沒食子酸和蘆丁對魚皮明膠凝膠的溶脹性及水的狀態(tài)的影響

閆鳴艷,秦 松

(中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,山東煙臺 264003)

沒食子酸和蘆丁對魚皮明膠凝膠的溶脹性及水的狀態(tài)的影響

閆鳴艷,秦 松*

(中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,山東煙臺 264003)

研究沒食子酸和蘆丁對魚皮凝膠的溶脹性及水的狀態(tài)的影響。結(jié)果表明,沒食子酸和蘆丁均可使凝膠的平衡溶脹率降低,以蘆丁的影響較顯著。在凝膠溶脹初期,未交聯(lián)凝膠和沒食子酸添加量20mg/g凝膠以及蘆丁添加量為6和8mg/g凝膠均表現(xiàn)非Fick擴(kuò)散過程,而30mg/g沒食子酸交聯(lián)的凝膠表現(xiàn)Fick擴(kuò)散過程。同時發(fā)現(xiàn),無論是未交聯(lián)凝膠還是多酚交聯(lián)凝膠,在溶脹過程中均是凝膠高分子鏈的松弛過程為速控步驟。通過差示掃描量熱法(DSC)對多酚交聯(lián)凝膠中水的狀態(tài)分析發(fā)現(xiàn),沒食子酸和蘆丁對凝膠的平衡水分含量沒有明顯影響,但可改變凝膠中可凍結(jié)水和非凍結(jié)結(jié)合水的分布。20和30mg/g的沒食子酸使凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水含量降低,而6和8mg/g的蘆丁卻使凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水含量升高。

沒食子酸,蘆丁,魚皮,明膠,凝膠,溶脹性

明膠為變性的膠原蛋白,具有不同于膠原蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),其在食品、醫(yī)藥和照相領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。但是,目前市售明膠主要來源于豬皮、牛皮和豬骨、牛骨,近年來由于瘋牛病、口蹄疫的頻發(fā)以及宗教和文化的差異,豬和牛中來源的明膠應(yīng)用受到了限制,而水產(chǎn)明膠(特別是水產(chǎn)品加工下腳料明膠)由于原料豐富、易于提取、低抗原性、低致敏性、高度可溶性而受到廣泛的關(guān)注。人類利用魚皮制取明膠的歷史比較悠久,但是對魚皮明膠的研究和利用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

吸水溶脹性是水凝膠最重要和最基本的性能之一,在凝膠的研究中占有重要的地位。凝膠的溶脹過程實際上是兩種相反趨勢的平衡過程,溶劑試圖滲透到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,使體積溶脹導(dǎo)致三維分子網(wǎng)絡(luò)的伸展,交聯(lián)點之間的分子鏈的伸展降低了它的構(gòu)象熵值,分子網(wǎng)絡(luò)的彈性收縮力力圖使網(wǎng)絡(luò)收縮。當(dāng)兩種相反的傾向互相抵消時,達(dá)到溶脹平衡[2]。但是,目前對于水產(chǎn)明膠凝膠吸水溶脹性的研究較少,而對水凝膠溶脹性的研究和認(rèn)識對于指導(dǎo)其應(yīng)用具有重要意義。因此本文以魚皮為原料提取明膠,研究明膠水凝膠的溶脹性,并以自然界中廣泛存在的多酚類物質(zhì)—沒食子酸和蘆丁作為交聯(lián)劑,通過化學(xué)交聯(lián)法制備多酚交聯(lián)明膠水凝膠,探討所得水凝膠的吸水溶脹性,進(jìn)而明確沒食子酸和蘆丁對魚皮凝膠溶脹性的影響。此外,運用DSC方法分析明膠水凝膠中水的狀態(tài),以期為魚皮明膠水凝膠的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

BR4i冷凍離心機(jī) 法國Jouan公司;LGJ0-5冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科技儀器廠;HHS-Ni電熱恒溫水浴鍋 北京長安科學(xué)儀器廠;DSC-200PC差示掃描量熱儀 德國Netzsch公司;AL204電子天平 瑞士梅特勒-托利多儀器公司;Laborota 4001旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 德國Heidolph公司。

