單月桂酸甘油酯接枝改性阿拉伯膠及其乳化性能

謝燕萍，張修齊，蔡志祥，張洪斌*

（上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，流變學(xué)研究所，上海 200240）

阿拉伯膠（gum arabic，GA）來源于金合歡屬植物枝干所分泌的樹膠，其應(yīng)用歷史悠久，也是最早由美國食品及藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)用于食品的親水膠體之一[1-2]。GA功能多樣，作為天然的乳化劑、黏合劑、穩(wěn)定劑、成膜劑、懸浮劑以及水溶性膳食纖維，已被廣泛應(yīng)用于食品、日化、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域[3]。天然GA含有少量蛋白質(zhì)，是多組分高度支化的雜多糖，含有3 種主要組分，即阿拉伯半乳聚糖（arabinogalactan，AG）、阿拉伯半乳聚糖蛋白（arabinogalactan protein，AGP）和糖蛋白（glycoprotein，GP），3 種組分分別約占膠體總量的88%、10%和2%。其中AGP分子結(jié)構(gòu)為多個(gè)AG連接于多肽鏈上，具有“編花狀”結(jié)構(gòu)[4-5]，其疏水肽鏈和親水多糖鏈段使AGP具備兩親性，能夠吸附在油水界面形成界面膜，減小油水兩相間的界面張力。盡管AGP組分僅約占膠體總量的10%，但被認(rèn)為是賦予阿拉伯膠乳化特性的最重要組分[7-8]；高含量組分AG具有高度支化結(jié)構(gòu)，其主鏈由(1→3)糖苷鍵連接的β-D-吡喃半乳糖組成，側(cè)鏈主要為2～5 個(gè)經(jīng)(1→3)糖苷鍵連接的β-D-吡喃半乳糖，經(jīng)由(1→6)糖苷鍵連接于主鏈糖單元的C6位上。此外，AG的主鏈和側(cè)鏈上還含有阿拉伯糖、鼠李糖和葡萄糖醛酸單元[9-10]。

GA水溶性高、溶液黏度低、乳化性能好，且具有良好的耐酸性和熱穩(wěn)定性，是應(yīng)用最為廣泛的一種天然高分子食品乳化劑。然而實(shí)際使用中，通常需采用較高濃度（15%～25%）才能有效穩(wěn)定油水乳液[6,11-12]。此外，世界上大部分金合歡樹都生長在非洲薩赫勒地區(qū)，因此GA的供給也常受到該地區(qū)氣候、經(jīng)濟(jì)和政策的影響。為滿足工業(yè)上對提高GA乳化性能的更高需求，已有研究從不同角度開展了通過改性增強(qiáng)GA乳化特性的工作，如采用辛烯基琥珀酸酐[12-14]、十二烯基琥珀酸酐[15]改性GA提高其乳化性能。

單月桂酸甘油酯（glyceryl monolaurate，GML）分子結(jié)構(gòu)中含有親水的羥基和親油的脂肪酸鏈，是一類親脂性的非離子型表面活性劑，1977年即被美國FDA批準(zhǔn)為“一般認(rèn)為安全類”食品添加劑，我國也于2005批準(zhǔn)其用于食品[16]。由于GML本身具有良好的乳化性能，且有防腐、抑菌功能，能夠抑制多種原生動(dòng)物和病毒，故常被作為乳化劑或抑菌劑添加于食品、化妝品以及日用品中[17]。但水溶性差的不足在很大程度上限制了GML的更廣泛應(yīng)用。

本研究采用GML作為疏水組分經(jīng)酯化反應(yīng)接枝于GA分子上以提高GA的乳化性能，研究不同GML取代程度對GA乳化性的影響，并探討改性產(chǎn)物乳化作用提高的機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

