對(duì)一些pH敏感性的生物活性物質(zhì)進(jìn)行包載，為探索開發(fā)出封裝、保護(hù)或者遞送一些敏感性的生物活性物質(zhì)的產(chǎn)品提供思路。