鱈魚皮 青島水產(chǎn)品加工廠提供,-20℃保存實驗時4℃解凍。

氫氧化鈉、濃硫酸、沒食子酸、蘆丁等 均為分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 明膠的提取 明膠的提取參照Sabaria的方法[3]。將魚皮解凍,用自來水沖洗后剪成塊狀,用0.05mol/L的NaOH水溶液(w/w=1∶6)浸泡30min,重復(fù)三次,每次需用自來水洗至中性,然后用0.05mol/L的硫酸溶液(w/w=1∶6)溶脹3h,水洗至中性后絞碎,45℃熱水抽取過夜,4000×g離心30min,收集上清液,減壓濃縮后凍干得鱈魚皮明膠。

1.2.2 水凝膠的制備 配制6.67%的魚皮明膠水溶液,在其中分別加入預(yù)先用1mol/L的NaOH溶液溶解的沒食子酸(Gallic acid)或蘆丁(Rutin)溶液,使沒食子酸或蘆丁含量分別為20,30或6,8mg/g明膠。將所得溶液置于50℃水浴中恒溫30min,然后超聲處理20min消泡,取出放入4℃下陳化24h后凍干,得到干凝膠,用于進(jìn)行溶脹性分析。

1.2.3 水凝膠的溶脹動力學(xué) 稱取一定量(W0)的干凝膠,置于去離子水中在4℃下浸泡24h,每隔一定時間取出凝膠,用濾紙吸干表面水分,稱重(Wt),以下列公式計算出溶脹率(SR)和水分含量(WC)。以溶脹率對時間作圖,表征凝膠的溶脹動力學(xué)。

1.2.4 DSC分析水凝膠中水的狀態(tài) 準(zhǔn)確稱取一定量溶脹平衡的水凝膠樣品,用濾紙吸干表面水分后小心置于鋁試樣坩堝(BO 6.239.2-64.502)中,加蓋密封,置于差示掃描量熱儀中,以空坩堝作為參比,在N2保護(hù)下,從-50℃開始,以5℃/min的速度升溫至50℃,樣品室的氮氣流量為20mL/min,得到水凝膠的DSC譜圖。

假設(shè)凝膠中水的熱焓值ΔH與純水ΔH0相同,則從DSC圖上0℃附近熱焓可計算出可凍結(jié)水(Wfm)(即自由水+中間水,以Wf和Win來表示)的含量。

非凍結(jié)結(jié)合水由平衡時的水含量(EWC)減去可凍結(jié)水,即自由水+中間水含量之和而得:

ΔH為凝膠由DSC測出的吸熱峰面積算出的單位質(zhì)量的焓變(J/g);ΔH0為純水單位質(zhì)量的焓變(J/g);Ws為吸水平衡凝膠的質(zhì)量(g)。

1.2.5 統(tǒng)計分析 采用Origin 7.5對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。p<0.05,表示差異顯著;p<0.01,表示差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 水凝膠的溶脹動力學(xué)

不同水凝膠的溶脹動力學(xué)曲線如圖1所示。沒食子酸和蘆丁添加后,凝膠的溶脹率均降低了,這與添加了阿魏酸和單寧酸后牛骨明膠膜的溶脹率降低的結(jié)果是一致的[4]。但是二者的影響程度是不同的,沒食子酸的加入使水凝膠的溶脹率略降低,當(dāng)沒食子酸添加量分別為20和30mg/g時,凝膠的平衡溶脹率分別降低了8.59%、15.88%。而蘆丁的加入明顯降低了水凝膠的溶脹率,6和8mg/g的蘆丁使水凝膠的平衡溶脹率分別降低了41.67%和45.44%(p<0.01)。研究表明大的交聯(lián)度不利于凝膠的大量吸水[4-6]。由此推斷蘆丁交聯(lián)水凝膠的交聯(lián)度要大于沒食子酸交聯(lián)水凝膠的,這也是兩種多酚的加入使凝膠的溶脹率產(chǎn)生差異的主要原因。

圖1 不同凝膠的溶脹動力學(xué)曲線Fig.1 Swelling kinetics of various gels

一般來說,溶脹初期,水分子侵入凝膠內(nèi)部并擴(kuò)散,產(chǎn)生兩種機(jī)理的動態(tài)溶脹:Fick行為和非Fick行為。在溶脹初始階段,F=Mt/M∞=ktn,Mt和M∞分別是t時刻和平衡時的凝膠吸收水的質(zhì)量,k是凝膠的特性常數(shù),指數(shù)n決定水在凝膠中的擴(kuò)散特性,n=0.45～0.5對應(yīng)水在凝膠中的Fick擴(kuò)散過程,0.5