阿拉伯膠（RE-PCO281A） 英國Agrigum International公司；GM、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽（1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride，EDC） 日本TCI公司；4-二甲氨基吡啶（4-dimethylaminopyridine，DMAP） 國藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司；大豆油 益海嘉里公司；尼羅紅 上海薩恩化學(xué)技術(shù)公司；二甲基亞砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）、無水乙醇均為國產(chǎn)分析純試劑。

1.2 儀器與設(shè)備

HAAKE MARS III旋轉(zhuǎn)流變儀 美國賽默飛世爾科技公司；T25（S25N-10G）數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī) 德國IKA公司；LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀 德國LUM. GmbH公司；Zetasizer Nano-ZS90粒徑分析儀 英國Malvern儀器公司；MZ3004磁力攪拌器 上海志威電器有限公司；Leica TCS SP8激光共聚焦顯微鏡 德國萊卡公司；FA1004精密電子天平 上海天平儀器公司；Simplicity超純水系統(tǒng) 彤迪科學(xué)儀器（上海）有限公司；SZ-93A自動(dòng)雙重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠；LGJ-10型冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 接枝改性產(chǎn)物GML-GA的制備

精確稱取2.0 g GA溶于混合溶劑（水-DMSO，4∶6，V/V）中，室溫?cái)嚢柚镣耆芙猓浑S后加入340 mg EDC和215 mg DMAP作為催化劑，攪拌1 h活化羧基；根據(jù)不同投料比（GML/GA為5%、10%、20%，m/m）分別稱取適量GML加入上述GA溶液，35 ℃反應(yīng)24 h；所得反應(yīng)液用DMSO透析24 h，再用去離子水透析4 d；最后冷凍干燥，制備得到3 種不同投料比的改性產(chǎn)物（GML-GA），分別記為GML5%-GA、GML10%-GA和GML20%-GA。

1.3.2 傅里葉變換紅外光譜表征

采用定量稱量溴化鉀壓片法，將上述3 種改性物分別與溴化鉀粉末以1∶100的質(zhì)量比加入研缽后進(jìn)行研磨后壓片。采用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測試，掃描波數(shù)范圍為4 000～500 cm-1。

1.3.3 多糖溶液和大豆油乳液制備

分別稱取適量GA和改性物GML5%-GA、GML10%-GA以及GML20%-GA加入超純水中，攪拌至完全溶解，配制質(zhì)量濃度分別為0.005、0.015、0.03 g/mL的溶液，配制中還加入了適量疊氮化鈉（0.005%）作為抑菌劑；將適量大豆油加入上述GA和GML-GA的溶液中，用高速剪切均質(zhì)機(jī)在15 000 r/min均質(zhì)20 min，制備5%的水包油乳液。

1.3.4 表觀黏度測定

采用Haake控制應(yīng)力型旋轉(zhuǎn)流變儀對改性GML-GA和未改性GA的溶液表觀黏度進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)測試夾具為直徑60 mm的平行板，板間隙0.5 mm，測試溫度為25 ℃。上樣后，樣品暴露外圍用輕質(zhì)硅油封樣以防止水分揮發(fā)，靜置5 min后開始測試，剪切速率范圍為10～1 000 s-1。

1.3.5 乳液物理穩(wěn)定性測試

采用穩(wěn)定性分析儀LUMiSizer對新鮮大豆油乳液的物理穩(wěn)定性進(jìn)行測試。測試參數(shù)為：光源865 nm，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，溫度25 ℃，取線時(shí)間間隔30 s，測試時(shí)間1 h。

1.3.6 乳液粒徑、Zeta電位測試

將新鮮制備好的大豆油乳液用超純水稀釋100 倍后，通過Zetasizer Nano-ZS90粒徑分析儀測試乳液中液滴的粒徑、Zeta電位。測試溫度為25 ℃。每個(gè)樣品平行測3 次取平均值。

