離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜性質(zhì)的影響

吳健鋒,張立彥

(華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640)

離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜性質(zhì)的影響

吳健鋒,張立彥*

(華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640)

本文研究了添加NaCl、CaCl2及FeCl3對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠聚電解質(zhì)復(fù)合物(PEC)溶液的濁度、膜的溶脹度、接觸角和機(jī)械性能等的影響,并通過紅外光譜分析和掃描電鏡觀察,探討了離子對(duì)PEC靜電復(fù)合及膜結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:在0～60 mmol/L濃度范圍內(nèi),PEC溶液濁度隨離子濃度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢;離子種類及濃度對(duì)PEC膜的溶脹度影響趨勢不同,添加50 mmol/L FeCl3的PEC膜溶脹度顯著提高;離子種類及濃度對(duì)PEC膜接觸角的影響趨勢不同;離子添加可以顯著提高PEC膜的拉伸強(qiáng)度,降低斷裂伸長率,添加40 mmol/L FeCl3的PEC膜具有最高的拉伸強(qiáng)度;紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),離子添加不影響殼聚糖和果膠、阿拉伯膠之間的靜電復(fù)合方式;掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)添加NaCl、CaCl2的PEC膜表面相對(duì)光滑,而添加FeCl3形成的膜表面凹凸不平,較粗糙。

殼聚糖,果膠,阿拉伯膠,PEC膜,離子

殼聚糖、果膠和阿拉伯膠都是天然高分子多糖,無毒、可降解并具有良好的生物活性,三者形成的聚電解質(zhì)復(fù)合物(PEC)不僅具備三種天然多糖的優(yōu)點(diǎn),還能形成新的性能,使得新形成的PEC的疏水性更強(qiáng),有利于促進(jìn)該復(fù)合物在結(jié)腸靶向給藥領(lǐng)域的應(yīng)用[1-3]。

在PEC形成過程中,由于殼聚糖與果膠、阿拉伯樹膠的復(fù)合主要通過靜電相互作用進(jìn)行,除了所在溶液環(huán)境中pH會(huì)影響復(fù)合物的形成外,離子強(qiáng)度及陰、陽離子的種類及濃度也會(huì)顯著影響PEC的形成及PEC特性[4-6]。但至今,不同濃度不同種類離子對(duì)殼聚糖、果膠、阿拉伯膠PEC膜性質(zhì)的影響以及作用實(shí)質(zhì)尚未有研究報(bào)道。鑒于此,本文研究不同離子對(duì)PEC溶液的濁度、膜的溶脹度、接觸角和機(jī)械性能方面的影響,并通過紅外光譜分析和掃描電鏡觀察,研究各離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復(fù)合物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響,為其在食品、醫(yī)藥方面的應(yīng)用奠定研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

殼聚糖 奧興生物有限公司;脫乙酰度82.3%,分子量為15萬;果膠 Sigma-Aldrich公司,P9135-100G,酯化度>70%,分子量為4萬;阿拉伯膠 Sigma-Aldrich公司,V900768-500G 分子量約為25萬;其他化學(xué)試劑均為分析純。

PHS-25型pH計(jì) 上海雷磁儀器廠;TGL-16型超速離心機(jī) 上海安科儀器有限公司;Vector 33型傅里葉-紅外光譜分析儀 Bruker公司;JSM-6360LV型掃描電鏡 Jeol公司;Model752型紫外-可見分光光度計(jì) 上海現(xiàn)科分光儀器有限公司;L&W抗張強(qiáng)度儀 瑞典;OCA40型表面接觸角測試儀 德國dataphysics公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 含離子殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC溶液及膜的制備 PEC溶液制備:根據(jù)筆者先前的研究選擇三者復(fù)合的最佳配比、pH及濃度,將殼聚糖、果膠、阿拉伯膠分別溶于pH3.5的醋酸緩沖液中,得到濃度為2%(w/v)的溶液。殼聚糖溶液中加入一定量的離子,離子濃度為0～60 mmol/L。按照殼聚糖∶果膠∶阿拉伯膠=1∶2∶3的比例攪拌混合30 min,使三者充分反應(yīng),得到復(fù)合溶液。PEC膜制備:根據(jù)筆者先前的研究選擇三者復(fù)合的最佳配比、pH及濃度,將果膠和阿拉伯膠分別溶配成濃度為2%的溶液,并攪拌12 h。按2∶3的比例將果膠和阿拉伯膠溶液充分混合,再緩慢加入殼聚糖粉末,保持溶液總濃度為2%不變,邊輕輕攪拌邊滴加冰乙酸,攪拌30 min。將制得的凝膠真空排氣2 h,平鋪于玻璃器皿中并于50 ℃烘箱中干燥18 h,得到的干燥膜在相對(duì)濕度為85%的容器內(nèi)平衡均濕48 h。