表1 不同凝膠的溶脹動力學(xué)方程及參數(shù)

上述公式只適用于凝膠溶脹的初始階段,對整個溶脹過程而言,該方程不再適用。Schott[8]對聚合物溶脹建立了二級動力學(xué)模型如式(1)所示,根據(jù)初始條件t=0,S=0積分得式(2)。

式(1)

式(2)

通常,當(dāng)干凝膠放入水中開始吸水溶脹時,水分子首先與極性的親水基團(tuán)或能形成氫鍵的基團(tuán)結(jié)合,這部分水稱為初級結(jié)合水。之后,大分子鏈開始伸展,疏水基團(tuán)通過疏水作用在基團(tuán)周圍形成一層“二級結(jié)合水”。當(dāng)這些水分子與大分子上基團(tuán)間的短程作用完成后,網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)吸收水分,由于滲透壓的作用,吸收的水充斥于網(wǎng)絡(luò)的空隙和大孔中,直至凝膠的溶脹達(dá)到平衡[9]。因此可以認(rèn)為,凝膠的溶脹包括三個連續(xù)的過程:首先,水分子進(jìn)入凝膠內(nèi)部;然后凝膠中高分子鏈發(fā)生松弛;最后整個高分子鏈在水中伸展,凝膠網(wǎng)絡(luò)溶脹。如果第一個過程占主導(dǎo)地位,凝膠的吸水量與吸水時間的平方根成正比關(guān)系。如果第二個過程占主導(dǎo)地位,其吸水量正比于吸水時間,吸水量與吸水時間平方根之間的關(guān)系曲線呈S型[10-11]。以圖1中的溶脹率對時間的平方根作圖,其結(jié)果如圖2所示,凝膠的溶脹曲線均為S型。這說明未交聯(lián)魚皮明膠以及沒食子酸和蘆丁交聯(lián)所得到的凝膠的溶脹速率均由第二步控制,即凝膠中高分子鏈的松弛過程為溶脹過程的速控步驟。因為水分子通過凝膠表面進(jìn)入凝膠內(nèi)部的速率較快,而網(wǎng)絡(luò)中高分子鏈的松弛速率較慢,最終成為凝膠溶脹速率的控制過程[12]。

圖2 不同凝膠的溶脹率與t1/2的關(guān)系Fig.2 Swelling ratios of various gels versus t1/2

2.2 通過DSC分析凝膠中水的狀態(tài)

水與高分子的相互作用在生物過程中起著至關(guān)重要的作用,水凝膠的性質(zhì)不僅取決于聚合物的交聯(lián)網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu),而且取決于水在網(wǎng)絡(luò)中的存在狀態(tài)和特性[9]。通常,水在凝膠中以三種狀態(tài)存在:a.熔化、結(jié)晶溫度和焓變等熱力學(xué)行為與純水相似的游離水,可在凝膠中自由擴(kuò)散,亦稱為可凍結(jié)自由水;b.相轉(zhuǎn)變溫度和轉(zhuǎn)變焓低于純水或游離水,為可凍結(jié)的水,亦稱為中間態(tài)水或弱結(jié)合水;c.與高分子網(wǎng)絡(luò)的極性親水基團(tuán)通過氫鍵的作用結(jié)合的水,在-100～-50℃溫度范圍內(nèi)無相變發(fā)生,往往觀察不到與高分子基體結(jié)合得很緊的水的結(jié)晶放熱或熔化吸熱,為非凍結(jié)的結(jié)合水,亦稱束縛水[13-14]。通常針對不同的用途,需要不同狀態(tài)的水,游離水有利于藥物的控制釋放,而作為軟性接觸鏡材料,則需要較穩(wěn)定的結(jié)合水[15]。

