NaCl對(duì)吐溫20與海藻酸鈉相互作用的影響

白燕，宋爽，朱蓓薇，孫宏元，左文健2,，胡梅

1.大連工業(yè)大學(xué) 食品學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.海南省院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新中心，海南 三亞 572022；3.海南熱帶海洋學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，海南 三亞 572022

0 引言

海藻酸鈉是一種從褐藻中提取的聚電解質(zhì)，由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古羅糖醛酸通過(guò)1-4糖苷鍵連接而成。海藻酸鈉及其表面活性劑復(fù)合體系廣泛應(yīng)用于食品、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域[1-4]。F.Davarci等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在CaCl2溶液中加入吐溫20可增強(qiáng)海藻酸鈉溶液穿透CaCl2溶液表面的能力，有利于生成球形凝膠微球。J.Mirtic等[6]研究發(fā)現(xiàn)，利用表面活性劑氯化十六烷基吡啶作為海藻酸鹽的交聯(lián)劑制備穩(wěn)定的可用于溶解難溶性藥物(布洛芬)的復(fù)合納米粒子，該表面活性劑在低于其臨界膠束濃度(cmc)時(shí)可增加藥物的溶解度。亞甲基藍(lán)多存在于印染和紡織工業(yè)的廢水中，若直接排放對(duì)水生生物不利。N.U.Alamin等[7]研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑十二烷基硫酸鈉可提高活性炭-海藻酸鹽“珠子”對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附能力。

吐溫20(聚氧乙烯(20)失水山梨醇單月桂酸酯)是一種常用的非離子表面活性劑和食品添加劑，由疏水基和親水基組成，在水中不電離，不易受強(qiáng)電解質(zhì)無(wú)機(jī)鹽的影響，常用作制備精油類微膠囊的乳化劑[8]。海藻酸鈉也是常用的微膠囊壁材，并常與表面活性劑一起聯(lián)用[9-10]。微膠囊的制備一般在較高離子強(qiáng)度的溶液中進(jìn)行，溶液中較高的離子強(qiáng)度會(huì)壓縮海藻酸鈉這類聚電解質(zhì)鏈中帶電官能團(tuán)的雙電層，形成卷曲的鏈狀結(jié)構(gòu)，從而對(duì)微膠囊壁材的特性產(chǎn)生較大影響[11]?；诖?，本文擬通過(guò)測(cè)定表面張力、熒光光譜和黏度，研究吐溫20與海藻酸鈉的相互作用，并以強(qiáng)電解質(zhì)NaCl作為溶液的離子強(qiáng)度源，研究其離子強(qiáng)度對(duì)該相互作用的影響，以期為吐溫20與海藻酸鈉在微膠囊領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

海藻酸鈉(1%溶液黏度為550 mPa·s)，青島明月海藻集團(tuán)有限公司產(chǎn)；吐溫20，生工生物工程(上海)股份有限公司產(chǎn)；芘，美國(guó)Sigma公司產(chǎn)；NaCl，天津市福晨化學(xué)試劑廠產(chǎn)；甲醇，廣東化學(xué)試劑廠產(chǎn)。所有溶液均用三次水配制。

1.2 主要儀器與設(shè)備

ME104E型分析天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司產(chǎn)；duNouy環(huán)(半徑9.55 mm，鉑絲半徑0.3 mm)，承德鼎盛試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)設(shè)備有限公司產(chǎn)；DC3020型低溫恒溫槽，上海平軒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)；Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)，美國(guó)安捷倫科技公司產(chǎn)；烏氏黏度計(jì)(半徑0.6～0.8 mm),臺(tái)州市椒江區(qū)玻璃儀器廠產(chǎn)；76-1A型數(shù)顯玻璃恒溫水浴、S312-90型電動(dòng)恒速攪拌器，金壇市精達(dá)儀器制造有限公司產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 溶液的配制用三次水溶解吐溫20得到母液，采用稀釋法配制相應(yīng)濃度的吐溫20溶液；用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉溶液溶解吐溫20得到母液，采用稀釋法配制相應(yīng)濃度的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液；稱取一定量的NaCl固體溶解于一定濃度的海藻酸鈉溶液中，配制加鹽海藻酸鈉溶液，待用；稱取一定量的吐溫20，使用加鹽海藻酸鈉將其溶解作為母液，采用稀釋法配制相應(yīng)濃度的吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液。

1.3.2 表面張力的測(cè)定采用duNouy環(huán)測(cè)定吐溫20溶液、吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液及吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液的表面張力[12]，低溫恒溫槽的溫度設(shè)定為25oC，平行測(cè)定5次，結(jié)果取平均值。