1.2.2 殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC溶液濁度的測定 樣品在測定濁度前需振勻,之后于600 nm處測定復(fù)合溶液透光度的變化,并按以下公式計(jì)算濁度。

濁度的計(jì)算公式如下[7]:

L為光程長度(cm),It為投射光強(qiáng)度,I0為入射光的強(qiáng)度。

1.2.3 溶脹度測定 將制得的干燥膜剪成2 cm×2 cm大小,室溫環(huán)境下,充分浸沒于去離子水中,每隔1 h取出,并用濾紙將膜表面附著的水分擦拭掉,稱重。溶脹度(SR)的計(jì)算公式為:

其中,W0為干燥膜的重量,g;Wt為t時(shí)刻膜的重量,g。

1.2.4 接觸角測定 PEC膜表面接觸角可以用水滴法測量。將剪成1 cm×2 cm的膜貼在玻璃蓋片上,使用移液管將1滴3 μL的水放置于膜表面,用顯微鏡上的照相機(jī)記錄水滴的圖像以計(jì)算接觸角,每次至少測定三個(gè)點(diǎn),取平均值。

1.2.5 機(jī)械性能測定 將膜剪成1.5 cm×6 cm長條狀,設(shè)定延伸速度為10 mm/min,測定延伸長度,并測膜的厚度,用于計(jì)算膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率,每種樣品至少測定三次。

拉伸強(qiáng)度計(jì)算公式如下[8]:

其中,TS為拉伸強(qiáng)度,MPa;F為拉伸力,N;L為膜的寬度,mm;d為膜的厚度,mm。

斷裂伸長率計(jì)算公式如下[6]:

其中,EAB為斷裂伸長率,%;L為膜斷裂前的長度,mm;L0為膜的初始長度,mm。

1.2.6 紅外光譜測定 取干燥膜,用刀片刮取膜表面得到粉末,將粉末與KBr混合,壓片,測定其紅外光譜。

1.2.7 超微結(jié)構(gòu)觀察 使用掃描電鏡觀察PEC膜的表面形態(tài),將樣品貼在樣品臺(tái)上,噴金后進(jìn)行觀察并拍照。電壓為15 kV,放大倍數(shù)為×40倍。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 每組進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn),使用Office 2007中的Excel軟件以及GraphPad Prism 5.01版進(jìn)行圖表整理與數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復(fù)合溶液濁度的影響

研究了三種離子物質(zhì)在低濃度(0～60 mmol/L)下對(duì)復(fù)合溶液濁度的影響,結(jié)果如圖1。

圖1 離子種類及濃度對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復(fù)合溶液濁度的影響Fig.1 Influence of ions and concentration on chitosan/pectin /gum Arabic complex solution turbidity and viscosity

由圖1可知,不論何種離子,隨離子濃度的逐漸增大,復(fù)合物溶液濁度均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi),添加30 mmol/L NaCl、40 mmol/L CaCl2和40 mmol/L FeCl3的溶液濁度分別達(dá)到最大值。上述現(xiàn)象的原因可能是:殼聚糖、果膠、阿拉伯膠均是帶有電荷的高分子多糖,其帶電性、分子構(gòu)型和延伸性均受環(huán)境中離子的影響。添加少量離子時(shí),陰、陽離子會(huì)分別覆蓋在殼聚糖、果膠和阿拉伯膠分子上,使得分子鏈間斥力增大,有利于分子鏈延伸,暴露出更多的結(jié)合位點(diǎn),因此有利于形成更多的復(fù)合物[9];隨離子濃度的繼續(xù)增大,過量的陰、陽離子會(huì)屏蔽殼聚糖、果膠和阿拉伯膠分子表面的正負(fù)電荷,使復(fù)合變得困難,另外分子鏈剛性也會(huì)增加,不易彎曲轉(zhuǎn)折,從而干擾三者之間的靜電相互作用[4,10],溶液濁度也會(huì)因復(fù)合程度的減弱而降低。

