董志儉,夏書(shū)芹,賈承勝,張曉鳴,許時(shí)嬰

1(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院,遼寧錦州,121000) 2(江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫,214112)

pH對(duì) 復(fù)合凝聚薄荷油微膠囊形態(tài)及復(fù)合凝聚物性質(zhì)的影響＊

董志儉1,夏書(shū)芹2,賈承勝2,張曉鳴2,許時(shí)嬰2

1(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院,遼寧錦州,121000) 2(江南大學(xué)食品學(xué)院,江蘇無(wú)錫,214112)

研究了pH對(duì)復(fù)合凝聚薄荷油微膠囊的形態(tài)及壁材復(fù)合凝聚物性質(zhì)的影響,揭示了復(fù)合凝聚物對(duì)微膠囊形態(tài)影響的內(nèi)在原因。結(jié)果表明:當(dāng)pH由4.3降到3.7時(shí),壁材復(fù)合凝聚物的組成及產(chǎn)率沒(méi)有明顯變化,復(fù)合凝聚球狀多核微膠囊粒徑的增大主要是由于壁材復(fù)合凝聚物間靜電排斥力的下降和復(fù)合凝聚物凝膠性的增強(qiáng)所致;而當(dāng)pH低于3.7時(shí),由于大量的明膠分子從壁材復(fù)合凝聚物中排斥出,微膠囊形態(tài)變得不規(guī)則。

微膠囊,復(fù)合凝聚法,復(fù)合凝聚物,凝膠性,流變性,Zeta電位

復(fù)合凝聚微膠囊根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu),可以分為單核微膠囊和多核微膠囊。單核微膠囊是由單個(gè)的油滴被復(fù)合凝聚物包埋形成的;而多核微膠囊是由大量的單核微膠囊相互聚集,形成具有多芯結(jié)構(gòu)的微膠囊[1-2]。已報(bào)道的研究主要集中在如何制備單核微膠囊。單核微膠囊的粒徑較小,分布均勻,適合應(yīng)用在無(wú)碳復(fù)寫(xiě)紙等化工產(chǎn)品中。與單核微膠囊相比,多核微膠囊具有更好的控制釋放性質(zhì)[3],并且減少了生產(chǎn)工序,降低了生產(chǎn)成本[4]。然而在這方面的研究仍然很少,因?yàn)樵诙嗪宋⒛z囊的制備過(guò)程中,微膠囊的形態(tài)很容易變得不規(guī)則,難以得到理想的球狀多核結(jié)構(gòu)的微膠囊。因此如何通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù),制備具有球形結(jié)構(gòu)、流動(dòng)性良好的多核微膠囊成為這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

復(fù)合凝聚微膠囊化的過(guò)程可分為4個(gè)階段,分別是乳化、復(fù)合凝聚、凝膠化和固化[5]。在復(fù)合凝聚階段,通過(guò)調(diào)整pH使帶正電荷的明膠分子與帶負(fù)電荷的阿拉伯膠分子相互作用,形成水不溶性的復(fù)合凝聚物,復(fù)合凝聚物沉積在乳狀液滴的表面,構(gòu)成了微膠囊壁。Weinbreck等的研究表明,pH能夠顯著影響乳清分離蛋白/阿拉伯膠復(fù)合凝聚物的帶電性質(zhì)[6],小角度X射線衍射也證明了pH對(duì)復(fù)合凝聚物的性質(zhì)有重要影響,當(dāng)靜電相互作用較為強(qiáng)烈時(shí),復(fù)合凝聚物變得更加致密、均一[7]。復(fù)合凝聚物的性質(zhì)對(duì)于復(fù)合凝聚微膠囊的研究具有重要的指導(dǎo)意義。復(fù)合凝聚物的性質(zhì)不同,對(duì)微膠囊形態(tài)的影響亦不同[8],Burgess的實(shí)驗(yàn)表明,即使沒(méi)使用橋聯(lián)劑,清蛋白/阿拉伯膠復(fù)合凝聚物的高黏性也能夠很好地穩(wěn)定微膠囊,防止聚集[9]。Tomassin指出,復(fù)合凝聚物的黏彈性影響了微膠囊化的過(guò)程[10]。因此pH對(duì)于復(fù)合凝聚物的性質(zhì)和復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)具有十分重要的影響。

