殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠的制備及其保濕緩釋性能研究

黃東業(yè)，張揚，劉鴻，吳嘉杰，潘連華，吳彥，朱海波,3，涂濤

（1.廣西中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，廣西南寧 530001）（2.復旦大學化學系，上海 200438）（3.東華理工大學化學生物與材料科學學院，江西南昌 330013）

水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)并具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的新型高分子材料，其中水是該材料的主要組成部分。因此，利用簡單的凝膠劑和水就可以實現(xiàn)水凝膠的制備。這類三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)不但可以鎖住大量水分而自身又不會被水溶解[1]，具有優(yōu)異的性能、良好的生物相容性以及易加工的特點，在食品、藥物緩釋、仿生材料等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景[2～6]。食品長期在干燥環(huán)境下存儲會逐漸釋放出水分而變得干燥，這對食品的口感會產(chǎn)生很大的影響。開發(fā)出一種能在干燥環(huán)境中緩慢釋放水分的材料對于食品保濕、改善食品口味具有十分重要的意義。近年來水凝膠在包裝食品保濕方面顯示出特殊的優(yōu)勢。與過去的食品保濕技術(shù)不同，凝膠保濕技術(shù)不再需要通過復雜的含甘油的高分子芯材與吸濕添加劑聯(lián)用，理論上在高溫環(huán)境下或干燥的條件下，由于與外部產(chǎn)生濕度差，凝膠中的水分可以逐步釋放。利用這種機能適當保持濕度，達到防止包裝食品變得干燥的目的，但在這一領(lǐng)域的研究報道并不多見。

殼聚糖，又名殼多糖、氨基多糖、甲殼糖等，化學名稱是聚(1,4)-2-氨基-β-D-葡萄糖，是甲殼素在堿性溶液中水解，部分脫去乙酰基后生成的衍生物，其結(jié)構(gòu)如圖 1-a所示[7]。殼聚糖是一種白色或者灰白色半透明片狀或者粉末狀的固體，無味、無臭無毒性，純的殼聚糖略帶珍珠光澤。殼聚糖中含有的豐富-NH2,-OH等活性基團，在高濕度的環(huán)境下能與水分子形成氫鍵，而殼聚糖水凝膠具有的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效鎖住水分；在高溫干燥的環(huán)境下，結(jié)合水可以緩慢釋放到環(huán)境中，這使其在食品保濕領(lǐng)域具有較好的應用前景[8～11]。殼聚糖水凝膠的制備方法有很多，按形成機理可以分為殼聚糖物理凝膠和化學凝膠[12]。物理凝膠的力學性能以及耐酸性較差，而使用化學方法制備殼聚糖水凝膠往往需要用到戊二醛、環(huán)氧氯丙烷等小分子交聯(lián)劑，這限制了殼聚糖水凝膠在食品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應用[13,14]。近年來，殼聚糖基水凝膠尤其是將殼聚糖和其它天然高分子聚合物混合制備出復合水凝膠受到越來越多的關(guān)注。瓊脂糖是從紅藻中提取的一種中性線性的多聚物，基本結(jié)構(gòu)是1,3連接的β-D-半乳糖和1,4連接的3,6-內(nèi)醚-L-半乳糖交替連接起來的長鏈，其結(jié)構(gòu)如圖1b所示。瓊脂糖具有顯著的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變行為，室溫條件下，瓊脂糖分子鏈之間通過氫鍵締合形成螺旋鏈構(gòu)象，進而發(fā)生凝膠化，而在高溫時，瓊脂糖分子鏈解螺旋，形成高度溶劑化的無規(guī)則線團，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤篬15,16]。目前，瓊脂糖已被廣泛地應用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域?；诒菊n題組在凝膠制備領(lǐng)域的研究基礎[17～19]，將殼聚糖和瓊脂糖按一定的比例混合，在添加適量的檸檬酸條件下成功制備了殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠。在進行一系列表征后，將其冷凍干燥后得到的干凝膠粉末通過制粒技術(shù)制備成干凝膠顆粒。對干凝膠顆粒進行水汽吸附以及熱重分析實驗，表明制備的干凝膠顆粒在高溫干燥的環(huán)境下可以緩慢的釋放出水分，在食品保濕領(lǐng)域顯示了很好的應用前景。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器設備

1.1.1 試驗材料與試劑

殼聚糖（純度≥99%），上海隆葛生物科技有限公司；瓊脂糖（純度≥99%），上海全旺食品有限公司；檸檬酸（純度≥99%），美國百靈威。

圖1 殼聚糖和瓊脂糖的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structural formula of chitosan and agarose

