殼聚糖/阿拉伯膠聚電解質(zhì)顆粒穩(wěn)定Pickering乳液及乳液凝膠研究

◎ 唐鑫宇，孫 彤，高 慧，潘 欣，袁小凡，高成成，孟令晗

（南京財經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023）

已經(jīng)有多種固體顆粒被報道作為Pickering乳液的乳化劑，包括無機和有機聚合物膠體顆粒如二氧化硅、乳膠、磁性顆粒、黏土和聚甲基丙烯酸甲酯顆粒等[1]。但是，這些非食品級納米顆粒表現(xiàn)出的生物相容性差、生物可降解性低等問題限制了Pickering乳液在食品、藥品和化妝品中的廣泛應(yīng)用[2]。因此，開發(fā)食品級生物可降解聚合物并用于穩(wěn)定Pickering乳液具有現(xiàn)實 意義[3]。

殼聚糖（Chitosan，CS）是一種自然界中僅次于纖維素的第二豐富的天然線性多糖。由于其具有無毒性、生物可降解性、抗菌性和成膜性等特性，在組織工程、藥物輸送系統(tǒng)、食品和化妝品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4-5]。在高pH（＞6.5）時，殼聚糖漸漸失去水溶性而卷曲成不溶性的納米顆粒；在低pH（＜6.5）下，其氨基被質(zhì)子化并帶有正電荷，可以和其他陰離子小分子或大分子通過靜電相互作用生成納米顆粒，被廣泛用作藥物遞送系統(tǒng)。已有研究報道殼聚糖納米顆粒、殼聚糖-三聚磷酸鹽（CS-TPP）納米顆粒[6]、玉米醇溶蛋白-殼聚糖復(fù)合顆粒（ZCP）[7]等的成功制備。阿拉伯膠（Gum Arabic，GA）來源于金合歡屬植物枝干所分泌的樹膠，其結(jié)構(gòu)中含有蛋白和鼠李糖，是良好的水包油型乳化體系的穩(wěn)定劑，并且在較寬的酸堿環(huán)境下、高離子強度和高溫環(huán)境下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性[8-10]。近來研究表明CS中的氨基基團可與GA分子上的羧基發(fā)生靜電相互作用形成微納米復(fù)合體，進而改善殼聚糖的親疏水性和穩(wěn)定性[11]。已有研究報道殼聚糖的分子量、脫乙酰度、復(fù)配比、pH等內(nèi)外因素對CS與GA聚電解質(zhì)納米復(fù)合體結(jié)構(gòu)具有顯著影響[12]。但將該復(fù)合顆粒用于穩(wěn)定Pickering乳液的研究極少。

乳液凝膠是一種將乳化的油滴包埋在凝膠基質(zhì)中的軟固體，也是一種良好的新型智能功能因子傳遞體系[13]。乳膠凝膠因其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以提高乳液的穩(wěn)定性并可調(diào)控活性物質(zhì)的釋放[14]。因此，本研究通過靜電復(fù)合法制備CS/GA復(fù)合顆粒，并用于穩(wěn)定Pickering乳液，主要探究不同質(zhì)量比、溫度、離子強度、pH對乳液穩(wěn)定性的影響。在此基礎(chǔ)上，研究不同溫度對Pickering乳液的成膠及乳液凝膠流變特性的影響，旨在為開發(fā)新型食品級復(fù)合顆粒穩(wěn)定Pickering乳液及其應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

殼聚糖（CS，5w Da），北京索萊寶；阿拉伯膠（GA），上海麥克林生化科技有限公司；福臨門葵花籽油，中糧集團；乙酸（冰醋酸）、氯化鈉、氫氧化鈉和鹽酸，所有試劑均為分析級。