1.3.7 激光共聚焦顯微鏡觀察

采用激光共聚焦顯微鏡觀察大豆油乳液的液滴形貌。首先配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的尼羅紅-乙醇溶液，取適量該尼羅紅染料對乳液染色后，再取約2 μL乳液滴加在載玻片上，然后蓋上蓋玻片，選擇40 倍物鏡觀察液滴形貌并采集圖像。尼羅紅的激發(fā)波長為488 nm，發(fā)射波長為580 nm。

2 結(jié)果與分析

2.1 GML-GA的紅外光譜表征

圖1 未改性和改性阿拉伯膠（GA, GML5%-GA, GML10%-GA,GML20%-GA）的傅里葉變換紅外光譜圖Fig. 1 FTIR spectra of native and grafted gum arabic (GA,GML5%-GA, GML10%-GA, and GML20%-GA)

對GA及改性GA的結(jié)構(gòu)采用傅里葉變換紅外光譜進(jìn)行表征。圖1中，3 426 cm-1處的寬吸收峰為—OH的伸縮振動(dòng)峰[18]，2 925 cm-1處為C-H鍵的伸縮振動(dòng)峰[19-20]，1 630 cm-1和1 420 cm-1兩處吸收峰分別為羧基上C＝O鍵的不對稱伸縮振動(dòng)和對稱伸縮振動(dòng)峰[21]，1 040 cm-1處為C—O鍵的伸縮振動(dòng)[22]。對比GA，改性后的GML-GA在1 730 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸收峰。該特征峰為改性反應(yīng)生成的酯羰基的不對稱伸縮振動(dòng)峰[18,23]，表明GML被成功地通過酯化反應(yīng)接枝于GA分子上。此外，隨著GML/GA投料比的增加，該峰強(qiáng)度也依次增強(qiáng)（GML20%-GA＞GML10%-GA＞GML5%-GA）。顯然，隨著投料比的增加，產(chǎn)物的GML取代程度增加。

本研究采用EDC/DMAP催化酯化反應(yīng)。DMAP的作用主要是活化羧基，而EDC主要起到縮水劑的作用。EDC/DMAP活化羧基不具有選擇性，因此EDC/DMAP可以同時(shí)活化AG和AGP上的羧基，最終GML的羥基在EDC/DMAP催化下可以同時(shí)與AG和AGP上的羧基發(fā)生酯化反應(yīng)。盡管難以區(qū)分GML主要接枝于GA中的AG組分還是AGP組分分子上，但由于體系中AG組分含量（約占阿拉伯膠體總量的88%）遠(yuǎn)大于AGP含量（約占阿拉伯膠體總量的10%），因此，GML應(yīng)主要接枝于AG組分上。

2.2 水溶液流變行為分析

對多糖的疏水改性往往會(huì)影響其水溶液流變性質(zhì)，例如對透明質(zhì)酸[24]和果膠[25]的烷基化改性可使其流變學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。對于GA，引入辛烯基琥珀酸酐改性會(huì)導(dǎo)致其水溶液的表觀黏度上升[12]。由于乳化劑水溶液的剪切流變行為可反映相應(yīng)乳液體系的流變性質(zhì)[26]，因此考察不同質(zhì)量濃度（0.005、0.01、0.015 g/mL）條件下，GA和GML-GA乳化劑水溶液的流動(dòng)行為。測試發(fā)現(xiàn)，改性前后GA溶液均表現(xiàn)出牛頓流體性質(zhì)，且相同質(zhì)量濃度下不同投料比制備GML-GA與GA溶液的流動(dòng)曲線幾乎重合（圖2a～c）。該結(jié)果表明，接枝GML后的GA與未改性GA溶液的流變性質(zhì)相同。由于接枝改性并不改變GA分子結(jié)構(gòu)高度支化的特點(diǎn)，而高度支化的分子鏈不易發(fā)生纏結(jié)，因而低質(zhì)量濃度下溶液黏度很低且呈牛頓流體行為[27]；而當(dāng)多糖質(zhì)量濃度增大時(shí)，由于分子間相互作用增強(qiáng)，致使溶液表觀黏度有所上升（圖2d）。