本文通過(guò)研究pH對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)以及復(fù)合凝聚物性質(zhì)的影響,探索了復(fù)合凝聚物的性質(zhì)對(duì)微膠囊形態(tài)影響的內(nèi)在本質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

明膠,國(guó)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑有限公司;阿拉伯膠,上海潤(rùn)創(chuàng)食品有限公司;薄荷素油,南通薄荷油廠;轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶,泰州一鳴生物技術(shù)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

RW20.N懸臂式攪拌器,廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司;紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),北京銳利分析儀器公司;Zetasize2000型Zeta電位儀,英國(guó)Malvern公司;Agilent1100型氨基酸高效液相色譜儀,美國(guó)Agilent公司;PHS-2C型精密酸度計(jì),上海精密科學(xué)儀器有限公司;ARG2流變儀,美國(guó)TA公司;FJ-200高速分散器,上海標(biāo)本模型廠;TS100/TS100-F倒置顯微鏡,日本Nikon公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚微膠囊的制備[11]

分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的明膠、阿拉伯膠溶液各1000 mL,混合后加入40g薄荷油,并用高速分散器在10000 r/min下乳化 3min。乳狀液被轉(zhuǎn)移到三口燒瓶中,在40℃的水浴及400 r/min的攪拌速度下,滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的乙酸溶液,將乳狀液調(diào)整到所需 p H值,10 min后微膠囊懸浮液的溫度被冷卻到10℃以下,加入一定量的甲醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)溶液,然后將pH提高到10,進(jìn)行固化處理。30 min后,升溫到40℃。過(guò)濾,洗滌,得到一定含水量的濕復(fù)合凝聚微膠囊。

1.3.2 復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的觀察

取一滴固化后的復(fù)合凝聚微膠囊懸浮液,將其放于載玻片上,用倒置顯微鏡觀察并拍照。

1.3.3 復(fù)合凝聚物的制備及產(chǎn)率計(jì)算

分別配置250 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的明膠和阿拉伯膠溶液,再將2種溶液混合,在40℃水浴中400 r/min的攪拌速度下,調(diào)整到所需pH。將得到的復(fù)合凝聚物懸浮液在5℃下放置12 h,復(fù)合凝聚物沉于下部,形成凝膠層,上部為上清液。將上清液倒出測(cè)量其體積,并進(jìn)一步測(cè)量上清液中的明膠含量。底部的復(fù)合凝聚物取出后,冷凍干燥,稱(chēng)量其質(zhì)量,并計(jì)算產(chǎn)率:

當(dāng)測(cè)量復(fù)合凝聚物的流變性質(zhì)時(shí),將得到的凝膠層升溫融化,并加入少量相應(yīng)pH的水,調(diào)整復(fù)合凝聚物的濃度到11%,以此作為流變實(shí)驗(yàn)的樣品。

1.3.4 Woessner法測(cè)定復(fù)合凝聚物上清液中羥脯氨酸含量

1.3.4.1 水解液的制備

取 3mL 1.3.3中的上清液,置于水解管中,加入6 mol/L HCl,真空封管,110℃水解24 h后,蒸干HCl,稀釋,定容到10 mL得水解液。

1.3.4.2 測(cè)定方法

以0.001 mol/L HCl作空白,4 mL測(cè)試液或標(biāo)準(zhǔn)溶液加入2 mL氯胺T溶液,混和,室溫下靜置5 min,加入對(duì)二甲氨基苯甲醛溶液2 mL,混和,60℃加熱20 min,置于水中冷卻,測(cè)定560 nm的吸光度OD。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度和吸光度作出標(biāo)準(zhǔn)曲線,再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)回歸方程和測(cè)試液的吸光度計(jì)算出上清液中羥脯氨酸的含量。

1.3.5 上清液中的明膠含量測(cè)定

氨基酸分析表明明膠分子中羥脯氨酸含量為9.97%,因此上清液中的明膠質(zhì)量:

上清液中的明膠質(zhì)量=上清液中羥脯氨酸質(zhì)量/9.97%

1.3.6 復(fù)合凝聚物中的明膠含量及明膠與阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率

復(fù)合凝聚物中明膠的質(zhì)量=起始加入明膠的質(zhì)量-上清液中的明膠的質(zhì)量

復(fù)合凝聚物中阿拉伯膠的質(zhì)量=復(fù)合凝聚物的質(zhì)量-復(fù)合凝聚物中明膠的質(zhì)量

明膠的轉(zhuǎn)化率=復(fù)合凝聚物中明膠的質(zhì)量/起始加入明膠的質(zhì)量

阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率=復(fù)合凝聚物中阿拉伯膠的質(zhì)量/起始加入阿拉伯膠的質(zhì)量

明膠含量=復(fù)合凝聚物中明膠的質(zhì)量/復(fù)合凝聚物的質(zhì)量

1.3.7 Zeta電位的測(cè)定

分別配置一定濃度的明膠和阿拉伯膠溶液,并且將其調(diào)到所需的pH值。每次取10 mL溶液,測(cè)Zeta電位。

1.3.8 流變性質(zhì)測(cè)定

采用ARG2型流變儀進(jìn)行流變分析。使用椎板(直徑40 mm,椎度2度,狹縫距離為 1mm)進(jìn)行小變形振蕩掃描分析。測(cè)試臺(tái)的溫度被控制在25℃,加1 mL的樣品在測(cè)試臺(tái)上,進(jìn)行動(dòng)態(tài)流變實(shí)驗(yàn),頻率掃描是在1%的應(yīng)變(線性黏彈區(qū)內(nèi))下進(jìn)行,頻率由1rad/s增加至100 rad/s,樣品表面加輕質(zhì)硅油進(jìn)行保護(hù)以免水分蒸發(fā)。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)復(fù)合凝聚多核微膠囊形態(tài)影響

由圖1可知,當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),形成的復(fù)合凝聚多核微膠囊成球狀,并且微膠囊的平均粒徑逐漸增大(圖1-a～圖1-c);當(dāng)pH值降到3.4和3.1時(shí),球狀多核微膠囊變得不規(guī)則(圖1-d～圖1-e);當(dāng)pH為2.8時(shí),不規(guī)則的多核微膠囊被進(jìn)一步破壞,形成更小的單核和多核微膠囊(圖1-f)。因此制備復(fù)合凝聚球狀多核微膠囊的最適pH值為3.7～4.0。

2.2 pH值對(duì)復(fù)合凝聚物帶電性質(zhì)的影響

由圖2可知,當(dāng)pH值由4.3降到3.4時(shí),明膠帶正電荷,所帶電量逐漸增加,阿拉伯膠帶負(fù)電荷,所帶電量逐漸減少,復(fù)合凝聚物的凈電荷由負(fù)變正,電量也先減少再增加。當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),復(fù)合凝聚物所帶的電量顯著降低,復(fù)合凝聚液滴之間的靜電排斥力下降,相互間容易碰撞聚集形成粒徑更大的球狀多核微膠囊。