2.2 離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜性能的影響

2.2.1 溶脹度 添加不同種類及濃度離子所得PEC膜的溶脹度隨時(shí)間的變化如圖2。

圖2 離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜溶脹度的影響Fig.2 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane swelling deree

圖2顯示,添加不同濃度、不同種類的陽離子對(duì)PEC膜溶脹度大小及隨時(shí)間的變化趨勢影響不同。各膜在浸泡1 h時(shí)間內(nèi),溶脹度呈線性增加,其后隨時(shí)間延長,吸水量逐漸減少;浸泡4 h后添加NaCl的PEC膜溶脹度變化不大,達(dá)到溶脹平衡,而添加CaCl2和FeCl3的PEC膜達(dá)到溶脹平衡所需時(shí)間分別為3 h和2 h。

添加50 mmol/L FeCl3時(shí)PEC膜的吸水溶脹性顯著提高,這可能是由于離子濃度過高,占據(jù)了過多果膠和阿拉伯膠分子內(nèi)的結(jié)合位點(diǎn)。另外,Fe3+能與果膠交聯(lián)[11],導(dǎo)致果膠分子中結(jié)合位點(diǎn)減少,使殼聚糖分子傾向于與阿拉伯膠復(fù)合,由于阿拉伯膠親水性較強(qiáng),所形成的膜更易吸水。

2.2.2 接觸角 測定含不同濃度(0～60 mmol/L)、不同種類離子PEC膜的接觸角大小,結(jié)果如圖3所示。

圖3 離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜表面接觸角的影響Fig.3 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane surface contact angle

接觸角是表征膜親水性的一個(gè)指標(biāo),膜表面接觸角越小,說明膜的親水性越好,越易吸水,膜溶脹度也越大[12-14]。由圖3,添加不同離子形成的PEC膜表面接觸角隨離子種類和濃度大小的變化而變化。添加NaCl、CaCl2的PEC膜的表面接觸角隨濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,這與圖2中離子對(duì)膜溶脹度大小的變化趨勢正好相反。添加FeCl3的PEC膜,隨離子濃度的增大,其表面接觸角先減小后逐漸增大,說明適量離子的添加可改變膜的親水性。

2.2.3 機(jī)械性能 不同離子濃度殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜的機(jī)械性能如圖4所示。圖4表明,PEC膜本身具有一定的拉伸強(qiáng)度,添加離子后能顯著提高膜的拉伸強(qiáng)度,降低膜的斷裂伸長率,這可能是因?yàn)榈蜐舛入x子添加造成高分子分子鏈伸展,靜電復(fù)合后相互纏結(jié)搭接,需要較大的拉力才可拉斷。與對(duì)照樣相比,PEC膜具有最大拉伸強(qiáng)度的離子濃度分別為:NaCl 30 mmol/L、CaCl240 mmol/L、FeCl340 mmol/L,這與溶液濁度隨離子濃度變化的趨勢類似,其中添加40 mmol/L FeCl3的PEC膜具有最高的拉伸強(qiáng)度9.844 MPa。

添加離子的PEC膜,其斷裂伸長率會(huì)顯著降低,但隨離子濃度的改變,其差異不大?？赡艿脑蚴沁m量的離子可以增加分子鏈間的靜電復(fù)合,但分子鏈間的流動(dòng)性降低,宏觀上表現(xiàn)為膜硬度和脆性的加強(qiáng)、延伸性減弱[8,15-16]。

圖4 離子對(duì)殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜機(jī)械性能的影響Fig.4 Influence of ions on chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane mechanical behavior

2.2.4 紅外光譜分析 PEC膜包埋牛血清蛋白實(shí)驗(yàn)中測得包埋率和載藥率隨溶脹度的升高而增大[9,17],因此選擇應(yīng)用前景較好的,各離子PEC膜最大溶脹度時(shí)的濃度為FT-IR的測定對(duì)象,分別為NaCl 10 mmol/L、CaCl210 mmol/L、FeCl350 mmol/L,結(jié)果如圖5所示。

圖5 殼聚糖、果膠、阿拉伯膠及添加離子的殼聚糖/果膠/阿拉伯膠復(fù)合物紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectra of chitosan/pectin/gum Arabic polyelectrolyte complex with