乳液體系的黏度是決定其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。乳液體系黏度的增加可使液滴自由運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力增大，從而有效減緩凝聚或聚集等不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生[28]。但另一方面，由于高黏度也會(huì)遲滯乳化劑分子的運(yùn)動(dòng)，在乳液制備或破乳時(shí)影響其在界面的富集和乳化膜形成動(dòng)力學(xué)，從而削弱乳化作用。在需要具有乳化膜形成快速動(dòng)力學(xué)和乳液體系低黏度的情況下，本研究所得GMLGA能體現(xiàn)出與GA相同的優(yōu)勢。

圖2 未改性和改性阿拉伯膠溶液的表觀黏度隨剪切速率和質(zhì)量濃度的變化（25 ℃）Fig. 2 Shear rate and concentration dependence of apparent viscosity of native and grafted gum arabic aqueous solutions at different concentrations (25 ℃)

2.3 乳液穩(wěn)定性分析

圖3 不同質(zhì)量濃度未改性和改性阿拉伯膠制備的5%大豆油乳液的LUMiSizer透射曲線演化圖（25 ℃）Fig. 3 Temporal evolution of transmission profiles of soybean oil emulsions stabilized by native and grafted gum arabic at different concentrations and 25 ℃

表1 不同質(zhì)量濃度下未改性和改性阿拉伯膠制備的大豆油乳液的不穩(wěn)定指數(shù)Table 1 Instability index of 5% soybean oil emulsions stabilized by native and grafted gum arabicat different concentrations (25 ℃)

由圖3可知，對于乳化劑質(zhì)量濃度僅為0.005 g/mL的GA和GML5%-GA、GML10%-GA、GML20%-GA 4 組乳液樣品，隨著離心時(shí)間的延長，樣品池的透過率迅速增加，測試1 h后的最終透過率達(dá)90%。乳液的不穩(wěn)定指數(shù)值均大于0.9（表1）。這說明添加質(zhì)量濃度很低時(shí)，4 組乳液樣品的穩(wěn)定性均較差，不能反映各乳化劑乳化性能的高低；當(dāng)乳化劑質(zhì)量濃度增加至0.015 g/mL時(shí)，GA組和GML5%-GA組乳液的不穩(wěn)定指數(shù)略微減小，分別為0.808和0.805，而GML10%-GA組和GML20%-GA組乳液的不穩(wěn)定指數(shù)降低至0.735和0.773，其透過率曲線隨著離心時(shí)間延長逐漸發(fā)生變化，樣品池底部的透過率逐漸增加，而樣品池頂部的透過率逐漸遞減。這是因?yàn)槿橐褐械挠偷伟l(fā)生聚集，油滴密度低而向上移動(dòng)，樣品池底部水相逐漸澄清，因此透過率逐漸增加。而當(dāng)質(zhì)量濃度繼續(xù)增大至0.03 g/mL時(shí)，GA和GML5%-GA、GML10%-GA、GML20%-GA 4 組乳液樣品的不穩(wěn)定指數(shù)依次降低至0.798、0.778、0.437、0.484。相比未改性GA，投料比為10%和20%的改性GA的乳液不穩(wěn)定指數(shù)大幅減小，乳化穩(wěn)定性顯著提高?？梢?，GML對GA疏水改性有效地調(diào)節(jié)了GA的兩親性，進(jìn)而提高了其乳化能力。當(dāng)GML投料5%時(shí)（輕度改性GA），所制備乳液的穩(wěn)定性僅略有提高；當(dāng)投料比增加至10%時(shí)，改性GA的乳化穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；然而當(dāng)投料比繼續(xù)增大至20%，GML20%-GA組乳液的不穩(wěn)定指數(shù)相比GML10%-GA組略微增加，這可能歸因于改性程度較大，使GA分子中疏水組分含量過多，反而導(dǎo)致乳化穩(wěn)定作用有所減弱。本研究的5%、10%、20% 3 個(gè)投料比中，最佳投料比為10%。