1.1.2 試驗儀器

冷凍干燥機；流變儀（MCR301型，physica）；掃描電子顯微鏡（SEM）(physica，philips)；投射電子顯微鏡（JEOL JEM-2010）、磁力攪拌器（85-1型），杭州惠創(chuàng)；電子智能溫控儀（ZNHK型）。

1.2 試驗方法

1.2.1 殼聚糖/瓊脂糖雙組分水凝膠的制備

先將一定量的殼聚糖在室溫攪拌條件下溶解在1%的檸檬酸水溶液中，在殼聚糖完全溶解之后加入適量的瓊脂糖，加熱到90 ℃時瓊脂糖完全溶解，冷卻靜置，30 min后可以形成穩(wěn)定的殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠。經(jīng)過一系列凝膠制備條件的摸索，發(fā)現(xiàn)殼聚糖、瓊脂糖的質(zhì)量比不同，形成的水凝膠顏色、性狀都有所不同（見表1）。

表1 凝膠形成條件優(yōu)化Table 1 Optimization of gel formation

1.2.2 殼聚糖/瓊脂糖雙組分水凝膠的相變溫度

將含有水凝膠的樣品瓶倒置浸入油浴中，加熱升溫，控制升溫的速率在0.5 ℃/min左右。隨著油浴溫度升高，凝膠逐漸溶解，且其強度也逐漸變?nèi)?。當凝膠無法支撐其自身重力，從樣品瓶瓶底塌陷掉落時，那一刻的油浴溫度被規(guī)定為凝膠至溶液的相變溫度，所有樣品的相變溫度測量兩次，取平均值。

1.2.3流變學（Rheology）測試

凝膠流變學（Rheology）測試使用的流變儀型號為MCR301。選用錐角為4o，直徑為40 mm的椎板作為測量夾具，測量系統(tǒng)模式選用dynamic oscillatory，測試溫度為25 ℃。

1.2.4 殼聚糖/瓊脂糖雙組份干凝膠顆粒制備

冷凍干燥上述制得的六種殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠得到相應的干凝膠，干凝膠經(jīng)機械粉碎后，過篩得到細致均勻的殼聚糖/瓊脂糖干凝膠粉末。將干凝膠粉末和粘合劑（1%的殼聚糖水溶液）按質(zhì)量比為20:1均勻混合，采用高速攪拌制粒的方法制備成顆粒，在60 ℃恒溫干燥箱中干燥半小時得到殼聚糖/瓊脂糖干凝膠顆粒。過篩篩選得到 20～40目、堆積密度約0.405 g/mL的標準樣品顆粒。

1.2.5 熱重分析熱重分析使用的同步熱分析儀型號為TGA8000。氮氣氛圍，測試范圍為30～600 ℃，升溫速度為5 ℃/min。

1.2.6 水汽吸附實驗

水汽吸附實驗使用吸附儀的型號為IGA100B。在80 ℃條件下活化1 h。測試溫度為25 ℃。

1.2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠的相變溫度（Tg/℃）

圖2 不同比例及濃度的殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠的相變溫度Fig.2 Tg of chitosan/agarose two component hydrogels with different ratios and concentrations

在得到殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠后，對其相變溫度進行表征。

相變溫度測試結(jié)果表明，制備的殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠的相變溫度都超過了（80±0.47）℃，這表明制備的水凝膠具有較高的熱穩(wěn)定。相同的凝膠劑濃度條件下（30 wt%），隨著殼聚糖比例增大，凝膠的相變溫度變小，當殼聚糖/瓊脂糖的比例從1:1提高到3:1時，凝膠的相變溫度從（93.01±0.58）℃降低到（88.04±0.47）℃。相同條件下，降低凝膠劑的濃度，凝膠的相變溫度也隨之降低。

2.2 殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠的流變學研究

進一步利用流變儀對所得的雙組份水凝膠的流變力學性質(zhì)的進行了考察（凝膠劑濃度20 wt%）。首先，在室溫下考察儲能模量（G’）和損耗模量（G”）隨頻率的變化情況。

從掃描結(jié)果來看（如圖 3所示），所有形成的凝膠都顯示出膠體的性質(zhì)，其中G’都大于G”，基本上大出一個數(shù)量級，說明這些水凝膠都具備較好的伸縮彈性，這與使用瓊脂糖、殼聚糖這些天然高分子聚合物不無關(guān)系。而且這些水凝膠也表現(xiàn)出一定的自修復能力。當全使用瓊脂糖時，儲模量達到了20000 Pa；殼聚糖和瓊脂糖比例為3:1時，儲模量只有650 Pa。這表明瓊脂糖的比例越高，雙組份水凝膠儲模量也就越大，機械強度也越高。凝膠流變結(jié)果與相變溫度結(jié)果一致。

