海藻酸鈉與κ-卡拉膠復(fù)配膠體的流變特性研究

◎ 陳麗葉，許仁杰，林艷秋，王藝偉，宋洪波

（1.福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，福建 福州 350015;2.中央儲備糧長樂直屬庫有限公司，福建 福州 350217；3.福建農(nóng)林大學 食品科學學院，福建 福州 350002)

蛋白質(zhì)、酶、益生菌以及其他食品活性成分很容易遭受人體胃的高酸性環(huán)境和胃蛋白酶的破壞而降低或失去生物學活性，無法順利在腸道特定部位吸收，大大降低其功效。固定化酶、凝膠微球、微膠囊等包埋技術(shù)不僅能有效地保護活性物質(zhì)的生物學活性，且能在胃腸道的特定部位實現(xiàn)靶向釋放[1-4]。海藻酸鈉和卡拉膠均為聚陰離子多糖，分別具有可電離的弱酸性基團羧基和硫酸基，在pH從低到高的環(huán)境中，溶脹率越來越大。由于其本身黏性、膠凝性及溶脹性等特性有利于活性物質(zhì)長時間保留在膠基載體中，達到緩釋效果，使其被廣泛應(yīng)用在固定化酶、微膠囊上作為載體。研究固定化酶、凝膠微球、微膠囊等包埋技術(shù)的制備工藝、過胃保護及釋放特性，首先需要研究載體所形成膠液的流變性。

流變性（如流動曲線、觸變性、動態(tài)黏彈性等）會直接影響凝膠微球、微膠囊等的制備及感官品質(zhì)。流動曲線，即剪切速率-黏度的關(guān)系曲線，是膠體品質(zhì)的判定依據(jù)，許多加工處理過程（如提取、過濾、擠壓和純化等）均涉及液體流動，或者是在產(chǎn)品加工處理過程（如巴氏殺菌、蒸發(fā)、干燥和無菌處理等）都會涉及流動條件的分析；觸變性，即剪切速率-剪切應(yīng)力的關(guān)系，反映膠體在攪拌之后的穩(wěn)定性；動態(tài)黏彈性的研究，能反映樣品的物理結(jié)構(gòu)、化學組成、能量損耗以及溶膠與凝膠的轉(zhuǎn)變[5]?？梢?，研究膠體流變特性對其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要的意義。

本文主要研究海藻酸鈉和κ-卡拉膠復(fù)配比例對形成的復(fù)配膠體流變特性的影響規(guī)律，為其在緩釋微球（或微膠囊）、固定化酶等方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

κ-卡拉膠（純度≥99.5%）、海藻酸鈉（純度≥99.5%），北京索萊寶科技有限公司。

RH digital磁力攪拌器，德國IKA公司；MCR301流變儀，奧地利安東帕有限公司；KQ5200DE超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 膠體的配制

稱取一定質(zhì)量的海藻酸鈉、κ-卡拉膠（精確到0.001 g）分散到蒸餾水中，80 ℃水浴30 min，使其完全溶解；室溫下采用磁力攪拌器以1 000 r·min-1攪拌30 min使之混合均勻；超聲脫氣15 min，制得復(fù)配膠體。

1.2.2 流變特性的測定

采用MCR301流變儀，選取直徑50 mm的平板測量系統(tǒng)，探頭與面板間距均設(shè)置為1 mm。

（1）流動曲線。在25 ℃下，剪切速率掃描范圍在0.1～150.0 s-1下，測定復(fù)配膠體樣品的表觀黏度。記錄其黏度η（mPa·s）與剪切速率γ（s-1）的關(guān)系。

（2）觸變性。在25 ℃下，剪切速率先從0.1 s-1增加到600 s-1，隨即以同樣的變化速率從600 s-1下降0.1 s-1，記錄整個過程的剪切應(yīng)力變化情況，升速階段采用Herschel-Bulkley模型（式1）進行回歸擬合[6]。

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；k為黏稠系數(shù)，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為流動行為指數(shù)，0＜n≤1，無量綱。