2.3 pH值對(duì)復(fù)合凝聚物凝膠性質(zhì)的影響

圖1 pH對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響

圖2 pH值對(duì)復(fù)合凝聚物帶電性質(zhì)的影響

圖3 pH對(duì)復(fù)合凝聚物凝膠性質(zhì)的影響

由圖3可知,pH值為4.3的復(fù)合凝聚物的黏性模量和彈性模量均最低,黏性模量曲線與彈性模量曲線受頻率的影響都較大,曲線相交點(diǎn)的頻率也最低,復(fù)合凝聚物凝膠性最差,更多體現(xiàn)流體性質(zhì)。當(dāng)pH值為4.0時(shí),在低頻區(qū)彈性模量高于黏性模量,并且彈性模量受頻率的影響很小,而在高頻區(qū)黏性模量高于彈性模量,體現(xiàn)弱凝膠性質(zhì)。pH值為3.7的復(fù)合凝聚物具有較高的彈性模量(G’)與黏性模量(G"),并且在整個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)彈性模量均高于黏性模量;彈性模量受頻率的影響不大,在低頻區(qū)具有較大的平臺(tái),而黏性模量隨頻率的增加顯著提高,這說(shuō)明了這種復(fù)合凝聚物具有較強(qiáng)的凝膠性[12]。pH值為3.4的復(fù)合凝聚物的黏、彈性曲線與pH值4.0的相近,也體現(xiàn)出弱凝膠的性質(zhì)。因此當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),復(fù)合凝聚物的凝膠性逐漸增強(qiáng),所形成的復(fù)合凝聚微膠囊的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,粒徑也逐漸增大。而當(dāng)pH值繼續(xù)下降時(shí),凝膠性減弱,結(jié)構(gòu)漸趨不穩(wěn)定。

2.4 pH值對(duì)復(fù)合凝聚物組成的影響

在圖4中,當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),明膠和阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率及復(fù)合凝聚物中明膠的含量變化均不大;繼續(xù)降低pH值,明膠的轉(zhuǎn)化率和復(fù)合凝聚物中明膠的含量顯著降低,而阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率明顯提高。pH的下降導(dǎo)致明膠所得帶正電荷量顯著增加,而阿拉伯膠所帶的負(fù)電荷量逐漸減少,當(dāng)pH值降到3.7以下,明膠分子間的靜電排斥作用超過(guò)明膠與阿拉伯膠分子間的靜電吸引作用,大量明膠分子從復(fù)合凝聚物中移出,致使明膠的轉(zhuǎn)化率及復(fù)合凝聚物中明膠含量下降;而移出的明膠分子中,少量會(huì)與溶液中的阿拉伯膠分子相互作用,形成復(fù)合凝聚物,因而阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率升高。

圖4 pH對(duì)復(fù)合凝聚物組成的影響

pH值在4.3～3.7內(nèi)復(fù)合凝聚物的組成變化相對(duì)較小,球狀多核微膠囊粒徑的增大是由于壁材復(fù)合凝聚物凈電荷的減少及凝膠性的增強(qiáng)所致。當(dāng)pH值降到3.7以下,大量的明膠分子被從壁材復(fù)合凝聚物中排斥出,微膠囊壁的孔隙結(jié)構(gòu)加大,形態(tài)變得不規(guī)則。

圖5為預(yù)測(cè)的明膠/阿拉伯膠復(fù)合凝聚物分子的可能結(jié)構(gòu)模型。白帶為阿拉伯膠分子,黑球?yàn)槊髂z分子,明膠、阿拉伯膠分子通過(guò)靜電相互作用纏繞聚集在一起,形成大的復(fù)合凝聚物分子。

圖5 明膠、阿拉伯膠復(fù)合凝聚物的構(gòu)成模型

2.5 pH值對(duì)復(fù)合凝聚物產(chǎn)率的影響

由圖6可知,當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),由于明膠、阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率變化都不大,導(dǎo)致復(fù)合凝聚物的產(chǎn)率變化不明顯;且在此pH值范圍內(nèi),明膠具有超過(guò)90%的轉(zhuǎn)化率,因此復(fù)合凝聚物的產(chǎn)率較高。而當(dāng)pH值由3.7降到3.4時(shí),復(fù)合凝聚物的產(chǎn)率由73%降到68%,原因在于盡管阿拉伯膠的轉(zhuǎn)化率略有提高,但明膠的轉(zhuǎn)化率顯著下降,導(dǎo)致了復(fù)合凝聚物的產(chǎn)率明顯下降。因此,當(dāng)pH值由4.3降到3.7,復(fù)合凝聚物的產(chǎn)率變化不大,球形微膠囊粒徑增大不是由于復(fù)合凝聚物產(chǎn)率增加所致。

圖6 pH對(duì)復(fù)合凝聚物產(chǎn)率的影響

3 結(jié)論

(1)當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),復(fù)合凝聚微膠囊呈球狀多核結(jié)構(gòu),并且微膠囊的粒徑逐漸增大;pH值低于3.7時(shí),微膠囊的形態(tài)變得不規(guī)則。