1.2 儀器與設(shè)備

PRACTUM224-1CN電子天平，上海翼控機電有限公司；WSJB-03恒溫磁力攪拌器，河南中良科技儀器有限公司；pH計，上海精密科學(xué)儀器有限公司；GL-21M高速冷凍離心機，上海紫一試劑廠；XMTD-8222數(shù)顯鼓風干燥箱，南京大衛(wèi)儀器設(shè)備有限公司；T18-高速分散器，德國IKA集團；數(shù)顯恒溫水浴鍋，常州國華電器有限公司；ZS-90納米粒度儀，英國Malvern儀器有限公司；MCR302流變儀，Anton Paar公司；蔡司倒置式顯微鏡，德國Carl Zeiss公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 不同質(zhì)量比的CS/GA復(fù)合顆粒的制備

稱取一定量的CS加入1%（v/v）醋酸溶液中，40 ℃ 磁力攪拌5 h制成1%（w/v）的CS溶液，稱取一定量GA加入超純水中，40 ℃磁力攪拌5 h制成10%（w/v）的GA溶液。分別用NaOH或HCl調(diào)pH至4.5。然后分別以1∶4、1∶6、1∶8的質(zhì)量比將CS溶液緩慢加入GA溶液中，磁力攪拌約30 min后8000 r·min-1離心15 min。離取下層凝聚物置于烘箱中，40 ℃干燥20 h以制備復(fù)合顆粒。

1.3.2 固體顆粒粒徑與Zeta電位的測定

利用ZS-90納米粒度儀測定樣品的粒徑分布與電位。將不同質(zhì)量比的復(fù)合顆粒以1%（w/v）的顆粒濃度分別溶于超純水中。然后用去離子水按1∶100稀釋振蕩，避免多重散射效應(yīng)。折射率設(shè)定為1.456，吸收率為0.001。所有試驗均在25 ℃下進行。

1.3.3 基于CS/GA復(fù)合顆粒Pickering乳液的制備

將制備的復(fù)合顆粒以1%（w/v）顆粒濃度溶于超純水中，然后與等體積的葵花籽油混合，經(jīng)12000 r·min-1高速分散7 min，制備Pickering乳液。為研究不同質(zhì)量比對乳液的影響，將不同質(zhì)量比（1∶4、1∶6、1∶8）的CS/GA復(fù)合顆粒制備成Pickering乳液；為研究不同溫度、離子強度、pH對乳液穩(wěn)定性的影響，固定復(fù)合顆粒質(zhì)量比為1∶6制備Pickering乳液，溫度設(shè)置為40 ℃、60 ℃、80 ℃，NaCl濃度為10 mmol·L-1、30 mmol·L-1、50 mmol·L-1和70 mmol·L-1，pH為3.5、4.5、5.0、5.5和6.0。

1.3.4 不同溫度下Pickering乳液的成膠

將上述Pickering乳液分別在40 ℃、20 ℃下靜置24 h成膠，觀察成膠狀態(tài)。

1.3.5 乳液凝膠流變實驗

（1）乳液凝膠應(yīng)變掃描測試。流變儀參數(shù)設(shè)置為PP 50轉(zhuǎn)子；間距0.5 mm；溫度25 ℃；應(yīng)變變化范圍0.01%～100.00%；頻率恒定1 Hz。頻率掃描時，測量結(jié)果為應(yīng)變（x軸）與模量G′、G″（y軸）的關(guān)系曲線，應(yīng)變的變化規(guī)律使用對數(shù)變化。每個實驗至少重復(fù) 3次。

（2）乳液凝膠頻率掃描測試。頻率變化范圍為0.1～100.0 rad·s-1；應(yīng)變恒定（在線性區(qū)內(nèi)），測量結(jié)果為頻率（x軸）與模量G′、G″（y軸）的關(guān)系曲線，頻率的變化規(guī)律使用對數(shù)變化。每個實驗至少重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量比的CS/GA對復(fù)合顆粒粒徑和電位的影響