圖3為不同水凝膠中水的DSC譜圖?？梢园l(fā)現(xiàn),在0℃附近,未交聯(lián)魚皮明膠和添加了沒食子酸和蘆丁的水凝膠樣品均有譜峰出現(xiàn),即顯示出熱焓變化,并與純水的譜峰相似,說明低溫下有冰相形成,且各凝膠升溫時在0℃附近的峰面積要小于純水,這主要是由凝膠中中間態(tài)水的存在引起的。同時可以發(fā)現(xiàn),水凝膠的初始熔融溫度與純水的很相近,說明在上述樣品中中間水含量較少。

圖3 不同凝膠中水的DSC譜圖Fig.3 DSC spectra of water in various gels

由于凝膠中水的狀態(tài)與凝膠-水相互作用有關(guān),凝膠的組成和性質(zhì)對水的影響不可忽視。表2的數(shù)據(jù)顯示,沒食子酸和蘆丁的加入對魚皮凝膠中平衡水含量沒有顯著影響,但對凝膠中“三態(tài)水”的含量分布產(chǎn)生影響。一般地,在溶脹凝膠中,存在有高分子鏈與水的相互作用和水與水的相互作用[13],沒食子酸和蘆丁的引入打破了上述兩種作用力的平衡。在魚皮凝膠中,非凍結(jié)結(jié)合水與肽鏈結(jié)合最緊密,這種作用與蛋白質(zhì)分子的電荷密度密切相關(guān)。沒食子酸的引入降低了蛋白質(zhì)分子的電荷密度,使凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水含量降低,因而分布在凝膠表面的可凍結(jié)水含量升高。隨著沒食子酸含量的進(jìn)一步增加,由于其本身含有羥基,也能夠結(jié)合少量的水,因而凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水的含量略有升高。然而,蘆丁的引入?yún)s使凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水含量明顯升高,這可能是因為蘆丁的引入使凝膠網(wǎng)絡(luò)更緊密規(guī)整,增強(qiáng)了凝膠網(wǎng)絡(luò)與水分子間的氫鍵作用力,從而使非凍結(jié)水含量升高。

表2 不同凝膠中“三態(tài)水”的含量

3 結(jié)論

綜上所述,無論是未交聯(lián)凝膠還是多酚交聯(lián)凝膠,在溶脹過程中均是凝膠高分子鏈的松弛過程為速控步驟。但是沒食子酸和蘆丁對魚皮凝膠的溶脹性是有影響的,蘆丁的影響尤為顯著。蘆丁可明顯縮短凝膠到達(dá)平衡溶脹的時間,并使凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水含量升高;沒食子酸也可縮短凝膠到達(dá)平衡溶脹的時間,但卻使凝膠中非凍結(jié)結(jié)合水含量降低。

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Effect of gallic acid and rutin on the swelling behavior and state of water in gelatin from fish skin

YAN Ming-yan,QIN Song*

(Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences,Yantai 264003,China)

The effect of gallic acid and rutin on swelling behavior and state of water in gelatin from fish skin was investigated. The results showed that the equilibrium swelling ratio of gel decreased with the introduction of gallic acid and rutin,but it was evident in gelatin treated with rutin. In the primary swelling process,the swelling behavior of untreated gelatin and gel treated with 20mg/g dry gelatin gallic acid,and 6,8mg/g dry gelatin rutin followed the Fick’s law of diffusion,while that of gel containing 30mg/g dry gelatin gallic acid obeyed the non-Fick’s law of diffusion. It was found that the relaxation of polypeptide chains was the rate-determining step in the whole swelling process of gelatin with and without cross-linking agents. Differential scanning calorimetry(DSC)was employed to analyse the state of water in the gels. The results indicated that gallic acid and rutin did not have obvious effect on equilibrium water content of gel,but showed marked effect on the distribution of frozen and non-frozen water. The non-frozen water was lower after addition of 20 or 30mg/g dry gelatin gallic acid,while it was higher after 6 or 8mg/g gelatin rutin was introduced.

gallic acid;rutin;fish skin;gelatin;gel;swelling behavior

2014-04-08

閆鳴艷(1980- )，女，博士，助理研究員，研究方向：海洋活性物質(zhì)及其功能特性研究。

*通訊作者:秦松(1968-)，男，博士，研究員，研究方向：海岸帶生物資源利用。

國家自然科學(xué)基金(31201455)。

TS254.1

A

1002-0306(2015)07-0079-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.07.007