(2)當(dāng)pH值由4.3降到3.7時(shí),壁材復(fù)合凝聚物間的靜電排斥力下降、凝膠性增強(qiáng)導(dǎo)致球狀多核微膠囊粒徑的增大;而壁材復(fù)合凝聚物的組成及產(chǎn)率對(duì)于微膠囊的粒徑影響不大。

(3)當(dāng)pH值降到3.7以下時(shí),壁材復(fù)合凝聚物中明膠分子間的靜電排斥力超過(guò)了明膠、阿拉伯膠分子間的靜電吸引力,大量的明膠分子被從微膠囊壁中排斥出,微膠囊壁的孔隙結(jié)構(gòu)加大,形態(tài)變得不規(guī)則。

[1]Miyake M,Shiozaki T,Shioi S,et al.Method of making oil-containingmicrocapsules[P].US,4219439.1980-08-26.

[2]Matsukawa H,Saeki K,Shimada T.Process for preparing microcapsules containing hydrophobic oil drops[P].US,3944502.1976-03-16.

[3]PothakamuryU R,Barbusa-canovas GV.Fundamental aspects of controlled release in foods[J].Trends in Food Science&Technology,1995,6(12):397-406.

[4]Dong Z J,TouréA,Jia C S,et al.Effect of processing parameters on the formation of spherical multinuclear microcapsules encapsulating pepper mint oil by coacervation[J].Journal ofMicroencapsulation,2007,24(7):634-646.

[5]Saeki H,Matsukawa H.Process for hardening microcapsules containing hydrophobic oil droplets[P].US,3956172.1976-11-05.

[6]Weinbreck F,W ientjes R H W.Rheological properties of whey protein/gum arabic coacervates[J].Journal of Rheology,2004,48(6):1215-1228.

[7]Weinbreck F,Tromp R H,Kruif C G.Composition and structure ofwhey protein/gum arabic coacervates[J].Biomacromolecules,2004,5(4):1437-1445.

[8]董志儉,沈煜,夏書(shū)芹,等.復(fù)合凝聚球狀多核薄荷油微膠囊的壁材選擇和固化研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2009,35(8):40-44.

[9]Burgess D J.Complex coacervation:microcapsule for mation,macromolecular complexes in chemistry and biology[M].Berlin:Springer,1994,285-300.

[10]Thomassin C,Merkle H P,GanderB A.Physico-chemical parameters governing protein microencapsulation into biodegradable polyesters by coacervation[J].International Journal of Pharmaceutics,1997,147(2):173-186.

[11]董志儉,張曉鳴,許時(shí)嬰,等.復(fù)合凝聚球狀多核薄荷油微膠囊的耐熱性研究[J].食品科學(xué),2009,30(5):120-123.

[12]Zimeri J E,Kokini J L.Rheological properties of inulinwaxymaize starch systems[J].Carbohydrate Polymers,2003,52(1):67-85.

ABSTRACTEffect of pH on the morphology and the property ofmicrocapsules encapsulating peppermint oil by coacervation aswallmaterialwas investigated.The principle of the effect of coacervates on the morphology ofmicrocapsuleswas illustrated.The results showed thatwith the decrease ofpH from 4.3 to 3.7,the composition and productivity of coacervates rarely changed.So the increase of particle size of sphericalmultinuclearmicrocapsuleswas the result from the decrease of electronic resistantpower and the increase of gelling property for coacervates.When pH was blew 3.7,the morphology ofmicrocapsules turned irregular and released plenty of gelatin from coacervate wallmaterial.

Key wordsmicrocapsule,coacervation,coacervate,gelling property,thixotropy,Zeta potential

Effect of pH on Morphology and Property of Microcapsule Encapsulating Peppermint Oil by Coacervation

Dong Zhi-jian1,Xia Shu-qin2,Jia Cheng-sheng2,Zhang Xiao-ming2,Xu Shi-ying2
1(College of Biotechnology and Food Science,Bohai University,Jinzhou 121000,China)
2(School of Food Science and Technology,Jiangnan University,Wuxi 214112,China)

博士,講師(張曉鳴教授為通訊作者)。

＊國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAD27B04)

2010-01-27,改回日期:2010-04-27