祝佩佩，陳 芳，葉發(fā)銀,2，趙國華,2,*（.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 40075；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 4007 5）

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脂肪酸燕麥β-葡聚糖酯結(jié)構(gòu)對其臨界自聚集濃度和膠束粒徑的影響

祝佩佩1，陳 芳1，葉發(fā)銀1,2，趙國華1,2,*
（1.西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 40071 5）

摘 要：采用響應(yīng)曲面法探討了脂肪酸燕麥β-葡聚糖酯（fatty acid oat β-glucan esters，F(xiàn)AOGE）的結(jié)構(gòu)對其臨界聚集濃度（critical aggregation concentration，CAC）值和膠束粒徑的影響。考察的FAOGE結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：燕麥β-葡聚糖的分子質(zhì)量（7.4×104～16.8×104D）、取代度（0.010±0.002～0.030±0.002）和?；滈L（6、8、10）。結(jié)果表明：不同結(jié)構(gòu)的FAOGE溶液的CAC值在質(zhì)量濃度為0.050～0.165 mg/mL的范圍內(nèi)，其大小隨著取代度、?；滈L的降低或β-葡聚糖分子質(zhì)量的增加而增加。結(jié)構(gòu)參數(shù)對CAC值的影響順序為：酰基鏈長＞取代度＞燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量。不同結(jié)構(gòu)的FAOGE自聚集體的平均粒徑在264.7～530.9 nm的范圍內(nèi)，且隨著取代度、?；滈L的降低及β-葡聚糖分子質(zhì)量的增加而逐漸增加，結(jié)構(gòu)參數(shù)對自聚集體的平均粒徑的影響順序為：取代度＞?；滈L＞燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：脂肪酸β-葡聚糖酯；結(jié)構(gòu)；臨界聚集濃度；粒徑

引文格式：

祝佩佩,陳芳,葉發(fā)銀,等.脂肪酸燕麥β-葡聚糖酯結(jié)構(gòu)對其臨界自聚集濃度和膠束粒徑的影響[J].食品科學(xué),2016,37(5):12-16.DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605003.http://www.spkx.net.cn

ZHU Peipei,CHEN Fang,YE Fayin,et al.Effects of structure parameters of fatty acid oat β-glucan ester on its critical aggregation concentration and micelle size[J].Food Science,2016,37(5):12-16.(in Chinese with English abstract)

兩親性分子在水溶液中能自聚集形成具有特殊核-殼結(jié)構(gòu)的膠束[1]，由于其形成的膠束粒度?。ㄍǔＴ趲资翈装偌{米之間），且核內(nèi)可裝載疏水性藥物和生物活性物質(zhì)，使其在親脂性物質(zhì)增溶、靶向輸送、保護(hù)等方面展現(xiàn)出了巨大的潛能，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、日用化工等領(lǐng)域[2-4]。近年來，兩親性多糖由于其良好的生物相容性和可降解性而受到越來越多的關(guān)注。β-葡聚糖作為一種廣泛存在于糧谷類作物（青稞、燕麥等）中的一類親水性非消化性多糖，對人體健康有很重要的生理功能，現(xiàn)已被國內(nèi)外大量的研究與流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果所證實，其能起到降血糖、降血脂、抗結(jié)腸癌、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫的作用[5-6]。本課題項目組前期研究發(fā)現(xiàn)，利用辛烯基琥珀酸及脂肪酸對燕麥β-葡聚糖進(jìn)行疏水化改性后，形成的酯在水溶液中能發(fā)生自聚集形成核殼結(jié)構(gòu)，并可提高親脂性化合物的溶解度[7-8]。