1.3.3 熒光光譜的測(cè)定量取100 μL芘的甲醇溶液置于10 mL比色管中，利用N2吹干，分別加入10 mL吐溫20溶液、吐溫20-海藻酸鈉溶液和吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液，使芘在溶液中的濃度為10-6mol/L，超聲振蕩30 min，靜置2 h后測(cè)定其熒光光譜。激發(fā)波長(zhǎng)為335 nm[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液表面張力的影響分析

表面張力是表面(或界面)上作用力的變化，對(duì)水溶液來(lái)說(shuō)，水分子間的作用力較大，而其他分子在表面上的吸附會(huì)降低水的表面張力。海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響如圖1所示。由圖1可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，由于吐溫20分子在空氣-水表面上的吸附，當(dāng)吐溫20濃度較小時(shí)，吐溫20溶液的表面張力隨其濃度的增大快速下降；當(dāng)吐溫20濃度大于一定數(shù)值后，吐溫20分子在空氣-水表面上達(dá)到最大吸附量，其表面張力基本不再隨吐溫20濃度的增大而變化，且此時(shí)吐溫20分子在溶液中聚集成膠束。此轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為cmc，代表表面活性劑降低水的表面張力的效率；此時(shí)的表面張力稱為γcmc，代表表面活性劑降低水表面張力的能力[8]。測(cè)得吐溫20溶液的cmc為4.95×10-5mol/L，γcmc為37.26 mN/m。

圖1 海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響Fig.1 The effect of sodium alginate on the surface tension isotherms of Tween 20-sodium alginate complexes

加入海藻酸鈉后，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的表面張力在cmc之前高于不添加海藻酸鈉的吐溫20溶液，且海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，表面張力升高越多。這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c會(huì)形成疏水空腔結(jié)構(gòu)，吐溫20的疏水基進(jìn)入這些疏水空腔后可形成包結(jié)復(fù)合物。在陽(yáng)離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)與β-環(huán)糊精的相互作用中也存在類似的現(xiàn)象[15]。但當(dāng)吐溫20濃度超過(guò)6.96×10-5mol/L時(shí)，再增大其濃度，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的表面張力基本不變。此轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為表觀臨界膠束濃度(cmc*)，在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中，cmc*為6.96×10-5mol/L，γcmc*為38.43 mN/m；在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中，cmc*為8.30×10-5mol/L，γcmc*為38.38 mN/m。此時(shí)的γcmc*比不添加海藻酸鈉時(shí)的γcmc略高，可認(rèn)為存在海藻酸鈉且達(dá)到最大吸附量時(shí)，復(fù)合物分子參與了表面吸附。

根據(jù)cmc*-cmc=Rm海藻酸鈉，其中，R為吐溫20分子在海藻酸鈉上的包結(jié)計(jì)量系數(shù)/(mol·g-1)，m海藻酸鈉為海藻酸鈉的質(zhì)量濃度/(g·L-1)，可計(jì)算吐溫20在海藻酸鈉上的包結(jié)計(jì)量系數(shù)為3.61×10-5mol/g，即1 g海藻酸鈉上包結(jié)了3.61×10-5mol的吐溫20。此時(shí)，不同于β-環(huán)糊精因化學(xué)鍵形成固有疏水空腔，海藻酸鈉在溶液中是通過(guò)靜電作用和疏水作用形成疏水空腔的，且空腔的數(shù)量受海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。在海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%和0.10%時(shí)，吐溫20在海藻酸鈉上的包結(jié)計(jì)量系數(shù)分別為1.01×10-4mol/g和3.35×10-5mol/g，即低海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中結(jié)合的吐溫20相對(duì)較多，吐溫20分子更容易與低質(zhì)量分?jǐn)?shù)海藻酸鈉溶液中的海藻酸鈉分子結(jié)合形成復(fù)合物。這可能是因?yàn)榈唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，海藻酸鈉分子在溶液中的結(jié)構(gòu)較松散，有利于吐溫20分子與海藻酸鈉分子的疏水空腔結(jié)合。

2.2 NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液表面張力的影響分析

吐溫20是非離子表面活性劑，在水中不電離，不易受強(qiáng)電解質(zhì)的影響，但海藻酸鈉是陰離子多糖，可在水中電離出陰離子聚電解質(zhì)，易受電解質(zhì)的影響。圖 2為NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響。由圖2可以看出，加入濃度為0.10 mol/L的NaCl溶液后，在cmc*之前及相同的吐溫20濃度下，吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液表面張力比未添加NaCl的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液小;且其cmc*為5.41×10-5mol/L，γcmc*為38.25 mN/m，均低于吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，減少了疏水空腔的數(shù)量，吐溫20分子更多的是以疏水力結(jié)合在海藻酸鈉的疏水鏈段上，不利于吐溫20在疏水空腔中包結(jié)，且不利于吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物在空氣-水表面上的吸附。