表1為不同CS/GA質(zhì)量比的粒徑、ζ-電位測定結(jié)果。結(jié)果表明，隨著GA含量的增加，更多的GA和CS結(jié)合，導(dǎo)致粒徑增大。當CS/GA質(zhì)量比從1∶4提高至1∶6時，聚合物分散性指數(shù)（Polymer Dispersity Index，PDI）從0.665降至0.354，而當質(zhì)量比進一步提高至1∶8后，PDI值又升至0.564，表明CS/GA質(zhì)量比為1∶6時，形成的納米顆粒最均勻，粒徑分布最窄。通常認為，較小的粒徑和ζ-電位的絕對值（正或負）越高，體系越穩(wěn)定，即溶解或分散可以抵抗聚集[15]。此外，從乳液的穩(wěn)定性結(jié)果中可以看出，樣品1∶6穩(wěn)定的Pickering乳液比1∶4的穩(wěn)定性更高，這可能是由于樣品1∶6粒徑分布更窄。

表1 CS/GA的質(zhì)量比對固體顆粒粒徑和ζ-電位的影響表

2.2 不同CS/GA質(zhì)量比對Pickering乳液穩(wěn)定性的影響

圖1為不同質(zhì)量比的CS/GA復(fù)合顆粒形成的Pickering乳液室溫下放置24 h后的觀察結(jié)果。經(jīng)24 h放置后，1∶4的乳液經(jīng)過絮凝、聚結(jié)后，出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，并明顯分層，上層可觀察到肉眼可見的大油滴。顯微鏡中乳液僅存在一些直徑較小的液滴，較大的液滴已經(jīng)破乳或超出顯微鏡測試范圍。這可能是因為1∶4 CS/GA復(fù)合顆粒的粒徑分布較寬，大顆粒粒徑導(dǎo)致乳液破乳，穩(wěn)定性下降。此外，在顯微鏡下觀察到質(zhì)量比為1∶8的乳液呈現(xiàn)出更大的液滴，這可能是因為顆粒粒徑較大導(dǎo)致它們相互之間不易吸附，在水界面間所需的空間位阻大，乳液的液滴周圍無法形成均勻的界面層，最終導(dǎo)致乳液穩(wěn)定性變差。而質(zhì)量比為1∶6的乳液穩(wěn)定性最好，乳液分層程度最小。其中固體顆粒復(fù)合物緊密地結(jié)合在油滴周圍，乳液出現(xiàn)了一定程度的油滴聚集，但沒有明顯破乳現(xiàn)象。這可能是因為質(zhì)量比為1∶6時制備的復(fù)合顆粒粒徑分布較窄，提高了乳液穩(wěn)定性。

圖1 不同質(zhì)量比形成的Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.3 不同溫度對Pickering乳液穩(wěn)定性的影響

圖2為乳液分別在80 ℃、60 ℃、40 ℃水浴鍋中1 h后的觀察結(jié)果。如圖所示，隨著溫度的升高，乳液逐漸分層，穩(wěn)定性也隨著變差。顯微鏡下，隨著溫度的升高，乳液液滴出現(xiàn)聚集，并發(fā)生破乳，粒徑明顯增大，穩(wěn)定性變差。這可能由于隨著溫度的升高，顆粒的布朗運動及其動能加劇，導(dǎo)致顆粒重新分布到界面上，促進了粒子的解吸。最終導(dǎo)致乳液液滴表面暴露，增加其聚結(jié)的趨勢。

圖2 不同溫度下的Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.4 不同離子強度對Pickering乳液的影響

圖3 為不同離子強度下Pickering乳液?？梢钥闯觯x子強度對乳液穩(wěn)定性有顯著影響。隨著NaCl的逐步添加，乳液分層逐漸明顯。在顯微鏡下，乳液的粒徑隨著NaCl濃度的增加而增大，所有樣品中乳液液滴都出現(xiàn)了不同程度的聚集，這可能是NaCl的添加降低了復(fù)合顆粒表面電荷，使顆粒更容易聚集，導(dǎo)致了乳液分層。

圖3 不同離子強度下的Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.5 不同pH的CS/GA復(fù)合顆粒溶液對Pickering乳液的影響