（3）動態(tài)黏彈性的測定。頻率掃描：在25 ℃，應(yīng)力為0.5%條件下，以角頻率范圍為0.1～100 rad·s-1進行逐點掃描，測定復(fù)配膠的貯藏模量G′和損耗模量G′隨振蕩頻率的變化規(guī)律。溫度掃描：參照文獻[7]，將樣品放入己預(yù)熱至55 ℃的MCR301流變儀的樣品臺上，冷卻至0 ℃，蓋上蓋板，并用硅油密封，平衡5 min。從0 ℃以5 ℃·min-1的速度升至80 ℃后，平衡5 min后再以5 ℃·min-1的速度從80 ℃降到0 ℃，在頻率為10 rad·s-1、應(yīng)變?yōu)?.5%的條件下，進行逐點掃描，測定升溫和降溫過程中G′和G′的變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

繪圖采用Origon 9.0軟件。各處理間的差異分析采用Duncan新復(fù)極差法。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸鈉-卡拉膠復(fù)配膠體的流動曲線

圖1是不同海藻酸鈉和κ-卡拉膠配比的膠體（復(fù)配膠總濃度為2.0%）在25 ℃下剪切速率與黏度的關(guān)系。如圖1所示，膠體黏度隨著剪切速率的增大而減小，具有剪切稀化特征，表明復(fù)配膠體屬于假塑型流體，可能與海藻酸鈉和κ-卡拉膠分子鏈在溶液里的解糾纏、拉伸及其重新排列造成結(jié)構(gòu)崩坍的多重作用有關(guān)[8-9]。在相同剪切速率下，隨著組分κ-卡拉膠所占比例的加大，黏度先減小后增大。BEL??AKCVITANOVI?等[10]在研究各種復(fù)配膠體的黏度時，結(jié)果顯示2%海藻酸鈉的黏度大于2%復(fù)配膠（海藻酸鈉∶κ-卡拉膠=8∶2）的黏度，與本文研究結(jié)果一致；通常適量添加一種物質(zhì)，會使另一種聚合物黏度適當降低[11-12]。而后隨著組分κ-卡拉膠所占比例的繼續(xù)加大，可能由于組分海藻酸鈉與κ-卡拉膠發(fā)生協(xié)同作用，導致表觀黏度顯著增大。

圖1 海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比對膠體表觀黏度的影響圖

2.2 海藻酸鈉-卡拉膠復(fù)配膠體的觸變性

圖2是不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比的膠體（復(fù)配膠總濃度為2.0%）在25 ℃下剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系。由于在2.0%復(fù)配膠濃度，海藻酸鈉∶κ-卡拉膠配比為2∶8時，膠體在室溫下逐漸凝膠，在高剪切速率下，凝膠會隨剪切速率的加快而從探頭中滑出，導致所形成的點較為雜亂，因此不討論。觸變環(huán)的面積是指物料從低速率至高速率剪切，再從高速率至低速率剪切后，剪切應(yīng)力-剪切速率曲線出現(xiàn)的環(huán)形空白面積，反映觸變性的大小[13]。如圖2所示，在不同復(fù)配比條件下，增速和減速兩個過程所得的剪切應(yīng)力幾乎重合，觸變環(huán)的面積很小，表明膠體經(jīng)過外力作用后，其黏度變化不大，且在外力撤出后，會很快恢復(fù)到未經(jīng)力作用的狀態(tài)，反映膠體較小的觸變性[14]。觸變性越小越有利于食品加工制作過程中的保型[15]。

圖2 海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比對膠體剪切應(yīng)力的影響圖

采用Herschel-Bulkley方程對圖2中的曲線進行擬合，所得擬合參數(shù)如表1所示。決定系數(shù)R2均大于0.99，說明曲線和方程的擬合效果好，具有一定的指導意義。k值則隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大先減小后增大，即膠體表觀黏度隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。n均小于1，即復(fù)配膠體均為假塑型流體；n值隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大逐漸變小，表明膠體越來越偏離牛頓型流體[16]。

表1 不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下膠體的Herschel-Bulkley方程擬合參數(shù)表