兩親性酯在水溶液中通過疏水締合作用自聚集形成膠束的最低濃度稱為臨界聚集濃度（critical aggregation concentration，CAC），這對于兩親性物質(zhì)是一種重要的功能參數(shù)[9]。而形成的膠束的粒徑?jīng)Q定自聚集體載藥量、溶解度/分散性和生物利用度，也是其特別重要的理化性質(zhì)之一[7]。有文獻(xiàn)報道稱兩親性分子的結(jié)構(gòu)參數(shù)如取代度、分子質(zhì)量、疏水部分碳鏈長度等對膠束的自聚集行為、溶解度、粒徑及膠束對脂溶性化合物的荷載率具有顯著影響[10-12]。為了進(jìn)一步研究合成的脂肪酸燕麥β-葡聚糖酯（fatty acid oat β-glucan esters，F(xiàn)AOGE）的相關(guān)特性，本實驗以FAOGE的結(jié)構(gòu)參數(shù)（燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量、酯的取代度、?；滈L）為自變量，利用響應(yīng)曲面法分析了FAOGE的結(jié)構(gòu)與臨界聚集濃度和膠束粒徑之間的關(guān)系，以期為FAOGE在食品和醫(yī)藥工業(yè)中應(yīng)用提供更全面的依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

燕麥β-葡聚糖（純度80%） 河北省張家口一康生物科技有限公司；己酸甲酯（色譜純）、辛酸甲酯、癸酸甲酯、二甲基亞砜 上海Adams公司；己酸、辛酸、癸酸、正庚烷（色譜純）、異丙醇、N,N’-羰基二咪唑成都市科龍化工試劑廠；芘 美國Sigma公司；其他所有試劑均為分析純。

1.2儀器與設(shè)備

BS-223S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；85-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 金壇市易晨儀器制造有限公司；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋 金壇市富華儀器有限公司；GC-2010氣相色譜儀、LC-20A高效液相色譜儀 日本島津公司；QL-866漩渦振蕩器 江蘇省海門市其林貝爾儀器制造有限公司；ZS90激光粒度分析儀 英國Malvern儀器有限公司；ALPHA1-4 LSC冷凍干燥機(jī) 河南兄弟儀器設(shè)備有限公司；F-2500熒光分光光度計 日本日立公司。

1.3方法

1.3.1β-葡聚糖水解物的制備及其分子質(zhì)量測定

β-葡聚糖的水解參考文獻(xiàn)[8]，干燥后的水溶性β-葡聚糖及其水解物用自封袋裝好后，室溫下貯藏于干燥器中備用[13]。β-葡聚糖及其水解物重均分子質(zhì)量由高效體積排阻色譜法（high performance size exclusion chromatography，HPSEC）測定[14]，5 個標(biāo)準(zhǔn)葡聚糖（T4、T7、T50、T200、T200）用蒸餾水配制成質(zhì)量濃度為2.0 mg/mL溶液并過0.45 ?m濾膜，進(jìn)入高效液相色譜儀測定。并以保留時間（tR）為橫坐標(biāo)，分子質(zhì)量的對數(shù)（lgMt）為縱坐標(biāo)進(jìn)行作圖，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為：y＝－0.281 9x＋8.766 1（R2＝0.988 7）。通過測定，經(jīng)1、3 mL鹽酸水解得到的β-葡聚糖和原β-葡聚糖的分子質(zhì)量分別為7.4×104、12.1×104、16.8×104D。

1.3.2FAOGE的制備

兩種水解的β-葡聚糖和原β-葡聚糖與脂肪酸生成酯的制備參考文獻(xiàn)[8]方法，合成的FAOGE的取代度控制在0.009 0～0.029 1范圍之內(nèi)。

1.3.3FAOGE取代度的測定

FAOGE取代度的測定參考文獻(xiàn)[8]。取代度的計算見下式。

式中：Mw為?；姆肿淤|(zhì)量/D（己酰為98.16，辛酰為126.21，癸酰為154.26）。

1.3.4FAOGE自聚集體形成

稱取40 mg FAOGE溶于20 mL純水中，并加熱溶液至沸騰，持續(xù)2 min，冷卻后補(bǔ)齊溶液體積至20 mL。再次加熱至沸騰持續(xù)2 min，冷卻后補(bǔ)齊溶液至20 mL，得到FAOGE自聚集溶液。