圖2 NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液表面張力等溫線的影響Fig.2 The effect of NaCl on the surface tension isotherm of Tween 20-sodium alginate (0.02%)-NaCl complexes

2.3 海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液微極性的影響分析

熒光探針是研究表面活性劑與聚合物相互作用的一種簡(jiǎn)單而有效的技術(shù)[16]，與表面張力不同，熒光探針技術(shù)一般表征的是體相的性質(zhì)。芘探針常用來(lái)研究膠束體系的微極性，它的熒光光譜有5個(gè)峰，第1峰(373 nm)和第3峰(384 nm)強(qiáng)度的比值(I1/I3)可以表征芘分子所處環(huán)境的微極性，I1/I3越小，芘分子所處環(huán)境的微極性越小，因?yàn)檐欧肿颖旧硐鄬?duì)疏水，所以更易增溶在疏水性較大的環(huán)境中，即I1/I3較小的環(huán)境中。

圖3為海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液I1/I3的影響。由圖3可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，吐溫20溶液的I1/I3隨吐溫20濃度增大的變化情況分成3個(gè)階段。第一階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大基本沒(méi)有變化，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┰隗w相中沒(méi)有形成聚集體[14]，芘分子此時(shí)所處的位置還在水中；第二階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大快速下降，說(shuō)明此時(shí)芘分子所處環(huán)境的微極性下降，這可能是因?yàn)轶w系中的預(yù)膠束量隨著吐溫20濃度的增大而增多，芘分子增溶在較為疏水的預(yù)膠束中；第三階段，吐溫20濃度增大到一定程度時(shí)，芘分子所處環(huán)境的微極性基本不再隨吐溫20濃度的增大而變化，這時(shí)體系中已形成了膠束，芘分子增溶在膠束中，其微環(huán)境的疏水性基本不變。當(dāng)添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的海藻酸鈉時(shí)，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的I1/I3隨吐溫20濃度的變化基本與未添加海藻酸鈉的吐溫20溶液一樣。當(dāng)添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的海藻酸鈉時(shí)，吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的I1/I3隨吐溫20濃度的變化也分為3個(gè)階段。第一階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大依舊變化不大，但是相比未添加海藻酸鈉時(shí)略小，這可能是因?yàn)楹Ｔ逅徕c分子中有一些疏水空腔，能夠略微降低芘分子所處微環(huán)境的I1/I3，但相較吐溫20分子的預(yù)膠束及膠束，疏水性相對(duì)較??；第二階段，I1/I3隨著吐溫20濃度的增大快速下降，這可能是因?yàn)橥聹?0分子在預(yù)膠束階段結(jié)合到海藻酸鈉分子鏈上形成復(fù)合物，體系的I1/I3比單獨(dú)的吐溫20分子形成的聚合物低，即疏水性更大，但小于吐溫20膠束的疏水性；第三階段，I1/I3隨吐溫20濃度的增大變化較小，這時(shí)吐溫20分子在海藻酸鈉分子上的包結(jié)達(dá)到飽和，體系中出現(xiàn)了吐溫20分子聚集成的膠束，這說(shuō)明芘分子依舊是增溶在吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物中。吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)復(fù)合溶液的I1/I3與吐溫20-海藻酸鈉(0.10%)復(fù)合溶液不同，這可能是因?yàn)楫?dāng)海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)足夠大時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)適合芘分子包結(jié)的疏水空腔，進(jìn)而有利于形成吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物。

圖3 海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液I1/I3的影響Fig.3 The effect of sodium alginate on I1/I3 of Tween 20-sodium alginate complexes

I1/I3開始快速下降時(shí)的吐溫20濃度可以認(rèn)為是開始形成預(yù)膠束的濃度(cpc)。不添加海藻酸鈉的吐溫20溶液，cpc為2.01×10-5mol/L;添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%的海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，cpc為2.19×10-5mol/L，兩者數(shù)值較接近。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%的海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，cpc為1.46×10-5mol/L，小于不添加海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)吐溫20分子結(jié)合在海藻酸鈉分子上，在較低濃度時(shí)就可以形成較為疏水的微區(qū)。