2.4 乳液的粒徑、Zeta電位分析

油水體系在均質(zhì)作用下主要發(fā)生以下3 個(gè)過程：1）油相被破碎形成小液滴；2）乳化劑吸附在新形成的油滴表面，疏水鏈段伸入油相，親水端伸入連續(xù)相；3）液滴相遇時(shí)，乳化劑分子通過靜電排斥或空間位阻作用阻止液滴聚集[29-30]。均質(zhì)后乳液中液滴粒徑尺寸是評(píng)價(jià)乳化劑乳化性能的重要參數(shù)，而Zeta電位則反映了相鄰液滴雙電層之間靜電排斥效應(yīng)對體系穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。

表2 不同質(zhì)量濃度未改性和改性阿拉伯膠制備的大豆油乳液的平均粒徑、Zeta電位Table 2 Droplet size and zeta-potential of 5% soybean oil emulsions stabilized by native and grafted gum arabic at different concentrations

圖4 未改性和改性阿拉伯膠制備的0.015 g/mL大豆油乳液的粒徑分布圖Fig. 4 Particle size distribution of soybean oil emulsions stabilized by native and grafted gum arabic at a concentration of 0.015 g/mL

如表2所示，一方面，乳液中液滴的平均粒徑與添加的乳化劑濃度呈負(fù)相關(guān)，即隨著乳化劑濃度增加，液滴粒徑降低，如對于GML10%-GA，粒徑由添加量為0.005 g/mL時(shí)的2 205 nm大幅下降到0.03 g/mL時(shí)的1 070 nm；另一方面，在乳化劑添加量一定時(shí)，粒徑隨GA改性程度增大而減小。以乳化劑添加質(zhì)量濃度0.015 g/mL為例，由添加未改性GA和輕度改性GML5%-GA時(shí)的2 779 nm，降至添加GML10%-GA和GML20%-GA時(shí)的約2 000 nm。液滴粒徑的減小明顯反映出改性乳化劑較高的乳化能力。其中GML20%-GA組乳液的粒徑略高于GML10%-GA，這是因?yàn)槭杷男猿潭雀邥r(shí)，改性分子之間疏水作用增強(qiáng)，反而不利于乳化劑分子擴(kuò)散并吸附在油/水界面，從而導(dǎo)致液滴平均粒徑的增大。如圖4所示，改性后的液滴粒徑呈雙峰分布的趨勢更明顯。這可能由于改性引入的疏水鏈段主要接枝在AG上，賦予了原本沒有乳化作用的AG組分界面活性，使得乳滴可能由不同組分穩(wěn)定，形成了明顯的雙峰粒徑分布。

Zeta電位反映乳液中顆粒表面的帶電性質(zhì)。一般而言，Zeta電位絕對值越高，顆粒間靜電作用越強(qiáng)，液滴間抗凝聚和聚集能力越強(qiáng)[31]。由表2可知，所有樣品的Zeta電位均為負(fù)值且隨質(zhì)量濃度增加而絕對值增大。這是由于GA結(jié)構(gòu)中含有羧酸根帶電基團(tuán)，Zeta電位的絕對值與乳化劑質(zhì)量濃度成正相關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性后阿拉伯膠的Zeta電位絕對值有所減小。這是由于GML與GA酯化反應(yīng)消耗了GA分子上的羧基，因此液滴表面所帶電荷減少。影響乳液穩(wěn)定性的因素多而復(fù)雜，如液滴大小、Zeta電位、連續(xù)相黏度及吸附膜強(qiáng)度等。本研究中，添加改性GA乳液的Zeta電位絕對值仍較高，介于20～30 mV，特別是對于GML10%-GA乳化的體系，其Zeta電位絕對值可達(dá)約30 mV，因此液滴間靜電排斥作用仍較強(qiáng)。