1.3.5FAOGE的CAC值測定

CAC值的測定利用熒光探針法，配制濃度為3×10－4mol/L的芘甲醇溶液。取10 mL的具塞試管，向每管中加入3×10－4mol/L的芘20 ?L，之后用N2將溶液中的甲醇吹干，再向每管中加入10 mL不同質(zhì)量濃度（0.000 3～3 mg/mL）的FAOGE溶液，從而使得芘的最終濃度為6×10－7mol/L。然后用漩渦振蕩器高速混合均勻，在室溫條件下將溶液避光放置過夜，用熒光分光光度計測定芘的發(fā)射光譜。其激發(fā)波長為330 nm，發(fā)射和激發(fā)狹縫均為10 nm，發(fā)射光譜的掃描范圍為360～420 nm。記錄I1（373 nm）和I2（384 nm）的熒光強(qiáng)度，以芘的熒光強(qiáng)度I1/I3與FAOGE的質(zhì)量濃度的對數(shù)作圖，求出臨界聚集濃度[7]。

1.3.6粒徑的測定

取適量1.3.4節(jié)中制備的自聚集溶液在5 600×g條件下離心10 min后裝入比色杯中，將比色杯放入粒徑測定儀的樣池中進(jìn)行粒徑測定，樣品均重復(fù)測定3 次。測試條件為：氦氖激光器，波長為633 nm，溫度為（25±0.1） ℃，動態(tài)光散射角度為90 °[7]。

1.3.7響應(yīng)面試驗設(shè)計

采用Box-Behnken設(shè)計原理，選取FAOGE的CAC值、平均粒徑為響應(yīng)值，F(xiàn)AOGE的結(jié)構(gòu)參數(shù)：燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量（X1）、脂肪酸β-葡聚糖酯取代度（X2）、?；滈L（X3）為自變量，進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0和Design-Expert 8.0軟件。用Turkey’s HSD進(jìn)行方差分析（P＜0.05為差異顯著），數(shù)據(jù)用表示。

2　結(jié)果與分析

2.1響應(yīng)曲面試驗結(jié)果

在本試驗中，燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量、FAOGE取代度、?；滈L對FAOGE溶液的CAC值和膠束粒徑的影響見表1。

表1　FAOGE的CAC和膠束粒徑的Box-Behnken試驗結(jié)果Table 1 Box-Behnken design arrangement with response values of critical aggregation concentration(CAC)and micelle size of fatty acid oat -glucan esters(FAOGEs)

2.2FAOGE結(jié)構(gòu)對CAC值的影響

運(yùn)用Design-Expert軟件對表1中的CAC值試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析。

表2　FAOGE的CAC值和膠束粒徑的二次響應(yīng)模型方差分析Table 2 Analysis of variance(ANOVA)for the effects of structure parameters on CAC and micelle size of FAOGEs

由表2可知，各單因素項燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量（X1）、酯的取代度（X2）、酰基鏈長（X3）和燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量的二次項（X12）、取代度的二次項（X22）、?；滈L的二次項（X32）對FAOGE的CAC的影響是顯著的，其中X2、X3、X32的影響為極顯著（P＜0.01），燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量和取代度的交互項（X1X2）、取代度與?；滈L的交互項（X2X3）對FAOGE的CAC的影響顯著（P＜0.05），而燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量和?；滈L的交互項（X1X3）對FAOGE的CAC的影響不顯著，說明設(shè)計中的因素與CAC之間不是簡單的線性關(guān)系。

為了進(jìn)一步分析各因素對響應(yīng)值的影響趨勢，利用Design-Expert軟件，分別固定?；滈L（X3）、酯的取代度（X2）和燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量（X1）在原點，依次繪制得到其他兩個變量的等高線圖（圖1）。

圖1　FAOGE的結(jié)構(gòu)對CAC值影響的等高線圖Fig.1 Contour plots for the effects of structure parameters on CAC of FAOGEs