2.4 NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液微極性的影響分析

NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液I1/I3的影響如圖 4所示。由圖4可以看出，加入濃度為0.10 mol/L的NaCl后，當(dāng)吐溫20濃度小于cpc時(shí)，吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3升高到1.60，這可能是因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，使其結(jié)構(gòu)變得更緊密，不利于芘分子直接在海藻酸鈉疏水空腔中包結(jié)，海藻酸鈉更多起到電解質(zhì)的作用，從而增大了芘分子所處環(huán)境的微極性。S.Kancharla等[17]研究了電解質(zhì)對(duì)陰離子型氟表面活性劑膠束的影響，發(fā)現(xiàn)加入NaCl會(huì)增大芘的I1/I3。隨著吐溫20濃度的增大，吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3逐漸降低，cpc為6.56×10-6mol/L，遠(yuǎn)低于不添加NaCl的復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，雖然不利于芘在海藻酸鈉空腔中的包結(jié)，但卻有利于吐溫20分子與海藻酸鈉鏈上疏水位點(diǎn)的結(jié)合，從而形成珠串型的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合物，而芘可能增溶在吐溫20與海藻酸鈉鏈上形成的“珠子”中。吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3下降到平臺(tái)期時(shí)，為1.28，高于不添加NaCl的復(fù)合溶液，這可能是因?yàn)檐旁鋈艿奈恢檬峭聹?0-海藻酸鈉復(fù)合物，而不是吐溫20的膠束。

圖4 NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉(0.02%)-NaCl復(fù)合溶液I1/I3的影響Fig.4 The effect of NaCl on I1/I3 of Tween 20-sodium alginate (0.02%)-NaCl complexes

2.5 海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液黏度的影響分析

黏度是大分子的重要特征，ηsp代表由于溶質(zhì)的存在而導(dǎo)致溶劑黏度的增量[18]。海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液ηsp的影響如圖5所示。由圖5可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，吐溫20溶液的ηsp遠(yuǎn)小于添加海藻酸鈉的吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的ηsp，且ηsp隨著吐溫20濃度的增大略有升高，這可能是因?yàn)橥聹?0的膠束增大了內(nèi)摩擦。當(dāng)添加海藻酸鈉時(shí)，復(fù)合溶液的ηsp大幅度提高，說(shuō)明海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)是復(fù)合溶液ηsp的決定因素。當(dāng)吐溫20濃度小于cmc*時(shí)，復(fù)合溶液的ηsp基本不隨吐溫20 濃度的變化而變化；當(dāng)吐溫20濃度大于cmc*時(shí)，復(fù)合溶液的ηsp都下降。這可能是因?yàn)橥聹?0分子奪取了一部分海藻酸鈉分子的水化水，導(dǎo)致海藻酸鈉分子鏈卷曲。

圖5 海藻酸鈉對(duì)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液ηsp的影響Fig.5 The effect of sodium alginate on ηsp of Tween 20-sodium alginate complexes

2.6 NaCl對(duì)吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液黏度的影響分析

NaCl(0.10 mol/L)對(duì)吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液黏度的影響如圖6所示。由圖6可以看出，未添加海藻酸鈉時(shí)，吐溫20溶液的ηsp隨著吐溫20濃度的增大在cmc后略有升高。當(dāng)復(fù)合溶液中添加海藻酸鈉時(shí)，因?yàn)镹aCl壓縮了海藻酸鈉的雙電層，降低了海藻酸鈉的團(tuán)簇尺寸，因此復(fù)合溶液的ηsp大幅下降，但仍高于只有吐溫20的體系，說(shuō)明海藻酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍是復(fù)合溶液ηsp的決定因素。隨著吐溫20濃度的增大，復(fù)合溶液的ηsp在cmc*之前基本不變，之后略微增大，這可能是因?yàn)橥聹?0分子結(jié)合在海藻酸鈉分子鏈上形成珠串結(jié)構(gòu)，在一定程度上增大了分子鏈的水動(dòng)力學(xué)半徑，從而增大了內(nèi)摩擦。

圖6 NaCl(0.10 mol/L)對(duì)吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液黏度的影響Fig.6 The effect of NaCl(0.10 mol/L)on ηsp of Tween 20-sodium alginate-NaCl complexes

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)表面張力、熒光光譜和黏度的測(cè)定，研究了吐溫20與海藻酸鈉在其混合體系中的相互作用，以及NaCl對(duì)該體系相互作用的影響,得到如下結(jié)論。

1)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的表面張力在cmc*之前高于未添加海藻酸鈉的溶液，且海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，表面張力升高越多。加入NaCl溶液后，在cmc*之前，吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液表面張力下降。

2)當(dāng)吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液中添加了較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.02%)的海藻酸鈉時(shí)，其I1/I3隨吐溫20濃度的變化與未添加海藻酸鈉的吐溫20溶液體系一樣；當(dāng)添加較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.10%)的海藻酸鈉時(shí)，其I1/I3下降。加入NaCl溶液后，在cpc之前，吐溫20-海藻酸鈉-NaCl復(fù)合溶液的I1/I3升高。

3)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)是吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液黏度的決定因素。吐溫20濃度大于cmc*時(shí)，可略微降低吐溫20-海藻酸鈉復(fù)合溶液的黏度；加入電解質(zhì)NaCl后，吐溫20達(dá)到一定濃度后，可略微升高復(fù)合溶液的黏度。

該研究將為理解吐溫20與海藻酸鈉的相互作用，及其在微膠囊領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。