2.3 海藻酸鈉-卡拉膠復(fù)配膠體的動態(tài)黏彈性

2.3.1 振蕩頻率對復(fù)配膠體動態(tài)黏彈性的影響

圖3（a）是在25 ℃時，復(fù)配膠總濃度為2.0%，不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下，膠體的儲能模量（G′）和耗損模量（G′）與角頻率（ω）的關(guān)系。G′和G′隨著ω的增大而增大。海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為10∶0、8∶2、5∶5時，G′明顯大于G′，隨著角頻率的增大，兩個模量大小越來越接近，這表明體系黏彈性行為以黏性為主[17]。海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為2∶8和0∶10時，G′和G′之間有一個交點，此時的復(fù)配膠體屬于高分子纏結(jié)溶液。在低頻區(qū)，G′＞G′，表明體系以黏性為主，呈類似液體的溶膠狀態(tài)；隨著角頻率的繼續(xù)增大，出現(xiàn)交點，表明體系從溶膠向弱凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變；同時交點隨著κ-卡拉膠所占比例的增大向低頻區(qū)移動，這可能與溶膠內(nèi)耗增加，彈性對溶膠的貢獻變大有關(guān)[18]；超過交點后，G′′＜G′，表明體系以彈性為主，由于無足夠時間解糾纏，從而呈類似固體的弱凝膠狀態(tài)[19]。

另外，由圖3（a）可以看出，隨著κ-卡拉膠所占比例的增大，G′和G′均呈先減小后逐漸增大的趨勢，在海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2時最小。這說明在8∶2時，復(fù)配膠的黏彈性最??；隨著κ-卡拉膠所占比重的增多，體系逐漸與κ-卡拉膠的凝膠性質(zhì)類似，所以黏彈性均增大。

圖3（b）是在25 ℃時，不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下，膠體的復(fù)數(shù)黏度與角頻率（ω）的關(guān)系。由圖可知，海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為10∶0、8∶2、5∶5時，僅在高頻區(qū)時，復(fù)數(shù)黏度才對角頻率有稍微依賴性，隨著角頻率的增大而減?。缓Ｔ逅徕c/κ-卡拉膠配比為2∶8和0∶10時，在測試頻率范圍內(nèi)，復(fù)數(shù)黏度均隨著角頻率的增大而減小，這也證明了其剪切稀化特性。另外，隨著κ-卡拉膠所占比例的增大，復(fù)數(shù)黏度對角頻率的依賴性越來越強，且呈先稍微減小后逐漸增大的趨勢，在海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2時最小，這也與2.1所測定的表觀黏度結(jié)果相符。分別對海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為10∶0、8∶2、5∶5、2∶8和0∶10的復(fù)數(shù)黏度和角頻率曲線進行線性擬合，得到斜率分別為-0.062±0.010、-0.071±0.011、-0.12±0.013、-0.39±0.017 和 -0.71±0.004；MORRIS等[20]提出當其斜率接近-0.76時，多糖體系已為“弱凝膠”狀態(tài)，0.71小于0.76，因此通過其斜率可進一步證明復(fù)配膠體系為高分子纏結(jié)溶液，且隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大，則越接近“弱凝膠”。

圖3 在不同海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比下動態(tài)振蕩頻率掃描測試曲線圖

2.3.2 溫度對復(fù)配膠體動態(tài)黏彈性的影響

圖4（a）和（b）分別表示在復(fù)配膠總濃度為2.5%、海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2下，復(fù)配膠體在升溫和冷卻過程中G′和G′的變化情況。

由圖4（a）可知，G′和G′隨著溫度的升高而逐漸降低，這是由于溫度的升高使分子間和分子內(nèi)氫鍵斷裂，造成G′減小[21]；使聚合物被破壞而熔化，導致G′減小，所形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)逐漸改變構(gòu)象最終變成無規(guī)則線圈[22]。當溫度為22 ℃左右，出現(xiàn)交點，所對應(yīng)的溫度則為熔化溫度，體系開始從凝膠向溶膠轉(zhuǎn)變。隨著溫度的繼續(xù)升高，G′始終小于G′，說明體系已變?yōu)榈湫偷酿椥匀芤骸?/p>