2.2.1燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量對CAC值的影響

由圖1a、1b可知，隨著燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量的遞增，F(xiàn)AOGE膠束溶液的CAC值逐漸增大，說明β-葡聚糖分子質(zhì)量越大，F(xiàn)AOGE越不容易發(fā)生自聚集。這是由于酸水解顯著降低了FAOGE的黏度，使其溶液流變學(xué)特性發(fā)生改變，降低了FAOGE發(fā)生自聚集時的空間位阻[15]。Kim等[16]曾報道在乙二醇?xì)ぞ厶?脫氧膽酸結(jié)合物中，隨著乙二醇?xì)ぞ厶欠肿淤|(zhì)量的增大，疏水的脫氧膽酸之間的有效結(jié)合越困難。

2.2.2取代度對CAC的影響

由圖1a、1c可知，隨著取代度的增大，F(xiàn)AOGE膠束溶液的CAC逐漸減小。當(dāng)取代度最大時，F(xiàn)AOGE的CAC最小。這是由于隨著疏水改性物質(zhì)取代度的不斷提高，F(xiàn)AOGE疏水側(cè)鏈的分子內(nèi)疏水相互作用力就逐漸增強(qiáng)，在極性溶液中就越容易形成緊密的核殼結(jié)構(gòu)聚合體[17]。這說明FAOGE膠束溶液的CAC與取代度之間成負(fù)相關(guān)，與Wang Hao[18]、Filippov[19]等的研究結(jié)果一致。

2.2.3?；滈L對CAC的影響

由圖1b、1c可知，隨著?；滈L的增加，F(xiàn)AOGE膠束溶液的CAC值逐漸減小。說明?；溤介L的FAOGE越容易發(fā)生自聚集。這是因為兩親性物質(zhì)發(fā)生自聚集行為的主要推動力是疏水相互作用，而隨著酰基鏈長的增加，F(xiàn)AOGE側(cè)鏈的疏水性增加，使得其更容易發(fā)生自聚集，CAC值就顯著降低。這與Lin[20]和van Kempen[21]等的研究結(jié)果一致。

2.3FAOGE結(jié)構(gòu)對其膠束粒徑的影響

運(yùn)用Design-Expert軟件對表1中FAOGE的膠束粒徑的試驗結(jié)果部分進(jìn)行方差分析。由表2可知，燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量（X1）、酯的取代度（X2）、?；滈L（X3）、燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量和取代度的交互項（X1X2）、燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量和?；滈L的交互項（X1X3）及燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量的二次項（X12）對粒徑的影響顯著。而取代度的二次項（X22）、?；滈L的二次項（X3

2）及取代度與酰基鏈長的交互項（X2X3）對粒徑的影響不顯著。這說明設(shè)計中的因素與響應(yīng)值（粒徑）之間不是簡單的線性關(guān)系。

為了進(jìn)一步分析各因素對響應(yīng)值的影響趨勢，利用Design-Expert軟件，分別固定?；滈L（X3）、取代度（X2）和燕麥β-葡聚糖的分子質(zhì)量（X1）在原點，繪制得到其他兩個變量的等高線圖（圖2）。

圖2　FAOGE的結(jié)構(gòu)對其膠束粒徑影響的等高線圖Fig.2 Contour plots for the effects of structure parameters on micelle size of FAOGEs

2.3.1燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量對膠束粒徑的影響

由表2和圖2可知，F(xiàn)AOGE的結(jié)構(gòu)對其膠束粒徑具有顯著的影響。具體來看，由圖2a、2b可知，F(xiàn)AOGE膠束粒徑隨著燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量的增大而增大。這可能是由于兩方面的原因：一方面，當(dāng)FAOGE的疏水鏈部分相同時，F(xiàn)AOGE中的燕麥β-葡聚糖的分子質(zhì)量越大，其鏈越長，相較于鏈短的燕麥β-葡聚糖所形成的膠束的殼越大；另一方面，當(dāng)燕麥β-葡聚糖的分子質(zhì)量減小時，會使膠束自聚集時的空間曲率降低，從而使整個膠束更容易被壓縮[22]。