2.5 共聚焦顯微鏡觀察結(jié)果

利用尼羅紅對脂類及蛋白質(zhì)類物質(zhì)染色，通過熒光標(biāo)記脂類和蛋白，可采用激光共聚焦顯微鏡更直觀地觀察乳液中油滴的尺寸和分散情況[32-33]。如圖5所示，相同條件下，未改性天然GA制備的乳液中液滴平均粒徑較大，其中部分液滴還容易發(fā)生聚集而形成大液滴，而改性后GML-GA乳化劑制備的乳液油滴粒徑明顯變小，特別是對于GML10%-GA乳化的乳液體系，液滴粒徑最小且分散更均勻。共聚焦熒光顯微鏡觀察的乳液液滴尺寸，與表2中測量所得粒徑結(jié)果相吻合，均表明GML改性能夠明顯提高GA的乳化效果。顯微觀察中的液滴粒徑大小分布，也印證了上述粒徑測試的多分散性（圖4），可能是因?yàn)楦男院笫沟迷葲]有乳化效果的AG組分也具有界面活性，不同乳化活性組分在乳化過程中形成了粒徑不同的液滴。該結(jié)果還預(yù)示著AGP組分與改性AG組分的乳化作用有所不同。

圖5 質(zhì)量濃度為0.015 g/mL的未改性和改性阿拉伯膠制備的大豆油乳液的共聚焦顯微鏡圖像Fig. 5 Representative confocal laser microscopy images of soybean oil emulsions stabilized by native and grafted gum arabic at a concentration of 0.015 g/mL

乳液粒徑的減小和乳液穩(wěn)定性的增強(qiáng)反映出改性后GA乳化作用的提高。阿拉伯膠中的羧基主要源于葡萄糖醛酸，而葡萄糖醛酸主要以側(cè)基的形式連接在半乳糖主鏈上[3]。由于阿拉伯膠中AG組分質(zhì)量占比高達(dá)88%，因此可以認(rèn)為阿拉伯膠中的羧基主要由AG組分提供。由于本研究涉及的改性反應(yīng)為阿拉伯膠上的羧基與GML上的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，故認(rèn)為GML主要接枝在AG上。本研究認(rèn)為改性后乳化作用的提高可能主要得益于接枝改性使得原本對乳化作用無貢獻(xiàn)但質(zhì)量占比很高的AG組分得以被充分利用。因而，改性后的GA中存在了2 種有乳化作用的組分，即改性AG和AGP。盡管可能部分AGP也被接枝，但考慮到其質(zhì)量占比較小，只可能少部分AGP發(fā)生酯化反應(yīng)。因此，改性后GA乳化能力的提高主要來源于改性的AG。

3 結(jié) 論

對比天然GA，通過接枝改性引入GML，總體上增加了高水溶性GA分子的疏水性。接枝反應(yīng)可能主要發(fā)生于GA中的AG組分和GML之間，使得原本對乳化作用貢獻(xiàn)很小但占比很大的AG組分成為兩親性分子，從而顯著提高GA乳化劑的水油界面活性。在本實(shí)驗(yàn)研究的3 個(gè)投料比中，GML10%-GA乳化制備的大豆油乳液呈現(xiàn)出最小的液滴尺寸和最佳物理穩(wěn)定性。水溶液流變性質(zhì)還顯示，接枝GML分子并未改變GA牛頓流體的流變特性。接枝改性不僅能顯著提高GA的乳化性能和乳液穩(wěn)定性，同時(shí)還賦予了阿拉伯膠GML所具有的防腐、抑菌特性。GMLGA乳化劑在需要低添加量、低黏度、長周期穩(wěn)定性的乳液領(lǐng)域具有潛在的積極應(yīng)用價(jià)值。