圖3 不同比例的殼聚糖/瓊脂糖雙組分水凝膠頻率掃描結(jié)果Fig.3 Frequency scan results of chitosan/agarose hydrogels with different ratio

2.3 殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠的形貌研究

圖4 殼聚糖/瓊脂糖雙組份凝膠Fig.4 Chitosan/agarose two-component gels

圖5 殼聚糖/瓊脂糖雙組份凝膠SEM圖片F(xiàn)ig.5 SEM images of chitosan/agarose xerogel

將制備好的殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠（如圖4a，殼聚糖:瓊脂糖=3:1，凝膠劑濃度=20%）進行冷凍干燥三天后，得到奶白色塊狀干凝膠（如圖4b所示）。通過碾壓實驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)冷凍干燥得到的干凝膠是一種疏松多孔的材料。

利用掃描電鏡（SEM）對疏松多孔的干凝膠材料的形貌進行更為深入的研究（圖 5）。這類干凝膠材料（如殼聚糖:瓊脂糖=3:1，凝膠劑濃度=20%）在微觀條件下顯示出纖維片狀結(jié)構(gòu)（標尺為5 μm），進一步用透射電鏡（TEM）放大可以發(fā)現(xiàn)這些片狀結(jié)構(gòu)其實是由更小的塊狀小顆粒組成（圖 6）。盡管這些塊狀不是很規(guī)律，但是大多是在1～20 nm的方塊，進一步證明材料具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)。

圖6 殼聚糖/瓊脂糖雙組份凝膠TEM照片F(xiàn)ig.6 TEM images of chitosan/agarose xerogel

2.4 殼聚糖/瓊脂糖雙組份干凝膠對水汽的吸附測試

圖7 殼聚糖/瓊脂糖干凝膠顆粒對水汽的吸附曲線Fig.7 Adsorption curves of chitosan/ agarosexerogel granules on water vapore

為了考察干凝膠材料的水汽緩釋行為，在對干凝膠進行詳細的表征后，進一步對干凝膠材料進行了水汽吸附實驗（如圖7所示）。一般而言對水汽具有較高吸附能力的材料可以在濕度較高時吸附部分水汽，而在濕度較低的情況下材料會釋放出部分水汽，從而表現(xiàn)出相應保濕的作用。從圖7可以看出，在1個大氣壓下，該凝膠材料可以吸附自身重量約30%±1.53%左右的水汽。而在低壓區(qū)，干凝膠顆粒對水汽的吸附性能較差，說明該材料在濕度較低的情況下能夠釋放出水汽，從而起到保濕作用。

2.5 殼聚糖/瓊脂糖雙組份干凝膠顆粒的熱重曲線

圖8 殼聚糖/瓊脂糖干凝膠顆粒熱重曲線Fig.8 Thermogravimetric curve of chitosan/ agarosexerogel granules

為了進一步明確殼聚糖/瓊脂糖雙組份干凝膠顆粒的保濕機理，對干凝膠顆粒（殼聚糖：瓊脂糖=3:1，濃度20%）進行了熱失重分析。結(jié)果表明，干凝膠顆粒在30～180 ℃時失重約16%±0.58%（見圖8）。這與干凝膠顆粒樣品中的水分及結(jié)合水等揮發(fā)性物質(zhì)的含量對應。結(jié)合水汽吸附實驗和熱重分析實驗，提出了干凝膠顆粒的保濕機理，即該材料在高濕度的條件下能夠吸附水汽從而保持較高的含水率，而在干燥環(huán)境下，水汽能夠持續(xù)釋放起到保濕的作用。這也為進一步將其應用于包裝食品的保濕奠定了基礎。

3 結(jié)論

本文制備了一類新型的殼聚糖/瓊脂糖雙組份水凝膠，將水凝膠冷凍干燥后得到干凝膠粉末，使用制粒技術(shù)將干凝膠制備成干凝膠顆粒。該干凝膠顆粒顯示出了較好的保濕效果。對凝膠材料進行詳細的表征，包括微觀相變溫度、流變力學性質(zhì)、樣貌分析（SEM、TEM）、水汽吸附、熱重分析等，提出了干凝膠顆粒保濕作用的可能機理：在濕度較大的環(huán)境下，干凝膠上富含的-OH，-NH2基團可以有效地吸附水分子，而凝膠具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，其三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效地鎖住水分；在高溫干燥環(huán)境下，凝膠材料所吸附的水分可以逐步釋放到環(huán)境中，從而起到持續(xù)、緩釋保濕效果，因此可以應用于包裝食品的保濕。