2.3.2取代度對膠束粒徑的影響

由圖2a、2c可知，隨著FAOGE取代度的增大，膠束的粒徑逐漸減小。這是因為取代度的增大使FAOGE分子鏈上疏水基團(tuán)數(shù)量增加，進(jìn)一步增加了FAOGE分子內(nèi)與分子間的疏水作用，使整個膠束更緊密的結(jié)合在一起。此外，也有文獻(xiàn)[23]報道，當(dāng)疏水鏈段的取代度增大時，所需的形成一個膠束的聚合物分子束越少，因此膠束的粒徑就越小。相似的實驗結(jié)果也出現(xiàn)在對N-癸二?；鶜ぞ厶荹24]、油?；鶜ぞ厶荹17]、油酰海藻酸酯[25]的研究中。

2.3.3酰基鏈長對膠束粒徑的影響

由圖2b、2c可知，F(xiàn)AOGE的膠束粒徑隨酰基鏈長的增長而減小，這是由于隨著酰基鏈長的增加，使疏水基團(tuán)的疏水性增大，從而增大了疏水基團(tuán)間的相互作用，使自聚集膠束形成更緊密的核殼結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為膠束粒徑減小。這與施東健等[23]的研究結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

本實驗利用響應(yīng)曲面法研究了FAOGE的結(jié)構(gòu)因素（燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量、酯的取代度、?；滈L）對其自聚集體的CAC和粒徑的影響。經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AOGE的結(jié)構(gòu)對其自聚集行為和膠束粒徑具有顯著的影響。其中不同結(jié)構(gòu)的FAOGE溶液的CAC值在質(zhì)量濃度為0.050～0.165 mg/mL的范圍內(nèi)，隨著取代度的增大、?；滈L的增長以及燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量的降低而顯著降低，越容易發(fā)生自聚集行為。不同結(jié)構(gòu)的FAOGE的自聚集體平均粒徑在264.7～530.9 nm范圍內(nèi)，其隨著取代度的增大、酰基鏈長的增長以及燕麥β-葡聚糖分子質(zhì)量的減小而顯著減小。

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Effects of Structure Parameters of Fatty Acid Oat β-Glucan Ester on Its Critical Aggregation Concentration and Micelle Size

ZHU Peipei1,CHEN Fang1,YE Fayin1,2,ZHAO Guohua1,2,*
(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China; 2.Chongqing Engineering Research Center of Regional Food,Chongqing 400715,China)

Abstract:The structural dependence of the self-aggregation behavior and size of micelles of fatty acid oat β-glucan esters(FAOGEs)was investigated in this study.The structure parameters of FAOGEs tested included molecular weight(Mw)of β-glucan(7.4 × 104–16.8 × 104D),degree of substitution(DS)of oat β-glucan fatty acid esters(0.010 ± 0.002–0.030 ± 0.002),and acyl chain length(6,8 and 10).The results showed that the critical aggregation concentration(CAC)of FAOGEs with different structures was in the range of 0.050–0.165 mg/mL and increased significantly with decreasing DS and acyl chain length and with increasing Mwof oat β-glucan.The effect of structure parameters of FAOGE on CAC was in the decreasing order:acyl chain length > DS > Mwof oat β-glucan.The average micelle size of FAOGEs with different structures was in the range of 264.7–530.9 nm and increased significantly with decreasing DS and acyl chain length and with increasing Mwof oat β-glucan.The effect of structure parameters of FAOGE on micelle size was in the decreasing order:DS > acyl chain length > Mwof oat β-glucan.

Key words:fatty acid oat β-glucan esters; structure; critical aggregation concentration; size

中圖分類號：TS201.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6630（2016）05-0012-05

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201605003 10.7506/spkx1002-6630-201605003.http://www.spkx.net.cn

*通信作者：趙國華（1971—），男，教授，博士，研究方向為食品化學(xué)與營養(yǎng)學(xué)。E-mail：zhaoguohua1971@163.com

作者簡介：祝佩佩（1991—），女，碩士研究生，研究方向為食品安全與質(zhì)量控制。E-mail：1436817273@qq.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金面上項目（31371737）；重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心能力提升項目（cstc2014pt-gc8001）

收稿日期：2015-06-10