由圖4（b）可知，在降溫過程中，G′和G′均逐漸增大，G′上升速率比G′快，但G′＜G′，表明體系仍以黏性為主，呈溶膠狀態(tài)。當溫度在15 ℃左右時，G′和G′發(fā)生迅速升高，直到出現(xiàn)交點，交點所對應(yīng)的溫度為凝膠溫度，表明體系開始以彈性為主，逐漸由溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變[20]。之后隨著溫度的繼續(xù)降低，G′始終大于G′，表明復(fù)配膠三維結(jié)構(gòu)的存在[23]。

圖4 膠體溫度與儲能模量（G′）和耗損模型（G′）的相關(guān)性圖

表2是復(fù)配膠總濃度為2.0%，在不同海藻酸鈉和κ-卡拉膠配比下，復(fù)配膠體的凝膠溫度和熔化溫度。由表2可知，單純的海藻酸鈉沒有凝膠溫度和熔化溫度，表明在0～80 ℃，海藻酸鈉本身沒有任何的物理狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，仍然保持其溶膠的形式，這與SOUKOULIS等[24]的研究結(jié)果一致。隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大，凝膠溫度和熔化溫度均呈逐漸增大的趨勢。這是因為隨著組分κ-卡拉膠所占比重的增大，κ-卡拉膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)分子間氫鍵增多，有利于形成更多的雙螺旋結(jié)構(gòu)，使其在較高溫度下仍具有較強的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時結(jié)構(gòu)瓦解也要更高溫度，因而造成其凝膠溫度和熔化溫度的升高[7]。綜上，在形成凝膠的過程中，海藻酸鈉與卡拉膠復(fù)配是以卡拉膠作為骨架，海藻酸鈉只是起到填充骨架的作用。

表2 海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比對膠體的凝膠溫度和熔化溫度影響表

復(fù)配膠體的熔化溫度均高于凝膠溫度，表明體系在相轉(zhuǎn)變過程中具有溫度上的滯后性。這是因為從溶膠向凝膠轉(zhuǎn)變是一個自發(fā)降溫的放熱過程，而從凝膠向溶膠轉(zhuǎn)變則需要外界加溫的非自發(fā)吸熱過程，兩個過程均要服從熱力學第二定律，即ΔG=ΔH-T·ΔS，因此要使溫度回升到凝膠溫度，熱動能不足以克服分子間形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的相互作用力，需要吸收更多能量來克服，從而造成熔化溫度高于凝膠溫度[14,25]。

3 結(jié)論

（1）海藻酸鈉與κ-卡拉膠復(fù)配膠體為假塑性流體，具有剪切稀化的特征。其黏度隨著組分κ-卡拉膠所占比例的加大而先減小后增大，海藻酸鈉和κ-卡拉膠比例為8∶2時最小。

（2）海藻酸鈉/κ-卡拉膠復(fù)配膠體幾乎無觸變環(huán)，反映復(fù)配膠體觸變性較小，表明其對攪拌具有良好的穩(wěn)定性，有利于在微膠囊等加工過程中保型。曲線與Herschel-Bulkley方程能夠準確表現(xiàn)海藻酸鈉/κ-卡拉膠復(fù)配膠體的剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系。

（3）復(fù)配膠體的儲能模量（G′）和耗損模量（G′）隨著角頻率（ω）的增大而增大，且均隨著κ-卡拉膠所占比例的增大，呈先減小后逐漸增大的趨勢，當海藻酸鈉/κ-卡拉膠配比為8∶2時黏彈性最小，體系的黏彈性行為以黏性為主。

（4）升溫時，G′和G′逐漸減小；降溫時，G′和G′逐漸增大。隨著組分κ-卡拉膠所占比例的增大，凝膠溫度和熔化溫度均呈逐漸升高。復(fù)配膠體在溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變過程存在溫度滯后性，所形成的復(fù)配凝膠是以κ-卡拉膠為骨架，海藻酸鈉起填充骨架作用。

上述流變參數(shù)對了解海藻酸鈉與κ-卡拉膠復(fù)配膠體的流變學和膠體性質(zhì)，最終控制產(chǎn)品特性具有重要作用。