2.2.5 掃描電鏡 選擇各離子PEC膜最大溶脹度時(shí)的濃度制作PEC膜,分別為NaCl 10 mmol/L、CaCl210 mmol/L、FeCl350 mmol/L的PEC膜,研究其表面結(jié)構(gòu)。放大倍數(shù)為×40,結(jié)果如圖6所示。

圖6 添加離子前后殼聚糖/果膠/阿拉伯膠PEC膜掃描電鏡圖Fig.6 SEM photos of chitosan/pectin/gum Arabic PEC membrane with

觀察圖6可發(fā)現(xiàn),添加FeCl3的PEC膜表面凹凸不平、較粗糙,而NaCl、CaCl2交聯(lián)的PEC膜表面較為光滑。分析其原因,可能是由于添加FeCl3促進(jìn)了殼聚糖與阿拉伯膠的復(fù)合,復(fù)合物呈微囊顆粒狀,宏觀上膜凹凸不平,具有粗糙感;而添加低濃度的NaCl、CaCl2可以使聚合物大分子伸展,通過靜電復(fù)合形成較為均勻的三元復(fù)合物,與未添加離子的PEC膜相比,其形成的PEC膜結(jié)構(gòu)較為均勻致密,宏觀上表現(xiàn)為膜較平整、光滑。這也與膜的吸水溶脹性相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

殼聚糖/果膠/阿拉伯膠溶液的濁度隨離子濃度的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,添加30 mmol/L NaCl、40 mmol/L CaCl2、40 mmol/L FeCl3時(shí)三元復(fù)合溶液的濁度最大。

添加10 mmol/L NaCl、10 mmol/L CaCl2、50 mmol/L FeCl3時(shí),各PEC膜分別達(dá)到最大溶脹度,低于或高于此濃度,所得膜的溶脹度均有所下降。相比于對(duì)照樣,添加50 mmol/L FeCl3PEC膜的吸水溶脹性顯著提高;PEC膜的表面接觸角隨NaCl、CaCl2濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,而添加FeCl3的PEC膜,隨離子濃度的增大,其表面接觸角先減小后逐漸增大;添加離子后能顯著提高PEC膜的拉伸強(qiáng)度,但其斷裂伸長率普遍較低,表現(xiàn)出一定的脆性。

通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),離子對(duì)殼聚糖和果膠、阿拉伯膠之間的靜電復(fù)合作用不產(chǎn)生影響。

掃描電鏡觀察PEC膜的表面形態(tài)發(fā)現(xiàn),添加FeCl3的PEC膜表面凹凸不平、較為粗糙,而添加NaCl和CaCl2后形成的PEC膜表面相對(duì)較光滑。

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Effects of ions on properties of chitosan/pectin/Arabic gum PEC membrane

WU Jian-feng,ZHANG Li-yan*

(School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Effects of NaCl,CaCl2and FeCl3on turbidity of chitosan/pectin/Arabic gum PEC solution,swelling degree,contact Angle and mechanical performance of PEC membrane were studied. The effects of ions on the structures and properties of PEC membrane were investigated through infrared spectrum analysis and scanning electron microscope(SEM). The results showed that the turbidity of the PEC solution increased firstly and then decreased with increasing ion concentrations in the range of 0～60 mmol/L. Variety and concentration of ions had different influence on the swelling degree of PEC membrane. The membrane with 50 mmol/L FeCl3showed significant high swelling degree. Variety and concentration of ions also had diffrent influence on the Contact angle of the membrane. Ions addition can significantly improve the tensile strength of membrane and reduced the elongation rate at break of membrane,PEC membrane with 40 mmol/L FeCl3had the highest tensile strength.. Infrared spectral analysis exhibited that ions had no influence on the complexation of chitosan,pectin,and Arabic gum. SEM photos showed that the PEC membrane with NaCl,and CaCl2had smooth surface,while the surface of membrane with FeCl3had concave and convex shape and was much coarser.

chitosan;pectin;Arabic gum;PEC membrane;ions

2016-07-14

吳健鋒(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：食品加工與保鮮 ，E-mail:hhxz12345@163.com。

*通訊作者:張立彥(1974-)，女，博士，副教授，研究方向：食品加工與保鮮，E-mail：liyanzh@scut.edu.cn。

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014B020204002)。

TS202

B

:1002-0306(2017)03-0270-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.043