不同pH條件下，Pickering乳液放置24 h。由于CS在低pH（＜6.5）下，氨基質(zhì)子化帶正電荷，GA在pH 2.2以下羧基解離被抑制。因此采用pH在2.2～6.5的5個梯度進行研究。由圖4可知，不同pH條件下Pickering乳液均出現(xiàn)分離現(xiàn)象，其中pH為3.5時乳液分層程度最大，出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，乳液最不穩(wěn)定；pH為5.0時乳液不易分層和破乳，乳液穩(wěn)定性最好。顯微鏡下，在pH為3.5時，乳液液滴大小不一，僅剩少量聚集的乳液和固定顆粒；pH為4.5和5.0時乳液液滴較為均一，分布較窄，乳液較為穩(wěn)定；pH 5.0時的乳液液滴較pH 4.5時的液滴大；在pH為5.5和6.0時，乳液液滴出現(xiàn)了小范圍聚集現(xiàn)象。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因可能是較低的pH減少了GA所帶的負電荷數(shù)，在與CS靜電結(jié)合產(chǎn)生復(fù)合顆粒時，不足以穩(wěn)定乳液。隨著pH的逐漸升高，CS分子表面電荷減少且發(fā)生聚集，從而降低了與GA分子的靜電結(jié)合數(shù)量，導(dǎo)致乳液在較高pH下不穩(wěn)定。

圖4 不同pH下Pickering乳液顯微鏡照片圖

2.6 不同溫度下Pickering乳液成膠行為研究

圖5 （A）為不同溫度下乳液凝膠應(yīng)變掃描。從圖中可以看出，在線性黏彈區(qū)（約應(yīng)變＜10%），40 ℃下凝膠的G′（儲能模量）大于20 ℃的G′，且在這一區(qū)間，G′隨應(yīng)變變化幅度很小，表明40 ℃下乳液凝膠的成膠性更好，凝膠強度更大。但隨著應(yīng)變的進一步增加，兩個樣品的G′顯著下降，表明膠體結(jié)構(gòu)部分破壞，對應(yīng)的應(yīng)變稱為臨界應(yīng)變。40 ℃下的凝膠臨界應(yīng)變高于20 ℃的凝膠，表明40 ℃下的乳液凝膠抵抗變形的能力強于20 ℃的凝膠。

圖5（B）為不同溫度下乳液凝膠頻率掃描。從圖中可以看出，不同溫度下的樣品，G′（儲能模量）總是大于G″（損耗模量），通常G′值越高，樣品的交聯(lián)度越高[16]，表明40 ℃下乳液凝膠高分子的交聯(lián)度高于20 ℃下的凝膠。此外，兩種凝膠均表現(xiàn)出一定的頻率依賴性，在低頻率掃描下，樣品的G′和G″保持穩(wěn)定，說明凝膠結(jié)構(gòu)較穩(wěn)固，但隨著掃描頻率的增加，G′顯著降低，G″顯著升高，表明膠體結(jié)構(gòu)被破壞，且20 ℃下的凝膠受頻率影響更明顯，在掃描頻率接近100 rad·s-1時，G′與G″相交，表明乳液凝膠在高頻振蕩下出現(xiàn)凝膠-溶膠的轉(zhuǎn)變。

圖5 不同溫度下凝膠的應(yīng)變掃描（A）和頻率掃描（B）圖

3 結(jié)論

本研究成功制備了殼聚糖/阿拉伯膠（CS/GA）復(fù)合顆粒，用于穩(wěn)定Pickering乳液。研究結(jié)果表明，復(fù)合顆粒平均粒徑在440.2～670.8 nm。ζ-電位隨著CS/GA質(zhì)量比的增加而降低，質(zhì)量比為1∶6的復(fù)合顆粒制備的乳液穩(wěn)定性最佳。不同質(zhì)量比的CS/GA 復(fù)合顆粒、溫度、離子強度、pH對所制備的Pickering乳液穩(wěn)定性有著不同程度的影響。通過對制備的Pickering乳液凝膠的流變特性分析發(fā)現(xiàn)，40 ℃下制備的乳液凝膠強度和韌性較好。本文為開發(fā)基于CS/GA復(fù)合顆粒穩(wěn)定Pickering乳液及乳液凝膠奠定了研究 基礎(chǔ)。